Hamburg Hauptbahnhof: Digitaler Zwilling als Synchronisationsmotor für komplexe Bauprojekte

Züge fahren ein und aus, Reisende wechseln zwischen den Bahnsteigen, Geschäfte bleiben geöffnet, technische Anlagen müssen funktionieren. Gleichzeitig wird geplant, gebaut, instandgesetzt und umgebaut. Am Hamburger Hauptbahnhof treffen damit zwei Anforderungen aufeinander, die sich nur schwer voneinander trennen lassen: Der Bahnhof muss sich verändern, darf aber währenddessen nicht aufhören zu funktionieren.

Mit mehr als einer halben Million Menschen täglich zählt der Hamburger Hauptbahnhof zählt zu den am stärksten frequentierten Eisenbahnknotenpunkten Europas. Das stellt den laufenden Betrieb und die kontinuierliche Bauunterhaltung vor außergewöhnliche infrastrukturelle Herausforderungen. Für die kommenden Jahre ist eine Vielzahl verschiedener Projekte mit unterschiedlichen Ausrichtungen und Auftraggebern in Planung oder angedacht. Diese Vorhaben beeinflussen sich gegenseitig und müssen deshalb projektübergreifend koordiniert werden. Denn beanspruchen mehrere Baumaßnahmen zeitgleich dieselben Verkehrs-, Logistik- oder Montageflächen, können Baufelder sich überschneiden. Ohne abgestimmte Steuerung drohen Sicherheitsrisiken für Fahrgäste oder kostspielige Betriebsunterbrechungen. Gleichzeitig muss das Bahnhofsmanagement den laufenden Gebäudebetrieb sicherstellen.

Als zentraler methodischer Lösungsansatz für diese Multiprojektkomplexität kann ein Digitaler Zwilling (Digital Twin, DT) dienen. Er unterscheidet sich grundlegend von einem statischen Bauwerksdatenmodell mit Building Information Modeling (BIM). Ein BIM-Modell bildet Geometrie und Eigenschaften eines Bauwerks zu einem bestimmten Stichtag ab. Ein Digitaler Zwilling geht darüber hinaus: Er koppelt das physische Bauwerk kontinuierlich mit seinem virtuellen Modell und fügt ihm eine vierte Dimension hinzu:

Bei einem komplexen Verkehrsknoten wie dem Hamburger Hauptbahnhof reicht es nicht, nur den Raum zu betrachten. Auch die Zeit wird zur Planungsgröße. Die räumlich-zeitliche Überlagerung multipler Projekte an komplexen Verkehrsknotenpunkten wie dem Hamburger Hauptbahnhof erfordert deshalb modellbasierte 4D-Methoden. Dabei werden die dreidimensionalen Modelle mit den jeweiligen Terminabläufen verknüpft. So lässt sich nicht nur erkennen, wo gebaut wird, sondern auch wann bestimmte Flächen oder Bereiche benötigt werden. Modellbasiert lassen sich Bau-, Logistik- und Verkehrsflächen im laufenden Betrieb koordinieren und technische Abhängigkeiten sowie Synergien identifizieren.

Eine zentral fortgeschriebene Datengrundlage verhindert zudem, dass Bestandsinformationen mehrfach erhoben werden müssen. Sie ermöglicht zugleich, zukünftige Zustände zu simulieren und Planungen auf aktuelle, statt auf veraltete Bestandsdaten zu stützen. Nach Projektabschluss sollen die Daten nahtlos in den Betrieb übergehen. Dazu gehören aktualisierte As-Built-Geometrien, die den tatsächlich ausgeführten Zustand abbilden, ebenso wie Instandhaltungsdaten für Systeme wie SAP-PM und Informationen als Grundlage für das Mängel- und Gewährleistungsmanagement.

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4D-Multiprojektsynchronisation im Digitalen Zwilling

Im Zuge eines projektübergreifenden BIM-Managements haben die Projektverantwortlichen an der Etablierung einer modellbasierten Synchronisation des Bestands, Betriebs und aller geplanten Baumaßnahmen gearbeitet. So lassen sich bauliche und betriebliche Belange dynamisch verknüpfen. Ziel ist, Bau- und Instandhaltungsmaßnahmen so zu steuern, dass der Betrieb des Verkehrsknotens Hamburger Hauptbahnhof kontinuierlich sichergestellt wird.

Die Grundlage für die Planung und Synchronisation der Projektmodelle bilden semantische Bestandsmodelle. Sie enthalten nicht nur die Geometrie eines Bauteils, sondern auch Informationen darüber, um welches Bauteil es sich handelt und welche Eigenschaften es besitzt. Damit bilden sie die gemeinsame Basis für die technische und zeitliche Planung von Baumaßnahmen, die in den Betrieb eingreifen. Für die Initiierung von Bestandsmodellen müssen die baulichen Strukturen und technischen Anlagen des gesamten Hauptbahnhofs geometrisch und semantisch erfasst werden.

Um mehrere Projekte gleichzeitig beherrschbar zu machen, reicht diese semantische Modellierung allein allerdings nicht aus. Hinzu kommt eine integrierte 4D-Modellierung, die die geometrischen 3D-Teilmodelle sämtlicher Einzelprojekte mit ihren jeweiligen Terminabläufen verknüpft und bis zu einer Dekade in die Zukunft projizieren kann. Um räumliche Nutzungskonflikte automatisiert und regelbasiert zu identifizieren, beschränkt sich das Modell nicht auf die Bauteile, die später dauerhaft vorhanden sein werden. Es bildet auch explizit temporäre Baustelleneinrichtungen, Logistikwege, Gerüstaufbauten und Arbeitsräume ab. Diese temporären Flächen können im Modell über standardisierte Raumobjekte als digitale Platzhalter dargestellt werden. So wird beispielsweise sichtbar, wenn ein Projekt an einer Stelle ein Gerüst benötigt, während ein anderes Projekt genau dort zur selben Zeit einen Transportweg vorsieht. Räumlich wäre beides möglich, zeitlich kollidieren die Vorhaben jedoch.

Projektübergreifende Virtual Design Reviews (VDR) und Modellprüfungen

Damit das 4D-Modell nicht nur eine technische Planungshilfe bleibt, sondern tatsächlich in die Projektsteuerung einfließt, wird es in projektübergreifende Virtual Design Reviews (VDR) eingebunden. Dabei handelt es sich um gemeinsame Abstimmungstermine, in denen die Modelle räumlich und zeitlich analysiert werden. Der Prozess folgt einer klar definierten dreistufigen Abfolge:

• Vorbereitung: Die Teilprojektverantwortlichen liefern ihre aktuellen Statusberichte und aktualisierten 4D-Teilmodelle auf einer zentralen Kollaborations-Plattform ab. Es erfolgen Prüfungen bezüglich Datenqualität und 4D-Kollisionen.
• Durchführung: In der VDR-Besprechung werden die zusammengeführten Modelle visuell und zeitlich analysiert. Über vordefinierte Ansichtspunkte und dynamische Schnitt-Ebenen werden geometrische und zeitliche Schnittstellen transparent diskutiert.
• Nachbereitung: Identifizierte Konflikte bzw. weitere Erkenntnisse werden als BCF in einer CDE angelegt und bis zu Ihrer Lösung gesteuert bzw. zur künftigen Nutzung modellbezogen dokumentiert. Das herstellerneutrale Austauschformat ermöglicht es, Aufgaben und Probleme direkt mit einer bestimmten Stelle oder Ansicht im BIM-Modell zu verbinden, ohne dafür das komplette Modell austauschen zu müssen.

Im Zuge der Modellprüfungen durch das projektübergreifende BIM-Management wurde eine regelbasierte 4D-Kollisionsprüfungen durchgeführt. Sie erweitert die klassische 3D-Kollisionsprüfung um die Zeit. Die Analyse erkennt damit auch dynamische Raum-Zeit-Konflikte, die entstehen, wenn zwei Objekte oder Platzhalter dieselbe Fläche zum selben Zeitpunkt beanspruchen. Alle Unstimmigkeiten werden als strukturierte Topics im herstellerneutralen Building Collaboration Format (BCF) erfasst, referenziert und nachverfolgt.

Intuitive Datenintegration für das Bahnhofsmanagement

Eine weitere Anforderung neben der Multiprojektsteuerung war, den Mitarbeitenden im Bahnhofsmanagement die Bestandsgeometrie und aktuelle Informationen zum Bestand mobil bereitzustellen. Der Zugriff auf den Digitalen Zwilling sollte daher auf mobilen Devices und mit einer intuitiven Nutzeroberfläche verfügbar ein. Durch eine bidirektionale Verknüpfung von 3D-Bestandsmodellen mit dem ERP-System SAP-PM können operative Instandhaltungskräfte deshalb auch mobil sowohl auf verortete Stammdaten von technischen Equipments als auch auf aktuelle Bewegungsdaten wie Störungsmeldungen, Wartungspläne und Prüfprotokolle zugreifen. Dies bildet die Grundlage für zielgerichtete Wartungsabläufe und eine reaktionsschnelle Reparaturabwicklung.

Perspektivisch kann der Digitale Zwilling mit dem Mängel- und Gewährleistungsmanagement verknüpft werden, sodass der Bearbeitungsfortschritt objektspezifisch nachverfolgt werden kann. Das Bahnhofsmanagement, als Betreiber des Bahnhofs, kann so in Echtzeit den Zustand des Bahnhofs verfolgen.

Als weiterer Anwendungsfall des Digitalen Zwillings kann die Zusammenführung verteilter Geometrie- und Vertragsdaten von Gastronomie- und Einzelhandelsflächen in einen sogenannten Shop-Steckbrief erfolgen. Dieser beinhaltet gebündelt alle relevanten Informationen einer Mietfläche, die sowohl für die Vermarktung als auch die Verwaltung relevant sind.

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Fazit: Erkenntnisse, Skalierbarkeit und Weiterentwicklung

Die Implementierung eines Digitalen Zwillings für den Hamburger Hauptbahnhof erfordert die Bewältigung komplexer Hürden:

• Der Bestand muss geometrisch und alphanumerisch erfasst werden, unterschiedliche IT-Systeme und Schnittstellen müssen zusammenspielen. Hinzu kommt ein organisatorischer Wandel hin zu einer stärker datenbasierten Zusammenarbeit.
• Diesen Aufwänden stehen essenzielle Mehrwerte gegenüber. Eine zentrale, redundanzfreie Datennutzung senkt Kosten und optimiert die Projektkoordination. Simulationen am Zwillingsmodell helfen außerdem, parallele Bauprojekte und laufenden Betrieb aufeinander abzustimmen und dem Bahnhofsmanagement die dafür nötigen Informationen bereitzustellen.

Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung ist ein strukturiertes, stufenweises Vorgehen:

• Zunächst werden Ziele, beteiligte Akteure und priorisierte Anwendungsfälle definiert.
• Danach folgt die Analyse der vorhandenen Datenquellen und Prozesse.
• Erst auf dieser Grundlage werden Systeme ausgewählt, Schnittstellen entwickelt und das notwendige IT-Ökosystem aufgebaut.

Zusammenfassend zeigt sich, dass ein Digitaler Zwilling des Hamburger Hauptbahnhofs weit mehr ist als eine technologische Repräsentanz – er ist das zentrale strategische Werkzeug für das ganzheitliche, kollaborative Informations- und Betriebsmanagement der Zukunft.