Oosterweelverbinding: grensverleggend ontwerpen in BIM
Studiebureau RoTS ontwikkelt in opdracht van de Beheersmaatschappij Antwerpen Mobiel (BAM) het basisontwerp voor de Oosterweelverbinding. Vanwege de complexiteit van dit immense infrastructuurproject heeft RoTS gekozen voor een integraal 4D-ontwerp in BIM. Volgens ontwerpmanager Frank Kaalberg biedt deze aanpak allerlei voordelen.
“Digitaal ontwerpen in BIM staat binnen de ondergrondse infrawereld nog grotendeels in de kinderschoenen”, stelt Kaalberg. “In Nederland is deze aanpak pas bij een paar projecten toegepast, zoals de Sluiskiltunnel en de renovatie van de Eerste Coentunnel. Bij deze projecten lag het geometrisch ontwerp al vrijwel vast voordat met BIM werd begonnen. Dat was bij de Oosterweelverbinding niet het geval.”
“In 2012 raakten we als RoTS betrokken bij dit project. We kregen toen van de BAM de vraag om het ontwerp van een dubbele afzinktunnel in de haven te optimaliseren en te zoeken naar een besparing van bijna een half miljard euro. Na de nodige brainstormsessies kwamen we op het idee om de dubbele afzinktunnels te vervangen door een dubbeldeks cut-and-covertunnel. Daarbij maken we gebruik van de dikke en vrijwel waterondoorlatende laag Boomse Klei in de Antwerpse ondergrond. Door deze laag kunnen we een polderconstructie met diepwanden toepassen zonder dat we voor de tunnel een dure onderwaterbetonvloer hoeven te maken met eindeloos veel trekankers.”
Kans op fouten
“Het conceptueel ontwerp voor deze bijna twee kilometer lange tunnel onder het Amerikadok en het Straatsburgdok hebben we toentertijd nog volgens de standaard werkwijze gemaakt, met 2D-tekeningen. Vrij snel hierna kregen we de opdracht om ook de plannen voor de aanpassing van het noordelijke deel van de ringweg R1 te optimaliseren. Onderdeel van dit stuk weg is de kruising met het Albertkanaal. Het oorspronkelijke ontwerp voor deze kruising ging uit van twee stalen boogbruggen. Wij hebben voorgesteld om deze bruggen te vervangen door een gestapelde cut-and-covertunnel met elk vijf rijbanen. Dat is weliswaar iets duurder, maar vermindert de verkeersoverlast tijdens de bouw enorm doordat we de tunnel helemaal kunnen maken terwijl de bestaande R1 gewoon in gebruik blijft. In de variant met bruggen was dat niet het geval.”
De complexe kruising met het Albertkanaal, met linksboven de kanaaltunnel, midden onder de R1 richting het Sportpaleis en rechtsboven de weg richting Merksem/Nederland. (Beeld: simulatie door RoTS)
“Deze tunnel wordt qua vorm veel ingewikkelder dan de tunnel in de haven. Die tunnel kruist weliswaar een aantal complexe locaties, zoals het voormalige Stadsdroogdok, Straatsburgbrug en Noorderlaanbrug, maar verder is het min of meer een rechte tunnel. Dat geldt niet voor de tunnel onder het Albertkanaal. Om in beide richtingen goede aansluitingen tussen de R1 en de Oosterweelverbinding te realiseren, bestaat deze tunnel uit diverse gekromde tunnelbuizen die elkaar ongelijkvloers kruisen. Daardoor ontstaat er een soort ondergronds Prins Clausplein. Toen we dat moesten ontwerpen, realiseerden we ons al snel dat met de gebruikelijk 2D-ontwerpmethoden de kans op – verborgen – ontwerpfouten enorm groot zou zijn. Daarom zijn we bij de start van de VO-fase overgestapt op 4D-ontwerpen. Dit zijn 3D-ontwerpen waaraan we de factor tijd hebben toegevoegd. Hierdoor krijg je een visualisatie van de uitvoeringsplanning en kun je stap voor stap de verschillende werkzaamheden zien.”
Onmisbaar
Inmiddels past RoTS de 4D-ontwerpaanpak in combinatie met BIM voor vrijwel alle tunnelontwerpen van de Oosterweelverbinding toe. Kaalberg: “Voor het ontwerpen van complexe infrastructuur, zoals de tunnel onder het Albertkanaal of het Oosterweelknooppunt dat in het landschap verzonken is en een reeks van op- en afritten heeft, is deze digitale manier van ontwerpen in feite onmisbaar. Zo kun je elke keer als je een ontwerp hebt gemaakt een zogeheten clash-detectie uitvoeren. Hierbij laat je de software controleren of er geen geometrische fouten in het ontwerp zitten. We gaan bijvoorbeeld steeds na of de ontwerpen voor de tunnels en weginfrastructuur overal voldoen aan het profiel van vrije ruimte, de minimale ruimte die naast en boven de weg aanwezig moet zijn. Ook de benodigde ruimte voor de tunneltechnische installaties wordt daarin meegenomen. Voor tunnels die elkaar in dubbelgekromde bochten kruisen is dit zeer handig. Zo moesten wij na de clash-detectie het wegontwerp soms aanpassen. Het is zeer de vraag of je dit soort fouten met 2D-ontwerpen er vooraf weet uit te halen. Lukt dat niet, dan kom je ze waarschijnlijk pas tijdens de uitvoering tegen, met alle problemen van dien.”
“Voor het ontwerpen van complexe infrastructuur is deze digitale manier van ontwerpen in feite onmisbaar.”
“Voor eenvoudigere constructies, zoals een rechttoe-rechtaantunnel, kun je ook wel met 2D-ontwerpen uit de voeten. Daar staat tegenover dat een relatief simpel project een uitgelezen kans biedt om ervaring op te doen met 3D-ontwerpen. Wat dat betreft hebben wij als RoTS niet de meest eenvoudige route gevolgd door gelijk met een uiterst moeilijk ontwerp te beginnen. Toch ben ik blij met onze keuze. De ontwerpinspanning is weliswaar groter, maar juist bij een complex project is de meerwaarde van BIM het grootst, als je er zo vroeg mogelijk in het ontwerpproces mee begint. Vooral de 4D-planning geeft veel inzicht in de technische uitvoerbaarheid en logistiek van dit complexe project.”
“Het in 3D ontwerpen van de tunnels met hun dubbelgekromde bochtstralen vergde wel extra aandacht omdat de beschikbare software daar nog niet goed op is ingericht. Door met goed opgeleide BIM-modelleurs in ons team te werken en samen dicht bovenop het ontwerpproces te zitten in reguliere BIM-werksessies, hebben we deze harde leerschool echter goed doorlopen. En inmiddels zijn we ervan overtuigd dat dit het ontwerpen van de toekomst is.”
Voordelen
Kaalberg vervolgt: “De voordelen van digitaal ontwerpen in een BIM-omgeving zijn evident. Als je een 3D-ontwerp maakt kun je er bijvoorbeeld eenvoudig extra informatie aan plakken. Denk aan de tijd (4D), kosten (5D), just-in-time-logistiek (6D), enzovoorts. Verder kun je constructies in de ontwerpfase virtueel al helemaal bouwen en zien waar tijdens de bouw problemen kunnen optreden. Een ander belangrijk voordeel is dat de communicatie tussen verschillende partijen in bouwkolom met BIM veel eenvoudiger is en er geen informatie verloren gaat als je van de ene naar de andere ontwerp- of inkoopfase gaat en er bijvoorbeeld andere partijen bijkomen. Dat geldt zeker als je werkt met een zogeheten common data environment, waarbij het BIM in de ‘cloud’ staat en verschillende partijen toegang hebben tot deze informatie en deze ook volledig kunnen bewerken (collaborative engineering). Weer een ander voordeel is dat je de 3D-ontwerpen in combinatie met virtual reality al in de ontwerpfase kunt beleven. Met een VR-bril op kun je bijvoorbeeld door een tunnel rijden en zien of het wegontwerp voldoet en of en signalering goed zichtbaar is. De brandweer kan al een virtuele calamiteitenoefening doen en je kunt ook het openstellingstraject virtueel voorbereiden.”
Planning
Volgens Kaalberg is het basisontwerp inmiddels vrijwel afgerond: “Het project is onderverdeeld in vijf deelprojecten en elk deelproject wordt als engineering-and-construct-contract aanbesteed. De planning is om het basisontwerp eind februari 2018 te presenteren aan de aannemersconsortia die zich hebben geprekwalificeerd voor deelprojecten 4 en 5. De consortia krijgen dan tot halverwege 2018 de tijd om zich in de ontwerpen te verdiepen, met ons te bespreken waar het sneller, beter of efficiënter kan en met een bieding te komen. Rond die tijd wordt in overleg met enkele ontwerpateliers besloten welke delen van de bestaande ring aanvullend nog overkapt zullen worden. Hiervoor hebben de Vlaamse regering en de stad Antwerpen 1,25 miljard euro extra gereserveerd.”
“Als het besluit over de overkapping bekend is, moeten we de ontwerpen waarschijnlijk nog op een aantal punten aanpassen. Ik ga er daarom vanuit dat we het uiteindelijke basisontwerp rond eind 2018 gereed hebben. De consortia kunnen vervolgens hun bieding nog aanpassen waarna de finale selectie plaatsvindt. Zoals het er nu naar uitziet, overhandigen we in dit proces het complete BIM aan de aannemersconsortia. Daarbij zullen we gedetailleerd aangeven welke onderdelen van ons ontwerp vastliggen en welke de opdrachtnemer nog kan aanpassen en optimaliseren. Ook zullen we dan duidelijk maken dat ons ontwerp een voorzet is en niet elk boutje en moertje gegarandeerd is. Anders gezegd, ondanks onze gedetailleerde ontwerpen, is de opdrachtnemer straks verantwoordelijk voor de kwaliteit van het definitieve ontwerp.”
Scharnierende tunnel
Door de dikke waterondoorlatende laag van Boomse Klei kan de grond bij de bouw van de dubbeldekstunnel onder het Amerika- en Straatsburgdok droog worden ontgraven. Dat is een groot voordeel. Tegelijkertijd heeft deze kleilaag ook voor de nodige hoofdbrekens gezorgd. Boomse Klei heeft namelijk de eigenschap om te zwellen als het bovenliggende pakket grond wordt verwijderd. Om te bepalen hoeveel zwel er na ontgraving optreedt, heeft RoTS een praktijkproef gedaan. In een tijdelijke bouwput is de grond tot twintig meter diepte weggegraven, terwijl ondertussen met waterspannings- en extensometers het gedrag van de onderliggende klei is gevolgd.
Kaalberg: “Uit deze proef en verdere analyses blijkt dat de klei niet alleen tijdens de bouw al snel zwelt, maar ook op de lange termijn een tot twee millimeter per jaar omhoogkomt en dat dit zwelproces heel lang blijft doorgaan. Uitgaande van een levensduur van de tunnel van honderd jaar komt dat na aanleg van de vloeren neer op een opwaartse beweging van bijna twintig centimeter. Door deze beweging worden de diepwanden geleidelijk omhooggedrukt. Daarbij geldt dat de buitenste diepwanden door kleef minder snel omhoog zullen bewegen dan de middelste, de wanden van het middentunnelkanaal. Daardoor ontstaan er in de loop van de tijd zulke grote krachten in de tunnelconstructie dat de verbindingen kunnen bezwijken als we alle tussenvloeren met een monoliete verbinding aan de wanden bevestigen. Daarom hebben we voor de tussenvloeren en tunneldaken speciale scharnierende verbindingen ontwikkeld, die ervoor zorgen dat de tunnel ook op de lange termijn kan vervormen zonder te beschadigen.”
