SwissFEL: Hochpräzise planen ohne Netz und doppelten Boden

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SwissFEL Grossforschungsanlage, Villigen AG Kreativer Einsatz von BIM Itten+Brechbühl AG, November 2016 SwissFEL Grossforschungsanlage, Villigen AG 1

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SwissFEL Grossforschungsanlage, Villigen AG

Kreativer Einsatz von BIM

Itten+Brechbühl AG, November 2016

SwissFEL Grossforschungsanlage, Villigen AG

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TitelbildSwissFEL Free Electron LaserPlanung für Spitzenforschung an der Grenze des Machbaren

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Summary

SwissFEL war ein hochpräziser Bau ohne konkretes Vergleichsobjekt.Die Planungsaufgaben waren bei Weitem komplexer als bei «normalen» Grossprojekten.Die Planer trugen entscheidend zum Erfolg bei.

• Bei den Planern liefen alle Fäden zusammen – sie regelten Planung, Organisation und Kommunikation.

• Wegen hoher Anforderungen an Präzision war der laufende Know-how-Transfer zwischen allen Beteiligten ein Must.

• Der kreative Einsatz von BIM machte SwissFEL überhaupt möglich.• Hohes Mass an Flexibilität war während des Baus gefordert wegen paralleler

Entwicklung der Maschine durch das PSI.• Erfindungen während des Baus ermöglichten Lösungen.• Gute Gestaltung muss auch bei hohen technischen Vorgaben nicht zu kurz

kommen.

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Inhalt

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• Was ist der SwissFEL?• Ausgangslage• Architektur innerhalb enger technischer Grenzen• Planerische Herausforderungen am Beispiel Interface

Leerrohre• Bauliche Herausforderungen am Beispiel Doppelboden• Kontakt

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Was ist der SwissFEL?

Die neue Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts (PSI) erzeugt sehr kurze Pulse von Röntgenlicht mit Lasereigenschaften. Damit werden Forschende extrem schnelle Vorgänge wie die Entstehung neuer Moleküle bei chemischen Reaktionen verfolgen, die detaillierte Struktur lebenswichtiger Proteine bestimmen oder den genauen Aufbau von Materialien klären. Dabei werden die Forschenden Einblicke gewinnen, wie sie mit heute verfügbaren Methoden nicht möglich sind. Die Erkenntnisse werden unser Verständnis der Natur erweitern und zu praktischen Anwendungen führen wie etwa neuen Medikamenten, effizienteren Prozessen in der chemischen Industrie oder neuen Materialien in der Elektronik. 

Quelle:https://www.psi.ch/media/ueberblick-swissfel

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IttenBrechbühl ist im Auftrag des TU verantwortlich für :

• die Gesamtleitung und Koordination der Planung• die Planung Architektur• das Baumanagement

• «Dolmetschen»• Sonderfälle

AusgangslageAuftrag von IttenBrechbühl

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Die Lage und Form des Gebäudes, die technischen Bedingungen sowie die Einbettung in die Umgebung sind durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Anforderungen detailliert vorgegeben. Baueingabe erfolgt durch PSI.

AusgangslageGebäudelage und -form

Und die Architekten?

Quelle: https://www.psi.ch/swissfel/

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Das Gebäude ist grösstenteils überdeckt und die Konturen dadurch verschwommen. Nur an einzelnen Stellen wird es als solches von aussen erkennbar.

AusgangslageEinbettung in die Landschaft

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Experimente

• Experimentatoren• Publikum• Aufenthalt

Strahlerzeugung und Infrastruktur

• kein «Publikumszugang»• keine permanenten Arbeitsplätze

AusgangslageGebäudedisposition

Geschoss G0

Geschoss G1

740 m

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Das Gebäude repräsentiert die aufs Minimum reduzierte, rein funktional optimierte «Verpackung» der Maschine und Experimentierflächen

AusgangslageGestaltungsspielraum: So wenig wie möglich

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• 740 m Gebäudelänge ohne Dilatationsfugen• Erdkrümmung korrigiert

~2x13mm• Toleranz für Hartbetonbelag in Strahlkanal absolut

± 2mmmaximale «Steigung» wegen Luftkissentransport

2 mrad• Temperatur in Strahlkanal

24°C ± 0.1°C• Deckenstärke über Strahlkanal (Strahlenschutz)

1.50m• Erschütterungen zwischen 1-100 Hz

< 0.1µm• Bauherr entwickelt parallel zum Gebäude die dem

FlexibilitätProjekt zu Grunde liegende «Maschine»

AusgangslageAusserordentliche Vorgaben

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Aufgrund der speziellen Anforderungen für die Maschine sind die Vorgaben ausserhalb der üblichen BaustandardsPSI misst anders... 1 femtosekunden = 0.0000000000001 sekunden

AusgangslageAusserordentliche Vorgaben

Quelle: https://www.psi.ch/info/MediaBoard/Swiss_FEL_e.pdf

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AusgangslageZum Beispiel – Erdkrümmung ausgleichenHerkömmliche Methoden sind zu ungenau

740 m

ca. 1

3 m

m

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• Was kann noch beeinflusst werden?• Was darf noch beeinflusst werden?• Die Vorgabe ist reduziert auf das

technisch Notwendige• Zielsetzung: eine angenehme und

inspirierende Umgebung mit eigener Identität für die Forschenden

Architektur«Reduce to the Max»

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Experimentierareal Hard X

Experimentierareal

Soft X

Vorbereitung Aufenthalt Kontrollbereich

Haupteingang

ArchitekturIdentitäten bilden – Orientierung schaffen

Kontrolle – Aufenthalt - Vorbereitung• Wand: silberfarbener Anstrich gebürstet• Sichtfenster zum Gang als indirekte

Beleuchtung• Hochwertige Türen und Fenster• Boden: hellgrauer Steinholzbelag• Decke: weiss gestrichen

Experimentierareal Hard X• Wand: goldfarbener Anstrich gebürstet• Boden: hellgrauer Steinholzbelag• Decke: weiss gestrichen• Hochwertige Türen und «Fenster»

Experimentierareal Soft X• Wand: kupferfarbener Anstrich

gebürstet• Boden: hellgrauer Steinholzbelag• Decke: weiss gestrichen• Hochwertige Türen und Fenster

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ArchitekturOrientierungshilfe im InnernAngabe der Z-Koordinate bezogen auf den Maschinen Nullpunkt als Gestaltungselement

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ArchitekturAussenansichten der unterirdischen Anlage• Fassadenteile mit klarer Form und definierten Abschlüssen• Erdüberdeckung lässt darunterliegende «künstliche Geometrie» erkennen

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ArchitekturDer EingangThema – SwissFEL schaut mit Licht ins Innere von Materialproben – Einblicke

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ArchitekturDer Eingang zu SwissFELEin Windfang als «begehbarer Probekörper»

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ArchitekturDer EingangEr gibt tagsüber sein Inneres dem Besucher preis – durch Tageslicht!

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ArchitekturDer EingangEr gibt nachts sein Inneres gegen aussen preis – durch künstliches Licht

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- Der Windfang sitzt als Probeköper bzw. Findling in der Eingangsfassade

- Akustikelemente als stilisierte Blätter symbolisieren die Untersicht in die Baumkronen des ursprünglichen Eichenwaldes

ArchitekturDie Eingangshalle

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Technische Lösung

3D-Modell (BIM)

1:1 «Modell»

Realisierung

Planerische HerausforderungExemplarischer Sonderfall in der Planung und in der Realität

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

Strahlensichere Verbindungen – Leerrohre – zwischen Strahlkanal und Versorgungebene durch die 1.5 m dicke Decke

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Ebene G0Strahlkanal

Ebene G1zugehörigeInfrastruktur

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

Elektro-Leerrohre mit Strahlenschutzanforderung → Vorgabe ist Geometrie

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fortl.Nr Gebäude

Rohr Bezeich-

nungRohrtyp

Aussen Durch-messer

Biege-radius Nutzung Eintritt:

oben (Symbol O)Austritt:

unten (Symbol X)

      [Typ] [cm] [cm]   Z X Y Z X Y     

1 Linac 1 R213.1 1 11.2 60 IntDecke 213.700 -0.200 3.500 215.700 0.710 2.000

2 Linac 1 R213.2 1 11.2 60 IntDecke 213.000 -0.200 3.500 215.000 0.710 2.000

3 Linac 1 D217.1 1 11.2 60 IntDecke 217.900 -0.200 3.500 215.200 0.710 2.0004 Linac 1 D214.1 1 11.2 60 IntDecke 214.700 -0.200 3.500 216.700 0.710 2.0005 Linac 1 D214.2 1 11.2 60 IntDecke 214.500 -0.200 3.500 216.500 0.710 2.0006 Linac1 M216.1 1 11.2 60 IntDecke 216.500 -0.200 3.500 214.500 0.710 2.000

7 Linac 2 S224.1 4 7.2 40 IntBoden 224.000 -0.200 3.500 223.200 0.000 -1.200

8 Linac 2 S224.2 4 7.2 40 IntBoden 224.100 -0.200 3.500 223.300 0.000 -1.200

Wer macht die Planung?Wie sieht die technische Lösung aus?Wer baut?

Tabellarische Vorgabe fürca. 1000 Leerrohre

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

Umsetzung der Koordinaten durch den Architekten → Resultat Geometrie 3D

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Parametrisch programmierte Rohrverläufe

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

Umsetzung der Koordinaten durch den Architekten → Resultat Geometrie 3DUmsetzung in baustellentaugliche Vorgaben für Unternehmer

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2D-Plan für die Baustelle

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

Umsetzung der Koordinaten durch den Architekten → Resultat Geometrie 3DUmsetzung in baustellentaugliche Vorgaben für Unternehmer

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2D-Plan für die Baustelle

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

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Planerische Herausforderung Interface LeerrohreAusgangslage• Ca. 1000 individuelle Rohre• 60cm-Radien vorgegeben

wegen Strahlenschutz• Drei unterschiedliche Höhenniveaus,

um Kreuzungen zu lösen

Lösung• Quader aus Armierungseisen mit

drei unterschiedlichen Seitenlängen dienen als anpassbare Abstützungenund Befestigungshilfen

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

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Planerische Herausforderung Interface Leerrohre

Quader auf Höhenniveau 1

Quader auf Höhenniveau 2

Quader auf Höhenniveau 3

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Planerische Herausforderung Doppelboden

Anbindung Leerrohre ans obere Geschoss

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Planerische Herausforderung Doppelboden

Vorgegebene Schaltschrankpositionen – «ohne» Rücksicht auf Doppelbodenraster

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Planerische Herausforderung Doppelboden

Interfaceleitungen im Doppelbodenbereich

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Planerische HerausforderungDoppelboden

Nur wenige «Normplatten» möglich

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Planerische Herausforderung Doppelboden

Koordination sämtlicher AbstützungenEntwicklung von Überbrückungen in Abstimmung mit Elektrotrassen

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Bauliche Herausforderung DoppelbodenKonkrete Masse am Bau

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Bauliche Herausforderung Doppelboden

Realität in 1:1Gewähltes Produkt erfüllt nicht die «Sollmasse» → Zwischenraum ist zu eng – nicht akzeptabel

400mm

388mm

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Bauliche Herausforderung Doppelboden

Realität in 1:1Reduktion aufs Minimum im Doppelbodenbereich

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Bauliche Herausforderung Doppelboden

Realität in 1:1Reduktion aufs Minimum im Doppelbodenbereich

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Bauliche Herausforderung Doppelboden

Realität in 1:1Reduktion aufs Minimum im Doppelbodenbereich

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Bauliche Herausforderung Doppelboden

Realität in 1:1Reduktion aufs Minimum im Doppelbodenbereich

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Bauliche Herausforderung Doppelboden

Realität in 1:1Kabelaustritte im Strahlkanal darunter

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Kontakt

Projektleiter SwissFEL bei IttenBrechbühl

Andreas Jö[email protected]

Itten+Brechbühl AGGüterstrasse 133Postfach 3312CH-4002 Basel+41 61 556 07 00

www.ittenbrechbuehl.ch© Itten+Brechbühl AG, Basel

BIM-Verantwortlicher bei IttenBrechbühl

Marc [email protected]

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