eJournals Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur 1/1

Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur
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expert verlag Tübingen
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2021
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ZfPBau 4.0 - Herausforderungen an die ZfP im Bauwesen im Rahmen der Digitalisierung

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2021
Ernst Niederleithinger
Johannes Vrana
Die ZfP ist im Bauwesen bisher deutlich weniger reguliert (und auch akzeptiert) als in anderen Industriebereichen. Zum Beispiel gibt für die meisten Prüfverfahren weder Normen noch ein allgemein akzeptiertes Ausbildungs- und Zertifizierungssystem. Dies hat auch Konsequenzen für die Digitalisierung. Im Gegensatz dazu wird im Bauwesen derzeit für viele Bereiche verbindlich ein neues Verfahren zur Unterstützung von Design, Planung, Herstellung und Betrieb eingeführt: BIM (Building Information Modeling). Der Vortrag beleuchtet das Spannungsfeld zwischen dem geringen Organisations- und Standardisierungsgrad und den neuen digitalen Möglichkeiten und stellt den neuen Arbeitskreis zur ZfP 4.0 im Bauwesen vor. Er beleuchtet auch, in welchen Bereichen die ZfP im Bauwesen von Entwicklungen aus „Industrie 4.0“ und der zerstörungsfreien Prüfung in anderen Anwendungsbereichen profitieren kann - z. B. bei Datenformaten, Datenarchivierung und Schnittstellen.
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1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 187 ZfPBau 4.0 - Herausforderungen an die ZfP im Bauwesen im Rahmen der Digitalisierung Ernst Niederleithinger Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, Deutschland Johannes Vrana Vrana GmbH, Rimsting, Deutschland Zusammenfassung Die ZfP ist im Bauwesen bisher deutlich weniger reguliert (und auch akzeptiert) als in anderen Industriebereichen. Zum Beispiel gibt für die meisten Prüfverfahren weder Normen noch ein allgemein akzeptiertes Ausbildungs- und Zertifizierungssystem. Dies hat auch Konsequenzen für die Digitalisierung. Im Gegensatz dazu wird im Bauwesen derzeit für viele Bereiche verbindlich ein neues Verfahren zur Unterstützung von Design, Planung, Herstellung und Betrieb eingeführt: BIM (Building Information Modeling). Der Vortrag beleuchtet das Spannungsfeld zwischen dem geringen Organisations- und Standardisierungsgrad und den neuen digitalen Möglichkeiten und stellt den neuen Arbeitskreis zur ZfP 4.0 im Bauwesen vor. Er beleuchtet auch, in welchen Bereichen die ZfP im Bauwesen von Entwicklungen aus „Industrie 4.0“ und der zerstörungsfreien Prüfung in anderen Anwendungsbereichen profitieren kann z. B. bei Datenformaten, Datenarchivierung und Schnittstellen. 1. Einleitung Das Konzept „Industrie 4.0“ oder „Smart Production“ ist in der Bauindustrie noch nicht sehr weit fortgeschritten [3]. Die Prozesse des Entwerfens, Bauens und Betreibens werden immer noch weitgehend durch den Austausch von gedruckten Dokumenten und Zeichnungen dominiert. Die meisten Objekte (Gebäude und andere Konstruktionen) sind Unikate, und ein großer Teil der Produktion erfordert immer noch einen hohen Anteil an Handarbeit. Die As-Built-Dokumentation und die Qualitätssicherung werden oft vernachlässigt. In den meisten Fällen ist der Hersteller nicht Teil des gesamten Lebenszyklus. Dies wird sich jedoch ändern. In den letzten zehn Jahren haben mehrere Treiber die derzeitige Arbeitsweise von Auftraggebern, Auftragnehmern und Behörden in Frage gestellt. Zu diesen Faktoren gehören unter anderem - Die steigenden Kosten und die begrenzte Verfügbarkeit von Handarbeit - Die große Anzahl von Akteuren in einem Projekt mit verteilten Rollen bei der Planung, dem Bau und dem Betrieb verschiedener Teile des Bauwerks und die Notwendigkeit zur Kommunikation und Kooperation - Die steigende Nachfrage nach Serialisierung und Automatisierung - Die verpflichtende Einführung von „Building Information Modeling“ zumindest bei größeren öffentlichen Bauprojekten - Verfügbarkeit von Baugeräten mit Sensoren und digitalen Schnittstellen - Aufkommende automatisierte Bautechnologien wie z.B. 3D-Druck Die Inspektion von Bauwerken beschränkt sich bisher in den meisten Fällen auf eine visuelle Prüfung und einfache mechanische Tests (z. B. Klopfprobe). Vor allem ausgelöst den Zustand vieler Infrastrukturbauwerke (z. B. Brücken, Parkhäuser) hat die zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) immer mehr an Bedeutung gewonnen. Sie wird jedoch meist nur bei bekannten Problemen angewendet und leidet unter einem Mangel an Standardisierung und Integration in akzeptierte Bewertungsverfahren. 2. ZfP 4.0 In Bereichen der zerstörungsfreien Prüfung jenseits des Bauwesens hat man sich inzwischen der Digitalisierung und der damit verbundenen Herausforderungen angenommen. Das Konzept ZfP 4.0, das eine gleichberechtigte Integration von zerstörungsfreier Prüfung gemeinsam mit weiterer Sensorik (SHM, Structural Health Monitoring), wird aktuell z. B. im DGZfP-Ausschuss „ZfP 4.0“ und weiteren, auch internationalen Arbeitskreisen definiert und beschrieben [1][2] [3]. ZfPBau 4.0 - Herausforderungen an die ZfP im Bauwesen im Rahmen der Digitalisierung 188 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Abbildung 1: Einsatz von ZfP (NDE) und Sensorik in der industriellen Produktionskette. Johannes Vrana, aus [2]. Die Ansatzpunkte im Lebenszyklus eines Produktes sind in Abbildung 1 dargestellt. Hier ergeben sich erste Anknüpfungspunkte an das Bauwesen, da auch hier der Einsatz von ZfP im Wesentlichen zur Qualitätssicherung (Production Inspection) und zur Zustandserfassung (Service Inspection) erfolgt. Die Einbindung von ZfP und Sensorik kann in industriellen Umgebungen über das in vielen Bereichen in Einführung befindlichen „Industrial Internet of Things“ (IIoT) erfolgen (Abbildung 2). Dabei erfolgt eine Anbindung nicht nur direkt an das Produktionssystem, sondern über mehrere Schichten hinweg bis hin zum ERP-System (Enterprise Resource Planning), also der betriebswirtschaftlichen Steuerung. Alle Systeme können auch untereinander auf Informationen zugreifen Abbildung 2: Anbindung von ZfP (NDE), Sensorik und SHM über das Industrial Internet of Things (IIoT) in eine Industrie 4.0-Umgebung. Johannes Vrana, aus [2]. Um dies herstellerübergreifend realisieren zu können, sind für ZfP und Sensorik vereinheitlichte Datenformate und Schnittstellen erforderlich. Hierfür existieren auch im industriellen Bereich noch keine Standards. Eingeführte Formate sind für die in der ZfP teilweise sehr großen Datenmengen nicht geeignet. Der DGZfP Unterausschuss Schnittstellen hat in [4] eine Empfehlung ausgesprochen. Im überwiegenden Teil der Literatur Varianten des aus der Medizin abgeleiteten Datenformats DICONDE [5], das für verschieden Prüfverfahren bereits standardisiert ist, vorgeschlagen. In der ZfPBau findet es bisher aber keine Anwendung. Als Schnittstellen System bietet sich das in Industrie 4.0-Anwendungen bereits eingeführte System Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) an [5]. 3. Building Information Modeling und die Einbindung von ZFP und Sensorik Das Bauwesen hat auf dem Weg zu einer Digitalisierung und gemeinsamen Datenverwaltung aller am Bauprozess und am Betrieb beteiligten einen anderen Weg als andere Industriezweige eingeschlagen. Kern ist die Einführung des „Building Information Modeling“ eine Methode, Entwurf, Bau und Betrieb eines Objekts nicht nur vollständig in den der räumlichen Koordinaten abzubilden, sondern auch Kosten, Zeit und ggf. andere Faktoren einzubeziehen, in Bezug zusetzen und zu visualisieren. Der gesamte Lebenszyklus des Objekts wird betrachtet und an vielen Stellen ist der Einsatz von Sensorik und ZfP sinnvoll - wenn nicht gar unerlässlich. Abbildung 3: Schematische Darstellung des Building Information Modeling (BIM) mit Ansatzpunkten für Sensorik und ZfP (Sterne). © Ernst Niederleithinger, aus [6]. Bislang gibt es keine allgemein akzeptierte oder gar standardisierte Methode, um ZfPBau-Ergebnisse in den BIM-Prozess und/ oder die BIM-Software einzubinden. Zu den Hindernissen gehören u. a., dass 1) bei der Mehrheit der BIM-basierten Bauprojekte die neue Methode nur in der Entwurfs- und Bauphase verwendet wird (wobei die ZfP nicht regelmäßig angewendet wird) und 2) die meisten BIM- und ZfP-Softwareprodukte ZfPBau 4.0 - Herausforderungen an die ZfP im Bauwesen im Rahmen der Digitalisierung 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 189 proprietäre Dateiformate und undokumentierte Schnittstellen verwenden. Das erste Hindernis liegt außerhalb des Rahmens dieses Artikels. Letzteres könnte durch den Einsatz offener Software mit dokumentierten Dateiformaten und Schnittstellen vermieden werden. Eine wichtige Initiative in diesem Bereich ist buildingSMART, eine globale Gemeinschaft von Komitees, Mitgliedern, Partnern und Sponsoren aus wichtigen europäischen Ländern einschließlich Russland sowie den USA, China und Kanada. Sie setzt sich für die Schaffung und Entwicklung offener digitaler Arbeitsweisen für die gebaute Umwelt ein. buildingSMART- Standards helfen Anlagenbesitzern und der gesamten Lieferkette, über den gesamten Projekt- und Anlagenlebenszyklus hinweg effizienter und kooperativer zu arbeiten [7]. buildingSMART ist eine offene, neutrale und internationale Non-Profit-Organisation, die Standards bereitstellt und pflegt und der openBIM-Initiative eine Heimat bietet. Eine der wesentlichen Aufgaben von buildingSMART ist die Pflege und Erweiterung von offenen Schnittstellen von BIM.-Systemen zum Datenaustausch, den sogenannten Industry Foundation Classes (IFC). Hierüber wird Information aus der BIM-Software für andere Programme zugänglich gemacht, beispielsweise zur Tragwerksplanung, der Baustellenplanung oder dem Facility Management (Abbildung 4). Abbildung 4: Industry Foundation Classes (IFC) als Schnittstellen zwischen BIM und anderen Anwendungen und Prozessen. IFC-Logo (c) buildingSmart. Zeichnung : Ernst Niederleithinger. Eine solche standardisierte Schnittstelle für ZfP und Sensordaten gibt es bisher aber nicht, weder für Rohdaten/ Metadaten noch für interpretierte Ergebnisse, die in der BIM Software abzulegen und zu visualisieren wären oder direkt z. B. bei der Tragwerksplanung bei einem Umbau einzusetzen wären. Für Sensordaten aus SHM-Systemen wurden allerdings schon erste Ansätze publiziert, z. B. aus den Forschungsprojekte SMART- BRIDGE [8] und DiMarB [9]. Für die ZfPBau fehlt noch ein Ansatz. 4. Aufgaben auf dem Weg zu ZfPBau 4.0 Die Notwendigkeit einer Standardisierung für die Verwendung, den Austausch und die Speicherung von Daten wurde in den vorherigen Abschnitten erwähnt. Eine Standardisierung der ZfP- und SHM-Methoden wäre jedoch ebenfalls von Vorteil, auch wenn eine gewisse Flexibilität bei vielen Parametern aufgrund der Einzigartigkeit der meisten Konstruktionen und ihres Zustands erforderlich ist. Derzeit ist nur eine Minderheit von Methoden genormt, meist ältere, einfache Methoden (z. B. in Europa die Rückprallhammermethode (DIN EN 12504-2: 2012- 12) und die Ultraschall-Pulsgeschwindigkeit (DIN EN 12504-4: 2019-10). Verschiedene Verbände haben Empfehlungen herausgegeben, darunter der Deutsche Betonverein (DBV), die Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), das amerikanische Betoninstitut (ACI), Cofrend (französische Gesellschaft für ZfP) sowie Verbände aus Großbritannien, Japan und China. Alle diese Empfehlungen sind nicht verbindlich, aber hilfreich bei der Methodenauswahl und Qualitätssicherung. Um die Anzahl und die Qualität der praktischen Anwendungen zu erhöhen, müssten nicht nur die Methoden standardisiert werden, sondern auch die Ausbildung und Zertifizierung des Prüfpersonals sowie das Management und die Prüfverfahren. Verschiedene Initiativen sind derzeit auf dem Weg, z. B. bei Cofrend oder der American Society of Non-Destructive Testing (ASNT). Eine Arbeitsgruppe der DGZFP hat kürzlich einen Normentwurf für Ausbildung und Zertifizierung vorgelegt, der sich von den für andere Bereiche der ZfP verfügbaren Normen unterscheidet (z.B. zwei statt drei Zertifizierungsstufen). Die Arte und Weise, in der wir zukünftig mit ZfP-Daten umgehen wird von zwei Welten beeinflusst sein. Die Datenerfassung, -verwaltung, -auswertung und dokumentation in der ZfPBau wird sich am Vorbild der ZfP 4.0 und anderen neuen Trends des Forschungsdatenmanagements orientieren. Ein Beispiel hierfür wird im mFund- Projekt Caspar (Braml et al., gleiche Veranstaltung) entwickelt. Passend definierte Varianten des DICONDE- Formats sind zur Datenübergabe geeignet. Die Ablage von Bauwerksdaten dagegen wird in BIM-Systemen erfolgen, inklusive der Anbindung von Bauwerksmanagementsystemen und der Analyse der Bauwerkssicherheit. Der Datenaustausch hier erfolgt über IFC. Dieser weg ist auch für die Übermittlung von Informationen zwischen der BIM- und der ZfP-Welt geeignet - die entsprechenden Klassen müssen aber noch entwickelt werden. Es ist zu erwarten, dass Rohdaten und prozessierte Daten in der ZfP-Welt verbleiben und nur Geometriedaten und Prüfergebnisse (z. B. Materialparameter) samt ihren Unsicherheiten übergeben werden. Ein vereinfachtes Schema zeigt Abbildung 5. Die vorangegangenen Abschnitte haben gezeigt, dass aufgrund der aktuellen Veränderungen in der Bauindustrie ein enormes Potenzial für die ZfP-CE vorhanden ist. ZfPBau 4.0 - Herausforderungen an die ZfP im Bauwesen im Rahmen der Digitalisierung 190 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Auf dem Weg zu einer digitalisierten und digitalisierten Arbeitsweise, einschließlich einer Verlagerung von traditionellen Planungsmethoden hin zu Building Information Modeling, kann NDT-CE hilfreich sein, indem es Qualitätssicherungsdaten während und direkt nach dem Bau, Zustandsdaten während des Betriebs und fehlende Informationen über ältere Konstruktionen vor der Sanierung oder dem Abriss liefert. Um erfolgreich zu sein, müssen NDT-CE-Methoden jedoch in die Datenstrukturen integriert werden, die von Designern, Planern, Bauherren, Eigentümern und Nutzern verwendet werden: Sie müssen auch digital werden. Formate, Schnittstellen und zuverlässige, vertrauenswürdige Speicherorte für ZfP- CE-Daten sind dringend erforderlich. Ein Arbeitskreis in der DGZfP („AK ZfPBau 4.0“) hat begonnen, an diesen Themen zu arbeiten, muss aber noch mehr Schwung bekommen. Wir sind noch nicht am Ziel. Die Reise in Richtung ZfPBau 4.0 hat gerade erst begonnen. Literatur [1] Vrana, Johannes: Die vierte Revolution der zerstörungsfreien Prüfung: Schnittstellen, Vernetzung, Feedback, neue Märkte und Einbindung in die Digitale Fabrik. ZfP-Zeitung, 165 (Juli 2019), 51-59. [2] Vrana, Johannes: The Core of the Fourth Revolutions: Industrial Internet of Things, Digital Twin, and Cyber-Physical Loops. J Nondestruct Eval, im Review. Abbildung 5: Vereinfachtes Datenschema für ZfPBau 4.0 [3] Meyendorf et al. (Hrsg.): Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0. Springer, im Review. [4] Vrana, Johannes: Erste Empfehlungen für Datenformate und Schnittstellen. ZfP-Zeitung, 170 (Juli 2020), 11-12. [5] ASTM: “Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation (DICONDE)”, ASTM E2339 (2015), “Ultrasonic Test Methods” ASTM E2663 (2018), “Digital Radiographic (DR) Test Methods”, ASTM E2699 (2018), “Computed Radiography (CR) Test Methods”, ASTM E2767 (2018), “X-ray Computed Tomography (CT) Test Methods”, ASTM E2767 (2018), “Eddy Current (EC) Test Methods”, ASTM E2934(2018). [6] [OPC Foundation: „OPC Unified Architecture - Interoperabilität für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge“, OPC Foundation, Verl (2018). [7] Niederleithinger: NDE 4.0 in civil engineering. In Meyendorff et al. (Hrsg.): Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0. Springer, im Review. [8] BuildingSMART international, https: / / www.buildingsmart.org, downloaded 27.12.2020. [9] Grabe, Matthias, Christof Ullerich, Marc Wenner, und Martin Herbrand. „smartBridge Hamburg - prototypische Pilotierung eines digitalen Zwillings“. Bautechnik 97, Nr. 2 (Februar 2020): 118- 25. https: / / doi.org/ 10.1002/ bate.201900108. [10] Hartung, Robert, Hubert Naraniecki, Katharina Klemt-Albert, und Steffen Marx. „Konzept zur BIM-basierten Instandhaltung von Ingenieurbauwerken mit Monitoringsystemen“. Bautechnik 97, Nr. 12 (Dezember 2020): 826-35. https: / / doi. org/ 10.1002/ bate.202000095.