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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


Seite 2

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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