eJournals Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur 1/1

Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur
2748-9213
2748-9221
expert verlag Tübingen
Digitale Bauwerksmodelle können im Rahmen des Building Information Modeling (BIM) die Planungs- und Zustandsdaten von Infrastrukturbauwerken über den gesamten Lebenszyklus hinweg abbilden. Während der Nutzungsphase ermöglicht die Integration von Zustandsdaten aus der Bauwerksanalyse eine detaillierte, aktuelle Beschreibung des Bauwerkszustandes. Der Beitrag diskutiert technische Konzepte zur Integration von Zustandsdaten in digitale Bauwerksmodelle nach dem offenen Standard der Industry Foundation Classes (IFC) sowie deren Visualisierung im Modell. Mittels einer prototypischen Software werden sowohl geometrische als auch semantische Zustandsinformationen aus der Bauwerksdiagnose mit Ultraschall und Radar in ein auf dem IFC-Schema basierendes 3D-Modell integriert. Dabei werden die notwendigen Funktionalitäten und die Vorgehensweise von der Datenerfassung bis zur Nutzerinteraktion mit dem Bauwerksmodell verdeutlicht. Daraus wird eine begriffliche Systematik entwickelt, um Daten, die mittels Zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfP) gewonnen wurden, und die dazugehörigen Metainformationen in einer IFC-Datenstruktur abzubilden. Zur 3D-Darstellung des IFC-Bauwerksmodells mit beispielhaften ZfP-Daten wurde eine Visualisierungs-Software entwickelt. Zwei Beispiele zur Augmented-Reality-(AR)-Visualisierung von 3D-Zustandsdaten mit einem Tablet bzw. einer AR-Brille bzw. zeigen Nutzungsmöglichkeiten im Kontext des realen Bauteils, die zukünftig Inspektions- und Wartungsaufgaben erleichtern können.
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Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen

2021
Martin Schickert
Mathias Artus
Jason Lai
Felix Kremp
1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 381 Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen Martin Schickert Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar (MFPA Weimar) Mathias Artus, Jason Lai Bauhaus-Universität Weimar Felix Kremp planen-bauen 4.0 GmbH, Berlin Zusammenfassung Digitale Bauwerksmodelle können im Rahmen des Building Information Modeling (BIM) die Planungs und Zustandsdaten von Infrastrukturbauwerken über den gesamten Lebenszyklus hinweg abbilden. Während der Nutzungsphase ermöglicht die Integration von Zustandsdaten aus der Bauwerksanalyse eine detaillierte, aktuelle Beschreibung des Bauwerkszustandes. Der Beitrag diskutiert technische Konzepte zur Integration von Zustandsdaten in digitale Bauwerksmodelle nach dem offenen Standard der Industry Foundation Classes (IFC) sowie deren Visualisierung im Modell. Mittels einer prototypischen Software werden sowohl geometrische als auch semantische Zustandsinformationen aus der Bauwerksdiagnose mit Ultraschall und Radar in ein auf dem IFC-Schema basierendes 3D-Modell integriert. Dabei werden die notwendigen Funktionalitäten und die Vorgehensweise von der Datenerfassung bis zur Nutzerinteraktion mit dem Bauwerksmodell verdeutlicht. Daraus wird eine begriffliche Systematik entwickelt, um Daten, die mittels Zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfP) gewonnen wurden, und die dazugehörigen Metainformationen in einer IFC-Datenstruktur abzubilden. Zur 3D-Darstellung des IFC-Bauwerksmodells mit beispielhaften ZfP-Daten wurde eine Visualisierungs-Software entwickelt. Zwei Beispiele zur Augmented-Reality-(AR)-Visualisierung von 3D-Zustandsdaten mit einem Tablet bzw. einer AR-Brille bzw. zeigen Nutzungsmöglichkeiten im Kontext des realen Bauteils, die zukünftig Inspektions- und Wartungsaufgaben erleichtern können. 1. Einleitung Building Information Modeling (BIM) bezeichnet eine kooperative Arbeitsmethode, die als Ziel die durchgängige Verwendung eines digitalen Modells eines Bauwerks über dessen gesamten Lebenszyklus hat. Das digitale Bauwerksmodell stellt dabei die rechnerinterne, virtuelle Repräsentation eines Bauwerks mit geometrischen, physikalischen und funktionalen Eigenschaften dar und wird zwischen allen Projektbeteiligten wie Architekten, Ingenieuren, Managern und Bauherren über die Projektphasen Entwurf, Planung, Ausführung, Bewirtschaftung und Umbau ausgetauscht. Während anfangs der Schwerpunkt der BIM-Methoden auf der Planung und Ausführung von Gebäuden im Hochbau lag, werden zunehmend auch Infrastrukturbauwerke wie Brücken, Tunnel, Straßen und Gleisanlagen im BIM-Prozess behandelt, und die Betrachtung erweitert sich auf die Nutzungsphase der Bauwerke. Damit wird die Integration physikalischer und funktionaler Daten interessant, die den Zustand des Bauwerks beschreiben. Bisher werden diese Daten selektiv zur Schadensanalyse aufgenommen und nur in diesem Rahmen ausgewertet. Eine Zusammenführung aller verfügbaren Informationen und ihre aufgabengerechte Darstellung ermöglichen dagegen eine weitergehende Auswertung, die für eine Visualisierung, für Analysen und Vorhersagen genutzt werden können. Zur strukturierten Aufnahme dieser Daten bietet sich das digitale Bauwerksmodell an, das im BIM-Prozess erstellt und laufend aktualisiert wird. Wird der Zustand des Bauwerks durch die Zustandsdaten genügend genau abgebildet, fungiert das BIM-Bauwerksmodell als Digitaler Zwilling, mit dem Verhaltens und Lebensdauer-Vorhersagen modelliert und simuliert werden können. Die Zustandsdaten können als Ergebnis einer zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) und als Daten aus einem Monitoring (auch: Structural Health Monitoring) erhoben Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 382 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Abbildung 1: Notwendige Bestandteile für die Kollaboration im BIM-Prozess (basierend auf den Definitionen von buildingSMART [5]) werden. ZfP-Daten sind im allgemeinen räumlich verteilt, werden aber zu einem bestimmten Zeitpunkt erhoben, während Monitoring-Daten räumlich punktuell, aber zeitlich ausgedehnt gemessen werden. Hier werden ZfP-Daten betrachtet, während Monitoring z. B. in [1, 2, 3] und die Übernahme von Schadensinformationen in [4] behandelt werden. Mit zunehmender Zahl der im Bauwerk integrierten Sensoren ist zukünftig eine Verschmelzung der beiden Bereiche möglich. Abbildung 2: IFC-Datei im ASCII-Format und die Darstellung im IFC-Viewer Die Strukturierung von ZfP-Daten, ihre Übernahme in ein BIM-Bauwerksmodell und ihre darauf aufbauende Visualisierung sind gegenwärtig noch nicht Stand der Technik. Im Beitrag wird der BIM-Prozess erläutert, der für die Erstellung von digitalen Bauwerksmodellen erforderlich ist, und die strukturierte Anordnung der Informationen im Bauwerksmodell wird dargestellt. Anschließend wird eine Vorgehensweise zur Integration von ZfP-Daten vorgestellt, und es wird eine begriffliche Systematik für ZfP-Daten und dazugehörige Metainformationen vorgeschlagen. Visualisierungsmöglichkeiten von bildgebenden ZfP- Daten werden anhand dreier Beispiele vorgestellt. Für die Visualisierung von geometrischen und semantischen ZfP-Ergebnissen in einem BIM-Bauwerksmodell wurde die Software MFPA-BIM-Viewer entwickelt. Zwei Anwendungen der Augmented-Reality-(AR)-Visualisierung von 3D-Zustandsdaten mit einem Tablet und mit einer AR-Brille zeigen intuitive Nutzungsmöglichkeiten im Kontext des realen Bauteils, wobei das visuelle Bild des Bauteils mit virtuell erzeugten Bildern der Planungsdaten und der Abbildungsverfahren überlagert wird. 2. Konzepte 2.1 BIM für einen neuen Prozess verwenden Building Information Modeling (BIM) beschreibt Methoden und Werkzeuge für die digitale Zusammenarbeit im Bausektor. Es ist wichtig, zwischen dem Prozess Building Information Modeling und dem resultierenden Bauwerksmodell (Building Information Model) zu unterscheiden. In diesem Artikel steht die Abkürzung BIM für den Prozess. Ziel des BIM-Prozesses ist die Einsparung von Zeit und Geld bei Planung, Bau und Betrieb von Bauwerken. Das digitale Bauwerksmodell dient dabei dem verlustarmen Datenaustausch zwischen allen Prozessen und Akteuren. Bild 1 zeigt einen konzeptuellen Überblick über die drei Hauptbestandteile, die für einen gezielten Datenaustausch notwendig sind. Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 383 Am bekanntesten ist der Teil Datenstruktur (Data Structure). Die internationale Standardisierungsorganisation buildingSMART hat den Standard der Industry Foundation Classes (IFC) definiert, um ein Schema zum Datenaustausch bereitzustellen [6, 7]. Der IFC-Standard beinhaltet Definitionen zu Produkten, Prozessen, Personen, Dokumenten, Beziehungen und alphanumerischen Daten. IFC-Dateien sind ASCII-Dateien, die die Bauwerksinformationen beinhalten. Zu den Inhalten zählen unter anderem Geometrie, Materialien und Verbindungen oder Zusammenhänge. Bild 2 zeigt einen Ausschnitt einer IFC-Datei auf der linken Seite und die entsprechende Darstellung einer Brücke auf der rechten Seite. IFC liefert die Datenstruktur, um überhaupt Bauwerksdaten austauschen zu können. Die Definitionen zum Datenaustausch (Data Exchange Definitions) legen fest, welche Daten wann zwischen welchen Akteuren in welcher Detaillierung ausgetauscht werden [5, Ch. 6]. Dies ist abhängig von den jeweiligen Prozessen und nationalen Vorgaben. Deshalb definiert buildingSMART hier keinen fertigen Standard, der die Anforderungen festlegt, sondern bietet Anleitungen zum Erstellen eines Information Delivery Manuals (IDM) [8] und einer Model View Definition (MVD) [9]. Das IDM definiert hierbei unabhängig von der IFC Anforderungen an den Datenaustausch - welcher Akteur welche Daten zu welchem Zeitpunkt benötigt -; es sollte von einem Experten aus dem beabsichtigten Nutzungsbereich definiert werden. Basierend auf dem IDM legt dann das MVD fest, wie diese Anforderungen auf Basis von IFC implementiert werden. Dies ist empfehlenswert, um eine einheitliche Herangehensweise sicherzustellen, und wird am besten in einer Software implementiert. Zur Erstellung sollten Ein IFC- und ein Nutzungsexperte zusammenarbeiten. Bild 3 zeigt links ein fiktives IDM für den Inspektionsprozess. Daneben ist ein Teil eines möglichen MVDs abgebildet. Das IDM beschreibt die Prozesse zerstörungsfreie Prüfung (Nondestruktive Testing) und Bewertung (Assessment). Eine zerstörungsfreie Prüfung hat Attribute für eine Methode und eine verantwortliche Person. Im zugehörigen MVD wird dann festgelegt, dass zum Beispiel der Prozess an sich durch einen IfcTask repräsentiert wird. Die Daten zur verantwortlichen Person werden per IfcActor abgebildet, und eine Entität vom Typ IfcDocumentReference transportiert Informationen bezüglich des Abschlussberichts. Einige grundlegende MVDs werden von buildingSMART zu Verfügung gestellt. Abbildung 3: Ausschnitt eines beispielhaften IDMs und eines zugehörigen MVDs mit IFC-Entitäten. Prozesse sind grau dargestellt, Elemente des IDM´ gelb und Elemente des MVD´/ IFC´ grün. Des Weiteren ist es notwendig, die zu verwendenden Begriffe eindeutig zu definieren. Zum Beispiel gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, ein Riss zu benennen: Riss, Bruch, Spalt, Delamination oder Ablösung. Für einen automatischen Austausch der Daten ist es notwendig, genau festzulegen, welche Bezeichnung für welchen Sachverhalt verwendet wird. Dafür werden Terminologien (Terminologies) festgelegt [5, Ch. 6]. buildingSMART stellt für diesen Zweck das buildingSMART Data Dictionary (bsDD) bereit [10]. Darin werden Begriffe festgelegt und vereinheitlicht, auch unter Berücksichtigung verschiedener Sprachen. Diese Definitionen können hie- Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 384 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 rarchisch angelegt werden und zusätzliche Bedingungen oder Parameter beinhalten. Für unterschiedliche Anwendungsbereiche und länderspezifische Definitionen sind verschiedene Domains in einem einzelnen bsDD möglich. Ein bsDD wird derzeit durch prospektive Nutzer nach Schulung durch buildingSMART in eigener Verantwortung angelegt. Um BIM für einen Prozess (z. B. die Inspektion einer Stahlbetonbrücke) oder eine Prozessklasse (Inspektionen allgemein) zu implementieren, ist es notwendig, 1. alle beteiligten Prozesse und Akteure zu bestimmen, 2. alle notwendigen Daten für den Austausch zwischen den Prozessen zu definieren, 3. festzulegen, wie diese Daten in einer IFC-Datei zu speichern sind und 4. welche Begriffe für die Daten zu verwenden sind. Auf Grundlage dieser Festlegungen für den BIM-Prozess können dann konkrete Bauwerksmodelle erstellt, ausgetauscht und genutzt werden. Die Nutzung von IFC-Bauwerksmodellen im Hinblick auf bestimmte Anwendungen kann durch eine Model View Definition (MVD) beschrieben werden. Diese definiert eine Untermenge des IFC-Modells, die für eine bestimmte Modellnutzung, z. B. eine ZfP-Messung oder eine Brückenwartung, angelegt wird. Abbildung 4: Arbeitsablauf zur Integration von ZfP-Ergebnissen in ein BIM-Bauwerksmodell und spätere Nutzung 2.2 BIM-Bauwerksmodell und IFC Die IFC-Datenstruktur war ursprünglich als Standard zum Datenaustausch zwischen proprietären Datenformaten definiert worden. Sie kann auch zum Anlegen von Bauwerksmodellen verwendet werden. Das Bauwerksmodell beinhaltet Informationen zum Bauwerk selbst, wie zum Beispiel Geometrien der Bauteile, Materialien und Materialdaten, Zugehörigkeiten und Zusammenhänge, Informationen zur Statik und zu Ent- und Versorgungssystemen. Technisch besteht ein IFC-Bauwerksmodell im STEP-Format aus einer ASCII-Datei mit IFC-Dateiendung, die einen kurzen Header und eine Liste von IFC-Entitäten enthält, die jeweils mit dem Rautezeichen # und einer Zeilennummer beginnen und mit einem Semikolon abgeschlossen werden (Bild 5). Bauwerksmodelle können als IFC-Datei angelegt sein, oder sie werden in einer proprietären Software entwickelt, aus der IFC-Dateien zum Austausch exportiert und weitergegeben werden. 2.3 Vorgehensweise zur Integration von ZfP-Daten Das digitale Bauwerksmodell bietet eine attraktive Möglichkeit, Zustandsdaten zu integrieren. Die Daten können nicht nur an Messpunkten einer Geometrie, sondern auch logisch direkt dem Bauteil zugeordnet werden, dessen Zustand sie beschreiben, oder auch den Einzelteilen, Eigenschaften und Funktionen eines Bauteils. Dabei müssen die Daten zum einen an die IFC-Struktur angepasst und zum anderen im Hinblick auf spätere Nutzungen aufbereitet werden. Prinzipiell ist es möglich, neue Definitionen über allgemeine Property Sets in ein Modell zu integrieren. Dann sind diese Definitionen aber proprietär und nicht kompatibel zu anderen Darstellungs und Nutzungsprogrammen. Der einheitlichere, aber aufwendigere Weg ist der über die Neudefinition von IFC- Entitäten. Bild 4 zeigt den generellen Arbeitsablauf bei der Integration und Nutzung von ZfP-Ergebnissen mit einem BIM-Bauwerksmodell. Die ZfP-Messergebnisse und die dazugehörigen Metainformationen werden direkt als Rohdaten in das Bauwerksmodell aufgenommen, um die Rückverfolgbarkeit sicherzustellen. Dazu müssen die Messpositionen und die ein- oder mehrdimensionalen Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 385 Ergebnisse in die 3D-Geometrie des Bauwerksmodells transformiert werden. Die die Messdaten erläuternden Metainformationen werden inhaltlich transformiert und unter Verwendung der IFC-Terminologie auf die IFC- Datenstruktur abgebildet. Um die Rohdaten in Informationen zu überführen, die im Rahmen des BIM-Prozesses auch für Nicht-ZfP-Experten nutzbar sind, ist ein Interpretationsschritt notwendig. Dieser beinhaltet zunächst die Verknüpfung der Ergebnisse und Metainformationen mit dem entsprechenden Bauteil. Außerdem ist eine Abstraktion der Messergebnisse erforderlich, die die Messergebnisse für die Nutzer des Bauwerksmodells verständlich macht. Dadurch werden zum Beispiel Anzeigen in einem Radarbild als Spannkanäle interpretiert. Bei einer bewertenden Prüfung kommt noch ein Prüfergebnis wie z. B. „Korrosion“ hinzu. Diese interpretierten Messergebnisse und Metadaten werden ebenfalls in die IFC-Datenstruktur und IFC-Terminologie übersetzt und im Bauwerksmodell abgelegt. Im Falle von prozessspezifischen Rohdaten oder Binärdaten ist eine Integration über Referenzen effizienter als die Speicherung der Daten in der IFC-Datei (Bild 4, #9037). Die Informationen im Bauwerksmodell stehen dann für die nachfolgende Nutzung zur Verfügung. Sie können beispielsweise visualisiert werden, wobei nach bestimmten Inhalten gefiltert werden kann (Kapitel 3.1). Auf Grundlage der Informationen können Modellierungen und Simulationen durchgeführt werden, die z. B. mechanische oder klimatische Belastungen simulieren (Digitaler Zwilling) und daraus Zustandsnoten und Prognosen ableiten, die ihrerseits wieder ins Modell eingespeist werden. Diese können dann zur Planung von zustandsbasierten Wartungsintervallen und für Lebensdauervorhersagen genutzt werden. Da die Nutzung der Daten offen ist, müssen alle beteiligten Prozesse (Qualitätsprüfungen ZfP/ Monitoring, Modellierungen, Wartung, …) und die zugehörigen Akteure (Bauwerkseigner, Prüfingenieure, Messbeauftagte, …) definiert werden, um die notwendigen Informationen zu bestimmen und deren Aufnahme in das Bauwerksmodell sicherzustellen. 2.4 ZfP-Daten und Metainformationen Neben den ZfP-Messergebnissen sind Metainformationen zu ihrer Beschreibung und Einordnung erforderlich. Die Struktur dieser Daten sollte einheitlich auf alle ZfP- Verfahren anwendbar sein, eine Qualitätssicherung beinhalten und die nachfolgende Nutzung berücksichtigen. Die Metainformationen für Rohdaten und deren Interpretation können nach folgender Systematik angeordnet werden: Messdurchführung - Prüfziel - Messverfahren - Prüfanweisung - Datum, Zeit - Namen, Institutionen, Qualifikationen - … Verfahrensspezifische Informationen - Messgerät - Messgröße - Einheiten - Justier-/ Kalibrierwerte - Datenformat - Farbskalen - … Geometrische Daten - Bezugspunkt - Koordinatensystem - Messraster - … Randbedingungen - Temperatur - Oberflächenzustand - … Zusatzinformationen - Notizen - Fotos - … Interpretation - Abstraktion - Bewertung - … Aus diesen Begriffen kann eine IFC-Datenstruktur entwickelt werden, auf die die Metainformationen semantisch abgebildet werden. Der Weg zu einer Standardisierung führt über die Festlegung einer Terminologie im buildingSMART Data Dictionary (bsDD), um einheitliche Bezeichnungen festzuschreiben, z. B. für Begriffe wie „Ultraschallprüfung“, „Ultraschallmessung“ oder „Ultrasonic inspection“. Die Verwendung von ZfP-Daten im Kontext eines IFC- Bauwerksmodells wird anhand eines fiktiven Trägers in Bild 5 illustriert. Die IFC-Daten sind dem Beispiel in Bild 6 entnommen. Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 386 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Abbildung 5: Auszug aus einer Beispielhaften IFC-Datei mit einem Träger (#244), dem Prozess für die Ultraschalluntersuchung (#9041) und dem Abschlussbericht (#9036 und #9037) Der IfcBeam (#244) stellt den Träger für das Beispiel dar. Bei einer Hauptinspektion wurde ein Schaden festgestellt, der einer objektspezifischen Schadensanalyse bedarf (OSA, #9024). Deshalb wurde eine Ultraschalluntersuchung durchgeführt (#9041) und der Bericht der Untersuchung ist dem Modell beigefügt (#9036, #9037). Charakteristisch für IFC sind die sogenannten objektifizierten Beziehungen. Eine Beziehung zwischen zwei Objekten, zum Beispiel dem Schaden (#9024) und dem Bericht der Ultraschalluntersuchung (#9036, #9037), wird durch ein Objekt dargestellt (#9040). 3. Anwendungen 3.1 Software zur 3D-Visualisierung von ZfP-Daten Für die Visualisierung beispielhafter Ergebnisse aus Zerstörungsfreien Prüfverfahren in einem 3D-IFC-Bauwerksmodell wurde die Software MFPA-BIM-Viewer entwickelt. Der Viewer ist IFC-4.0-konform und wurde mit Unity entwickelt. IFC-Dateien werden mit „IfcConvert“ von IfcOpenShell [11] in OBJ- und XML-Dateien übersetzt. Zur Anzeige werden diese Dateien zur Laufzeit in den MFPA-BIM-Viewer importiert. Als Messergebnisse dienen 1D-Daten (Dicken), 2D- Daten (Radar-Tiefenschnitt) und 3D-Daten (Ultraschall- SAFT-Rekonstruktion), die zusammen mit Metainformationen ortsrichtig visualisiert werden können. Dies erleichtert z. B. die Diskussion über Folgeschäden oder Instandhaltungsmaßnahmen. Bild 6 zeigt die Darstellung eines Gebäudes mit einem Ausschnitt aus den semantischen Informationen, das Eigenschaften, zusätzliche Materialdaten und ein 3D- Ultraschall-Messergebnis enthält. Der obere Teil gibt dem Nutzer einen Eindruck des Gebäudes von außen und dient vor allem zur Übersicht und zur Orientierung. Zur Darstellung von ZfP-Ergebnissen und Materialdaten werden die Bauteile durchsichtig oder halbdurchsichtig dargestellt, da sonst wichtige Informationen verdeckt sind (Bild 6, unten). Der Nutzer ist damit in der Lage, ZfP-Ergebnisse und Materialdaten genau zu verorten und etwaige Auswirkungen der Ergebnisse im Kontext einzuschätzen. Zusätzlich können mit der Software auch neue Informationen, zum Beispiel neue Schäden oder Materialdaten, manuell eingepflegt werden. 3.2 Augmented-Reality-Visualisierung mittels Tablet Die ZfP-Ergebnisse, die teilweise in Bild 6 unten dargestellt sind, wurden außerdem mittels Augmented Reality visualisiert, wobei direkt von ZfP- und CAD-Daten ausgegangen wurde, ohne ein IFC-Bauwerksmodell mit einzubeziehen. Die Augmented-Reality-Visualisierung soll anhand von Ultraschall und Radarmessungen an einem Betontestkörper mit eingebauten, praxisnahen Zielen demonstriert werden. Die Messungen wurden an einem Testkörper in Bild 7 mit punkt und linienförmigen Objekten durchgeführt. Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 387 Abbildung 6: Visualisierung von Materialdaten mit Bezug zum Bauwerksmodell: Oben das Gebäudemodell mit einem Ausschnitt aus den semantischen Informationen, unten ein halbdurchsichtiger Ausschnitt mit dem dreidimensionalen Ergebnis einer Ultraschallprüfung Die Ultraschallmessungen wurden mit einem Niederfrequenz-Ultraschallgerät in Verbindung mit einem Ultraschall-Prüfkopfarray mit 48 Prüfköpfen in 16 Gruppen am FLEXUS-Scanner der MFPA Weimar durchgeführt [12]. Je angesteuerter Arrayposition wurden 120 Einzelmessungen aufgenommen, bei denen jeweils eine Wandlergruppe als Sender und die anderen als Empfänger angesteuert wurden. Für die Messungen wurde eine Apertur von 0,90 m x 0,72 m in fünf Spuren mit leichter Überlappung automatisiert gescannt. Für die Radarmessungen wurde das Radarsystem GSSI SIR-4000 mit 2,6-GHz-Antenne verwendet. Die Apertur von 1,15 m x 0,80 m wurde manuell mit Spurabständen von 50 mm aufgenommen. Beide Messverfahren haben dreidimensionale Datenfelder zum Ergebnis. Die Ultraschallmessungen wurden während der Messung mit dem FMC/ TFM-Verfahren (Full Matrix Capture/ Total Focusing Method) rekonstruiert und die resultieren Schnittbilder in das dreidimensionale Datenfeld eingetragen [13]. Die Radarmessungen wurden in das Programm RADAN eingelesen und dort migriert und dargestellt. Die Ergebnisse beider Verfahren wurden anschließend als räumliches Isoflächenbild (Ultraschall) bzw. in Tiefenschnitten (Radar) dargestellt [12]. Abbildung 7: CAD-Zeichnung des Betontestkörpers mit eingebauten Objekten Zur Visualisierung wurden die Isoflächen der Ultraschall-Darstellung als Geometriedaten exportiert. Das Radar-C-Bild wurde als Bild exportiert. Die CAD-Daten des Testkörpers und der eingebauten Ziele wurden ebenfalls als Geometriedaten exportiert. Die Visualisierung für den Nutzer erfolgt mit einem Tablet. Die positionsabhängige Generierung der 3D- Szene erfolgt in einem 3D-Animationsprogramm, das über eine Erweiterung auch die Verarbeitung von optischen Markern (hier ein Foto einer ebenen Kiesschüttung) zur Kamerapositionierung erlaubt. Aus der gesamten Funktionalität der 3D-Darstellung inklusive Markerverarbeitung und den geometrischen Objektdaten wurde eine Anwendungssoftware generiert, die als App auf einem Tablet unter Android installiert wurde. Zur AR-Visualisierung wird der optische Marker an der vorgesehenen Stelle auf der Testkörperoberfläche positioniert. Seine Position koppelt die Koordinatensysteme der realen und der virtuellen Welt (markerbasiertes Tracking). Die App zeigt zunächst das Kamerabild des Tablets mit dem Testkörper und dem Marker. Durch Schaltflächen können jetzt die virtuellen Objekte einzeln und überlagert eingeblendet werden. Die App erkennt den Marker, berechnet aus seiner Ansicht die Position der Kamera und kann dadurch die virtuellen Objekte in ihrer korrekten Position und Ausrichtung im dreidimensionalen Raum darstellen. Bild 8 zeigt das Tablet mit der App, in der alle Darstellungen eingeschaltet sind, über dem Testkörper mit dem optischen Marker. Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 388 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Abbildung 8: Visualisierung durch Augmented Reality mit einem Tablet: Tablet mit der AR-App über dem Testkörper mit dem optischen Marker Derzeit werden folgende Darstellungen in der Augmented-Reality-App visualisiert: - Realbild aus der Tablet-Kamera - CAD-Zeichnung des Testkörpers inkl. Objekte - Objektanzeigen aus dem 3D-Ultraschall-CSAFT-Bild - Objektanzeigen aus dem 2D-Radar-Migrationsbild - Überlagerung mehrerer Einzeldarstellungen Bei Bewegung oder Drehung des Tablets folgt die Ansicht der Kameraposition, so dass der geometrische Zusammenhang zwischen der äußeren und der inneren Ansicht der Objekte gewahrt bleibt. Dadurch ist ein direkter Vergleich zwischen den Soll- und den Ist-Positionen interner Objekte möglich. Das Display des Tablets eröffnet so quasi ein Sichtfenster ins Innere des Bauteils. 3.3 Augmented-Reality-Visualisierung mittels AR- Brille Als weitere Visualisierung des Testkörpers in Bild 7 wurde eine Augmented-Reality-Brille (Microsoft HoloLens) verwendet. Die Ultraschall und Radar-Geometrien wurden in einer CAD-Software in ein gemeinsames Modell integriert und über verschiedene Software-Werkzeuge in die HoloLens-Software geladen [14]. Die Positionierung der 3D-Szene im Raum erfolgt in zwei Schritten: Zunächst wird die HoloLens-Software an den realen Visualisierungsraum angelernt; ein optischer Marker definiert dabei den Koordinatenursprung. Die HoloLens-Software vermisst die Raumgeometrie und generiert ein räumliches Oberflächennetz, das abgespeichert wird. Bei der AR-Visualisierung wird die Umgebung von der HoloLens anhand der Raumgeometrie wiedererkannt und der Nutzer mit der HoloLens darin positioniert (modellbasiertes Tracking). Die zu visualisierenden Modelle werden auf einem Rechner vorgehalten und über WLAN an die HoloLens übertragen, die sie ortsgerecht visualisiert. Das Realbild sieht der Nutzer durch die transparente Brille. Am Ort eines zweiten kleinen Markers, der am Handgelenk befestigt wird, wird ein Auswahlmenü eingeblendet, mit dem der Nutzer die Darstellungsinhalte wie beim Tablet auswählen kann. Die Nutzerinteraktion mit der HoloLens erfolgt über Fingergesten. Bild 9 zeigt die CAD- und Ultraschall-Visualisierungen des Objektmodells sowie das virtuelle Menü, die in ein Foto des Nutzers und des Testkörpers einmontiert sind. Bewegt sich der Nutzer mit der AR-Brille, wird die Visualisierung nachgeführt, so dass sich für den Nutzer der Eindruck eines Sichtfensters in Innere des Bauteils ergibt. Abbildung 9: Visualisierung durch Augmented Reality mit einer Augmented-Reality-Brille: Nutzer mit AR- Brille und Visualisierungen des Objektmodells und des virtuellen Menüs (Fotomontage, siehe Text) 4. Zusammenfassung und Ausblick Im Beitrag wird die Verwendung von Building Information Modeling (BIM) zur Integration von geometrischen und semantischen ZfP-Zustandsinformationen eines Bauwerks in ein digitales Bauwerksmodell und dessen anschließende Visualisierung beschrieben. Nach der Implementierung von BIM für einen neuen Prozess wird eine Vorgehensweise zur Integration von ZfP-Daten unter Verwendung der Datenstruktur der Industry Foundation Classes (IFC) vorgestellt. Darauf aufbauend wird eine begriffliche Systematik entwickelt, um ZfP-Daten und die dazugehörigen Metainformationen in einer IFC- Datenstruktur abzubilden. Die Visualisierung von ZfP- Informationen in einem 3D-Bauwerksmodell wird durch drei beispielhafte Software-Implementierungen mit intuitiven Nutzeroberflächen illustriert, die die Daten in einem IFC-Bauwerksmodell bzw. als Augmented Reality (AR) auf einem Tablet und einer AR-Brille darstellen. Die nächsten Schritte beinhalten die Entwicklung eines vollständigen IFC-ZfP für verschiedene Prüfverfahren. Ein Prototyp befindet sich im Aufbau. Parallel wird an der Vereinheitlichung der Begriffe und Parameter im Rahmen eines buildingSMART Data Dictionary (bsDD) Integration und Visualisierung von Zustandsdaten in digitalen Bauwerksmodellen - Konzepte und Realisierungen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 389 gearbeitet. Ziel ist eine Standardisierung, um die Interoperabilität zwischen verschiedenen Anwendungen sicherzustellen. Parallel wird die Software zur 3D-Darstellung der ZfP- Informationen im IFC-Bauwerksmodell inklusive Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Visualisierung weiterentwickelt, um alle gezeigten Darstellungsformen zu integrieren. Literatur [1] Borrmann, A.; König, M.; Koch, C.; Beetz, J. (Eds.): Building Information Modeling. Technology Foundations and Industry Practice. Cambridge: Springer, 2018. [2] buildingSMART international Ltd.: buildingSMART Data Dictionary.bsdd.buildingsmart.org, 2017. Accessed 17 September 2019. 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EG-ICE 2020 Workshop on Intelligent Computing in Engineering (2020), pp. 144-153. [13] IfcConvert: www.ifcopenshell.org/ ifcconvert. Zugriff am 10.05.2021. [14] Schickert, M.; Koch, C.; Kremp, F.; Bonitz, F.: Visualisierung von Ultraschall- und Radar-Abbildungen durch Augmented Reality. In: Bauwerksdiagnose 2020, Berlin, 13.-14.2.2020. Berlin: Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), 2020, S. 1-9.