1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 377 Potentiale Immersiver Visualisierungssysteme (AR/ VR) für Kommunikationsbedarfe im Lebenszyklus von Bauwerken Günter Wenzel Fraunhofer IAO Zusammenfassung Unsere Städte und unsere Gebäude werden im Zuge der Herausforderungen von Klimawandel, Gesellschaft und der Mobilitäts- und Energiewende immer komplexer und verlangen in damit einhergehend zunehmendem Maß nach einer integrierten Kommunikationsplattform. Dies gilt sowohl für Experten (Planungs- und Ausführungsqualität) als auch für Bauherren und Auftraggeber, die als Laien trotz wachsender Komplexität verständliche Informationen als Grundlage für ihre Entscheidungen benötigen (Entscheidungssicherheit). Zudem hat sich in den letzten Jahren eine interessierte Öffentlichkeit entwickelt, die zu Recht informiert sein will (Bürgerinformation) und sich einbringen möchte (Partizipation). Immersive Visualisierungssysteme ermöglichen in dieser komplexen gebauten Umwelt einen räumlich referenzierten Zugang zu Informationen und unterstützen die Kommunikation aller Beteiligten über alle Phasen des Lebenszyklus. Neben einer Erläuterung des Konzeptes „Digitale Erlebnisräume“ werden Anwendungsbeispiele aus den Forschungsprojekten des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO beschrieben. 1. Immersive Visualisierungssysteme als Digitale Erlebnisräume Der Begriff „Immersive Visualisierungssysteme“ umfasst Prozesse, Software und Hardware für die Erstellung, Nutzung und Präsentation virtueller Prototypen (Planung) und Digitaler Zwillinge (Ausführung und Betrieb) im gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks. Also in allen Phasen von der Projektentwicklung, der Planung, der Ausführung, der Inbetriebnahme, der Nutzung, der Umnutzung bis zum Rückbau von ganzen Regionen, Städten, Quartieren, Gebäuden bis zum Interieur. Zentrale Herausforderung ist hierbei eine raumreferenzierte Datenquelle die in Layern die Information aus den für die Anwendung relevanten Systemen integriert und die auf die Anforderungen einer Echtzeitvisualisierung hin optimiert ist. Neben der bekannten interaktiven Darstellung von 3D- Inhalten auf 2D-Displays umfassen Immersive Visualisierungssysteme aber vor Allem erlebnisorientierte Kommunikationstechnologien, immersive Technologien, die ein „Eintauchen“ in Virtuelle Welten oder aber die Überlagerung der Realität mit virtuellen Objekten ermöglichen. Je nach Einsatz spricht man von Virtual Reality (VR der Betrachter in einer rein virtuellen Umgebung), Mixed Reality (MR reale Teilelemente in VR-Umgebungen) oder Augmented Reality (AR - Einblenden virtueller Teile in den realen Raum). In der Vorlesung „Virtual Reality im Engineering“ an der Uni Stuttgart wird VR definiert als „die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der „Wirklichkeit“ in einer in Echtzeit computergenerierten Umgebung“ mit dem Ziel „komplexe 3D-Modelle durch räumliches Erleben effizienter erfassen, verstehen und manipulieren zu können“. Eine wesentliche Eigenschaft der VR ist die Immersion (vom lateinischen „immergere“), das Eintauchen in die virtuelle Welt, also das Gefühl, tatsächlich an einem anderen Ort zu sein. VR bietet also die Möglichkeit, 3D-Modelle quasi-holografisch und in realer Größe zu erleben. Der Einsatz dieser immersiven Technologien bringt weitere bzw. strengere Herausforderungen hinsichtlich der Datenqualität mit sich: • Vollständigkeit: die Freiheit, jeden Standpunkt im Raum einnehmen zu können, setzt voraus, dass • alle Planungen vollständig in durchgängig guter 3D- Qualität vorliegen, • Immersion: ein ruckelfreies, fließendes Erleben (freie Navigation, Tracking) auch komplexer Planungen setzt echtzeit-taugliche 3D-Daten voraus oder Prozesse, die die Stammdaten automatisiert in solche konvertieren. Aus Prozess-Sicht lassen sich weitere Herausforderungen ableiten: • z.B. dass die geforderte „Verfügbarkeit zu jeder Zeit“ Daten verlangt, die stets aktuell sind, • oder dass der hohe Erlebnisfaktor beim Betrachter eine differenzierte Repräsentation der Planungsreife nötig macht, Potentiale Immersiver Visualisierungssysteme (AR/ VR) für Kommunikationsbedarfe im Lebenszyklus von Bauwerken 378 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 • oder dass der Einsatz VT in allen Lebensphasen eines Bauwerks klare Daten-Schnittstellen zwischen den wechselnden Verantwortlichen ohne Informationsverluste bedingt. Die folgende Abbildung veranschaulicht das Konzept von „Digitalen Erlebnisräumen“. Die gebaute Umwelt wird dabei überlagert von räumlich referenzierten Schichten von Information die je nach Quellsystemen räumliche Daten oder zugeordnete Daten in numerischer, textlicher oder Dokumentenform überlagert. Mit Visualisierungstechniken aus den Bereichen VR, Mobiles AR oder Assisted Reality werden diese Daten Anwendungs- und Nutzerspezifisch räumlich erlebbar und dienen als Nutzerschnittstelle zur Veränderung und Eingabe von Daten. Den Zugriff hinsichtlich Rechten und Rollenanforderungen regelt dabei eine Authorisierungschicht. So erhalten die Nutzer entsprechend Ihrer Ausstattung und Ihrer Datenrechte entsprechend der Anforderungen aus dem jeweiligen Anwendungskontext. Dieser umfasst entlang des gesamten Lebenszyklus unserer gebauten Umwelt beispielsweise Planung, Beteiligung, Bildung, Navigation oder Wartung. Abbildung 1: Das Konzept „Digitale Erlebnisräume“ für die Kommunikation im Lebenszyklus der gebauten Umwelt Demnach müssen in der Planung von Anwendungen folgende Sachverhalte geklärt werden: Nutzerprofil: Je nach Nutzer ändern sich Anforderungen und Wünsche an digitale Erlebnisräume. Wer sind die Nutzer und welche Erfahrung haben sie im Umgang mit den Systemen? Welche Informationen sind für sie relevant und wie soll ihre individuelle Nutzerschnittstelle gestaltet sein, um die Ziele möglichst effizient zu erreichen? Anwendung: In welchem Kontext wird die Anwendung implementiert? Welches sind die technischen Randbedingungen und welche Anforderungen lassen sich daraus auf die Anwendung ableiten? Visualisierungstechniken: Welches sind die Möglichkeiten aber auch die Limitationen der jeweilig einzusetzenden Visualisierungstechnik aus den Bereichen VR, AR, MR nach heutiger Sicht aber auch aus einer mittel- und langfristigen Perspektive? Inhalt: Aus welchen Datenquellen speist sich die benötigte Information und über welche Schnittstellen können diese in den digitalen Erlebnisraum der jeweiligen individuellen Anwendung integriert werden? 2. Anwendungsbeispiel: Immersive Planungs- und Nutzerbesprechung Am Fraunhofer IAO wurden in den letzten 12 Jahren zahlreiche Hoch- und Tiefbauprojekte für Bauherren, Planer und Fachplaner bei der Vermittlung der Planungsstände und in der Diskussion und Entscheidungsfindung durch die „immersive Planungsbesprechung“ unterstützt. Als Visualisierungstechnik kam in diesen Projekten das Immersive Participation Lab (IPLab), ein mehrseitiger immersiver Stereoprojektionsraum zum Einsatz. Abbildung 2: Das IPLab am Fraunhofer IAO - schematische Darstellung des Projektionssystems Im Vergleich zu gängigen VR-Brillen (Head Mounted Displays HMDs) erlaubt dieser Raum einer Gruppe von bis zu 15 Teilnehmern das gleichzeitige Erleben des virtuellen Planungsmodells. Durch die körperliche Präsenz sind in diesem VR-System, das auch CAVE genannt wird, soziale Interaktionen mit Gestik und Mimik in der Diskussion möglich. Die Entscheidungsfindung wäre in größeren Gruppen erfahrungsgemäß mit sozial isolierenden VR-Brillen nicht möglich. Abbildung 3: Das IPLab am Fraunhofer IAO - Immersive Nutzerbesprechung, Flugfeldklinikum Böblingen- Sindelfingen Potentiale Immersiver Visualisierungssysteme (AR/ VR) für Kommunikationsbedarfe im Lebenszyklus von Bauwerken 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 379 In allen Projekten wurden die Planungsdaten aus BIM- Koordinationsmodellen, GIS-Umgebungsmodellen und Fachmodellen aus der Simulation mit effizienten Datenaufbereitungsprozessen für die Visualisierung optimiert und integriert. Inzwischen können vor Allem in Planungsbesprechungen die rohen BIM-Daten ohne zusätzlichen manuellen Aufwand verwendet werden. Aufgrund der in den meisten Fällen hohen Expertise der Teilnehmer erübrigt sich ein hoher Aufwand in die Datenaufbereitung für eine hohe visuelle Qualität. Für eine zielgerichtete und effiziente Durchführung der Besprechung wurde am Fraunhofer IAO eine Methodik speziell für immersive Planungs- und Nutzerbesprechungen entwickelt. Die Besprechungen beginnen mit einem Briefing, inklusive einer Einführung in die Methodik. Hier werden sehr konkrete Ziele beschrieben, im Teilnehmerkreis diskutiert und ausdetailliert. Eine genau formulierte Dokumentation vereinfacht dann auch später im Debriefing die Überpüfung der Zielerreichung. Weiterhin werden im Briefing die Aufgaben geklärt und die Rollen definiert. Neben den technischen Planern, Bauherren- und Nutzervertreter gibt es die Rollen Moderator, Navigator, Anwendungssteuerung, und Protokollant. Im Schnitt nehmen zwischen 12 und 18 Personen teil. Das Briefing schießt mit einer Einführung in die VR-Technik. Einerseits, damit die Teilnehmer über die Technik Bescheid wissten und so während der eigentlichen VR-Durchführungsphase nicht durch Technikfragen abgelenkt sind. Andererseits, um ihnen eine gewisse Eingewöhnungszeit zu gewähren - sich darauf einzulassen, Immersion zuzulassen. Die VR-Durchführungsphase wird so moderiert, dass zu den einzelnen Zielen die jeweils relevanten Räume „angeflogen“ und Thema für Thema nach dem KIDE- Ablauf „Konfrontation, Inkubation, Diskussion, Entscheidung“ besprochen werden. Diese Phase dauert in der Regel 2-4 Stunden und sollte möglichst kurz gehalten werden um Ermüdung und damit einhergehende Probleme der „Motion Sickness“, eines für VR-Systeme typischen Unwohlseins, komplett auszuschließen. Vor der abschließenden Phase des Debriefing wird wenn möglich eine Pause für die Teilnehmer eingelegt. Sie sollen nach der immersiven Erfahrung wieder in der „nüchternen“ Realität ankommen können und getroffene Entscheidungen sollen „reifen“ können. Die Notwendigkeit der Pause zweifelte auch keiner an, denn die Zeit vergeht erfahrungsgemäß im Flug - oder wie Teilnehmer oftmals später anmerken ‚im „Gruppen-Flow“‘. So fand das Debriefing - die Rekapitulation des Besprochenen - wieder in der sachlichen Atmosphäre des Besprechungsraumes statt, zu dem sich die CAVE nach Abschalten der Projektionswände verwandelt. Diese Gelegenheit nach der Planungsbesprechung wird für die Forschung und Optimierung der Methodik auch genutzt, um die Teilnehmer sozusagen auf Metaebene zu Ihren Erfahrungen zu befragen. Häufig wird aufgrund der positiven Erfahrungen vereinbart, dass zu einem späteren Zeitpunkt und Planungsstand desselben Bauprojekts eine weitere immersive Planungsbesprechung mit demselben Ablauf angesetzt wird. Die folgende Abbildung stellt am Beispiel eines Hochbauprojektes die Ergebnisse der abschließenden Umfrage hinsichtlich Zielerfüllung, Unterstützungspotential und Qualität des Ablaufs einer Immersiven Planungsbesprechung dar. Abbildung 4: Ergebnisse der Befragungen von 2 Planungsbesprechungen (1. Besprechung links, 2. rechts) 3. Weitere Anwendungsbeispiele Neben dem oben ausführlich beschriebenen Anwendungsfall in VR mit der Nutzung des Immersive Participation Labs für die Nutzer- und Planungsbesprechung erlauben etablierte Techniken aus den Bereich XR (X steht hier für Virtual, Mixed, Augmented oder Assisted Reality) zahlreiche weitere Anwendungen bei denen Informationen im Raum verortet abgerufen werden können. Im Betrieb von Bauwerken sind dies größtenteils Techniken aus dem Bereich AR die teilweise mittels AR-Brillen aber viel häufiger mit mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Tablets Sensordaten in Echtzeit aus dem Digitalen Zwilling des Bauwerks abrufbar machen und somit z.B. auch Wartungsanwendungen ermöglichen, bei denen Wartungsberichte über das räumliche Modell direkt in die Facility-Management-Datenbank abgelegt oder abgerufen werden können. Navigationsanwendungen führen den Wartungstechniker dabei optimal zu seinen Einsatzorten. Vor Allem für diese niederschwelligen Anwendungen ohne besonderen Anspruch an die Hardware ist kurzfristig eine starke Durchdringung in Kommunikationsprozesse zu erwarten. Die Berücksichtigung der eingangs geschilderten Aspekte des Konzeptes „Digitale Erlebnisräume“ mit einer auf den Anwendungsfall exakt zugeschnittenen Lösung wird dabei ein wesentlicher Erfolgsfaktoren sein. Potentiale Immersiver Visualisierungssysteme (AR/ VR) für Kommunikationsbedarfe im Lebenszyklus von Bauwerken 380 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 4. Fazit und Ausblick Die Verwendung von VR-Technologie bzw. die Anwendung von Virtual Engineering in der Baubranche erweitert den Nutzen von BIM als Datengrundlage um zahlreiche Kommunikationsanwendungen. Die immersive Nutzer- und Planungsbesprechung ist ein gutes Beispiel in der Phase der Planung und ein Schritt in diese Richtung. Die Zukunft wird an dieser Stelle sowohl von technischen, als auch von methodischen Weiterentwicklungen geprägt sein und sich damit mehr und mehr zu einem Standard etablieren. So ist es beispielsweise bereits möglich, nicht mehr nur gemeinsam an einem physischen Ort, sondern physisch verteilt und nur virtuell an einem Ort immersive Planungsbesprechungen in Gruppen abzuhalten. Dabei können einzelne Teilnehmer auch von anderen Standorten aus z.B. mit ihrem HMD oder einem Desktop-Viewer teilnehmen. Ähnlich wie bei anderen hybriden Veranstaltungsformaten entwickeln sich Plattformen über die das Präsenzmeeting in der immersive Planungsbesprechung in einer CAVE als verteilte Lösung auch Teilnehmer aus der Ferne in die Szene als 1: 1 Avatar integriert. In Bezug auf die Kommunikationskultur werden BIM bzw. Digitale Zwillinge im Allgemeinen und die Verwendung immersiver Techniken im Speziellen das Bauen und Betreiben von Bauwerken dahingehend verändern, dass in der Planungs- und Ausführungsphase Planer, Fachplaner, Bauherren und Nutzer sich in kurzen Zyklen intensiv abstimmen und diesen engen Austausch von Beginn der Planung bis zur Übergabe an den Betrieb nutzen und so letztendlich auch das Nutzerwissen aus dem Betrieb nach vorn verlagert in der Planung berücksichtigt wird. Aber auch der Betrieb, die Sanierung und der Rückbau werden zunehmend digitalisiert und somit zwangsläufig auf räumliche Nutzer-Schnittstellen angewiesen sein. Diese neue Kommunikationskultur fordert angemessene Technologien und Methoden. Virtuelle Techniken werden hier einen wertvollen Beitrag leisten. Erst durch eine akribische Planung der Prozesse und einer Weiterentwicklung der Methoden der Arbeitsabläufe werden diese effizient im Planungs- und Bauprozess einsetzbar.