Entwicklung  fachspezifischer  wieder  verwendbarer  Software-­‐Bausteine  als  Voraussetzung  für  BIM  im  Bereich  

Infrastruktur  dr.  Andrej  Tibaut*,  Mojca  Roženičnik  Korošec***,  Klara  Mihalič***,  Sašo  Pečnik**,  Iztok  Zabreznik***,  Robert  Lesničar***  *  Fakultät  für  Bauwesen,  Universität  Maribor,  Lineal  d.o.o.  **  Fakultät  für  Elektrotechnik,  Computerwissenschaft  und  Informatik,  Universität  Maribor,  Lineal  d.o.o.  ***  Lineal  d.o.o.  

Überblick  über  Konzepte,  Strategien  und  Erfahrungen  auf  dem  Gebiet  BIM  Modelbasierte 3D-Infrastrukturplanung in den Bereichen Straßen-, Wege-, Eisenbahn- und Tunnelbau ist eine der Voraussetzungen für einen BIM-orientierten Projektablauf. Damit sind die Infrastrukturprojekte der BIM-Arbeitsmethode einen kleinen Schritt näher. Das ganze Bauwesen (Hochbau, Tiefbau) muss nämlich nach dem BIM-Prinzipien streben. Das bedeutet, daß alle Projektteilnehmer in allen Phasen des Bauprojekts am derselben konsistenten digitalen Datenmodel (bekannt als Bauwerkmodell, Strassenmodel) arbeiten und vermeiden dadurch viele Mehrfacharbeiten, Schnittstellen- und Kommunikationsprobleme. Laut BIM-Strategien, die in immer mehr Ländern (BIM Industry Working Group, 2011) entwickelt werden, ist es zu erwarten, dass in vielen Baudisziplinen bis 2016 verwaltete 3D-Umgebungen durch BIM-Software eingesetzt werden. Die treibende Kraft in diesem Prozess der Migration von der traditionellen 2D- zur intelligenten modellbasierten 3D-Planung ist die Möglichkeit in dem "geordneten 3D Chaos" eventuelle Konfliktpunkte in Planung zu erkennen und vorbeugend zu bewältigen. In der Theorie verringern sich dadurch erheblich die Planungs- und Bauzeiten. Wegen der guten Multiplikatorwirkung auf Kosten wird ein BIM Projekt Am Ende auch kostengünstiger. Der möglicherweise schnellste aber auch teuerste Weg zu einer verwalteten 3D-Umgebung ist durch die Verwendung von proprietären Software-Werkzeuge. Integration auf der Basis der proprietären Software-Schnittstellen oder maßgeschneiderten Middleware könnte als proprietäres BIM bezeichnet werden. Proprietäres BIM ermöglicht ziemlich einfaches Datenaustausch zwischen verschiedenen entwicklerspezifischen proprietären Software-Anwendungen für alle am Bauprojekt mitwirkende Disziplinen. Auf der anderen Seite ist nicht zu übersehen, dass bei proprietärer BIM

Software, die Entwickler seine Anwender und den Endverbraucher-Markt zu monopolisieren versuchen. Somit sind die CAD/BIM Anwender in die Abhängigkeit vom proprietären BIM des jeweiligen Software-Unternehmen gezwungen. Mit dem wachsenden BIM-Wissensstand qualifizierter Bauingenieure ist es schon klar, dass Software nicht die Lösung, sondern nur ein Werkzeug ist. In einem BIM-Projekt müssen deswegen alle Projektteilnehmer neben speziellen Fachlösungen auch gute und unabhängige Lösungen für Nachhaltigkeit und Interoperabilität des BIMs finden. Die unabhängige Institution, die moderne Schlagwörter wie Nachhaltigkeit, Interoperabilität und ganzheitliches Lebenszyklusmanagement für Bauwesen tatsächlich verwirklicht heißt buildingSMART (buildingSMART International, 2014). Der Verein buildingSMART entwickelt offene Standards und Spezifikationen für die Arbeitsmethode BIM (buildingSMART, 2014). Das buildingSMART Datenmodell, auch bekannt unter der Bezeichnung Industry Foundation Classes (IFC), stellt ein allgemeines Datenschema dar, das einen Austausch von Daten zwischen verschiedenen proprietären Software-Anwendungen ermöglicht. Die IFC ist das primäre Datenmodell für Bauwerksmodelle des buildingSMART. Die IFC ist seit dem Release IFC4 ein offizieller ISO-Standard (ISO 16739:2013, 2013). Was die BIM-Arbeitsmethode angeht sollen aber Infrastrukturprojekte auch mit einem anderen non-proprietären Datenstandard im Einklang sein. Der wachsende gängige Industriestandard LandXML (LandXML.org, 2014) geht Hand in Hand mit Bauprojekten, die sich auf Straßenbau und Geodäsie beziehen. Seit dem Beginn des Jahres 2014 verwirklicht die Forschungsgruppe PR3MIK (PR3MIK, 2014) im Rahmen eines Eintwicklungssprojektes zwischen der Firma Lineal d.o.o. (Lineal, 2014) aus Maribor und der Fakultät für Bauwesen (UMFG, 2014) an der Uni Maribor die Idee einer Entwicklung fachspezifischer wieder verwendbarer Software-Bausteine für BIM im Bereich Infrastruktur. Die Entwicklung basiert weitgehend auf den BIM Prinzipien und gängigen Standards wie buildingSMART und LandXML. In dem Beitrag werden die Ziele des Projektes PR3MIK näher beleuchtet und mögliche Anwendungen aufgezeigt.

Das  Projekt  PR3MIK  PR3MIK (eine Abkürzung basierend auf slowenische Sprache: projektieren, 3D-Modell, Straßeninfrastruktur) ist ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt (PR3MIK, 2014) ist ein gemeinsames Projekt der Firma Lineal d.o.o. und Uni Maribor. Das Projekt wurde gefördert von Europäischen Sozialfonds (In Ihre Zukunft investieren) mit Mitteln des Bundesministeriums für wirtschaftliche Entwicklung und Technologie, In der Forschungsgruppe, die bei der slowenischen nationalen Agentur für Forschung und Entwicklung (ARRS) registriert wurde, arbeiten zusammen Forscher aus interdisziplinären Bereichen: Tiefbau (Straßenentwurf und Verkehrsinfrastruktur), Bauinformatik (3D / 4D-Modellierung, Automatisierung des Entwurfsprozesses), Geodäsie (Laser-Scanning von Gelände und Infrastruktur), Software-Engineering (Algorithmen zur Manipulation von Punktwolkendaten), BIM Marktstudie. Die Forschungsgruppe will die folgende Ziele erreichen:

• BIM Forschung für die Straßeninfrastruktur o "State-of-the-art"-Konzepte, Technologien und Best Practices, o Potenziale von nD Modelle für den Entwurf von Straßeninfrastruktur.

• BIM-Markt Forschung für den Entwurf von Straßeninfrastruktur: o Marktanalyse in den Zielländern (Österreich und Dänemark), o Referenzprojekte in den Zielländern, o Analyse von potenziellen strategischen Partnern

• Entwicklung neuer wieder verwendbarer Software-Bausteine für den 3D-Entwurf in der Straßeninfrastrukturplannung:

o Erschaffung von intelligenten Software-Objekten und deren Anpassung an die Bedürfnisse der Straßenplaner (Fahrbahn, Kreuzung, Rekonstruktion, Planum,

Drainage). • Entwicklung von Algorithmen für automatisierte 3D-Merkmalsextraktion aus 3D-

Punktewolken • Integration der Projektergebnisse in die Geschäftsprozesse in Lineal • Förderung und Verbreitung der Projektergebnisse: • Förderung der Projektergebnisse und der Herstellung von Kontakten zu verwandten

Forschungsgruppen.

Intelligente  Software-­‐Bausteine  für  den  3D-­‐Entwurf  in  der  Straßeninfrastrukturplannung  Abweichend von der bisherigen in der Praxis angewendeten Straßenentwurfs-Techniken, wo für den Entwurf eines Verkehrsweges nur 2D-Elemente in AutoCAD erzeugt wurden, wurde in PR3MIK für automatisierte Entwicklung der 3D-Elemente AutoCAD’s Civil 3D (C3D) Subassembly composer (SAC) eingesetzt. SAC ermöglicht Erstellung von maßgeschneiderten Unterbaugruppen, genannt “Subassemblies” (SA), ohne Programmierung. Der Konzept, der in Informatik als Flussdiagramm (auch Ablaufdiagram oder Fließschema) bekannt ist, wurde als die grundlegende Technologie für zusammenzubauen und konfigurieren eines SA’s gewählt. Dadurch sind diejenige, auch für Bauinformatik gut ausgebildete Bauingenieure, fähig SAs zu erzeugen. SA ist ein intelligenter, auf ein Querprofil begrenzter, Software-Baustein, der ein Teil des Querprofils-Geometrie, sowie dessen Verknüpfungslogik gegenüber andere Querprofil-Elemente, definiert. Alle in einem Querschnitt vorkommenden Elemente, wie Fahrbahnen, Gleislage, Entwässerungselemente, Gehsteige, Bordsteine bis hin zu Bermen, Lärmschutzwällen und Frost- und Planumschutzschichten können in SAs definiert werden. Die so erzeugten SAs bestimmen in Längsprofilen horizontale und vertikale Aufbau einer Trasse. Ein Nachteil des SA-Konzeptes ist der Mangel an Flexibilität außerhalb des Arbeitsumfangs eines Querprofils. Der Mangel können erfahrene Software Ingenieuren durch die Verwendung von AutoCAD’s C++ API überwinden. Das unten dargestellte Flussdiagramm (Bild 1) zeigt jeden Schritt eines typischen SA. In dem Fall geht es um die Gestaltung von SA Humus der auch für eine vollständige Massenermittlung der Kulturerde-Schicht gebraucht wird. Um den Unterkonstruktion einer Straße auf ein entsprechendes Niveau zu bringen muss zuerst die Oberboden-Schicht (Humus, Ton, Sand) abgetragen werden. Im weiteren Ablauf wird durch die Verwendung von SA Humus entlang der Straßenverlauf und gemäß den Geländebedingungen ein Oberbodenvolumen als 3D-Element erzeugt. Verschiedene SA Modulen können hintereinander ausgeführt werden. Auf dem Bild 2 ist im Querprofil nur ein Geländemodell an zwei Stationen dargestellt, der als Basis für den Entwurf eines Straßenverlaufs dem Planer zur Verfügung steht. Das Bild 3 zeigt Querprofil mit dem Gelände, einer Fahrbahndecke und einem Planum und auf dem Bild 4 sind im Querprofil das Gelände, die Fahrbahndecke, das Planum und eine Oberbodenschicht-Oberfläche dargestellt. Die Fahrbahdecke, das Planum und die Oberbodenschicht-Oberfläche sind jeweils als 3D-Elemente mittels SAs erstellt. Das Bild 5 abbildet dann genau die einzelnen Schichten (Gelände, Planum, Böschung, Bankett und Fahrbahn) für die zwei komplette Querprofile die mittels SAs erstellt wurden. Als Endresultat von der Anwendung der verschiedenen SAs wird ein komplettes digitales 3D-Strassenmodel erzeugt. Die nachfolgenden Schritte führen dann zur genauen Visualisierung des digitalen Straßenmodels wo auch alle relevante Parameter der einzelnen 3D Elemente ermittelt werden können. Dafür wird mittels der proprietäre Schnittstelle zwischen Autodesk AutoCAD Civil 3D und Autodesk Navisworks das digitale Straßenmodels im Sinne des 4D-Modells in Navisworks importiert und weiter bearbeitet. Auf dem Bild 6 ist das Straßenmodel in der Navisworks-Umgebung dargestellt wo dann das Modellsimulation und - Analyse, Modellprüfung und zeitliche Entwicklung des 3D-Models ermöglicht ist.

Bild 1. Subassembly Composer's Flussdiagram eines SA's in Autodesk AutoCAD Civil 3D

Bild 2: Zwei Querprofile mit Gelände

Bild 3. Zwei Querprofile mit Gelände, Planum und Fahrbahndecke

Bild 4. Zwei Querprofile mit Gelände, Planum, Fahrbahndecke und Oberbodenschicht (als 3D

Elementen mit SA erzeugt)

Bild 5. Zwei Querprofile mit Gelände, Planum, Böschung, Bankett und Fahrbahn (als 3D

Elementen mit SA erzeugt)

Bild 6. Visualisierung und Analyse des Strassenmodels in Autodesk Navisworks

Bild 7. Visualisierung-Varianten für das Straßenmodel in Navisworks

Schlussfolgerung  In dem Artikel wurden die gängigen Forschungsaktivitäten im Rahmen des Projektes PR3MIK präsentiert. In dem Projekt haben wir uns für die Entwicklung einer verwalteten 3D-Umgebung auf dem Basis der gängigen proprietären Software im Bereich Straßeninfrastrukturplannung entschieden. Bis jetzt wurden 5 SAs entwickelt und stehen jetzt den Projektanten zum Testeinsatz und Evaluierung zur Verfügung. Bei der Entwicklung und Integration der Software-Bausteine werden ständig BIM-Strategien, -Prinzipien und Standards für Interoperabilität diskutiert und berücksichtigt. Heutiges BIM Wissensstand garantiert einen wirksamen Datenaustausch zwischen verschiedenen Software-Anwendungen im ganzen Baulebenszyklus.

Literatur  BIM Industry Working Group. (2011). A report for the Government Construction Client Group (p.

107). Retrieved from http://www.constructingexcellence.org.uk/pdf/BIS_BIM_Strategy_2011.pdf

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buildingSMART International. (2014). buildingSMART Home page. Home page. Retrieved August 26, 2014, from http://www.buildingsmart.org/

ISO 16739:2013. (2013). ISO 16739:2013 - Industry Foundation Classes (IFC) for data sharing in the construction and facility management industries. SO 16739:2013. Retrieved August 26, 2014, from http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=51622

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Lineal. (2014). LINEAL d.o.o., Company for design, engineering, services and construction. LINEAL d.o.o., Company for design, engineering, services and construction. Retrieved August

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http://www.lineal.si/pr3mik/index_eng.html UMFG. (2014). Faculty of Civil Engineering. Faculty of Civil Engineering Home page. Retrieved

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