Hoe BIM de deeltjesversneller Swissfel mogelijk maakte

Unieke uitdagingen

High-endtechnologie zoals de deeltjesversneller van het wereldvermaarde CERN, de kernfusiereactoren Wendelstein 7-X of ITER - waarvan het ontvangstgebouw is ontworpen door Vectorworks-gebruiker Rudy Riccioti - zijn technologisch bijzonder uitdagend. Maar hun behuizing is vaak relatief eenvoudig: een grote of lange doos met een voorliefde voor beton, of in geval van het CERN, een erg lange cirkelvormige tunnel.

Niet zo voor SwissFEL, dat de architecten van IttenBrechbühl AG ook bouwtechnisch en landschappelijk voor een hele uitdaging plaatste. Gelukkig had het Vectorworks-bureau al heel wat ontwerpwatertjes doorzwommen. Van het zwierige hoofdkwartier van Swatch/Omega dat ontworpen werd in samenwerking met Shigeru Ban tot de imposante ziekenhuiscampus van AZ Groeninge in Kortrijk: de ontwerpen van IttenBrechbühl AG vallen steeds op door een kwaliteitsvolle integratie van techniek en design. Daar waken de meer dan 300 medewerkers uit ruim 17 landen wel over.

De geringe grootte van SwissFEL was een van de belangrijkste hindernissen. Andere vrije elektronenlasers zijn minstens 3 kilometer lang, terwijl de SwissFEL een lengte van slechts 740 meter heeft. Die budgetgedreven beslissing vereiste een nauwkeuriger ontwerp om te garanderen dat de high-tech apparatuur ook effectief zou werken. Die precisie werd bereikt met behulp van moderne modeltechnologie en diverse teams die zich afzonderlijk focusten op het ontwerp, de ontwikkeling en de bouw van dit vernuftig staaltje architectuur.

Het SwissFEL-project, dat grotendeels door de Zwitserse regering wordt gefinancierd, stelde de architecten en wetenschappers bovendien voor een aantal lastige inplantingskeuzes. Om goedkeuring te krijgen van diezelfde regering moest het project een harmonieus geheel vormen met het omringende boslandschap. Het team koos voor een radicale oplossing: het volledige project werd deels ingegraven, de rest werd verborgen door een kunstmatige heuvel. Daardoor werd de ongestoorde doortocht van bosdieren gegarandeerd.

Tolerantie en precisie

Toen het uitgebreide plan voor de integratie in de omgeving was goedgekeurd, richtten de architecten zich op de precisie en tolerantie in het ontwikkelingsproces van SwissFEL. Ontwerpers en ingenieurs werkten nauw samen aan de plannen voor het fysieke gebouw en de deeltjesversneller - de constructie dient immers als behuizing voor de versneller en de bijbehorende apparatuur.

Om een 740 meter lang gebouw geschikt te maken voor een state-of-the-art laser, moest het projectteam elke millimeter verantwoorden en benutten. De architecten kregen bovendien een bijzonder kleine foutenmarge. Omdat er specifieke eisen aan de temperatuurstabiliteit van SwissFEL werden gesteld, moest veel aandacht besteed worden aan de HVAC-plannen en de dikte van de muren.

Maar dat bracht nieuwe problemen met zich mee, want trillingen van die HVAC-installatie konden dan weer de functionaliteit van de versneller beïnvloeden. De oplossing? Een tunnel naar de laser die losgekoppeld werd van de rest van het gebouw door een opening in het beton. Zelfs de plaatselijke seismische activiteit en de kromming van de aarde (die er over zo'n lengte voor zorgt dat de vloer niet exact horizontaal loopt) werden in rekening gebracht om een optimale werking van de versneller te garanderen. Om de nauwkeurigheid verder te verzekeren, werd de betonplaat uitgevoerd zonder de gebruikelijke dilatatie- en zettingsvoegen. Een huzarenstuk, zonder twijfel.

Uiteenlopende teams

Dat de SwissFEL-bovenbouw het werk was van verschillende teams, maakte het project er niet eenvoudiger op. Een beknopt overzicht van de verantwoordelijkheden van elk team: 

Maar liefst 10 architecten van IttenBrechbühl AG vormden samen het planningsteam. Ze werkten in Vectorworks voor de ontwikkeling van het 3D-model, het maken van de 2D-bestekken en -tekeningen en de implementatie van het BIM-uitvoeringsplan. Ondanks alle expertise moest het team heel wat externen raadplagen: een burgerlijk ingenieur die de dikte van de betonplaten moest berekenen om de kans op scheurtjes in een constructie zonder dilatatievoegen te minimaliseren en diverse experts inzake ventilatie, bouwfysica, geologie, loodgieterswerk, geometrie, elektriciteit en brandpreventie.

Ook het bouwteam bestond uit meerdere specialisten. Alpiq was verantwoordelijk voor de elektriciteit en de HVAC-installaties - en bijgevolg voor de temperatuurstabiliteit in het gebouw. Grondverzetbedrijf Eberhard groef dan weer de enorme greppel voor SwissFEL. Ten slotte goot Specogna al het beton voor de bovenbouw.

De inspanningen van het plannings- en bouwteam ondersteunden het werk van de SwissFEL-ingenieurs, die de versneller ontwierpen met behulp van CATIA, een modelleerprogramma dat voornamelijk voor lucht- en ruimtevaart, scheepsbouw en andere constructiesectoren wordt gebruikt. Het ingenieursteam hield het plannings- en bouwteam voortdurend op de hoogte om het behuizingsontwerp van de versneller te optimaliseren.

BIM in de praktijk

Het mag duidelijk zijn dat het plannings- en ontwerpproces van SwissFEL geen sinecure was. Alle betrokkenen namen de tijd voor diepgaand onderzoek, zodat ze zo veel mogelijk achtergrondinformatie hadden over de versneller en zijn locatie.

Al die documentatie vervolgens zinvol en gecontroleerd samenbrengen, was nooit gelukt zonder BIM-workflows. De architecten van IttenBrechbühl AG waren al vertrouwd met BIM omdat ze – weliswaar in een 2D-omgeving – al een aantal laboratoriumprojecten hadden voltooid. Maar veel externe specialisten waren niet gewend aan BIM-workflows en verdiepten zich eerst in BIM voor ze aan hun eigenlijke taak konden beginnen.

Als onderdeel van het voorbereidingsproces moesten de teams besluiten welke software ze voor het modelproces zouden gebruiken. Overschakelen naar nieuwe software voor een project van deze schaal is niet alleen tijdrovend, maar vergroot ook de risico's op fouten. Elk team dat bij het ontwerp, de ontwikkeling en de constructie van het SwissFEL-gebouw betrokken was, gaf daarom de voorkeur aan persoonlijke beheersing boven het gemak van één ontwerpprogramma. Dat betekende dat iedereen met de eigen, vertrouwde software zou werken.

Om de samenwerking tussen de verschillende partijen en hun respectievelijke softwarevoorkeuren mogelijk te maken, werd gebruik gemaakt van een openBIM-workflow waarbij het IFC-bestandsformaat (Industry Foundation Classes) centraal stond.

Wanneer BIM te groot wordt

Het hoge detailniveau voor de succesvolle bouw van SwissFEL was op vele niveau's problematisch. Zo waren de ontwerpbestanden zo groot dat ze het ontwerpproces bemoeilijkten.

Zoals steeds in een openBIM-project, wilden de architecten van IttenBrechbühl AG de deelontwerpen consolideren en controleren in een BIM-managementtool. Zo wilden ze mogelijke gebreken in het ontwerp detecteren en nagaan of het model voldeed aan alle afspraken tussen de verschillende teams. Alle bestanden inladen in de populaire Solibri Model Checker bleek echter onmogelijk: de ontwerpbestanden van SwissFEL waren te groot en te gedetailleerd.

De architecten losten dit probleem op door het digitale model vanuit Vectorworks te exporteren naar het juiste bestandsformaat (Parasolid X_T) en daarmee langs te gaan bij het ingenieursbureau om clashes handmatig in CATIA op te sporen. Terwijl ze van de 3D-ontwerpen de 2D-tekeningen afleidden, namen ze elk detail van het gebouw door, bekeken ze samen elk element zorgvuldig en vergeleken ze het met de eisen van de deeltjesversneller.

Toen de virtuele bouw klaar was en de eigenlijke bouw op het punt stond om te beginnen, doemde een nieuw probleem op: de conversie van de 3D-modellen naar 2D-bouwplannen leverde quasi onleesbare resultaten op.

Er waren gewoon te veel gegevens om duidelijke 2D-documenten te maken. Het probleem werd opgelost door het plan in verwerkbare stukken op te delen. Zo konden de informatierijke 3D-modellen van het project naar ontcijferbare bouwplannen vertaald worden.

Om de leesbaarheid van de plannen te vergroten, werd afgesproken om gebruik te maken van de Zwitserse interpretatie van de Level of Development (LOD) Specification for Building Information Models. Dit is een maatstaf die architecten, ingenieurs en aannemers in staat stelt om de inhoud en betrouwbaarheid van BIM in verschillende fasen van het ontwerp- en bouwproces te specificeren en verwoorden. Daardoor zien de verschillende partners in het bouwproces enkel de informatie op het detailniveau dat voor hun specialisme van belang is.

Leerervaringen

• SwissFEL stelde alle betrokkenen voor heel wat vraagtekens, maar inmiddels is het BIM-project uitgegroeid tot een voorbeeld. Het verduidelijkt de spelregels voor grootschalige bouwprojecten met meerdere partijen, waarbij de nadruk ligt op het organiseren van planningsteams, de beperkingen en vrijheden van werken met verschillende specialismen binnen complexe structuren, en het belang van een duidelijk omschreven detailniveau.
• De beste BIM-workflows zijn flexibel. Bij het ontwerp van het SwissFEL-gebouw bleven de architecten en ontwerpers aan hun workflows sleutelen tot alle gestelde doelen gerealiseerd waren.
• Door binnen openBIM-workflows te ontwerpen, versterkten de plannings- en bouwteams ook hun onderlinge samenwerking. Er kon samengewerkt worden met specialisten die op hun best konden presteren in hun eigen vertrouwde software-omgeving. Dankzij openBIM sloten alle modellen op elkaar aan en werden er succesvolle bouwplannen uit afgeleid.
• In een ontwerpomgeving met meerdere partijen moet het ideale detailniveau continu bewaakt worden. Alle partijen moeten vanaf het begin weten welke gegevens vereist zijn, om zo onderlevering of overdocumentatie te voorkomen en een probleemloze openBIM-samenwerking te garanderen. 
• Bij elke fase van de SwissFEL-ontwikkeling was een aanzienlijk team van architecten, wetenschappers, aannemers, duurzaamheidsexperts en andere professionals betrokken, maar door de toepassing van responsive technieken voor virtuele modellen werd het clash-detectieproces gestroomlijnd en het risico van dure praktijkfouten sterk verminderd.

Nog voor het project van start ging waren alle betrokken partijen overtuigd van het belang van een BIM-workflow - een mening die tijdens het proces enkel versterkt werd. Het succes van SwissFEL is het beste bewijs dat een allesomvattende, flexibele openBIM-workflow cruciaal is voor een project van deze omvang.

Deze tekst is een bewerkte vertaling van het oorspronkelijke stuk van architect Andreas Jöhri en werd aangevuld met informatie uit de presentatie van IttenBrechbühl AG op de Vectorworks Design Summit 2015 in Philadelphia.