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Faculty of Civil, Geo and Environmental Engineering Chair of Computational Modeling and Simulation Prof. Dr.-Ing. André Borrmann Faculty of Architecture Chair of Architectural Informatics Prof. Dr.-Ing. Frank Petzold
BIM for Infrastructure
27. Juli 2018
Bericht
Advanced Topics in Building Information Modeling
Thi Nguyen
Thu Nguyen
Advanced Topics in Building Information Modeling
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Chair of Computational Modeling and Simulation
Chair of Architectural Informatics
Inhaltsverzeichnis
I ABBILDUNGSVERZEICHNIS ....................................................................................................................... 3
II TABELLENVERZEICHNIS ............................................................................................................................ 4
1 EINFÜHRUNG ........................................................................................................................................... 5
2 BIM IM INFRASTRUKTURBAU................................................................................................................... 7
2.1 BIM4INFRA 2020 .................................................................................................................................... 7
2.2 BEISPIEL EINES INTERNATIONALEN BIM-PROJEKTES IM INFRASTRUKTURBAU........................................................... 8
3 RICHTLINIEN........................................................................................................................................... 10
3.1 NATIONALE RICHTLINIEN ............................................................................................................................ 10
3.2 INTERNATIONALE RICHTLINIEN..................................................................................................................... 12
4 HERAUSFORDERUNGEN ......................................................................................................................... 14
5 BIM UND GIS .......................................................................................................................................... 16
5.1 GIS – DEFINITION UND ANWENDUNGSBEREICHE ............................................................................................ 16
5.2 INTERAKTION ZWISCHEN BIM UND GIS ........................................................................................................ 17
5.3 BEISPIEL .................................................................................................................................................. 18
6 PRAKTISCHE ANALYSE ............................................................................................................................ 20
6.1 WERKZEUGE/ PROGRAMME ....................................................................................................................... 20
6.2 PRAKTISCHES BEISPIEL ............................................................................................................................... 22
6.3 PROBLEMATIK UND SCHWIERIGKEITEN .......................................................................................................... 28
7 ZUSAMMENFASSUNG UND BEWERTUNG .............................................................................................. 30
LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................................................................. 32
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I Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Stufenplans (Bundesministerium für Verkehr und
digitale Infrastruktur, 2015) .................................................................................................... 5
Abbildung 2: Meilensteine zur Umsetzung des BIM Stufenplans (BIM4INFRA 2020, 2017) .. 7
Abbildung 3: Koordinierungskreis BIM und Fachbereiche der VDI-GBG (VDI, 2017) ............11
Abbildung 4: Zeitliche Übersicht zu den BIM-Richtlinien und Leitfäden in ausgewählten
Ländern (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013) ........................................................12
Abbildung 5: Planungsdatenmodell der Umweltplanung (SSF Ingenieure, 2016) .................16
Abbildung 6: Das integrierte GeoDesign-Konzept (SSF Ingenieure, 2016) ...........................17
Abbildung 7: Planung - Modellierung der Talbrücke Auenbach (Hochmuth und Breinig, 2016)
.............................................................................................................................................18
Abbildung 8: Visualisierung der Talbrücke Auenbach (Hochmuth und Breinig, 2016) ...........19
Abbildung 9: Projektumgebung für die praktische Analyse ...................................................22
Abbildung 10: Vergleich der Projektumgebung in GoogleMaps (links) und Infraworks (rechts)
.............................................................................................................................................23
Abbildung 11: GoogleMaps Ausschnitt des Englischen Gartens ...........................................23
Abbildung 12: Infraworks Ausschnitt des Englischen Gartens ..............................................23
Abbildung 13: Hinterlegte Informationen zu einem Objekt ....................................................24
Abbildung 14: Layerausschnitt einer Projektumgebung mit Kartenausschnitt .......................25
Abbildung 15: Höhenprofil der Planungsstrecke ...................................................................25
Abbildung 16: Beispiel einer Trassenplanung mit hinterlegten DGM (Weichelt, 2018) ..........26
Abbildung 17: Beispiel mit Höhenplan (Weichelt, 2018) ........................................................27
Abbildung 18: Importoptionen von InfraWorks ......................................................................27
Abbildung 19: Höhenunterschied Layer Gradiente - Höhenplan ...........................................28
Abbildung 20: DGM mit Layer deckungsgleich – Draufsicht .................................................28
Abbildung 21: Gauß-Krüger-System für Infraworks- Modell und Civil 3D ..............................29
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II Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: BIM-Umfang des Metroprojekts in Doha (HOCHTIEF ViCon GmbH, 2015)........... 8
Tabelle 2: Übersicht über die Kommentare der Projektbeteiligten (Egger, Hausknecht, Liebich,
Przybylo, 2013) ....................................................................................................................14
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1 Einführung
„Erst digital, dann real bauen“, so lautet der Grundsatz der neuen Reformkommission Bau von
Großprojekten, die Anfang 2014 ins Leben gerufen wurde und sich zur Aufgabe gemacht hat,
BIM1 bis Ende 2020 für öffentliche Projekte in Deutschland einzuführen. BIM soll vor allem für
Verkehrsstrukturprojekte zum Standard werden. Um dies umzusetzen, wurde vom BMVI2 ein
Stufenplan entwickelt (siehe Abbildung 1), der sowohl die Zeit zur Umschulung des Personals
als auch die zur Ausführung der Pilotprojekte berücksichtigt. (Bundesministerium für Verkehr
und digitale Infrastruktur, 2015)
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Stufenplans (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, 2015)
In der sogenannten Vorbereitungsphase zwischen 2015 und 2017 wurden die ersten BIM-
Pilotvorhaben durchgeführt, um sich mit der BIM-Methode im Infrastrukturbau vertraut zu
machen. Die vier erstgenannten Projekte wurden seit Juni 2015 gefördert. Diese wurden dann
im Oktober 2016 um zwei Straßenbauprojekte ergänzt (Bundesministerium für Verkehr und
digitale Infrastruktur, 2017):
• Brücke über den Petersdorfer See, A19 Höhe Anschlussstelle Waren
• Talbrücke Auenbach, B107 Südverbund Chemnitz
• Eisenbahnüberführung Filstal, Neubaustrecke Wendlingen – Ulm
• Eisenbahntunnel Raststatt, Neubaustrecke Karlsruhe – Basel
1 Abk.: Building Information Modeling 2 Abk.: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur
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• Streckenplanung B87n, Abschnitt Eilenburg – Mockrehna
• Ingenieurbauwerke entlang Los 5 der B31 Ost, Immenstaad – Waggershausen
Derzeit befindet sich Deutschland in der „erweiterten Pilotphase“, in der die Anzahl der
Pilotprojekte deutlich erhöht werden. Die Anforderungen für das Leistungsniveau 1 nach
denen zukünftige Infrastrukturprojekte geplant und gebaut werden, werden in dieser zweiten
Stufe im Detail festgelegt. (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, 2017)
Denn im Gegensatz zu Großbritannien, den Niederlanden, Dänemark, Finnland und Norwegen
steckt die BIM-Nutzung in öffentlich finanzierten Bauprojekten in Deutschland noch in den
Kinderschuhen. In diesen Ländern ist der Gebrauch von BIM bereits politisch vorgeschrieben.
Vor allem die skandinavischen Länder wie Norwegen und Finnland hielten den Einsatz von
BIM bereits 2007 gesetzlich fest und gelten somit als sogenannte „Early Adopters“. (Allplan,
2017)
In Großbritannien beispielsweise wurde 2011 das Gesetz erlassen, dass ab 2016 „die Planung
und Errichtung öffentlicher Hochbauten unter Verwendung von BIM der Entwicklungsstufe
zwei erfolgen müsse“. (Allplan, 2017) Hier impliziert die Stufe zwei die „modellbasierte
Kollaboration“, das heißt, dass Datenbanken (u.a. IFC3) untereinander getauscht werden, um
Zeitstudien und interdisziplinäre Kollisionsprüfungen erstellen zu können. (Allplan, 2018)
In Deutschland wird der Stufenplan des Bundesministeriums für Verkehr und digitale
Infrastruktur für den Wandel in die BIM-Methode sorgen.
3 Industry Foundation Classes: offener Standard im Bauwesen zur digitalen Beschreibung von Gebäudemodellen
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2 BIM im Infrastrukturbau
2.1 BIM4INFRA 2020
BIM4INFRA 2020 ist eine vom Bundesministerium für Verkehr und Infrastruktur beauftragte
Arbeitsgemeinschaft, deren Aufgabe es ist wichtige Voraussetzungen für die Umsetzung von
BIM nach dem Stufenplan zu schaffen. (BIM4INFRA 2020, 2017)
Hierbei liegt das Augenmerk auf den folgenden sechs Punkten, die in einem Zeitraum von zwei
Jahren realisiert werden sollen (siehe Abbildung 2) (BIM4INFRA 2020, 2017):
• BIM Leistungsniveau I ab 2020
• Begleitung weiterer Pilotprojekte
• Rechtsfragen und Vertragsgestaltung
• Leitfäden, Muster und Handreichungen
• Konzept für Datenbank
• Öffentlichkeitsarbeit
Wichtige Partner dieser ARGE4 sind unter anderem der Lehrstuhl für Computergestützte
Modellierung und Simulation der Technischen Universität München, die Gesellschaft planen-
bauen 4.0, die Unternehmensgruppe OBERMEYER, die Kanzlei Kappelmann und Partner und
weitere Unternehmen, die sich mit der Entwicklung von Softwares beschäftigen oder im
Bereich des Consultings tätig sind. (BIM4INFRA 2020, 2017)
Abbildung 2: Meilensteine zur Umsetzung des BIM Stufenplans (BIM4INFRA 2020, 2017)
Derzeit befindet sich Deutschland wie bereits erwähnt in der zweiten Phase, in der 13
Schienen-, zehn Straßen- und ein Wasserprojekt mit einer BIM-basierten Ausführung geplant
werden (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, 2017).
4 Abk.: Arbeitsgemeinschaft
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2.2 Beispiel eines internationalen BIM-Projektes im Infrastrukturbau
Metrolinie in Doha
Die U-Bahn-Linie „Green Line“ der Hauptstadt Katars ist Teil von „Qatar’s Integrated Railway
Project“ und soll Doha mit dem Königreich von Bahrain und Saudi-Arabien verbinden. Doha
gilt als Wirtschaftszentrum und die am schnellsten wachsende Stadt Katars, wodurch eine
verlässliche Infrastruktur unerlässlich ist. (HOCHTIEF ViCon GmbH, 2015)
Die sogenannte „Green Line“ besteht aus sechs unterirdischen Bahnhöfen, die sich im
Stadtzentrum befinden, und zwei 15 km langen unterirdischen Zwillinigstunneln. Sie soll „eines
der fortschrittlichsten Bahnnetzwerke der Welt“ werden. (HOCHTIEF ViCon GmbH, 2015)
Der Einsatz von BIM wurde bereits am Anfang des Projekts festgelegt. Bei diesem Projekt
wurde HOCHTIEF ViCon von der Joint Venture5 beauftragt BIM-Dienstleistungen von der
Planungs- bis zur Bauphase zu erbringen. Die Tabelle 1 zeigt einen Auszug des BIM-Umfangs
von ViCon. (HOCHTIEF ViCon GmbH, 2015)
Tabelle 1: BIM-Umfang des Metroprojekts in Doha (HOCHTIEF ViCon GmbH, 2015)
BIM-Implementierung BIM-Management BIM-Services
• Erstellung eines BIM-
Implementierungsplans
zur Festlegung der BIM-
Standards und
Prozesse
• Erstellung von BIM-
Richtlinien zur
standardisierten
Modellierung
• Einrichtung des 3D-
Planungs-Prozesses
(2D-Plan-Generierung)
• Definition von QM6-
Prozessen und
Prüflisten
• Erstellung eines
Schulungs- und
Entwicklungsplans
• BIM-Koordination im
Namen des JV7,
Integration von
Mitarbeitern im
Planungsteam
• Kontrolle aller BIM-
Prozesse
• Sicherstellung der
Vollständigkeit des
Gebäudeinformations-
modells
• Schulungen: BIM-
Management, 3D-
Gewerkekoordination,
4D-Simulation,
modelbasierte
Mengenermittlung und
Datenintegration
• 3D-Kollisionsprüfung, inkl.
Dokumentation
• 4D-Bauablaufplanung
basierend auf
Entwurfsmodellen und
Bauzeitenplänen
• Mengenermittlung auf
Basis der
Entwurfsplanung und des
Leistungsverzeichnisses
• Verknüpfung von
modellbasierten Mengen
und Terminen für
Analysen zur
Kapazitätsauslastung
während der
Bauausführung
5 Gemeinschaftsunternehmen; hier aus der PORR Gruppe, Saudi Binladin Group und Hamad Bin Khalid Contracting 6 Abk.: Qualitätsmanagement 7 Abk.: Joint Venture
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Der Fokus lag jedoch bei der Entwicklung eines qualifizierten BIM-Teams innerhalb des Joint
Venture, wodurch HOCHTIEF ViCon einen BIM-Manager dem Joint Venture-Management zur
Verfügung stellte. Daneben wurde sich ausführlich über die Vertragsbedingungen, der
lieferbaren Ergebnisse und der projektweiten Richtlinien ausgetauscht, um Unerwartendes zu
vermeiden. (HOCHTIEF ViCon GmbH, 2015)
Ein weiterer entscheidender Teil der Aufgaben bildeten die BIM-Schulungen, die von ViCon’s
Experten durchgeführt wurden. Sie „führten das Kundenteam schrittweise an technische und
prozessuale Hintergründe der BIM-Anwendungsfälle: 3D-Gewerkekoordination, 4D-
Simulationen und modellbasierte Mengenermittlungen heran“ (HOCHTIEF ViCon GmbH,
2015).
Entsprechend ihrer „Implement & Go“-Strategie schließen HOCHTIEF ViCon ein Projekt ab,
nach dem BIM erfolgreich eingeführt wurde. So wird ein „eigenständiges und fachkundiges
BIM-Team“ ausgebildet, dass in diesem Fall die nachfolgenden laufenden Metro-Projekte
mithilfe des erstellten BIM-Implementierungsplan selbständig durchführen kann (HOCHTIEF
ViCon GmbH, 2015).
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3 Richtlinien
3.1 Nationale Richtlinien
Die BIM-Umsetzung in Deutschland ist derzeit noch nicht verbindlich vorgeschrieben, wodurch
noch keine handfesten Normen bestehen. Jedoch wird die Entwicklung von Vorgaben und
Richtlinien für die Abwicklung von BIM-Projekten nach und nach aus unterschiedlichen
Richtung vorangetrieben. (Borrmann et al., 2015)
Aus der wissenschaftlichen Begleitung der BMVI-Pilotprojekte konnten beispielsweise
detaillierte Fehlerquellen, aber auch Potentiale der neuen Arbeitsmethode abgeleitet werden,
aus denen Handlungsempfehlungen erschlossen werden konnten. Das Fazit war, dass „einige
Anwendungsfälle bereits effizient und mehrwertbringend umgesetzt werden können, aber
andererseits auch, dass noch erhebliches Verbesserungspotenzial in der BIM-gestützten
Abwicklung von Bauvorhaben besteht“. (ARGE INFRABIM, 2018)
Im Auftrag des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung8 wurde 2013 der BIM-
Leitfaden für Deutschland erstellt. (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013) Dieser
„definiert die notwendigen Begrifflichkeiten, gibt einen Überblick über den Stand der
Einführung von BIM im In- und Ausland und beantwortet grundsätzliche Fragen zum
Datenaustausch und zur Organisation der modellgestützten Zusammenarbeit“. (Borrmann et
al., 2015) Dadurch dass keine verbindlichen Vorgaben vorgeschrieben sind, wird nach einer
zukünftigen Ausarbeitung in Form einer BIM-Richtlinie und der dazugehörigen Vertragsvorlage
verlangt. (Borrmann et al., 2015)
Eine weitere Initiative, die sich für die nationale Standardisierung der BIM-Methodik in
Deutschland einsetzt, ist der Koordinierungskreis „Building Information Modeling“9, der von der
VDI10-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik11 ins Leben gerufen wurde. Ein weiteres Ziel
ist die Formulierung von Stellungnahmen und Empfehlungen an die Politik und die relevanten
Entscheider. (VDI, 2017)
Vertreter aus unterschiedlichen Fachbereichen (Architektur, Bautechnik, Technische
Gebäudeausrüstung und Facility Management), sowie Vertreter fachbezogener Verbände,
Vereine und Initiativen, Vertreter der Lehre, Experten der Softwarehersteller und
Ingenieurbüros sowie Bauherrenvertreter und BIM-Experten der Bauindustrie finden sich hier
zusammen um nationale Richtlinien festzulegen und Erfahrungen auszutauschen (siehe
Abbildung 3). (VDI, 2017)
8 Kurz: BBSR 9 Kurz: VDI-Koordinierungskreis BIM 10 Abk.: Verein Deutscher Ingenieure 11 Kurz: VDI-GBG
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Abbildung 3: Koordinierungskreis BIM und Fachbereiche der VDI-GBG (VDI, 2017)
Die Richtlinienreihe VDI 2552 stellt den nationalen Standpunkt in den internationalen BIM-
Standardisierungsaktivitäten dar. Diese dienen dem Deutschen Institut für Normung12 als
Grundlage für ein Normenwerk. Derzeit umfasst die Richtlinien VDI 2552 neun
Richtlinienblätter, die sich zum Teil aber noch in Bearbeitung befinden (VDI, 2017):
• VDI 2552 Blatt 1 „BIM – Rahmenrichtlinie“
• VDI 2552 Blatt 2 „BIM – Begriffe und Definitionen“
• VDI 2552 Blatt 3 „BIM – Mengen und Controlling“
• VDI 2552 Blatt 4 „BIM – Modellinhalte und Datenaustausch“
• VDI 2552 Blatt 5 „BIM – Datenmanagement“
• VDI 2552 Blatt 6 „BIM – Facility-Management“
• VDI 2552 Blatt 7 „BIM – Prozesse“
• VDI/ buildingSMART 2552 Blatt 8 „BIM – Qualifikationen“
• VDI 2552 Blatt 9 „BIM – Klassifikationen“
12 Kurz: DIN
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3.2 Internationale Richtlinien
Aus Abbildung 4 wird deutlich, dass die Vorreiter in der Herausgabe von BIM-Richtlinien wie
zu erwarten aus den skandinavischen Ländern, Singapur und den Vereinigten Staaten
stammen. Ihre Richtlinien kommen bereits in vielen Projekten zum Einsatz und sind in
öffentlichen Projekten vorgeschrieben. (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013)
Diese Länder scheuen weder Zeit noch Mühe um die Weiterentwicklung der BIM-
Arbeitsmethode zu fördern. Ihre Schwerpunkte sind hierbei „[die] lückenlose Dokumentation
der Bauwerksbeschreibung, [die] Transparenz und Weiterverwendbarkeit der Daten und [die]
Reduzierung von Reibungsverlusten bei der Datenübergabe zwischen unterschiedlichen
Leistungsphasen“. (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013)
Abbildung 4: Zeitliche Übersicht zu den BIM-Richtlinien und Leitfäden in ausgewählten Ländern (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013)
PAS 1192
Eines der wichtigsten Dokumente, die BIM-Richtlinien festlegen, ist die aus Großbritannien
stammende Dokumentenreihe PAS 119213. Die Bezeichnung definiert den Vorläufer der
britischen Norm14. Sie regelt unterschiedliche Aspekte der BIM-Methodik. Diese dienten der
2018 veröffentlichten ISO 1965015 als Grundlage um auch im internationalen Kontext
angewendet werden zu können. Der erste Teil definiert die allgemeinen Begriffe und Konzepte
zur Informationslieferung, der zweite die Prozesse zur Planung und Ausführung eines
Gebäudes in der BIM-Methodik. (Baldwin, 2018)
13 Engl.: Publicly Available Specification = öffentlich zugängliche Vorschrift 14 Kurz: BS für British Standard 15 Internationale Organisation für Normung
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National BIM Standard-United States
Als eines der einflussreichstes Vorhaben im Bereich der Einführung von Vorschriften gilt die
Schaffung des National BIM Standard16 in den USA, der die Abgabe von IFC-
Gebäudemodellen bei öffentlichen Aufträgen verbindlich regelt. Mittlerweile besteht schon die
dritte Version dieser Richtlinie. (Borrmann et al., 2015)
Common BIM Requirements (COBIM)
Seit 2007 wurde in Finnland gesetzlich festgelegt, dass BIM in allen Projekten eingesetzt
werden muss. (Borrmann et al., 2015) Die Common BIM Requirements 201217, die helfen
sollten die BIM-Methode koordiniert einzuführen, basieren auf den BIM-Anforderungen, die
von Senate Properties18 2007 veröffentlicht wurden. Diese verwalten einen großen Teil der
Immobilen, die der Republik Finnland gehören. Als Ergebnis wurden die aktualisierten Serien
1-9 und die neue Serie 10-13 am 27. März 2012 in Finnisch veröffentlicht. (BuildingSMART
Finland, o. J.)
16 Kurz: NBIMS 17 Kurz: COBIM 18 Finnisches, staatliches Unternehmen ohne Rechtspersönlichkeit
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4 Herausforderungen
Im Endbericht des BIM-Leitfadens für Deutschland (2013) wurden insgesamt 16 BIM-Projekte
aus unterschiedlichen Ländern untersucht, die ferner von Projektbeteiligten über
verschiedenen Kategorien kommentiert wurden (siehe Tabelle 2).
Tabelle 2: Übersicht über die Kommentare der Projektbeteiligten (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013)
Schnittstellen- und Softwarebezogen
• Schnittstellen/ Datenaustauschformate können die in sie gesetzten Anforderungen oft
nicht auf eine praktikable und Weise erfüllen. Oft ist ein großer Aufwand damit
verbunden, Daten und Informationen über Schnittstellen auszutauschen, zu
überprüfen und abzustimmen.
• Die Weiterentwicklung der Software während des Projektverlaufs macht zunehmend
Spezialwissen und mehr Training/ Schulung erforderlich.
• Austauchformate und Schnittstellen werden zunehmend komplexer und
unübersichtlicher, sie sollten mehr für bestimmte Einsatzgebiete und Arbeitsprozesse
hin optimiert werden: keine “Ich kann alles“ Schnittstelle.
Richtlinienbezogen
• National/International abgestimmte BIM-Richtlinien und -Anleitungen werden
zunehmend wichtiger, insbesondere wenn mehrere Partner mit BIM
zusammenarbeiten wollen.
• Häufig haben Auftraggeber veraltete CAD Standards, die BIM nicht unterstützen,
sondern behindern, da sie auf Arbeitsstrukturen und technischen Grundlagen
basieren, die nicht mehr zeitgemäß sind (Layer und Farben definieren Inhalt, nicht
Objekte und Attribute).
Prozess- und Anwenderbezogen
• Auftraggeber werden erst im Projektverlauf von der BIM-Arbeitsmethode überzeugt.
Das wird durch spätere zusätzliche Beauftragungen belegt (Raumbuch, 3D-
Nachmodellierung, Visualisierung).
• In den frühen Planungsphasen müssen zur 3D-Modellierung mehr konkrete
Entscheidungen getroffen werden, obwohl der Auftraggeber sich noch nicht
entscheiden kann (Vorverlagerung von Entscheidungen und des Aufwandes zur
Modellierung). So kann es schon früh zu Spannungen zwischen den Vertragspartnern
kommen.
• Bei der Verwendung der BIM-Arbeitsmethode ist häufig eine Koordination über alle
Gewerke notwendig. Dies lässt sich aber oft nicht einhalten (Zeitaufwand nicht
eingeplant, Handhabung und Aufwand für Koordinierung nicht kalkuliert, keine
Erfahrung).
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Wie in Tabelle 2 dargestellt, existieren neben technischen Problemen auch Probleme in den
Informations-, Prozess-, und Kommunikationsstrukturen. Das Verständnis über diese neue
Arbeitsmethode aufzubauen ist ein längerer Weg, der Zeit und Geduld bedarf.
Vor allem zeigt sich dies in der Anwendung der neuen Software. „Die Erfahrung zeigt, durch
BIM wird man nicht unbedingt schneller, sondern man erreicht einen höheren und
definierbaren Qualitätsstandard im Hinblick auf Bearbeitungszustand, Datenaustausch und
Koordination.“ (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013)
Um das Problem der unterschiedlichen Zielsetzungen und Vorstellung eines Projekts zu
vermeiden, ist es essentiell schon in der Vertragsverhandlung die Einbeziehung von BIM
festzulegen. (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo, 2013)
Letztlich treffen die Anwendung von BIM-Methoden und modernen Softwaresystemen nicht
immer nur auf offene Ohren, vielmehr bestehen große Unsicherheiten und Ängste ihnen
gegenüber, welche durch Schließen der Wissenslücken hinsichtlich Richtlinien, Erfahrungen
und Vertragsgrundlagen verringert werden können. (Egger, Hausknecht, Liebich, Przybylo,
2013)
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5 BIM und GIS
5.1 GIS – Definition und Anwendungsbereiche
Die Planung von Umwelt- und Ingenieurprojekten bedarf gesonderten Informationen, die mit
Hilfe von Geoinformationssystemen19 beschafft werden können. GIS ist inzwischen ein
wesentlicher Bestandteil bei der „Planung von Bauwerken, Verkehrswegen und
Landschaftsgestaltung“ (Verband Beratender Ingenieure, 2017) (siehe Abbildung 5).
Durch die Digitalisierung im Bau- sowie im Planungsbereich werden bei Informationen
zusätzliche Raum- und Zeitbezüge hinterlegt. Dadurch kann zu jeder Zeit für jedes Objekt eine
Datenabfrage erfolgen, welche anschließend „analysiert, visualisiert, interpretiert und für
aktuelle Planungsprojekte und Verfahren eingesetzt werden“ kann (Verband Beratender
Ingenieure, 2017).
Abbildung 5: Planungsdatenmodell der Umweltplanung (SSF Ingenieure, 2016)
19 kurz: GIS
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5.2 Interaktion zwischen BIM und GIS
Infrastrukturprojekte besitzen im Vergleich zu Gebäudeplanungen eine größere
geographische Ausbreitung. Dabei kann sich eine Trassenplanung durchaus über einige
Kilometer erstrecken, wohingegen sich Detailplanungen im Hochbau im Millimeterbereich
abspielen. Die großräumige Planung erfordert deshalb eine enge Zusammenarbeit zwischen
BIM und GIS-Systemen. (König et al., o. J.)
Geoinformationssysteme stellen „raumbezogene, sozioökonomische und topologische
Informationen“ (König et al., o. J.) zur Verfügung, die in Verbindung mit 3D-Modellen von
Vorteil sind. Neben aussagekräftigen Simulationen können die Visualisierungen dem
Bauherren Entscheidungen erheblich erleichtern. Die Kombinierung beider Systeme kann den
beteiligten Fachplanern eine vereinfachte Kommunikation, sowie Wissensaustausch
ermöglichen. (König et al., o. J.)
Diese Arbeitsweise ermöglicht den Planern ein Projekt hinsichtlich Problemen und/ oder
Einwirkungen auf die Umwelt zu analysieren und daraus geeignete Lösungen und
Optimierungen zu finden und umzusetzen. (SSF Ingenieure, 2016)
Um die Zusammenarbeit der beiden genannten Methoden zu gewährleisten, muss ein
Informationsaustausch stattfinden können, der nur durch Interoperabilität geschaffen werden
kann. Dabei werden bei der GeoDesign-Methode „die BIM-Planungsprozesse in einer
Geodatenbankstruktur eines kollaborativen Planungssystems integriert“ (SSF Ingenieure,
2016) (siehe Abbildung 6).
Abbildung 6: Das integrierte GeoDesign-Konzept (SSF Ingenieure, 2016)
Eine Schwierigkeit, die sich aus der Verbindung beider Systeme ergeben kann, ist die
Integration des 3D-Modells, welches in einem lokalen kartesischen Koordinatensystem erstellt
wurde, in ein GIS-System, das sich auf ein geodätisches Referenzsystem bezieht. Um diesen
Probleme entgegenzutreten, werden beide Systeme auf das Gauß-Krüger-System projiziert
und anschließend zusammengeführt. (König et al., o. J.)
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5.3 Beispiel
Ein Projekt, das die Zusammenarbeit zwischen den Komponenten BIM und GIS gut darstellt,
ist die Talbrücke Auenbach. Hierbei handelt es sich um ein Pilotprojekt des
Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, welches im Planungs- sowie
Ausführungsprozess mit Hilfe der BIM-Methode umgesetzt werden sollte. (Hochmuth und
Breinig, 2016)
Die Talbrücke wurde mit Hilfe der Software Siemens NX dreidimensional modelliert und
anschließend mit Trassierungs- und GIS-Daten verknüpft (siehe Abbildung 7). Dies bildete die
Grundlage für den weiteren Planungsprozess, mit Hilfe dessen Umweltbeeinträchtigungen,
wie beispielsweise Fledermausrouten, analysiert werden konnten. (Hochmuth und Breinig,
2016)
Die Einbettung des 3D-Modells in die Projektumgebung mit GIS-Informationen diente zudem
auch der Visualisierung des Projektes (siehe Abbildung 8).
Abbildung 7: Planung - Modellierung der Talbrücke Auenbach (Hochmuth und Breinig, 2016)
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Abbildung 8: Visualisierung der Talbrücke Auenbach (Hochmuth und Breinig, 2016)
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6 Praktische Analyse
6.1 Werkzeuge/ Programme
Bei der BIM-Planung von Infrastrukturprojekten stehen den Beteiligten verschiedene
Werkzeuge zur Verfügung. So werden von verschiedenen Herstellern, unterschiedliche
Programme bereitgestellt, mit Hilfe derer eine Planung durchgeführt werden kann.
ProVI
ProVI ist ein Produkt der Firma Obermeyer, mit welcher „Verkehr- und Infrastrukturplanungen
in den Bereichen Straße, Schiene und Kanal“ (ProVI, o. J.) durchführt werden können. Die
Software ist durch die Firma Autodesk autorisiert, weshalb diese mit Civil 3D kompatibel ist.
(ProVI, o. J.)
Mittels verschiedener Softwares soll eine praktische Analyse hinsichtlich der Interaktivität
zwischen verschiedenen Programmen dargestellt und die daraus entstandenen
Schwierigkeiten herausgearbeitet werden.
Siemens NX
Die ursprünglich für den Maschinenbau entwickelte Software wird von einigen Firmen, wie
beispielsweise Obermeyer planen + bauen, für die Modellierung von Brückenmodellen
verwendet. (Siemens Product Lifecycle Management Software, o. J.)
Für ein Beispielprojekt wurden in dieser Arbeit die Programme Infraworks, Civil 3D sowie Revit,
jeweils von der Firma Autodesk, verwendet. Diese werden im folgenden Kapitel näher
beschrieben.
Infraworks
Die Software Infraworks von Autodesk wird hauptsächlich für die Entwurfsplanung im Tief- und
Infrastrukturbau genutzt. Mit anderen Projektbeteiligten können mit Hilfe des dort erstellten
Modells Analysen, Simulationen sowie Visualisierungen durchgeführt werden. Informationen,
die in dem Modell enthalten sind, werden von Open Streetmap zur Verfügung gestellt. (Bytes
and Building, o. J.)
Civil 3D
Die CAD-Software ist ein Autodesk basiertes AutoCAD Programm. Civil 3D ermöglicht die
Bearbeitung von Infrastruktur- und Tiefbauprojekten. Mit Hilfe der Software kann die Planung,
der Entwurf und die Verwaltung von Projekten, die sich beispielsweise mit Straßen, Wege,
Rohrleitungen, Landschaftsbau und Entwässerungen befassen, durchgeführt werden.
(Autodesk, o. J.)
Die Objekte werden mit ihren hinterlegten (tatsächlichen) Höheninformationen im Modell
dargestellt. Dadurch wird es dem Bearbeiter erleichtert den Entwurf sofort zu überprüfen.
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Zudem können beispielsweise sowohl Quer- und Längsneigungen, als auch digitale
Geländemodelle und Straßenachsen direkt im Programm erzeugt werden. (Autodesk, o. J.)
Revit
Laut Autodesk „[ist] Revit eine Entwurfs- und Dokumentationsplattform für den Entwurf, die
Zeichnungen und die Pläne, die beim Building Information Modeling (BIM) benötigt werden“
(Autodesk, 2016).
Alle Daten stammen aus einem virtuellen Gebäudemodell. Das heißt beispielsweise, dass sich
alle Schnitte, Ansichten und Pläne an den Grundriss anpassen, wenn Änderungen an diesem
vorgenommen werden.
Diese sogenannte „parametrische Modellierung“ garantiert die Konsistenz der Daten und ist
eine der zwei durchschlagenden Prinzipien von Revit. Das zweite sind die
Elementbeziehungen, die Voraussetzung für die Koordination und Änderungsverwaltung
schaffen. Das Resultat ist ein Programm, das intuitiv und ohne redundante Daten funktioniert
und arbeitet. (Autodesk, 2016)
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6.2 Praktisches Beispiel
Es gibt durchaus verschiedene Möglichkeiten ein Infrastrukturprojekt zu entwerfen und zu
planen. In dieser Arbeit wird nur eine Alternative vorgestellt und hinsichtlich der Interaktivität
der Programme getestet.
Da die gesamte Planung einer Brücke für den Rahmen dieser Arbeit zu aufwändig gewesen
wäre, wurden lediglich die einzelnen Schritte mit Hilfe von Beispielprojekten getestet und auf
ihre Komptabilität analysiert.
Abbildung 9: Projektumgebung für die praktische Analyse
Für das Projekt kann zunächst das Gebiet in Infraworks definiert werden, woraus anschließend
ein Model erzeugt wird, in dem sich relevante Daten für die Entwurfsplanung befinden (siehe
Abbildung 9).
Das daraus entstehende Modell kann mit einer Karte von GoogleMaps verglichen werden,
welches zusätzliche Informationen zu den einzeln abgebildeten Objekten beinhaltet, wie
beispielsweise Straßenzüge, Gebäudearten oder Grünanlagen.
Die Objekte im virtuellen Modell sind mit verschiedenen Attributen versehen, wie z.B. dem
Straßennamen, Gebäudenamen und -höhen (siehe Abbildung 10). Wie bereits erwähnt,
werden diese Daten größtenteils von Open Street Map zur Verfügung gestellt, weshalb nicht
automatisch davon ausgegangen werden kann, dass die Richtigkeit und Genauigkeit der
Daten gegeben ist.
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Abbildung 10: Vergleich der Projektumgebung in GoogleMaps (links) und Infraworks (rechts)
Abbildung 11: GoogleMaps Ausschnitt des Englischen Gartens
Abbildung 12: Infraworks Ausschnitt des Englischen Gartens
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Abbildung 13: Hinterlegte Informationen zu einem Objekt
Die beiden Kartenausschnitte scheinen auf den ersten Blick ähnlich zu sein, jedoch wird beim
näheren Hinsehen deutlich, dass in Infraworks die Gebäude und Straßen bzw. Wege nicht
realitätsgetreu dargestellt werden (siehe Abbildung 11 und Abbildung 12).
Die Fassaden, die Höhe oder die Form von Gebäuden werden zum Teil nicht korrekt
dargestellt. Zudem sind die Überlagerungen der Luftbilder und der hinterlegten Straßen
teilweise falsch oder ungenau.
Änderungen und Planungen von Straßen oder Wegen können direkt in Autodesk Infraworks
vorgenommen werden. Sobald diese abgeschlossen sind, kann das Projekt in Civil 3D geöffnet
werden (siehe Abbildung 13).
Export Infraworks – Civil 3D
Um das Infraworks-Projekt in Civil 3D zu öffnen, gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste
Möglichkeit ist die Datei als „.imx“-Datei zu exportieren, um sie anschließend in Civil 3D zu
importieren.
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Die Alternative dazu ist die Datei direkt über das Add-In in Civil 3D als „.sqlite“- Datei zu öffnen.
Anschließend wird das davor definierte Gebiet mit einem digitalen Geländemodell hinterlegt
(siehe Abbildung 14).
Abbildung 14: Layerausschnitt einer Projektumgebung mit Kartenausschnitt
Um die Planung fortzusetzen kann ein Höhenplan mit der Gradiente und dem Gelände erstellt
werden (siehe Abbildung 15). Die Gradiente kann direkt im Höhenplan geplant und detailliert
entworfen werden.
Abbildung 15: Höhenprofil der Planungsstrecke
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Bei der Erstellung der Gradiente und beim Import der Gradiente von Infraworks nach Civil 3D
ergaben sich Schwierigkeiten, die sich im Laufe der Arbeit vergebens lösen ließen, welches
im Kapitel 6.3 näher beschrieben wird.
Folgend wird kurz umrissen, wie ein solch geplantes Projekt mit Hilfe dieser Programme
geplant werden könnte.
Nach dem Import der geplanten Gradiente von Infraworks kann, wie bereits vorher erwähnt,
die Planung entlang der Trasse detailliert gestaltet werden. Das vorliegende beispielhafte
digitale Geländemodell, sowie der Höhenplan wurden hierbei als Hilfestellung für den Entwurf
verwendet (siehe Abbildung 16 und Abbildung 17).
Abbildung 16: Beispiel einer Trassenplanung mit hinterlegten DGM (Weichelt, 2018)
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Abbildung 17: Beispiel mit Höhenplan (Weichelt, 2018)
Export Civil 3D – Revit
Ist die Trassenplanung abgeschlossen, können die Höhendaten der Trasse mit einem
Listenexport in Revit geöffnet werden. Hier erfolgt die Modellierung der Brücke bzw. des
Infrastrukturmodells. Überbau, Unterbau, Stützen sowie Widerlager werden in Revit mit Hilfe
von Familien erstellt.
Die nicht durchgehend geradlinig verlaufende Trassenführung benötigt das Zusatzmodul
Dynamo, um die Brückenelemente entlang der Trasse modellieren zu können. Dieses
ermöglicht die Erstellung von Splines, an derer entweder Brückenquerschnitte zu
Volumenkörper extrudiert werden können oder Brückenelemente, wie beispielsweise das
Geländer oder der Überbau, so positioniert werden, dass sie dem vorgegebenen Pfad folgen.
(AutoCAD & Inventor, o. J.)
Die modellierte Brücke kann anschließend als 3D-Modell oder Revit-Datei in Infraworks
importiert werden und für Simulationen oder Visualisierungszwecken genutzt werden (siehe
Abbildung 18).
Abbildung 18: Importoptionen von InfraWorks
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6.3 Problematik und Schwierigkeiten
Bei der Vorgehensweise wie im Praxisbeispiel ergaben sich einige Probleme hinsichtlich des
Dateienimports. Der Export des Projektgebietes in Infraworks und der Import dieser Datei in
Civil 3D generierten diverse Fehler. Die Projektumgebung konnte in Civil 3D nicht mit der
gewünschten Gradiente geladen werden, was daran lag, dass das DGM nicht auf derselben
Höhe lag wie die Straßenlayer. Deshalb wurde eine weitere detaillierte Planung nicht weiter
durchgeführt, da wie bereits erwähnt, eine umfangreiche Planung den Umfang dieser Arbeit
überschreiten würde.
Abbildung 19: Höhenunterschied Layer Gradiente - Höhenplan
Abbildung 20: DGM mit Layer deckungsgleich – Draufsicht
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Es wurden einige Lösungsmöglichkeiten vergebens durchprobiert, um das Problem der
Höhenunterschiede zu lösen. Die Exporte mit unterschiedlichen Datenformaten, wie „.imx“-
Format oder „.sqlite“, sowie die Gleichstellung beider Koordinatensysteme auf das Gauß-
Krüger-System brachten leider nicht das gewünscht Ergebnis (siehe Abbildung 21).
Abbildung 21: Gauß-Krüger-System für Infraworks- Modell und Civil 3D
Da beide Modelle als z-Koordinate den Wert 0 hatten, lag das Problem daher auch nicht in
diesem Bereich.
Diese Lösungsansätze wurden unter Zuhilfenahme von ähnlichen Fragestellungen in Foren
getestet. Es wurde im Laufe der Arbeit leider keine passende Lösung gefunden, jedoch konnte
anhand der Lösungsfindung, die Interaktivität zwischen den einzelnen Programmen durchaus
analysiert werden.
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7 Zusammenfassung und Bewertung
Hinsichtlich des Aspekts der Zusammenarbeit zwischen BIM und GIS-Systemen kann
festgestellt werden, dass es einen deutlichen Mehrwert für alle Beteiligten des Projekts mit
sich bringt. Die geographische Ausdehnung eines Infrastrukturprojektes und die daraus
entstehenden Umweltauswirkungen, machen es notwendig ein BIM-Modell mit einem
raumbezogenen System zu verknüpfen, um eine gerechte vorhersehbare Planung
durchführen zu können.
Unterschiede, die zwischen BIM- und Geoinformationen hervorzuheben sind, sind zum einen
die Koordinatensysteme, in denen beide Systeme jeweils arbeiten. Die Gebäudeplanung mit
der BIM-Methode spielt sich in lokalen Bezugssystemen und auch eher im Millimeter- bis
Meterbereich ab. Im Vergleich dazu steht ein Infrastrukturprojekt, das sich aufgrund seiner
Ausdehnung auf geographische Referenzsysteme bezieht.
Diese Systeme in Verbindung zu setzen ist teilweise noch nicht ausgereift und bedarf weiterer
Verbesserungen.
Ein weiterer Aspekt, der im BIM-Bereich noch nicht fehlerfrei verläuft, ist der Datenaustausch
zwischen den einzelnen Systemen. Hier ist es wichtig, alle Daten verlustfrei übertragen zu
können. Es geht in erster Linie darum, die Daten den beteiligten Fachplanern so zur Verfügung
zu stellen, wie sie sie auch benötigen. Hier bedarf es auch noch weiterer Verbesserungen.
Die Handhabung der Datenmengen spielt in großen Projekten auch eine bedeutende Rolle.
Der wesentliche Unterschied beider Komponenten liegt in der Verfügbarkeit bzw. im
Vorhandensein der Daten. Bei einem BIM-Modell sind die Daten in dem Modell hinterlegt, was
dazu führt jederzeit mit großen Datenmengen arbeiten zu müssen. Folglich können
Schwierigkeiten und Einbußen hinsichtlich der Performanz auftreten, welche die Arbeit mit
großen Modellen erschweren.
Bei Geoinformationssystemen werden lediglich die Daten aufgerufen, die für das Projekt auch
benötigt werden. Ein Vorteil dieser Verfahrensweise ist, dass die Arbeit mit redundanten Daten
vermieden wird, was zur Folge hat, dass die Performanz nicht darunter leidet.
Die Interaktion zwischen den jeweiligen Programmen verlief hinsichtlich der
Benutzeroberflächen und der Handhabung sehr intuitiv. Wie bereits in den vorherigen Kapiteln
beschrieben, können die Dateien entweder als IFC-Datei oder den Programmen kompatiblen
Datenformaten im- und exportiert werden. Zwar konnte im Verlauf der Arbeit keine Lösung für
die genannte Problemstellung gefunden werden, jedoch kann trotz alledem gesagt werden,
dass diese Programme diverse Möglichkeiten bieten, Modelle auszutauschen und
weiterzuverarbeiten. Hinzukommt, dass es mehrere Alternativen gibt den Workflow für die
Planung eines Infrastrukturprojektes zu gestalten.
Des Weiteren ist der Aufbau der einzelnen Programme leicht zu verstehen und daher auch
einfach zu erlernen, jedoch konnte für diese Arbeit nicht intensiv Zeit aufgewendet werden, um
den gesamten Umfang der einzelnen Programme ausnutzen und einsetzen zu können.
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Eine Tatsache, die nach dieser Arbeit geschlussfolgert werden kann, ist, dass für den
Ingenieurbau im Bereich BIM und 3D-Modellierung derzeit nicht viele Programme zur
Verfügung stehen. Zwar können diese auch mit den genannten Programmen in Kapitel 6.1
modelliert werden, jedoch nur unter Zuhilfenahme von Zusatzmodulen, wie beispielsweise
Dynamo. Es existieren zudem, hier am Beispiel Revit Autodesk, keine Familien für
Brückenelemente, wie es diese für den Hochbau gibt. Jedoch muss hier auch aufgegriffen
werden, dass bei der Planung von Infrastrukturprojekten immer verschiedene und
unterschiedliche Bauteile benötigt werden, was eine Standardisierung auch erschwert.
Es sind bereits viele Ingenieure und Planer von der BIM-Methode überzeugt. Das
Voranbringen, die Umsetzung dieser Methode sowie die Bereitschaft zu investieren, sei es in
die Software oder die Schulung von Mitarbeitern, ist der richtige Weg BIM in Deutschland zu
fundieren. Es bleibt dementsprechend spannend, was sich in den nächsten Jahren in diesem
Bereich tun wird, auch in Hinblick auf den Stufenplan 2020.
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