2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 179 Integrationsansätze von SHM-Messdaten in BIM-Modelle von Brückenbauwerken Martin Köhncke, M. Sc. Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg Dr.-Ing. Francesca Marsili Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Sascha Henke Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sylvia Keßler Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg Zusammenfassung Der Erhalt der uneingeschränkten Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Brückenbauwerken im Bundesfernstraßennetz mit ca. 39.000 Brücken ist eine große Herausforderung. Die Digitalisierung und deren Vorteile werden bisher in diesem Kontext noch nicht vollumfänglich bzw. kaum genutzt. Ein großer Nutzen eines „Digitalen Zwillings“ eines Brückenbauwerks resultiert vornehmlich aus der Darstellung und zur Verfügungstellung des jeweils aktuellen Bauwerkszustands. Dadurch können schnellere und eindeutigere Entscheidungen auf Basis des aktuellen Zustands getroffen werden und mögliche Unsicherheiten reduziert werden. Allerdings stehen noch keine nutzbaren „Digitalen Zwillinge“ von bestehenden Brückenbauwerken zur Verfügung. 1. Einführung Ein erster Schritt in diese Richtung stellt die Abbildung von Brücken im Rahmen des Building Information Modelling (BIM) dar. Hierbei werden zentral alle relevanten geometrischen und alphanumerischen Informationen gebündelt. Allerdings erfolgt die Darstellung von Fachmodellen in BIM üblicherweise in klar abgegrenzten Revisionen, wodurch Schwierigkeiten bei der Aktualisierung entstehen können. Insbesondere bei Maßnahmen des Structural Health Monitorings (SHM) werden entgegen des vorher beschriebenen Vorgehens mit diskreten Datenbereitstellungen kontinuierlich Messwerte erfasst, welche den aktuellen Bauwerkszustand beschreiben. Diese sinnvoll mit einem BIM-Model zu verknüpfen, ist eine große Herausforderung. Neben einfachen Links in Datenbanken, wie es aktuell Stand der Technik ist, bieten sich auch alternative Lösungen an, welche die Messwerte direkt in das Modell überführen. Ziel dieses Beitrags ist es, eine strukturierte Übersicht und Bewertung der unterschiedlichen Integrationsansätze zu geben. Die Aufrechterhaltung der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Brückenbauwerke im Bundesfernstraßennetz stellt eine Herausforderung dar, welcher zunehmend mit der Digitalisierung der Bauwerksverwaltung begegnet werden soll. Während das Konzept eines „Digitalen Zwillings“ vielfach als Ziel genannt wird, ist die Erreichung mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Dafür ist nicht nur ein digitales, geometrisches Abbild der Brückenbauwerke zu erzeugen, welches allein bei ca. 39.000 Brückenbauwerken unter Verkehr in Deutschland nicht trivial ist [1]. Zusätzlich ist ein bidirektionaler Informationsaustausch über den gesamten Lebenszyklus herzustellen. Hierfür gibt es schon Ansätze, die aber bisher noch nicht flächendeckend ausgeführt werden [2]. Allerdings werden zunehmend BIM-Modelle von Brückenbauwerken erstellt. Diese lassen sich in unterschiedlichen Detailgraden entwickeln, sodass damit der Aufwand gesteuert werden kann. Vereinfachte BIM-Modelle bilden eine geeignete Ausgangsbasis für einen dynamischen, monodirektionalen Informationsfluss. Als Anwendungsfall wird hier die Integration von SHM-Messdaten in ein BIM-Modell betrachtet. Dafür werden zunächst verschiedene Ansätze kurz vorgestellt und anschließend entsprechend ihrer Vor- und Nachteile bewertet. Abschließend wird ein Fazit gezogen und ein Ausblick auf die zukünftige Entwicklung von Integrationsansätzen gewährt. 2. Integrationsansätze Die Voraussetzung aller Integrationsansätze in BIM ist die geometrische Repräsentation der Sensoren im digitalen Modell, welche die Messdaten liefern [3]. Aktuell stellen Sensoren noch Sonderbauteile dar, welche teilweise händisch nachmodelliert werden müssen, weil sie nicht in den Standardbauteilbibliotheken enthalten sind. Neben der Verortung im Modell erfüllt die geometrische Repräsentation auch den Zweck, die Sensoreigenschaften aufzunehmen und zum Beispiel den Abgleich mit den erfassten Umweltbedingungen zu ermöglichen, sodass bspw. geprüft werden kann, ob ein Sensor in dem zulässigen Temperaturbereich arbeitet. 180 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Integrationsansätze von SHM-Messdaten in BIM-Modelle von Brückenbauwerken Die Integrationsansätze lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen, (i) die Einbettung der Messwerte direkt in die Datenstruktur der Industry Foundation Classes (IFC) und (ii) die Verlinkung auf die Daten, welche in anderen Formaten oder Datenbanken gespeichert werden [4]. Ein weiterer Ansatz ist die Verknüpfung über eine Common Data Environment. Diese bietet zwar eine eigene Datenverwaltung aber nicht die notwendige Flexibilität, weshalb dieser Ansatz an dieser Stelle nicht weiter betrachtet wird. Die Ansätze können unterschiedlich umgesetzt werden und an die Rahmenbedingungen eines Projektes angepasst werden. Hierbei sind insbesondere die verfügbaren Softwarelösungen und die zur Verfügung stehenden Ressourcen ein limitierender Faktor. Zunächst wird in diesem Beitrag der Ansatz der Einbettung der SHM- Messdaten und anschließend die Verlinkung von SHM- Messdaten betrachtet. 2.1 Eingebettete SHM-Messdaten Der Ansatz, die SHM-Messdaten direkt in den Sensor einzubetten, setzt an dem Punkt der geometrischen Repräsentation an und fügt die Messwerte und den Messzeitpunkt als Eigenschaften ein. Dabei werden mit jedem neuen Messzeitpunkt die bisherigen Werte überschrieben. Ein manuelles Vorgehen ist besonders bei hohen Messfrequenzen und großen Anzahl an Sensoren nicht mehr sinnvoll abbildbar, weshalb für diesen Ansatz wenigstens eine Teilautomatisierung sinnvoll ist. Diese kann zum Beispiel die Messdaten zu definierten Zeitpunkten nach Bedarf oder in einer entsprechenden Frequenz aktualisieren. Die Vorteile dieses Ansatzes sind die einfache Umsetzung und leichte Anpassbarkeit. Zusätzlich lassen sich die Messdaten aus dem BIM-Model auslesen und ggf. weiterverarbeiten. Die Nachteile sind die geringe Aussagekraft einzelner Messdaten und die fehlende Möglichkeit, die Messdaten in ihrem zeitlichen Verlauf zu betrachten. Eine Variation dieses Ansatzes bindet statt der einzelnen Messdaten, welche aktualisiert werden, Abbildungen von Diagrammen der zeitlichen Messdatenverläufe ein. Dadurch kann der Verlauf der Messdaten betrachtet werden und die Plausibilität der Daten an sich oder das Überschreiten eines Grenzwertes geprüft werden. Dafür ist allerdings zunächst festzulegen, welche Zeithorizonte dargestellt werden sollen. Die Grenzwerte sind ebenfalls sensorspezifisch festzulegen, hierbei kommen der Bauwerksstruktur und dem Bauwerkszustand eine bedeutende Rolle zu, da diese einen direkten Einfluss auf die bauwerksspezifischen Grenzwerte haben. Dabei ist zu beachten, dass Bauwerke als Unikate in ihrer jeweiligen Umgebung zu sehen sind, weshalb das einfache Übernehmen von Grenzwerten ohne vorherige Prüfung nicht zielführend ist. Die beispielhafte Einbettung der Messdaten einer Wetterstation ist in der Abbildung 1 dargestellt. Abb. 1: Einbettung der Messdaten einer Wetterstation Je nach Anzahl der Sensoren und Anzahl der Diagramme kann die Größe der IFC-Datei dadurch stark steigen. Beiden Ansätzen ist gemein, dass ein entsprechendes Skript zur Aktualisierung der Messdaten und der Abbildungen entwickelt werden muss. Manche Modellierungssoftwarepakete, wie zum Beispiel Autodesk Revit, bieten die Möglichkeit über integrierte grafische Programmierschnittstellen derartige Skripte mit geringem Aufwand zu erstellen [5]. Allerdings sind die Datenverarbeitungskapazitäten dieser Lösungen oft stark eingeschränkt und stehen nur im proprietären Dateiformat der Modellierungssoftware zur Verfügung. Dadurch entstehen Einschränkungen bei der möglichen Weiterverarbeitung der Messdaten. 2.2 Verlinkte SHM-Messdaten Die Verlinkung von Messdaten unterscheidet sich von der Einbettung lediglich durch die Referenz auf die gewünschten Informationenstattdiese Informationen direkt in der IFC-Datei zu speichern. Hierbei werden zwei mögliche Vorgehensweisen unterschieden. Zum einen kann auf Informationen oder Dateien direkt am Bauteil verlinkt werden, die dann zum Beispiel durch einen Webserver oder ggf. auch nur lokal bereitgestellt werden. Zum anderen kann direkt auf externe Ressourcen verlinkt werden, wie zum Beispiel Datenbanken, die dann über den Link geöffnet werden [3,6]. Bei der ersten Vorgehensweise können zum Beispiel Diagramme der Messdaten, wie sie im ersten Integrationsansatz eingeführt wurden, verlinkt werden. In Abbildung 2 ist eine entsprechende Abbildung von weiterverarbeiteten Messdaten einer Wetterstation verlinkt, welche mit einem Klick auf die Wetterstation aufgerufen werden können. 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 181 Integrationsansätze von SHM-Messdaten in BIM-Modelle von Brückenbauwerken Abb. 2: Verlinkung des Windrosen-Diagramms mit der Wetterstation Die Aktualisierung kann dann durch die Revisionsregelung eines Webservers realisiert werden, ohne dass direkt Veränderungen in der IFC-Datei vorgenommen werden müssen [4]. Die entsprechenden IFC-Dateien bleiben dadurch auch in ihrer Größe überschaubar, während die Auflösung der Diagramme deutlich erhöht werden kann. Bei der Verlinkung zu externen Ressourcen wie Datenbanken können auch deutlich mehr Messdaten angezeigt bzw. bei der Visualisierung berücksichtigt werden. Dadurch kann ein besserer Überblick über die Entwicklung erlangt werden. Dabei muss aber bedacht werden, dass alle Nutzer ebenfalls Zugriff auf diese Ressourcen benötigen, damit diese auch von allen Projektbeteiligten entsprechend genutzt werden können. Insbesondere bei Zugriffen von außerhalb einer Organisation können hier Bedenken bzgl. des Datenschutz und der Datensicherheit entstehen. Aktuell besteht hier noch großer Handlungsbedarf, da eine Standardisierung hier noch nicht vorhanden ist und oft projektspezifische Lösungen entwickelt werden. Diese Lösungen lassen sich dann allerdings nicht auf weitere Projekte übertragen, wenn sich die Softwarelandschaft geändert hat. Die Vorteile der Verlinkung liegen in der Möglichkeit, wichtige zusätzliche Informationen auch außerhalb der eigenen Organisation bereitzustellen, welche unabhängig vom Modell aktualisiert werden können. Zusätzlich können die besonderen Funktionen von spezifischen externen Ressourcen, wie Datenbanken, genutzt werden. Allerdings geht mit der Verlinkung der Informationen die Möglichkeit verloren, direkt aus dem Model die Informationen zu beziehen und weiterzuverarbeiten. Hier ist ebenfalls zu bedenken, dass manche verlinkte Informationen wie Bilder aktuell noch nicht in maschineninterpretierbarer Form vorhanden sind und deshalb einen vollständig digitalen Prozess ggf. beeinträchtigen können. Fazit und Ausblick Es lässt sich feststellen, dass beide Wege der Integration von Messdaten zu nutzbaren Ergebnissen führen. Die Eignung der Ansätze hängt dabei stark vom Kontext des Projekts und den jeweils vorab zu definierenden Anwendungsfällen ab und kann a priori entsprechend nicht pauschal bestimmt werden. Die einfache Umsetzung der Einbettung der Messdaten steht der schlechten manuellen Nutzbarkeit gegenüber, besonders bei einer großen Anzahl an Sensoren, während bei der Verlinkung der einfachen Aktualisierung der Messdaten und Diagramme eine ggf. eingeschränkte Weiterverarbeitbarkeit der verlinkten Informationen gegenübersteht. Die aktuellen Entwicklungen in diesem Feld lassen auch die Hoffnung auf eine baldige Verbesserung der Ansätze zu, wenn die entsprechenden Voraussetzungen geschaffen werden. Die Weiterentwicklung der Standardisierung für Datenintegrationen und Datenmodelle stellen solche Voraussetzungen dar [7]. Die aktuellen Integrationsansätze werden durch das bisherige revisionsgetriebene Vorgehen der BIM-Methode eingeschränkt. Neue Ansätze, die sich an der Industrie 4.0 orientieren, bieten große Potenziale, da diese oft bereits eine Echtzeit-Aktualisierung ermöglichen. Allerdings bedarf es hier noch Anpassungen an die Besonderheiten des Bauwesens, wie zum Beispiel den Umgang mit einer großen Anzahl an Unikaten, welche unterschiedliche Eigenschaften besitzen aber dennoch der gleichen Kategorie zuzuordnen sind. Ein weiterer Ansatz stellt die Nutzung von Softwareanwendungen aus der Spieleentwicklung dar. Diese nutzen die geometrischen und alphanumerischen Informationen von BIM-Modellen und ergänzen sie um die Möglichkeiten der Visualisierung und Interaktion innerhalb der Softwarelösungen zur Spieleentwicklung. Beide Ansätze lassen auf eine baldige Zunahme der Digitalisierung in der Bauwerksverwaltung hoffen. Danksagung Die Autoren Martin Köhncke, Francesca Marsili, Sascha Henke und Sylvia Keßler des Forschungsprojekts SHM bedanken sich für die Förderung bei dtec.bw - Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr.dtec.bw wird von der Europäischen Union - NextGenerationEU finanziert. Literatur [1] I. May und C. Rösner, „Skalierbare Technologie zur Erstellung von 3-D Digital Twins für Bestandsbrücken“, Bautechnik, Jg. 99, Nr. 2, S. 143-149, 2022, doi: 10.1002/ bate.202100113. [2] M. Wenner, F. Wedel, O. Hahn und C. Ullerich, Der digitale Zwilling - Grundlage für die prädiktive In- 182 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Integrationsansätze von SHM-Messdaten in BIM-Modelle von Brückenbauwerken standhaltung der Infrastruktur“, Deutscher Betonverein, Nr. 51, S. 15-19, 2021. [3] M. Valinejadshoubi, A. Bagchi und O. Moselhi, „Managing Structural Health Monitoring Data Using Building Information Modeling“, SMAR 2017- Fourth Conference on Smart Monitoring, Assesment and Rehabilitation of Civil Structures, 2017. [4] F. Wedel, R. Hartung und M. J. Bange, „Die Rolle von BIM im digitalen Zwilling“, Deutscher Betonverein, Nr. 51, S. 21-25, 2021. [5] G. Desogus, E. Quaquero, G. Rubiu, G. Gatto und C. Perra, „BIM and IoT Sensors Integration: A Framework for Consumption and Indoor Conditions Data Monitoring of Existing Buildings“, Sustainability, Jg. 13, Nr. 8, S. 4496, 2021, doi: 10.3390/ su13084496. [6] A. Del Grosso, P. Basso, L. Ruffini, F. Figini und M. Cademartori, „Infrastructure management integrating SHM and BIM procedures“, SMAR 2017-Fourth Conference on Smart Monitoring, Assesment and Rehabilitation of Civil Structures, 2017. [7] buildingSMART International, Enabling an Ecosystem of Digital Twins. [Online]. Verfügbar unter: https: / / www.buildingsmart.org/ wp-content/ uploads/ 2020/ 05/ Enabling-Digital-Twins-Positioning-Paper-Final.pdf (Zugriff am: 27. April 2023).