Kolloquium Bauen in Boden und Fels
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2510-7755
expert verlag Tübingen
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2022
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Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik
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2022
Johannes Labenski
Friedemann Kötzel
Sebastian Schnell
Harald Vogel
In diesem Paper wird der von Arcadis entwickelte Digital Subsoil Approach vorgestellt. Es handelt sich dabei um einen Work-in-Progress, der die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik veranschaulichen soll. Anhand von zwei Projektbeispielen sollen die Herausforderungen in diesem Prozess, aber auch die Vorteile und gewonnenen Erfahrungen aufgezeigt werden. Insbesondere soll verdeutlicht werden, dass es sich bei diesem Digitalisierungsprozess hauptsächlich um einen problemorientierten Lösungsprozess handelt, bei dem es weder ein „Richtig“ noch ein „Falsch“ gibt. Die beiden Projektbeispiele basieren auf Industrieprojekten, bei denen ein sehr heterogener Baugrund vorzufinden war. Beide Projekte machten es für den Projekterfolg erforderlich, dass etablierte Arbeitsprozesse hinterfragt und neue, digitale Prozesse entwickelt und eingeführt wurden.
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13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 341 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik Dr.-Ing. Johannes Labenski b),c) Johannes.Labenski@arcadis.com Friedemann Kötzel, M.Sc. a),c) Friedemann.Koetzel@arcadis.com Dipl.-Ing. Sebastian Schnell a),b),c) Sebastian.Schnell@arcadis.com Dr.-Ing. Harald Vogel a),b),c) Harald.Vogel@arcadis.com a) Abteilung Geotechnik, Arcadis Germany GmbH, Am Kochenhof 10, 70192 Stuttgart b) Abteilung Geotechnik, Arcadis Germany GmbH, Griesbachstr. 10, 76185 Karlsruhe c) Abteilung Geotechnik, Arcadis Germany GmbH, Europaplatz 3, 64293 Darmstadt Zusammenfassung In diesem Paper wird der von Arcadis entwickelte Digital Subsoil Approach vorgestellt. Es handelt sich dabei um einen Work-in-Progress, der die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik veranschaulichen soll. Anhand von zwei Projektbeispielen sollen die Herausforderungen in diesem Prozess, aber auch die Vorteile und gewonnenen Erfahrungen aufgezeigt werden. Insbesondere soll verdeutlicht werden, dass es sich bei diesem Digitalisierungsprozess hauptsächlich um einen problemorientierten Lösungsprozess handelt, bei dem es weder ein „Richtig“ noch ein „Falsch“ gibt. Die beiden Projektbeispiele basieren auf Industrieprojekten, bei denen ein sehr heterogener Baugrund vorzufinden war. Beide Projekte machten es für den Projekterfolg erforderlich, dass etablierte Arbeitsprozesse hinterfragt und neue, digitale Prozesse entwickelt und eingeführt wurden. 1. Einführung Zu den Hauptaufgaben eines geotechnischen Beraters gehört es Baugrunduntersuchungen durchzuführen, auszuwerten und daraus Geotechnische Berichte gem. EC7 zu erstellen. Teil dieser Geotechnischen Berichte ist auch die Darstellung der Baugrunduntersuchungen in Form von z.B. 1D Bohrprofilen sowie 2D Geotechnischen Schnitten. Diese Darstellung und Arbeitsweise wird der zunehmenden Komplexität der Bauprojekte und Randbedingungen sowie den zunehmenden Forderungen nach einer Optimierung der Baukosten und des Materialeinsatzes im Sinne des Nachhaltigkeitsgedankens nicht mehr gerecht. Vielmehr muss auch in der Geotechnik, analog zum Hochbau, ein Umdenken zu einem ganzheitlichen 3D Planungsprozess stattfinden. Das umfasst auch die Darstellung des räumlich stark inhomogenen Mediums „Boden“ in einem 3D Modell. Die räumliche Visualisierung des Baugrunds ermöglicht es allen Projektbeteiligten in die Unbekannte Baugrund hineinzusehen, potenzielle Risiken zu identifizieren und eine optimierte Planung der Gründungsstruktur vorzunehmen. Eigene Erfahrungen zeigen eine deutliche Qualitätssteigerung des Planungsprozesses bei Nutzung digitaler 3D Baugrundmodelle, da insbesondere Personen ohne besondere Sachkunde der Geotechnik einen schnelleren Zugang zu den Problem- und Fragestellungen erhalten. Aufgrund dessen setzt Arcadis neben dem klassischen 2D-Baugrundmodell zukünftig vermehrt auf digitale 3D-Baugrundsowie Berechnungsmodelle. Es gibt vereinzelt Literatur, die sich mit dem Thema BIM in der Geotechnik [1] [2] [5] [6] [8] auseinandersetzt sowie seit 2018 den Arbeitskreis Digitalisierung in der Geotechnik der DGGT [3] [4], allerdings finden sich kaum Anwendungsbeispiele sowie Erfahrungsberichte aus der Praxis zur Thematik eines ganzheitlichen, digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozesses in der Geotechnik. Ausnahme bilden Webinare durch das NGI [7]. Gerade für die Geotechnische Praxis ist es auch von Interesse, welche Programme sich z.B. für die Erstellung eines 3D Baugrundmodells als nutzbar erweisen bzw. mit welchen Einschränkungen zu rechnen ist. Aus diesem Grund soll mit dieser Veröffentlichung der von Arcadis genutzte Digital Subsoil Approach vorgestellt sowie an Projektbeispielen die entsprechende Umsetzung aufgezeigt werden. Arcadis möchte mit diesem Paper weitere Kollegen ermutigen den Schritt in die digitale 3D Planungswelt zu wagen und ihre positiven sowie negativen Erfahrungen weg vom klassischen 2Dhin zum digitalen 3D Baugrundmodell offen zu teilen. 342 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik 2. Arcadis Digital Subsoil Approach Der Digital Subsoil Approach, als Prozess in Abb. 1 dargestellt, beschreibt einen ganzheitlichen, digitalen Ansatz beginnend bei der Datenerfassung, über die Datenverwertung bis hin zum Bericht bzw. Reporting. Zunächst ist darauf hinzuweisen, dass es sich bei dieser Darstellung nicht um einen in Stein gemeißelten Prozess handelt. Vielmehr handelt es sich um einen auf eigenen Erfahrungen basierenden Prozessablauf, der jedoch projektabhängig zu hinterfragen und anzupassen ist. Der von Arcadis entwickelte Ansatz kann als ein Kreislauf betrachtet werden, dessen Kern eine Cloud ist, in welcher die Daten aus den verschiedenen Schritten liegen. Dabei muss es sich nicht nur um ein System handeln, vielmehr können verschiedene Cloudsysteme für verschiedene Anwendungszwecke zum Einsatz kommen. Wichtig dabei ist, dass Schnittstellen zwischen den verschiedenen Systemen etabliert werden können, um einen reibungslosen Datenaustausch zu gewährleisten. Am Anfang des Kreislaufes steht die digitale Erfassung der Daten im Feld bzw. auf der Baustelle (vgl. Abb. 1 (1)), z.B. mit einem Tablet. Durch die Cloudanbindung erfolgt eine Echtzeitdatenerfassung und gleichzeitige Datensicherung. Da an dieser Stelle die Datenerfassung mit Stift und Papier sowie in den meisten Fällen auch eine notwendige Nachbearbeitung im Büro zumindest teilweise wegfallen, wird nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Fehleranfälligkeit deutlich reduziert. Die digital erfassten Baugrunddaten liegen in der Cloud und können von dort direkt in eine geologische Modellierungssoftware importiert werden (vgl. Abb. 1 (2)), um ein digitales 3D Baugrundmodell zu erstellen. Arcadis nutzt die Software Leapfrog Works der Fa. Seequent. Das gesamte Modell muss einer ständigen Qualitätskontrolle unterzogen werden, da das erzeugte Baugrundmodell zwar auf mathematischen sowie statistischen Ansätzen beruht, nicht aber den Sachverstand und die Erfahrung des Geotechnischen Gutachters hat, der letztlich für das Baugrundmodell verantwortlich ist. Eine Qualitätskontrolle kann z.B. über die Bewertung repräsentativer 2D Schnitte, extrahiert aus dem 3D Modell, erfolgen. Bis ein qualitätsgesichertes, nutzbares 3D Baugrundmodell entsteht sind erfahrungsgemäß einige Iterationsprozesse erforderlich. Im 3. Schritt des Digital Subsoil Approach erfolgt eine Überführung des 3D Baugrundmodells in die entsprechenden Berechnungsbzw. parametrischen Designmodelle (vgl. Abb. 1 (3)). Dabei ist zu beachten, dass projektbezogen ggf. auch nur Ausschnitte aus dem Baugrundmodell erforderlich sind, z.B. repräsentative 2D Schnitte. Neben dem geotechnischen Sachverstand sollte der bearbeitende Ingenieur insbesondere auch Erfahrung in der Programmierung mit z.B. Python aufweisen, da eine Schnittstelle zwischen den verschiedenen Softwareprodukten oft noch nicht besteht und Eigenentwicklungen erforderlich werden. Sobald sämtliche Berechnungen abgeschlossen sind, ist es erforderlich die Ergebnisse in Form von Berichten an den Auftraggeber zu übermitteln. Da das Baugrundmodell, die Berechnungsparameter und die Berechnungsergebnisse ohnehin in digitaler Form vorliegen, ist es nur konsequent auch die Erstellung des Berichts weitestgehend zu automatisieren (vgl. Abb. 1 (4)). Zum Beispiel über Python, aber auch über VBA Skripte lassen sich automatisiert standardisierte Berichte bzw. Berichtsanlagen produzieren. Auf diese Weise wird nicht nur die Bearbeitungszeit drastisch reduziert, es wird auch die Produktivität der Projektbearbeiter erhöht, da sich diese vollumfänglich auf die fachliche Bearbeitung konzentrieren können. Des Weiteren wird dem Kunden bei solch einer automatisierten Berichterstellung eine gleichbleibend hohe Berichtsqualität zugesichert. Mit Fertigstellung des Berichts ist ein Zyklus des Digital Subsoil Approach durchlaufen. Die Ergebnisse können im weiteren Verlauf des Projekts dazu dienen z.B. eine vollumfängliche geotechnische Baubegleitung oder weitere Baugrunduntersuchungen durchzuführen. Damit beginnt ein neuer Zyklus im Prozessablauf, um mit den neu gewonnenen Daten die verschiedenen Modelle weiter zu detaillieren und (Berechnungs-)Ergebnisse ggf. zu überprüfen bzw. zu überarbeiten. Zukünftiges Ziel sollte es zudem sein, auch die mehr und mehr verbauten Sensoren in den Prozess und die Modelle zu integrieren, um einen vollständigen, repräsentativen und glaubwürdigen digitalen Zwilling zu erzeugen, der das Objekt weit über die Bauphase hinaus repräsentiert. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 343 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik Abb. 1: Prozess des Digital Subsoil Approach 344 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik Der Digital Subsoil Approach wird stetig weiterentwickelt, neue Tools implementiert und alte vereinfacht. Somit bleibt festzuhalten: • Es gibt nicht die eine richtige Lösung und verschiedene Ansätze können qualitativ gleichwertige Ergebnisse liefern. • Der Prozessablauf kann und muss stetig angepasst, weiterentwickelt und aktualisiert werden. Die Effizienz erhöht sich mit der gewonnenen Erfahrung der Projektbeteiligten. Auf Grund dessen sollten Erfahrungen und Erkenntnisse regelmäßig reflektiert, besprochen und bei Bedarf eingearbeitet werden. • Der hier gezeigte Prozessablauf kann mit großer Wahrscheinlichkeit in seinem vollen Umfang nicht auf ein anderes Unternehmen übertragen werden. Er kann jedoch als ein Leitfaden dienen, eigene Denkprozesse anregen und Ideen liefern, um einen Digitalisierungsprozess zu etablieren. 3. Projektbeispiele Der folgende Abschnitt beschreibt zwei ausgewählte Projektbeispiele, bei denen ein digitaler 3D Planungsprozess zur Anwendung kam und letztlich verantwortlich für den Projekterfolg war. Dabei soll es nicht nur um die Vorteile dieses digitalen Ansatzes gehen, sondern auch um die jeweiligen Herausforderungen. Beide Projekte haben gemeinsam, dass bei ihnen eine numerische Analyse der Boden- Bauwerks-Interaktion durchgeführt wurde, um das Last-Setzungsverhalten für die zu untersuchenden Lastfälle zu bestimmen. Zudem wurden die Baugrunduntersuchungen nicht im Auftrag von Arcadis durchgeführt, sondern vom Kunden übermittelt. Bei der klassischen Herangehensweise wird bei einem solchen Projekt eine homogene Baugrundschichtung auf Grundlage einer Grenzwertbetrachtung angesetzt. Bei den nachfolgend dargestellten Projekten hätte eine solche Herangehensweise zu keinem sicheren und wirtschaftlichen Entwurf geführt. Das numerische Berechnungsmodell hätte auf Grundlage dieser homogenisierten Randbedingungen keine realistischen Setzungen aus der Boden-Bauwerks-Interaktion geliefert und somit zu einem darauf aufbauenden falschen Entwurf geführt. 3.1 Projektbeispiel A: Zementsilo Bei Beispielprojekt A handelt es sich um die Tiefgründung eines Zementsilos über eine Pfahlgruppe. Das Zementsilo weist einen Durchmesser von ca. 55m und eine Gesamthöhe von ca. 60m auf. Das Silo selbst steht mit seinen Silowänden auf einem Ringfundament. Im inneren Bereich des Silos befinden sich drei Abzugsschächte, die unterhalb der Füllung des Silos liegen. Über diese wird der Zement aus dem Silo gefördert. Jeder der drei Schächte weist eine Querschnittsfläche von ca. 4m x 4m auf und wird entkoppelt vom Ringfundament ebenfalls tiefgegründet. Bei allen in diesem Projekt ausgeführten Pfählen handelt es sich um verrohrt hergestellte Bohrpfähle mit einem Durchmesser von 1,0m. Eine der Aufgaben während des Planungsprozesses war es die Anzahl der Pfähle so gut es geht zu optimieren, um Herstellungszeit und -kosten zu reduzieren. Durch ein iteratives Vorgehen konnte die Anzahl der Pfähle im Vergleich zum initialen Layout um ca. 15% auf eine Gesamtanzahl von 270 Bohrpfählen reduziert werden. Insgesamt wurden 10 Kernbohrungen mit einer Tiefe von bis zu 60 m u. GOK inkl. SPT alle 2m sowie CPTs mit einer Tiefe von bis zu 10 m u. GOK durchgeführt. Die Auswertung der Bohrungen und Sondierungen ergab, dass der Baugrund vorherrschend aus bindigen Bodenschichten mit geringer Festigkeit und Steifigkeit, einer dicht gelagerten Kiesschicht sowie einer Tonschicht mit einer hohen Festigkeit und darunter mehreren Felsschichten unterschiedlicher Verwitterung besteht. Als Absetzhorizont für die geplante Tiefgründung wurden die tieferliegenden Felsschichten festgelegt. Die Auswertung der Bohrprofile ergab zudem, dass der Schichtenverlauf sehr inhomogen ist. Insbesondere die Tiefe der tragfähigen Schicht schwankte mit Werten ≥ 10 m im Bereich unterhalb des Silos. Basierend nur auf den Bohrprofilen war es nicht möglich, ein gedankliches Baugrundmodell für die Boden- Bauwerks-Interaktion herzuleiten, welches zufriedenstellend, aber auch auf der sicheren Seite liegend, abbilden würde. Aus diesem Grund wurde, auch gemeinsam mit dem Auftraggeber, die Entscheidung getroffen, ein 3D Baugrundmodell zu erstellen, um • eine möglichst genaue Auswertung der Baugrunduntersuchung durchzuführen, • einen (mehr oder weniger) präzisen Schichtenverlauf unterhalb des Silos zu abzuleiten, • genaue Pfahllängen zu ermitteln, um die Herstellkosten sowie -zeit zu reduzieren, • den Einfluss der Pfahllänge und inhomogenen Baugrundschichtung auf das Last-Setzungsverhalten und die zu erwartenden Pfahlschnittgrößen mithilfe der Boden-Bauwerks-Interaktion in Form von 3D FE Berechnungen möglichst realitätsnah abzuschätzen. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 345 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik Abb. 2: Vergleichende Darstellung des 3D Berechnungsmodells (Leapfrog Works) mit dem 3D Berechnungs-modell (Plaxis) Das in Abb. 2 (links) dargestellte 3D Baugrundmodell enthält alle vorhanden Baugrundinformationen und wurde mittels Leapfrog Works erstellt. Mittels dieser Datengrundlage wäre Leapfrog lediglich in der Lage unterhalb des Silos ein zuverlässiges 3D Baugrundmodell zu erstellen. Dies würde zwar für die individuelle Bestimmung der Pfahllängen, nicht aber für die Boden-Bauwerks-Interaktionsberechnung mit Plaxis 3D reichen. In diesem speziellen Fall war eine Fläche von 200 m × 200 m um das Silo herum im FE Modell notwendig. Während eine Interpolation zwischen den Bohrpunkten in Abhängigkeit von den sonstigen Einstellungen in Leapfrog Works relativ akkurat ist, ist eine Extrapolation der Baugrundschichten weder zuverlässig noch erlaubt nach EC7. Aus diesem Grund wurden sogenannte „Dummy Bohrungen“ im Leapfrog Modell gesetzt, deren Schichtverlauf basierend auf der am nähesten liegenden Bohrung bestimmt wurde. Auf diese Weise wird der Schichtenverlauf außerhalb der eigentlichen Bereichsgrenzen in einen annähernd homogenen Verlauf „gezwungen“. Da für die Boden-Bauwerks- Interaktion das vertikale Pfahltragverhalten maßgeblich war, konnte diese „Vereinfachung der Realität“ hier akzeptiert werden. An dieser Stellte sollte festgehalten werden, dass für die Erstellung des 3D Baugrundmodells eine enge Abstimmung zwischen dem Leapfrog-Anwender, der sich fachlich im Bereich der Geologie und Geotechnik auskennen muss, und dem verantwortlichen Geotechnik Ingenieur stattgefunden hat, um die Richtigkeit des Schichtenverlaufs basierend auf den vorhandenen Informationen sicherzustellen. Im Zuge des Qualitätssicherungsprozesses waren mehrere Iterationen zwischen den Sachbearbeitern notwendig, bei denen hauptsächlich mithilfe von 2D Schnitten, aber auch anhand des 3D Modells eine Überprüfung und Bewertung des Baugrundmodells durch den verantwortlichen Ingenieur stattgefunden hat. Der Qualitätssicherungsprozess ist grundsätzlich vergleichbar mit der klassischen Arbeitsweise, bei der eine enge Abstimmung zwischen Geotechnischem Ingenieur/ Berater und technischem Zeichner zur Erstellung von 2D Schnitten stattfindet. Der große Vorteil des volldigitalen Ansatzes ist es aber, dass Änderungen quasi unmittelbar in das 3D Baugrundmodell eingearbeitet werden können und sämtliche daraus abgeleiteten 2D Schnitte bzw. 3D Anschichten in Echtzeit aktualisiert werden. Der generelle Arbeitsaufwand sowie die allgemeine Fehleranfälligkeit reduzieren sich damit. 346 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik Im weiteren Projektablauf war es notwendig individuelle Pfahllängen basierend auf der Tiefe der tragfähigen Schicht zu bestimmen. Da eine händische Bestimmung der Pfahllängen bei 270 Pfählen nicht zielführend ist, wurden über eine aus Leapfrog exportierte Punktewolke und ein selbst erstelltes Python Skript innerhalb kürzester Zeit die notwendigen Informationen generiert. Auf Grundlage des 3D Baugrundmodells sowie der automatisch ermittelten, individuellen Pfahllängen wurde das 3D Berechnungsmodell in Plaxis erstellt. Analog zum vorgestellten Digital Subsoil Approach ist die Erstellung des Plaxismodells (teil-)automatisiert. Hauptsächlich der Import des 3D Baugrundmodells in Plaxis erforderte manuelle Prozesse, da zu diesem Zeitpunkt noch keine Schnittstelle zwischen Leapfrog und Plaxis etabliert war. So mussten individuelle Punktwolken für die verschiedenen Schichten in Plaxis importiert werden, um anschließend innerhalb von Plaxis sogenannte NURBS Flächen zu erzeugen, aus denen wiederum die Volumenkörper der Baugrundschichten erstellt werden konnten. Abb. 2 zeigt einen Vergleich zwischen dem 3D Baugrundmodell und dem 3D Berechnungsmodell. Eine vergleichende Auswertung ergibt, dass trotz der teils manuellen Ex- und Importprozesse, wenn überhaupt, nur ein geringer Verlust an Information stattgefunden hat und ein hinreichend genaues Berechnungsmodell erzeugt werden konnte. Des Weiteren sind in Abb. 2 die mit einem Python Skript ermittelten, individuellen Pfahllängen zu sehen, die alle, wie vorgegeben, 1 m in die tragfähige Schicht einbinden. Neben dem Last-Setzungsverhalten sind die Pfahlschnittgrößen ein weiteres Ergebnis der Boden-Bauwerks-Interaktionsberechnungen mit Plaxis 3D. Diese benötigt der Tragwerksplaner, um die innere Bemessung der Pfähle durchzuführen. Um die Schnittgrößen sowohl für den Tragwerksplaner aber auch für den eigentlichen Bericht aufzuarbeiten, werden diese mittels eines selbst entwickelten Python Skripts automatisiert aus Plaxis extrahiert, weitere Kenngrößen wie z.B. Pfahlfedersteifigkeiten bestimmt und anschließend visuell aufbereitet. Die nun in Form von Diagrammen vorliegenden Berechnungsergebnisse werden, ebenfalls automatisiert, kompiliert als Anlage eines Berichts. Diese Vorgehensweise reduziert den Aufwand für die Auswertung der Ergebnisse und die Berichtserstellung nicht nur auf ein Minimum, er gewährt gleichzeitig auch eine immer gleichbleibende Qualität der Ergebnisdarstellung. Anhand dieses Projekts konnten folgende Erfahrungen und Erkenntnisse gesammelt und erarbeitet werden: • Um ein nutzbares digitales 3D Baugrundmodell zu erzeugen, müssen zunächst, basierend auf den Baugrundaufschlüssen, sinnvolle Vereinfachungen der angesprochenen Baugrundschichten in Abstimmung mit den involvierten Geologen, Geotechnik Ingenieuren sowie Leapfrog Anwendern durchgeführt werden. • Partiell müssen in das 3D Baugrundmodell sogenannten „Dummy Bohrungen“ eingeführt werden, um einen bestimmten Schichtenverlauf zu erzwingen. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn zu wenig Baugrundaufschlüsse vorhanden sind bzw. wenn die Bereichsgrenzen des Modells, z.B. zur Erzeugung eines Berechnungsmodells, erweitert werden müssen. Für diesen Eingriff ist geologischer bzw. geotechnischer Sachverstand und entsprechende Erfahrung notwendig. • Zwischen den verschiedenen Modellen und Programmen besteht oftmals keine direkte Schnittstelle. Es ist dringend zu empfehlen, dass die Schnittstellen in einer frühen Projektphase etabliert werden, z.B. über selbst entwickelte Python Skripte. • Die Vorteile des digitalen 3D-Baugrundmodells sind vielseitig. Ein primärer Vorteil bleibt jedoch besonders hervorzuheben: Ein solches Modell kann nicht nur den beteiligten Ingenieuren helfen, sich visuell in das Projekt hineinzudenken und eine ausführbare sowie wirtschaftliche Lösung zu finden. Eine besondere Hilfestellung ist es auch bei Gesprächen mit Projektbeteiligten ohne geotechnisches Fachwissen (z.B. Bauherr), Schwierigkeiten und Baugrundrisiken visuell zu veranschaulichen. 3.2 Projektbeispiel B: XXL Großtank Projekt B wurde unmittelbar im Anschluss an Projekt A durchgeführt, sodass die gewonnenen Erfahrungen direkt in dieses Projekt einfließen konnten. Bei diesem Projekt handelt es sich um die Tiefgründung eines XXL Großtanks in Form eines Flüssiggastanks (LNG). Der LNG Tank, der einen Außendurchmesser von ca. 100 m aufweist, sollte über eine Pfahlgruppe bestehend aus ca. 400 Großbohrpfählen mit einem Durchmesser von 1,40 m gegründet werden. Für detailliertere Informationen über die Besonderheiten bei der Gründung von LNG Tanks und deren Bemessung wird auf Zachert & Brosz [9] sowie Zachert et al. [10] verwiesen. Basierend auf den durchgeführten und vom Auftraggeber übermittelten Baugrunduntersuchungen konnte der Untergrund in drei Hauptschichten eingeteilt werden: Unmittelbar unter der Geländeoberkante steht eine künstliche Auffüllung an. Dieser folgt eine Verwitterungszone in Form eines stark verwitterten Felses sowie der eigentliche Felshorizont, welcher lediglich leicht angewittert war. Der leicht angewitterte Felshorizont zeigte, auch durch die Auswertung von Pfahlprobebelastungen, eine ausreichend hohe Festigkeit und Steifigkeit um für den XXL Großtank als eine ausreichend tragfähige Schicht eingestuft werden zu können. Im Gegensatz zu Projektbeispiel A erwies sich die grundsätzliche Baugrundschichtung nicht als besonders komplex. Allerdings deuteten die Baugrundauf- 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 347 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik schlüsse auf einen sehr unstetigen Höhenbzw. Tiefenverlauf der tragfähigen Schicht hin (Sprünge von bis zu 15 m unterhalb eines Tanks). In Abstimmung mit dem Auftraggeber wurde ein 3D Baugrundmodell entwickelt, • um den Absetzhorizont der Pfähle möglichst genau zu bestimmen und • eine möglichst realitätsnahe Boden-Bauwerks-Interaktionsberechnung in Form von 3D FE Berechnungen durchzuführen. Abb. 3: Isometrische Ansicht: Vergleichende Darstellung des parametrischen Design Modells (Rhino) mit dem 3D Berechnungsmodell (Plaxis) Abb. 4: Frontansicht: Vergleichende Schnitt-Darstellung des parametrischen Baugrundmodells (Rhino) mit dem 3D Berechnungsmodell (Plaxis) 348 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik Das digitale Baugrundmodell wurde auf Grundlage zahlreicher 1D Bohrprotokolle sowie 2D Schnittführungen erarbeitet. Des Weiteren wurden geophysikalische Messungen zur Tiefenbestimmung des Felshorizonts durch den Auftraggeber durchgeführt, ausgewertet und in das Baugrundmodell eingearbeitet. Im nächsten Schritt der Projektbearbeitung mussten individuelle Pfahllängen bestimmt werden. Im Gegensatz zu Projektbeispiel A wurde hier nicht auf ein Python Skript sondern auf das kommerzielle Programm Rhino3D mit seiner visuellen Programmiersprache (VPL; Visual Programming Language) Grasshopper gesetzt. Dies hatte den Vorteil, dass die Baugrundschichtung aus dem 3D Baugrundmodell ebenfalls direkt für die Weiterverarbeitung in Plaxis3D aufbereitet und ein Parametrischer Design Prozess, wie z.B. automatische Koordinatentransformation und die parametrische Bestimmung der individuellen Pfahllängen, etabliert werden konnte. Da in diesem Projekt zudem verschiedene Koordinatensysteme von den jeweiligen Fachplanern genutzt wurden und entsprechende Transformationen durchgeführt werden mussten sowie neben den entsprechenden Pfahllängen auch die Schnitttiefen mit den anderen Baugrundschichten zu ermitteln waren, erschien der Ansatz über Rhino3D als der effizienteste. Eine vergleichende Darstellung des parametrischen Design Modells mit dem 3D Berechnungsmodell wird in Abb. 3 und Abb. 4 dargestellt. Die vergleichende Darstellung in Abb. 3 in isometrischer Ansicht zeigt visuell bereits eine entspreche Konformität zwischen den verschiedenen Modellen und die Funktionalität der entsprechenden Schnittstellen. Aber nur durch frontale Ansicht (Abb. 4) eines vergleichenden Schnitts beider Modelle wird ersichtlich, dass die Schnittstelle zwischen den Modellen nur mit einem minimalen Verlust an Informationen einher geht. Zusätzlich zu der bereits in Projektbeispiel A erläuterten automatisierten Berichtserstellung, wurde in diesem Projekt ein mittels Python erstelltes Dashboard zur Datenvisualisierung eingesetzt (vgl. Abb. 5). Über dieses Dashboard konnte den Projektbeteiligten eindrücklich und transparent der Zusammenhang zwischen verschiedenen Berechnungsergebnissen und Randbedingungen, wie z.B. die Abhängigkeit der Querkraftverteilung von der Pfahllänge, demonstriert werden. Die Anwender selbst benötigen dafür weder Programmiernoch Plaxiskenntnisse, können aber von überall auf der Welt zu jeder Zeit selbst dynamisch auf die Daten Abb. 5: a) Visualisierung über ein mit Python programmiertes Dashboard; b) Darstellung der Ergebnisse in den Anlagen zum Bericht zugreifen und so auch eigene, für sie relevante Abhängigkeiten untersuchen. Dies ist insbesondere für internationale Projekte mit Beteiligten aus verschiedenen Zeitzonen von großer Relevanz. Aber auch in „kleineren“, nationalen Projekten nimmt die Relevanz für eine dynamische Verarbeitung der Berechnungsergebnisse in Kombination mit einer statischen Auswertung der Daten in Form des Berichts weiter zu. Anhand dieses Projekts konnten folgende Erfahrungen und Erkenntnisse gesammelt und erarbeitet werden: • Die Intuitive Bedienung der eingesetzten Software und Tools ist ein Schlüsselpunkt bei der Digitalisierung der Arbeitsprozesse. Die eingesetzte Software muss intuitiv und damit schnell zu erlernen sein. Ein komplexes Programm mit einer aufwendigen Einarbeitungsphase wird, wenn überhaupt, nur sehr zögerlich und schleppend von Kollegen akzeptiert. • Parametrisches Design, wie z.B. die automatische Bestimmung der Pfahllängen, sollte ein visueller Prozess und kein reine Programmierarbeit sein. In diesem Zusammenhang erlauben gerade Programme wie Rhino3D mit der VPL Grasshopper eine unmittelbare visuelle Kontrolle und Überprüfung des Designs. Des Weiteren lassen sich Entwurfsanpassungen, wie z.B. eine sich während der weiteren Planungsphasen ändernde Baugrundschichtung, ohne größeren Aufwand in das Modell mit all seinen Abhängigkeiten übernehmen. • Auf Grundlage der von der Baustelle gelieferten Information können die digitalen Modelle stetig ange- 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 349 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik passt und fortentwickelt werden. Dadurch lassen sich auch frühzeitig potenzielle Probleme in der Planung erkennen und beheben, bevor sie auf der Baustelle auftreten. • Ein voll digitaler Planungsprozess kann Herstellzeiten und -kosten reduzieren. Mit einem präzisen 3D Baugrundmodell können bereits in der Planung mehrere hundert Bohrpfahlmeter eingespart werden. In dem hier vorgestellten Projektbeispiel waren es im Vergleich zur initialen Planung ca. 1.300 m. 4. Zusammenfassung In dieser Veröffentlichung wurde einführend der von Arcadis eingesetzte Digital Subsoil Approach vorgestellt. Dieser Ansatz ist nicht in Stein gemeißelt und sollte projektabhängig hinterfragt und weiterentwickelt werden. Anhand zweiter Projektbeispiele wurde zudem die praktische Umsetzung dieses Prozesses und die damit einhergehenden Vorteile, aber auch Herausforderungen aufgezeigt. Die daraus gewonnenen Erfahrungen, die wiederum zukünftig in den Prozess einfließen werden, können wie folgt zusammengefasst werden: • Die Entwicklung eines digitalen 3D Baugrundmodells ist nicht trivial. Neben einer entsprechenden Datengrundlage spielt die Erfahrung und Expertise der entsprechenden Sachbearbeiter eine wichtige Rolle. Insbesondere der Qualitätssicherungsprozess nimmt im Vergleich zu den klassischen 2D Schnitten einen höheren Stellenwert ein, da das 3D Modell rein visuell eine gewisse Richtigkeit suggeriert. Es sind i.d.R. mehrere Iterationsschritte notwendig, bis ein qualitätsgesichertes Baugrundmodell erzeugt wurde. • Im Vergleich zum klassischen 2D Ansatz ist der initiale Aufwand zur Einführung eines digitalen 3D Ansatzes hoch. Neben spezieller Software müssen auch die Sachbearbeiter eine entsprechende fachliche Ausbildung und ein entsprechendes Interesse aufweisen. Allerdings zahlt sich dieser erhöhte Aufwand schnell aus, da Projekte nicht nur effizienter sondern auch mit einer höheren Qualität bearbeitet und abgeschlossen werden. Gerade in großen Infrastrukturprojekten wird durch die zunehmende Forderung des Einsatzes von BIM Methoden die Digitalisierung der Arbeitsprozesse und -weise nicht mehr aufzuhalten sein, sodass geotechnische Berater und Planer lieber früher als zu spät entsprechende Transformationsprozesse anstoßen sollten. • Insbesondere die Nutzung von 3D Baugrundmodellen unterstützt enorm die Kommunikation mit fachfremden Projektbeteiligten. Die Unbekannte Baugrund wird auf diese Weise greifbar und verständlich. Aber auch für die eigentlich Projektarbeit des Geotechnischen Ingenieurs ist dieses Modell von enormer Bedeutung, da gerade in größeren Projekten bzw. Projekten mit komplizierten Baugrundbedingungen der Einsatz eines 3D Baugrundmodells die Informationsverarbeitung stark unterstützt und erleichtert. Keines der beiden zuvor vorgestellten Projektbeispiele wäre ohne den Einsatz eines 3D Baugrundmodells erfolgreich abgewickelt worden. • Der Einsatz verschiedener Programme und Tools setzt eine intuitive Bedienung dieser voraus. Viele dieser Programme, darunter auch einige Platzhirsche, die heutzutage im Zusammenhang mit der Digitalisierung eingesetzt werden, verfügen über sehr viele Funktionen, sodass oft eine langwierige Einarbeitung notwendig ist. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass diese Programme durch den normalen Nutzer eingesetzt werden. Gerade selbst entwickelte Tools und Skripte sollten daher dem Minimum Viable Product (MVP) Ansatz folgen, um eine entsprechend große Akzeptanz unter den Nutzern herzustellen. • In der Regel besteht keine (gut) funktionierende Schnittstelle zwischen den verschiedenen Modellen. Je nach eingesetzter Software und Projektanforderungen müssen Schnittstellen z.B. über eigene Python Skripte selbst entwickelt werden. Diese Schnittstellen sollte möglichst frühzeitig im Projektverlauf etabliert werden. Arcadis möchte mit diesem Paper weitere Kollegen ermutigen den Schritt in die digitale 3D Planungswelt zu wagen und ihre positiven sowie negativen Erfahrungen weg vom klassischen 2Dhin zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess offen zu teilen. Literaturverzeichnis [1] BFA Spezialtiefbau, 2019. BIM in ground engineering: Technical Position Paper of the Federal Department of Ground Engineering in the German Construction Industry Federation (Hauptverband der Deutschen Bauindustrie e.V. Bundesfachabteilung Spezialtiefbau). [2] Henke, S., Erbers-Ernst, J., Rust, M. & Schäferhoff, G., 2020. Das BIM-Baugrundmodell im Kontext des BIM-Gesamtmodells - Testmodellerstellung unter Einbeziehung zahlreicher Fachgewerke, Kolloquium „Digitalisierung in der Geotechnik - Von der Entwicklung zur Anwendung eines digitalen Baugrundmodells“, 23.01.2020, Hannover, Germany: BAW (Bundesanstalt für Wasserbau). [3] Molzahn, M., Bauer, J., Henke, S., Tilger, K., 2021. Das Fachmodell Baugrund. Empfehlungen des Arbeitskreises 2.14 der DGGT „Digitalisierung in der Geotechnik“, geotechnik (44) Heft 1, S. 41-51. [4] Molzahn, M., Bauer, J., Henke, S., Tilger, K., 2021. Entwicklungsstufen und Attribuierung 350 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Die Transformation vom klassischen 2D zum digitalen 3D Beratungs- und Planungsprozess in der Geotechnik des Fachmodells Baugrund. Empfehlungen des Arbeitskreises 2.14 der DGGT „Digitalisierung in der Geotechnik“, geotechnik (44) Heft 3, S. 209-218. [5] Möller, O. & Mathutka, K.-P., 2018. BIM in der Geotechnik, Konzeptpapier, Hochschule 21, Buxtehude: Technical Report Nr. 10. [6] Nappa, V., Ventini, R., Ciotta, V., Asprone, D., de Silva, F., Fabozzi, S., 2019. A new frontier of BIM process: Geotechnical BIM, Reykjavik, Iceland, 01-06 September 2019, 7p.: Proceedings of the XVII ECSMGE-2019. [7] Norwegian Geotechnical Institute, 2020. BIM for GeoScience Webinars, https: / / www.ngi.no/ eng/ Services/ Technical-expertise/ BIM [8] Tawelian, L. & Mickovski, S., 2016. The implementation of geotechnical Data into the BIM process: Procedia Engeneering (143) 734-741. [9] Zachert, H. & Brosz, F., 2019. Herausforderungen bei der Planung großer Full-Containment Flüssiggastanks in Erbebengebieten, Pfahlsymposium 2019, pp. 523-550: Mitteilung 107 des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der Technischen Universität Braunschweig. [10] Zachert, H., Labenski, J. & Brosz, F., 2020. Der Hydrotest als Belastungsversuch - Numerische Simulation und Setzungsmessungen an einer mit 2000 MN belasteten Pfahlgruppe, Vorträge zum 27. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium: Technische Universität Darmstadt.
