1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 271 Digitale Tunnelplanung im städtischen Umfeld - Informationsmanagement mit BIM im Kontext von Geoinformationssystemen und analogen Grundlagen Dr. Andreas Bach Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH, abach@schuessler-plan.de, Düsseldorf, Deutschland Nils Schluckebier, M.Sc. Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH, nschluckebier@schuessler-plan.de, Düsseldorf, Deutschland Kurzfassung Für die digitale Planung von Tunnelbauvorhaben sind verschiedenste Grundlagen zu berücksichtigen. Diese liegen nur vereinzelt digital vor, zum Beispiel aus dem Bereich der Geoinformationen. Häufig sind insbesondere im Bereich des Bestandes analoge Grundlagen zu berücksichtigen. Im Rahmen der modellbasierten Planung sind diese Grundlagen zu digitalisieren und in ein Bestandsmodell des Bauvorhabens zu überführen. Um die Grundlage der Modellierung und Randbedingungen der Planung zu kennen, ist es hilfreich ein Informationsmanagement zu installieren, welches den Nutzern der Modelle die relevanten Informationen sowie deren Grundlage klar aufzeigt und sinnvolle Funktionen zur Auswertung zur Verfügung stellt. Hierzu wurde auf Basis von Cloud- und Web-Technologie eine Systemarchitektur entwickelt, die die erforderlichen Voraussetzungen zu einer kongruenten Auswertung der im Projekt vorherrschenden Informationen schafft. Innerhalb der Programmumgebung können die Nutzer die Modelle nach zentralen Gesichtspunkten des Projekts einheitlich auswerten. Die gewählten Vorgehensweisen zur Digitalisierung und Integration der Grundlagen in das Gesamtmodell sowie die Anwendung der Umgebung SPBIM für das Informationsmanagement werden anhand des Projektbeispiels der U5 Mitte Hamburg erläutert. 1. Einleitung Eine moderne zukunftsorientierte Infrastruktur muss den Ansprüchen einer Mobilität von morgen entsprechen. Die Vernetzung von unterschiedlichen Verkehrsträgern und Systemen fordert im urbanen Raum integrale und vollständigere Planungsansätze. Die vermeintlich einfachste und kostengünstigste Lösung ist hier nicht immer zielführend, vielmehr gilt es die ideale Lösung in Bezug auf die Gesamtattraktivität des ÖPNVs und Vernetzung der unterschiedlichen Verkehrsangebote zu erarbeiten. Für die Objektplanung von Infrastrukturvorhaben bedeutet dies, die Menge der Entscheidungsgrundlagen und Informationen zu erweitern und bei der Lösungsfindung, insbesondere im Zuge von frühen Leistungsphasen, zu berücksichtigen. Building Information Modeling stellt hierfür eine ideale Methode dar, da sie vom Grundsatz her eine Integration, Beschreibung und transparente Auswertung der im Projekt vorherrschenden Informationen fordert [1]. Dieser Grundgedanke bedingt eine Auflösung von teilweise noch bestehenden technologischen und fachspezifischen Systemgrenzen. Um dies zu forcieren sind die unterschiedlichsten Datengrundlagen aus den übergeordnet beschreibenden Geoinformationssystemen (GIS) und Formate in den Bereich des bauwerks- und bauteilorientierten Arbeitens zu überführen. Mögliche Inhalte aus dem Bereich GIS, die hier Berücksichtigung finden können, sind z.B.: • Grundkarten • Bilddaten (u.a. Orthofotos) • Stadtmodelle • Katasterinformationen • Naturraum und Umweltangaben Des Weiteren liegen analoge Grundlagen vor, die zu digitalisieren und in den Entscheidungsprozesse einzubinden sind. Ein klassisches Beispiel hierfür sind Bestandspläne der von Infrastrukturmaßnahmen betroffenen Bauwerke. Diese liegen im Regelfall lediglich in Papierform vor und Digitale Tunnelplanung im städtischen Umfeld - Informationsmanagement mit BIM im Kontext von Geoinformationssystemen und analogen Grundlagen 272 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 sind für die Planung zu digitalisieren und in die Modelle einzubinden. Die Überführung und Einbindung von analogen Grundlagen und Geoinformationen am Beispiel des Tunnelbaus wird nachfolgend beschrieben. Darüber hinaus wird das, innerhalb von Schüßler-Plan für die modellbasierte Projektabwicklung etablierte, Informationssystem SPBIM sowie die zu Grunde liegenden Funktionalitäten erläutert. 2. Relevante Grundlagen Innerhalb der Planung von Tunnelbauvorhaben werden eine Vielzahl an Grundlagen erhoben und eingebunden. Hinsichtlich der räumlichen Grundlagen zur städtebaulichen Umgebung wird üblicherweise auf Grundlagen aus den Bereichen der Geoinformationen zurückgegriffen. Diese verwalten meist rein flächenbezogene Daten zu den Themen: • Kataster und Liegenschaftsdaten • Digitale Geländemodelle • Stadtmodelle • Kampfmittel • Umweltdaten Zudem werden analoge Grundlagen in die Planung integriert, die z.B. im Zuge der Recherche der Bestandspläne in Ämtern erhoben werden. Hierbei sind beispielhaft Angaben zur Gründungstiefe, Gründungsart, Bauart, Denkmalschutz, Vorhandensein von begleitenden Bauwerken auf dem Grundstück (Verbauten, Schlitzwände, Geothermie) von Interesse. Darüber hinaus werden zu Beginn der Planung oder planungsbegleitend projektspezifische Grundlagen, wie z.B. Baugrundgutachten oder Vermessungsdaten erhoben, siehe Abbildung 1. Ziel der mitunter sehr aufwändig Grundlagenerhebung ist es, die Randbedingungen des Bestandes zu identifizieren, um die Auswirkungen der Baumaßnahme auf eben diesen bewerten und in den Findungsprozess einbeziehen zu können. Abbildung 1: Grundlagentypen im Rahmen von Infrastrukturprojekten Die vorab beschrieben Grundlagen werden leider nur selten benutzerzentrisch integriert und liegen in unterschiedlichen Strukturen, Formaten und teilweise auch Speicherorten vor. Für das Informationsmanagement im Projekt stellt dies ein Risiko dar, da die Nutzer häufig keinen direkten Zugriff zu den relevanten Daten besitzen. Die Einführung einer gemeinsamen Datenumgebung (Common Data Environment, CDE), durch die alle Planungsbeteiligte Zugriff auf die Daten erhalten [2], ist ein erster logischer Schritt, um dieser Problemstellung zu begegnen. Darüber hinaus ist es aber, insbesondere in größeren Projekten, sinnvoll und notwendig ein Informationsmanagement zur Erfassung und Verwaltung der Informationen zu entwickeln, welches zum einen die relevanten Daten zur Verfügung stellt aber zum anderen auch das Zusammenspiel zwischen Modell und weiteren Grundlagen/ Daten darstellt. Ziel ist es, dass diese Daten aktuell und am Bedarf des Nutzers orientiert zur Verfügung gestellt werden, siehe Abbildung 2. Hierbei sollten die Koordinationsmodelle die zentrale Grundlage für den Abruf der Informationen darstellen und die relevanten Informationen möglichst benutzerfreundlich zur Verfügung stehen. Hintergrund hierfür ist, dass eine Darstellung und Bewertung der Randbedingungen im Zuge des modellbasierten Arbeitens im Modell wesentlich einfacher möglich ist. Folglich sollten auch die dem Modell und der Planung zugrundliegenden Grundlagen mit dem Modell oder Bauteil in Bezug gesetzt werden, um bei Änderungen der Planung oder der Grundlagen einfach und schnell Auswirkungen und Maßnahmen abwägen zu können. Digitale Tunnelplanung im städtischen Umfeld - Informationsmanagement mit BIM im Kontext von Geoinformationssystemen und analogen Grundlagen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 273 Abbildung 2: Zusammenspiel zwischen Projektdaten und Nutzern 3. Umsetzung des Informationsmanagements Zur Umsetzung der vorab beschriebenen Funktionalitäten ist es sinnvoll, die Informationsinhalte der Modelle und der gemeinsamen Datenumgebung logisch miteinander verknüpfen zu können. Für die Planungsmethode bedeutet dies im Kern einheitliche Datenstrukturen und Vorgaben zu schaffen, die nach vereinbarten Mustern ausgewertet werden können. Hiermit verbunden sind in der Projektarbeit: • Dateinamenskonventionen für Modelle und Planungsdokumente • Modellstandards im Sinne einer geometrischen Detaillierung (Level of Geometry), alphanumerischen Informationsdefinition (Level of Information) sowie Klassifikation von Modellobjekten • Gemeinsame Datenumgebung • Funktionalitäten zur Verknüpfung von Modellobjekten mit Daten und Dokumenten der CDE • Funktionalitäten zur einfachen Auswertung der Daten unter Berücksichtigung der definierten Anforderungen • Abstimmung der Granularität der Modelle im Hinblick auf die vorgesehenen Anwendungsfälle (z.B. Kosten- und Terminplanung) • Synchronisationsmöglichkeit / Zugriff auf die Daten der CDE aus dem System des Anwenders Die Umsetzung für die Vernetzung von CDE-Daten und BIM-Daten sollte hierbei gängige Schnittstellen zum CDE-System nutzen. Diese beinhaltet implizit eine Authentifizierung der Nutzer. Die Nutzungsrechte sind hierbei klar in der jeweiligen CDE geregelt. Für die Abwicklung wurden Rest-API-Schnittstellen zwischen Koordinationssoftware und CDE entwickelt, welche einzelne Container der CDE abrufen und in Bezug zu deren Metadaten auswerten können. Diese Metadaten werden unter anderem genutzt, um Dateien und Geometrie miteinander in Bezug zu setzen. Der relationale Bezug erfolgt auf Basis von Verknüpfungsregeln zwischen Merkmalen der Geometrieelemente des Modells und Metadaten der Dokumente in der CDE. Die Funktionen werden in einem Connector (BIM2CDE) gebündelt (siehe Abbildung 3). Allgemeine Daten, wie z.B. Pläne, Fotos, Berichte oder andere Planungsdokumente, werden innerhalb der CDE gespeichert. Im Laufe der Projektbearbeitung können sowohl diese Daten als auch die Daten der BIM-Modelle, unabhängig voneinander sukzessive fortgeschrieben werden und über entsprechende Verknüpfungsregeln stetig neu in Bezug zueinander gebracht werden. Bei dem Vorgehen werden nur Hyperlinks und Metadaten übertragen, wodurch eine speicherextensive und performante Anwendung ermöglicht wird. Die in den Modellen verknüpften Dokumente und ihre Informationen lassen sich über begleitend zur Verfügung gestellte Formulare direkt aus der Koordinationssoftware abrufen. Dieses Vorgehen hat gegenüber einer vollständigen Integration der Daten in das Koordinationsmodell einen entscheidenden Vorteil: Digitale Tunnelplanung im städtischen Umfeld - Informationsmanagement mit BIM im Kontext von Geoinformationssystemen und analogen Grundlagen 274 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Modelle und Daten können abweichenden voneinander oder auch begleitend fortgeschrieben und erarbeitet werden. Hierbei sind lediglich die für die Verknüpfung zu Grunde liegenden Prozesse und Projektstrukturen zu beachten und dienen softwareseitig zur Einbdinung eines Updateprozesses, welcher die beiden Bereiche vollautomatisch miteinander verknüpft. Die ableitbaren Anwendungen aus den vorab beschriebenen Funktionen sind vielfältig und konnten bis dato bereits für die automatisierte Einbindung von georeferenzierten Fotos, die Einbindung von Bestandsunterlagen bei paralleler Fortschreibung der Modelle und das Zuweisen von Mängelberichten und Plänen zu Bauteilen verwendet werden. Abbildung 3: Verknüpfung zwischen Modellen und CDE über einen Connector (BIM2CDE) 4. Anwendungsbeispiel Eine Anwendung des vorab beschriebenen Informationsmanagement kam beim Projekt „Neubau der U-Bahn-Linie U5 Mitte Hamburg“ zum Tragen. Das Projekt U5 Mitte betrachtet die Planung einer neuen UBahn-Linie durch die Stadt Hamburg, mit einer Streckenlänge von etwa 19 km Länge und je nach Variante insgesamt bis zu 17 Haltestellen. Durch die Maßnahme wird das U-Bahnnetz der Stadt Hamburg um bis zu 20% erweitert. In Folge dieser Netzerweiterung erhalten circa 150.000 Bürgerinnen und Bürger sowie etliche Arbeits-, Wirtschafts- und Wissenschaftsstandorte erstmalig Anschluss an das Hamburger Schnellbahnnetz. Bei einem Großprojekt dieser Dimensionen ist die Auffindbarkeit und Verfügbarkeit von aktuellen Daten als Informationsquelle für alle Beteiligten von zentraler Bedeutung und die Installation eines Informationsmanagements eine logische Konsequenz. Innerhalb der Planung wurden daher Geodaten als räumliche Grundlagen berücksichtigt, welche in Form eines digitalen Geländemodells (DGM), 3DStadtmodells, digitalen Orthofotos (DOP) und Daten aus dem amtlichen Liegenschaftskatasterinformationssystem (ALKIS) in das Koordinationsmodell eingebunden wurden. Zudem wird die Bestandssituation von Leitungen und Sielen im Koordinationsmodell erfasst, um auf dieser Grundlage die Leitungstrassen im Bau- und Endzustand planen zu können. Eine Herausforderung stellt mitunter die Integration von Formaten aus dem Bereich der Geoinformationen (z. B. CITYGML oder SHAPE) in die verwendeten BIM-Softwaresysteme, unter Wahrung der semantischen Informationen, dar. Ebenso spielen bei der Zusammenführung der Daten die Koordinatenbezüge eine wichtige Rolle, mit der ggf. eine Transformation oder Translation einhergeht. Eine Modellierung in reellen Gesamtkoordinaten ist nicht möglich, da die großen Zahlenwerte zu numerischen Ungenauigkeiten führen. Daher werden für die Modelle relative Koordinaten definiert. Um eine Bewertung der Auswirkungen des Bauvorhabens auf Gebäude im Bestand ermöglichen zu können, werden über eine reine Lage und geometrische Repräsentation (3D-Stadtmodell) hinausgehende Informationen benötigt. Im Sinne des angestrebten, zentralen Informationsmanagements werden die Bauakten der Gebäude gesichtet und digitalisiert. Aus den Bestandsdokumenten werden Bauwerksdaten (z. B. Informationen zur Gründung, Bauweise oder Geschossigkeit) strukturiert ausgewertet und hinsichtlich der projektspezifischen Anforderungen kollektiviert und konfiguriert (Bestandsdatenbank). Die abgeleiteten Informationen werden als Metadaten mit den Bestandsunterlagen verknüpft. Hierauf aufbauend wird das 3D-Stadtmodell semantisch erweitert. 3D-Stadtmodell, ALKIS und Bestandsdatenbank werden relational miteinander in Verbindung gesetzt, siehe Abbildung 4. Digitale Tunnelplanung im städtischen Umfeld - Informationsmanagement mit BIM im Kontext von Geoinformationssystemen und analogen Grundlagen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 275 Abbildung 4: Prozess der Datenintegration und Dokumentenverknüpfung im 3D-Stadtmodell Da ein direkter Bezug zwischen ALKIS und 3D Stadtmodell besteht, lassen sich sämtliche Informationen des Liegenschaftskatasters über einen eindeutigen Identifikator (Object ID) den Gebäuden des 3D-Stadtmodell zuordnen. Die so an den Geometrieobjekten hinterlegten Gebäudeadressen dienen als Verknüpfungsschlüssel zur Bestandsdatenbank. In der Bestanddatenbank enthaltene Informationen können auf diese Weise in das Bestandsmodell überführt (Merkmale) und die Bestandsdokumente über Hyperlinks (Linked-Data) verknüpft werden. Diese relationalen Verknüpfungen lassen sich in der Koordinationssoftware zu jedem Zeitpunkt über ein Formular auf Knopfdruck aktualisieren. In Summe wurden so über 33.000 Merkmalsausprägungen und 4.800 Bestandsunterlagen in das Modell integriert. Diese Informationen stehen dem Nutzer nun für jedes Bestandsgebäude entlang der Strecke als Information zur Verfügung. Die semantische Informationserweiterung des 3D-Stadtmodells stellt darüber hinaus die Basis für eine geometrische Erweiterung dar. Auf diese Weise ist z.B. eine Darstellung der Gründungssituation im Modell möglich. Anhand der analysierten Informationen zur Gründung werden die Gebäude teilautomatisiert um vereinfachte Gründungskörper ergänzt. Diese erleichtern im Planungsprozess z.B. die Beurteilung der Auswirkungen der Bestandsbebauung auf die Statik des Streckentunnels oder die Berechnung von Setzungen. Abbildung 5: Oberfläche zur Auswertung der Bestandsdokumente anhand des Stadtmodells und Visual Reporting Um die Daten und Informationen des Bestandsmodells einheitlich abrufen und analysieren zu können, werden den Nutzern zentrale Auswerteroutinen bereitgestellt. In den projektspezifisch entwickelten Formularen ist beispielsweise eine adressbezogene Suche, die Ausgabe aller Gebäudeinformationen, der direkte Abruf der Gebäude-Bestandspläne oder die Analyse von Bestandsdaten in Form von Visual Reportings möglich, siehe Abbildung 5. Der Nutzer erhält somit die Möglichkeit alle relevanten Informationen, die zu einer Unterstützung von Planungs- und Entscheidungsprozessen dienen, in einer transparenten und intuitiv bedienbaren Form abzurufen. Eine umständliche Suche in komplexen Ordnerstrukturen oder verschiedenen Quelldateien wird damit obsolet. 5. Zusammenfassung Innerhalb der Planung von Infrastrukturmaßnahmen steht eine Vielzahl von Grundlagen und Daten zur Verfügung. Diese der Planung und dem Bau dienenden Informationen sind sehr heterogen und können analog oder digital sowie in einer Vielzahl von Datenformaten vorliegen. Digitale Tunnelplanung im städtischen Umfeld - Informationsmanagement mit BIM im Kontext von Geoinformationssystemen und analogen Grundlagen 276 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Um Entscheidungsfindungen im Projekt, möglichst auf Basis aller relevanten Informationen, treffen zu können, ist es somit von Interesse die zur Verfügung stehenden Daten zentral bereit zu stellen und die für das Projekt relevanten Informationen dem Nutzer einfach zugänglich zu machen und verständlich zu vermitteln. Diesem Anspruch kann durch eine Zentralisierung der Informationen in Bauwerksdatenmodellen, bei einer Anwendung der Planungsmethode Building Information Modelling, begegnet werden. Die Methode fordert von Grund auf die Integration und Koordination von Daten unterschiedlichster Art und Formate in einem zentralen Modell. Jedoch würde eine reine Integration den Anforderungen nur sehr bedingt gerecht werden, da der Nutzer meist nur bedingte Kenntnisse zu den relevanten Daten und Informationen hat und diese ohne weitreichende Fachkenntnisse nur schwerlich finden kann. Dies bietet in Projekten ein gewisses Fehlerpotential, da Wissensstand und aktuelle Erkenntnisse erschwert zugänglich sind und die relevanten Informationen nicht identifiziert werden können. Daher sollte ein Informationsmanagement installiert werden, welches die bestehenden Grundlagen aufrufen lässt und sie dem Benutzer, mittels einfacher Funktionen zur Beantwortung zentraler Fragen, im Projekt bereitstellt. Technisch sollten hierzu der Planung zugrundeliegende Grundlagen, anhand von Linked-Data-Ansätzen, mit dem Modell verknüpft und bereitgestellt werden. Die Potentiale eines Informationsmanagements anhand von BIM-Modellen in Kombination mit einer weitereichenden Integration und Anreicherung von Daten aus dem Bereich der Geoinformation wurden im Projekt U5 Mitte umgesetzt. Das gewählte Vorgehen erlaubt eine geometrische und semantische Integration von Stadtmodellen aus dem Bereich der Geoinformation, die teilautomatisierte Anreicherung der Stadtmodelle auf Basis der Bestandsrecherche sowie die Verknüpfung der Modelle mit den im Rahmen der Bestandssichtung erhobenen Planunterlagen. Für den Abruf der Informationen wurden Formulare entwickelt, welche allen Anwendern im Projekt zentral zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann das Koordinationsmodell trotz seiner Vielzahl an Informationen einfach ausgewertet werden und gibt Antworten auf die relevanten Fragestellungen zum Bestand. Literatur [1] Borrmann A.; König M.; Koch C.; Beetz J.: Building Information Modelling - Technologische Grundlagen und industrielle Praxis. Springer Vieweg, 2015. [2] DIN EN 19650-1: Organisation von Daten zu Bauwerken - Informationsmanagement mit BIM - Teil 1: Konzepte und Grundsätze (Entwurfsfassung). Beuth Verlag, 2018.