2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 217 Lösungsansätze zur Implementierung von Digitalen Zwillingen in BIM Prof. Dr.-Ing. Martin Herbrand WTM Engineers GmbH, Hamburg Zusammenfassung Langfristiges Ziel der Digitalisierungsstrategie des Bundes ist die Abbildung der physischen Infrastruktur in ihrer gesamten Komplexität in Form von Digitalen Zwillingen. Großes Potential auf dem Weg zu diesem Ziel bietet die BIM- Methode, die Planungs- und Bauprozesse durch standardisierte Informationsmodelle für alle Gewerke verbessert. Voraussetzung für einen Digitalen Zwilling ist die Überführung sämtlicher relevanter Informationen aus der Planungs- und Bauphase, sowie des Unterhaltungsbereichs. Dies schließt sowohl semantische Informationen als auch sämtliche anderen heterogenen Datentypen bis hin zu Echtzeitinformationen aus Monitoring ein. Die bisher bekannten BIM-Dateiformate eignen sich dabei nicht zur Anreicherung dieser Informationen. Erforderlich sind entsprechend klassifizierte Datenbanksysteme in Verbindung mit Linked-Data-Ansätzen, die die erforderlichen Informationen in Daten-Containern revisionssicher speichern. Bisher fehlen hierfür Standards oder Best-Practice Ansätze. Der vorliegende Beitrag soll die Problematik erläutern, Lösungsansätze aus bisher gesammelten Projekterfahrungen präsentieren, sowie den kurz- und mittelfristig erforderlichen Entwicklungsbedarf aufzeigen. 1. Einleitung Building Information Modeling (BIM) beinhaltet eine verbesserte Abbildung von Planungs-, Entwurfs-, Bau-, Betriebs-, und Instandhaltungsprozessen von Bauwerken durch standardisierte Informationsmodelle für alle Gewerke während des gesamten Lebenszyklus [1]. Nach Definition des VDI hat sich BIM als Oberbegriff für die Digitalisierung der Wertschöpfungskette beim Planen, Bauen und Betreiben von Gebäuden durchgesetzt [2]. Der Begriff BIM wurde zuerst 1992 verwendet [3] und wurde seit 2003 durch die Firma Autodesk popularisiert [4]. Durch das in der Baubranche weltweit gestiegene Bedürfnis nach Produktivitätssteigerungen, sowie durch politische Anreize, steigerte sich die Anwendung von BIM weltweit stark [5], insbesondere in den führenden Industrienationen [6]. Die starke bisherige Entwicklung der BIM-Methodik und der zukünftige Entwicklungsbedarf werden in diesem Beitrag aufgegriffen. Zunächst werden der aktuelle Stand der Normung sowie das Datenmanagement in Zusammenhang mit BIM beschrieben. Zusätzlich wird der erforderliche Entwicklungsbedarf zur Realisierung von Digitalen Zwillingen in Rahmen von BIM aufgezeigt. 2. BIM-Regelwerke und Digitale Zwillinge Die Verfügbarkeit von Regelwerken ist international unterschiedlich ausgeprägt. Neben den internationalen ISO-Standards [10]-[25] gibt es z. B. in den USA und GB jeweils nationale Normenreihen, die neben normativen Standards zum Informationsaustausch und Konformitätsspezifikationen auch Referenzprozesse, -spezifikationen und -beispiele enthalten, sowie Implementierungsressourcen in Form von Musterverträgen oder Best Practice Richtlinien [26]-[31]. Abbildung 1: Phasenmodell der BIM-Implementierungsstrategie des BMVD 218 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Lösungsansätze zur Implementierung von Digitalen Zwillingen in BIM In Deutschland sind neben den DIN-Normen [32]-[39] insbesondere die VDI-Richtlinie 2552 [2], sowie im Infrastrukturbereich der Stufenplan „Digitales Planen und Bauen“ des BMVI mit den dar-aus resultierenden Handreichungen und Leitfäden für die Anwendung von BIM maßgebend [40]-[43]. Langfristig soll die physische Bundesfernstraßeninfrastruktur digital und in ihrer gesamten Komplexität in einem Digitalen Zwilling abgebildet werden. Im Bereich der Schiene hat die DB AG eine BIM- Strategie als Masterplan erstellt [44]. In der abschließenden dritten Phase „Digital Transformation“ soll die BIM-Methodik vollständig für Planen, Bauen und Betreiben genutzt werden, also einem Digitalen Zwilling des Bauwerks. Im Bereich der Wasserstraße existiert seit kurzem analog hierzu die „Implementierungsstrategie BIM- WSV 2030“ [45]. Alle zuvor genannten Strategien sehen dabei als langfristiges Ziel die Nutzung von BIM über die Planungs- und Bauphase hinaus als Grundlage für den Auf bau von Digitalen Zwillingen für Planung, Realisierung, Betreiben, Erhalten und Weiterentwicklung der baulichen Infrastruktur (Abbildung 1). Voraussetzung hierfür ist die Überführung sämtlicher relevanter Informationen aus der Planungs- und Bauphase sowie des Unterhaltungsbereichs. Hierfür müssen über digitale Schnittstellen Informationen phasen- und parteiübergreifend austauschbar sein. Dieser Prozess ist in den englisch-sprachigen Regelwerken unter dem Begriff „Construction-Operations Building information exchange“ (COBie) beschrieben und genormt [26], [29], [46]. Die Konzepte sind allerdings auf den Hochbau ausgerichtet, im Infrastrukturbereich fehlen bisher insbesondere Standards zu Objekt- und Datenkatalogen, da jeder Infrastrukturbetreiber individuelle Kataloge pflegt. Ein internationaler Standard, der auch den Informationsaustausch für Infrastrukturbauwerke beinhaltet ist derzeit in Arbeit [23]. Im Allgemeinen muss die große Menge an Bauwerksinformationen und -daten im Zuge der Bedarfsermittlung klassifiziert und typisiert werden, um eine Grundlage für ein Betriebsmodell zu erschaffen. Der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Datentypen, sowie deren Rangordnung, Priorisierung, Status, Anwendung und Unterhaltungsaufwand ist in Abbildung-2 exemplarisch dargestellt (s.a. [47]). Abbildung 2: Typisierung von Bauwerkinformationen nach [47] Die vorgenannten technischen Standards entstehen i. d. R. auf Grundlage intensiver Forschungsbemühungen. Im Allgemeinen steigt die Zahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen zum Themenkomplex BIM seit Jahren kontinuierlich an [48]-[50]. Ein immer stärkeres Interesse in der BIM-Forschung liegt dabei auf der Interoperabilität von Planungs- und Betriebsmodellen bis hin zum Digitalen Zwilling [51]-[55]. Trotz der bereits großen Zahl der Veröffentlichungen wird allerdings deutlich, dass detaillierte Regelwerke und die Charakterisierung von Best Practice Ansätzen weiterhin Gegenstand der Forschung sein werden [55]. Obgleich mittlerweile ein großes Interesse an Digitalen Zwillingen im Bauwesen besteht, gibt es bisher nur wenige prototypische Umsetzungen von Digitalen Zwillingen im Infrastrukturbau. Ein Beispiel für die Umsetzung eines komplexen Digitalen Zwillings auf Basis eines BIM-Modells ist das Projekt smartBRIDGE Hamburg, der Digitale Zwilling der Köhlbrandbrücke in Hamburg [56]-[59] (Abbildung-3). Das Projekt smartBRIDGE Hamburg hatte das Ziel, die modernsten technologischen Möglichkeiten zur Bauwerksüberwachung, Bauwerksdiagnostik und Zustandserfassung in einem breiten Spektrum zu erproben und eine Methodik zu entwickeln, diese unter Nutzung eines webbasierten Frontends sowie AR- und VR-Technologien für verschiedene Nutzergruppen rollengerecht zu abstrahieren und zu visualisieren. Die Systemarchitektur sollte dabei so ausgelegt sein, dass ein modulares, adaptives, massiv skalierbares und weitgehend automatisiertes System zur integralen Bauwerksüberwachung und Zustandsbeurteilung entsteht. Unter anderem auf Basis der Erfahrungen in diesem Projekt entstand das DBV-Merkblatt „Digitaler Zwilling“ [60]. 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 219 Lösungsansätze zur Implementierung von Digitalen Zwillingen in BIM Abbildung 3: Benutzeroberfläche von smartBRIDGE Hamburg (Quelle: smartBRIDGE) 3. Datenmanagement in BIM Modellen und Entwicklungsbedarf Die Vorteile einer BIM-basierten Planung können in der Praxis vor allem in der Möglichkeit liegen, frühzeitig mögliche Kollisionen zu erkennen, Bauabläufe zu visualisieren oder digital vorliegenden Planungsinformationen zu überlagern. Ein differenzierter Blick auf die Vor- und Nachteile einer BIM-basierten Planung insbesondere in den frühen Leistungsphasen wurde in [61] anhand des Beispiels Argentinienknoten in Hamburg vorgenommen (Abbildung-4). Das Projekt hatte als Machbarkeitsstudie im Kern den Ersatz zweier Straßenbrücken und einer Bahnbrücke zum Ziel. Damit verknüpft waren die Erneuerung der Uferbauwerke. Es mussten auch alle weiteren Bauwerke des Verkehrsknotens sowie die dort vorhandenen eventuell tangierten Elemente, z.- B. Leitungen, Siele und ein Fähranleger, einbezogen werden. Zentrales Element der Machbarkeitsstudie war eine modellbasierte Variantenuntersuchung, mit deren Hilfe die neuralgischen Punkte identifiziert und die einzelnen Varianten anhand eines abgestimmten Kriterienkatalogs einer objektiven Bewertung zugeführt wurden. Ziel ist die Festlegung einer Vorzugsvariante, für welche weitere Anwendungsfälle umzusetzen waren, insbesondere Kostenermittlung, Bauablauf- und Baulogistikplanung, sowie detaillierte Visualisierungen des Bauablaufs [61]. Abbildung 4: Bestandsmodell des Argentinienknotens mit a) Darstellung der Bauwerke und b) Bestand unter der Geländeoberfläche [61] 220 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Lösungsansätze zur Implementierung von Digitalen Zwillingen in BIM Das zu Beginn erstellt Bestandsmodell des Argentinienknotens diente als zentrale Datendrehscheibe und Informationsquelle im Sinne der Single Source of Truth (SSoT). Als Modellierungsgrundlage wurden digitale Geländemodelle, Punktwolken, weitere Vermessungsdaten und Bestandspläne verwendet. Zudem werden auch Umgebungsdaten, wie bspw. CityGML-Daten (3D-Stadtmodell), ALKIS-Kacheln, Auszüge aus dem digitalen Höhenmodell, Peildaten und Orthofotos, integriert. Zur Darstellung der Gegebenheiten und Randbedingungen unter der Geländeoberfläche wurden Siel- und Leitungsdaten, Ergebnisse zur Gefahrenerkundung auf Kampfmittelverdacht und Informationen zum Baugrund zu 3D-Informationsmodellen auf bereitet. Eine Übersicht der Inhalte des Bestandsmodells ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 5: Inhalte des Bestandsmodells Argentinienknoten [61] Im Rahmen der Machbarkeitsstudie konnte gezeigt werden, dass mit der BIM-Methode umfangreiche Planungsunterlagen in einer zentralen Datendrehscheibe von unterschiedlichen Planungspartnern ver- und bearbeitet werden können. Im Sinne der Handhabung der Modelle ist die geometrische Detaillierung so weit als möglich zu reduzieren [2]. Insbesondere in größeren Infrastrukturprojekten kommen die BIM-Systeme derzeit oft an ihre Grenzen. Um die Realisierung von Digitalen Zwillingen zu ermöglichen, muss die BIM-basierte Planung darüber hinaus um zusätzliche Anwendungsfelder erweitert werden. Die wesentlichen Anwendungsfelder, die zu implementieren sind, sind BIM-basierte Bauwerksprüfungen, Zustandserfassung oder Örtliche Bauüberwachung, Instandsetzungsplanung, Bestandsdatenmanagement und Einbindung von Echtzeitdaten ( Abbildung 6 ). Bisher sind diese Prozesse oftmals noch nicht digitalisiert, und wenn diese digitalisiert sind, werden die Daten in Silos getrennt voneinander gespeichert. Die im Zuge einer Bauwerksprüfung erfassten Schäden werden bspw. in einer eigenen Datenbank gespeichert. Für die Erfassung aggregierter Echtzeit-Zustandsindikatoren gibt es keine Standards. Abbildung 6: Zusätzliche Anwendungsfelder zur Erschließung Digitaler Zwillinge Im Digitalen Zwilling sollen die Informationen über das BIM-Modell als zentrale Datendrehscheibe sichtbar bzw. abruf bar sein. Als Voraussetzung hierfür muss auch der Prozess der Datenerfassung konsequent digitalisiert werden. Als Beispiel würden dann im Fall der modellbasierten Bauwerksprüfung die Schäden direkt vor Ort im Tablet erfasst und im Bauwerksmodell verortet werden. Die Schäden können vom Bauwerksmodell aus als Schadensmodell im ifc-Format exportiert und an den Bauherrn übergeben werden. Über entsprechende Makros können die Schäden auch als Liste oder als Prüf bericht im pdf Format ausgegeben werden, sodass auf analoge Zwischenschritte verzichtet werden kann. Die Eingabe der Schäden erfolgt direkt vor Ort beispielweise über Formulare, die über eine Programmierschnittstelle in die BIM- Software eingebunden sind. Die Schäden werden über sogenannte PINs am Bauwerk verortet. Diese Anwendungsfälle wurden bereits bei WTM Engineers mit der BIM Managementsoftware DESITE MD umgesetzt [62]. Ziel der Digitalisierung ist, die Verfügbarkeit von und den Umgang mit Informationen zu verbessern um Planung, Ausführung und Instandhaltung zu optimieren. Erreicht wird dies, indem das derzeitige dezentrale Datenmanagement und die analogen Prozesse durch ein zentrales Datenmanagement mit digitalen Prozessen ersetzt werden. Die Ersterfassung von Informationen erfolgt also direkt digital am Aufnahmeort, und auch alle weiteren Datenverarbeitungsschritte sollen digital ablaufen. Die heterogenen Informationen werden dann in einer zentralen Datenbank (Single Source of Truth) abgelegt. Der eigentliche Entwicklungsbedarf besteht noch hinsichtlich einer zentralen Bauwerksdatenbank für das Datenmanagement. Für einen Digitalen Zwilling wird dem Grunde nach ein BIM-basiertes Produktdatenmanagementsystem für Bauwerke benötigt ( Abbildung 7 ). 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 221 Lösungsansätze zur Implementierung von Digitalen Zwillingen in BIM Abbildung 7: Produktdatenmanagementsystem (PDM-System) für Infrastrukturbauwerke In dem PDM-System können alle Arten von Daten gespeichert werden, die das Bauwerk betreffen. Allerdings ermöglicht es das System im Unterschied zu anderen Datenbanken, sämtliche Daten anhand der BIM-Taxonomie und der Klassifikationen des Digitalen Zwillings zu indizieren oder attribuieren. D. h. die Datenbank wäre eng verknüpft mit dem BIM Modell des Bauwerks, sodass sämtliche Daten eindeutig Bauteilen oder Teilbauwerken im jeweils richtigen Kontext (z. B. Bauwerks-prüfung, Instandsetzung etc.) zugeordnet werden können. Ein solches System müsste auch dauerhaft und revisionssicher ausgelegt werden. Eine solche Datenbank wäre ein mächtiges Werkzeug für Drittsysteme die auf die entsprechenden Daten und Metadaten zugreifen können und wäre zudem die Planungsgrundlage für alle Beteiligten. Für Daten aus Bauwerksmonitoring würden andere Lösungen zur Implementierung der Daten in BIM benötigt, da diese Daten hochdynamisch sind oft nur teilweise dauerhaft archiviert werden. Dies wurde ebenfalls exemplarisch im Projekt smartBRIDGE Hamburg durch Einbindung von über 500 Sensoren in einem BIM-basierten 3D-Modell des Bauwerks umgesetzt. Im Wesentlichen wurden IoT Datenserver, hier FROST-Server (Fraunhofer Open Source SensorThings API Server), verwendet, um die Messdaten aus Monitoring und Diagnostik bereitzustellen. Die Daten wurden über die Taxonomie des BIM-Modells bzw. die Bauwerksdatenbank SIB-BW attribuiert. Ein FROST-Server eignet sich hierbei zur Bereitstellung von Messdaten, aber nicht zur Bereitstellung heterogener Datentypen eines PDM-Systems. D. h. um einen Digitalen Zwilling zu realisieren, müssen mindestens zwei Systeme miteinander kombiniert werden, ein Produktdatenmanagementsystem und die IoT-Datenbank für Echtzeitdaten (Abbildung-8). Beide Systeme sind der BIM-Taxonomie bzw. der Klassifikation des Digitalen Zwillings unterzuordnen. Über eine entsprechende Host- Architektur werden die Informationen in Verbindung mit den BIM Programmsystemen für den Endnutzer zur Verfügung gestellt. Der Nutzen der konsequenten Digitalisierung und Strukturierung der Daten nach der BIM-Taxonomie liegt dabei nicht nur in einer Verbesserung der Datenverfügbarkeit und Steigerung der Produktivität. Vielmehr ist ein Digitaler Zwilling nach Abbildung-8 die Voraussetzung für die effektive Anwendung weiterführender Technologien wie der künstlichen Intelligenz. Diese funktioniert besonders effizient, wenn Daten bereits in den richtigen Kontext eingeordnet sind. Abbildung 8: Kombination eines PDM-Systems und einer Echtzeitdaten-Bereitstellung zu einem Digitalen Zwilling 222 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Lösungsansätze zur Implementierung von Digitalen Zwillingen in BIM 4. Zusammenfassung und Ausblick In dem vorliegenden Beitrag wurde der aktuelle Stand der Normung und der technischen Entwicklung der BIM- Technologie beschrieben. Des Weiteren wurde auf den mittelfristig erforderlichen Entwicklungsbedarf zur Realisierung Digitaler Zwillinge eingegangen. Nach Auffassung des Autors werden hierfür leistungsfähige Produktdatenmanagementsysteme benötigt, die alle das Bauwerks betreffenden Daten im Kontext der BIM-Taxonomie speichern können. Der Digitale Zwilling sollte hierbei auch nicht als das Ziel einer technologischen Entwicklung betrachtet werden, sondern als erforderliches Werkzeug um weiterführende Technologien wie die Künstliche Intelligenz effektiv und wertschöpfend einsetzen zu können. Literatur [1] Succar, B. 2010. Building information modelling maturity matrix. Handbook of research on building information modeling and construction informatics: Concepts and technologies. IGI Global, DOI: 10.4018/ 978-1-60566-928-1.ch004 XYZ. [2] VDI Richtlinie 2552: Building Information Modeling. [3] van Nederveen, G. A. & Tolman, F. P. 1992. Modelling multiple views on buildings. Automation in Construction, 1, 215-224. 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