5. Brückenkolloquium - September 2022 79 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken Chancen und Herausforderungen Jennifer Bednorz, M.Eng. Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, Deutschland Sonja Nieborowski, M.Sc. Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, Deutschland Zusammenfassung Mit der Einführung des Masterplans BIM Bundesfernstraßen [1] stellt das BMDV eine weiterführende Strategie der stufenweisen Implementierung der BIM-Methode im Bereich der Bundesfernstraßen bereit. Ziel ist der flächendeckende Einsatz von BIM als Regelprozess in der angestrebten vollen Ausbaustufe ab 2025. Auf Grundlage der durchgängigen und flächendeckenden Anwendung der BIM-Methode über den gesamten Lebenszyklus soll die physische Bundesfernstraßeninfrastruktur digital und in ihrer gesamten Komplexität langfristig in einem Digitalen Zwilling abgebildet werden. Der Fokus liegt dabei besonders auf der Digitalisierung und Unterstützung der Betriebsphase auf Basis Digitaler Zwillinge. Auf dem Weg hin zu einem digitalen Zwilling sind verschiedene Herausforderungen im Lebenszyklus von Brücken- und Ingenieurbauwerken zu bewältigen. Diesen stellt sich die aktuelle Forschung u. a. mit der (teil)automatisierten Erstellung von BIM-Modellen unter dem Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) und der Festlegung von Informationsanforderungen an BIM-Betriebsmodelle in Anlehnung an mögliche Anwendungsfälle im Betrieb. Ein Anwendungsfall im Betrieb ist die digitale Unterstützung der Bauwerksprüfung unter Einsatz von BIM in Kombinationen mit Anwendungen der erweiterten und virtuellen Realität in der Vor- und Nachbereitung sowie der Durchführung vor Ort. In diesem Beitrag wird auf die Möglichkeiten der Digitalisierung von Bestandsbauwerken unter Verwendung von KI-Methoden, Anforderungen an BIM-Betriebsmodelle, Anwendungsfälle im Betrieb, neue Technologien wie virtuelle und erweiterte Realität sowie die Potentiale eines Digitalen Zwillings im Hinblick auf ein verbessertes Lebenszyklusmanagement eingegangen. 1. Hintergrund Brücken und Ingenieurbauwerke in Deutschland sind großen Herausforderungen wie z.B. zunehmendes Alter, Einflüsse durch den Klimawandel und steigenden Verkehrslasten ausgesetzt. Die Bewältigung dieser und zukünftiger Herausforderungen im Bundesfernstraßennetz und der damit verbundenen erhöhten Anforderungen an Planung, Bau, Betrieb und Erhalt auch unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten kann durch Digitale Zwillinge unterstützt werden. Mit der Einführung des „Masterplans BIM Bundesfernstraßen“ und dem darin angestrebten Zukunftsbild eines gesamten Lebenszyklus auf Basis voll integrierter Digitaler Zwillinge wird dies auch durch das BMDV hervorgehoben. [2]. Auf Grundlage der durchgängigen und flächendeckenden Anwendung der BIM-Methode über den gesamten Lebenszyklus, liegt dabei der Fokus besonders auf der Digitalisierung und Unterstützung der Betriebsphase auf Basis Digitaler Zwillinge. Nach [1] bilden digitale Zwillinge die physische Bundesfernstraßeninfrastruktur mit allen relevanten Informationen digital und in ihrer gesamten Komplexität ab. Die BIM-Methodik und deren durchgängige Anwendung in Planung, Bau und Betrieb schafft somit die Grundlage für den Auf bau umfangreich vernetzter Digitaler Zwillinge und den sich daraus ergebenden Potenzialen für die Datenanalyse und -nutzung. Eine wesentliche Grundlage für den Auf bau digitaler Zwillinge bildet das digitale Bauwerksmodell mit den Daten aus den Phasen Planen und Bauen, das den tatsächlichen Bestand abbildet. Für den überwiegenden Teil der Brücken- und Ingenieurbauwerke auf Bundesfernstraßen liegen derzeit keine digitalen Modelle vor. Die essentiellen Fragen sind daher: - Welche Möglichkeiten bieten sich im Bereich der Digitalisierung von Bestandsbauwerken und kann dieser Prozess durch die Verwendung von künstlicher Intelligenz unterstützt werden? - Welche Anforderungen werden an die Modelle gestellt? - Welche Anwendungsfälle sind im Betrieb denkbar und wie können diese mit digitalen Technologien und Methoden unterstützt werden? - Welche Potentiale eines Digitalen Zwillings ergeben sich im Hinblick auf ein verbessertes Lebenszyklusmanagement? Im Rahmen dieses Beitrags wird auf die oben genannten Fragestellungen eingegangen und ein Überblick über 80 5. Brückenkolloquium - September 2022 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken die Forschungsaktivitäten der BASt gegeben. Die Forschungsergebnisse stellen wichtige Grundlagen dar, um die gewonnenen Erkenntnisse in die Konzeption und den Auf bau von Digitalen Zwillingen für Infrastrukturbauwerke einfließen zu lassen. 2. Vision Digitaler Zwilling Das übergeordnete Ziel, das mit dem Digitalen Zwilling eines Brückenbauwerks angestrebt wird, ist die bestmögliche Unterstützung der Bauwerksbetreibenden bei der Gewährleistung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Sie müssen sich zunehmend großen Herausforderungen infolge Alterung, Einflüssen des Klimawandels und steigender Verkehrslasten stellen. Zur Begegnung dieser Herausforderungen werden Werkzeuge benötigt, die den Übergang von einer aktuell überwiegend reaktiven Herangehensweise im Erhaltungsmanagement zu einem zukunftsfähigen prädiktiven Lebenszyklusmanagement unterstützen [7]. Hier zeigt die Vision des Digitalen Zwillings Brücke vielfältige Potenziale auf. Der Digitale Zwilling eines Ingenieurbauwerks ist ein digitales Abbild eines realen Bauwerks und spiegelt sämtliche Eigenschaften und sein Verhalten über dessen gesamten Lebenszyklus hinweg anhand verschiedener Modelle (u.a. Geometrie-, Struktursowie Datenmodelle). Der Digitale Zwilling aktualisiert sich kontinuierlich, um den aktuellen Status des realen Bauwerks sowie die daraus ableitbaren Prognosen in nahezu Echtzeit darzustellen. Zu diesem Zweck greift er auf große Datenmengen zurück, die u.a. am realen Bauwerk, dem Reallabor, gesammelt oder von bereits bestehenden Systemen bereitgestellt werden. Daneben kann er Informationen aus unkonventionellen Datenquellen wie z. B. vernetzten Fahrzeugen, Smartphones und sozialen Medien nutzen. In Anbetracht der großen Datenmengen kommen Big Data/ Smart Data- Anwendungen und Verfahren der Künstlichen Intelligenz (KI) zur Datenanalyse und -bewertung zum Einsatz. Darüber hinaus beinhaltet der Digitale Zwilling einen virtuellen Experimentierraum, in dem szenariobasierte Untersuchungen und Prognosen hinsichtlich des Bauwerksstatus erfolgen können. [2], [12]. Bild 1 zeigt den Zusammenhang der genannten Zukunftsfelder mit dem Digitalen Zwilling Brücke auf. Die Potenziale des Digitalen Zwillings Brücke zeigen sich vor allem in der Lebenszyklusphase des Betriebs. Das aktuelle Bauwerksmodell nach der BIM-Methodik stellt eine wesentliche Grundlage des Digitalen Zwillings dar, der weitere Komponenten wie zum Beispiel die Vernetzung von Echtzeitdaten aus Sensorik, Prognosen, Simulationen [1] sowie den bidirektionalen Datenfluss zum physischen Bauwerk einbindet. Die Generierung von BIM-Modellen im Bestand hat demnach auf dem Weg zum Digitalen Zwilling Brücke eine wichtige Bedeutung. Die BASt-Forschung beschäftigt sich intensiv mit diesem Thema, um den Weg zum Digitalen Zwilling und das prädiktive Lebenszyklusmanagement zu unterstützten. Bild 1: Relevante Felder des digitalen Zwillings Brücke 3. Digitalisierung von Bestandsbauwerken Der Masterplan BIM Bundesfernstraßen beschreibt die phasenweise Einführung der BIM-Anwendung für alle neu zu planenden Ingenieurbauwerke ab 2021. Allerdings machen die Neubauten nur einen geringen Anteil der Brücken im Bundesfernstraßennetz aus. Der überwiegende Teil der Brücken existiert bereits und wird auch noch für Jahre bzw. Jahrzehnte weiter genutzt werden. Das Potential, das sich mit dem Einsatz von BIM im Betrieb und in der Erhaltung eröffnet, kann erst dann voll ausgeschöpft werden, wenn für einen Großteil der Bestandsbrücken BIM-Modelle vorhanden sind. Eine zeitnahe ganzheitliche Anwendung von BIM in der Betriebsphase ist daher erst möglich, wenn BIM-Modelle für die bestehenden Brücken realisiert werden. Für die Einführung des BIM-gestützten Erhaltungsmanagements bei Bestandsbrücken ergibt sich die große Herausforderung, dass Daten vielfach nur begrenzt digital vorliegen. Fehlende Informationen müssen daher nachträglich ergänzt werden. Für den überwiegenden Anteil der Bestandsbauwerke liegen Ausführungsbzw. Bestandspläne (in Papierform oder nachträglich digitalisierte 2-D-Pläne) in unterschiedlicher Qualität vor. Zusätzlich sind in der Bauwerksdatenbank SIB-Bauwerke Detailinformationen gemäß ASB-ING zu den Bestandsbauwerken hinterlegt. Eine nachträgliche manuelle Erstellung eines BIM-Modells auf Grundlage der vorhandenen 2D- Pläne ist prinzipiell möglich, erfordert jedoch einen großen Arbeitsaufwand und ist daher flächendeckend zeitnah kaum umsetzbar. Hinzu kommt die Unsicherheit, inwieweit die Pläne mit der aktuellen Ist-Situation übereinstimmen. Mit der dynamischen Weiterentwicklung der Vermessungstechnik im Bereich des 3D-Laserscanning und der Fotogrammmetrie sowie der Methoden der KI erge- 5. Brückenkolloquium - September 2022 81 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken ben sich vielversprechende neue Optionen zur effizienten (teil)automatisierten Erstellung von BIM-Modellen. Vor allem durch die Weiterentwicklungen und Verbesserung der Praxistauglichkeit von Methoden und Ansätzen des maschinellen Lernens (ML) und des Deep Learnings (DL) gewinnt die Verwendung von KI zunehmend an Bedeutung [3], [4]. Unter ML wird das Konzept der Verwendung mathematischer Modellierung verstanden, um analytische Erkenntnisse aus der Erforschung komplexer Daten zu generieren. In diesem Zusammenhang können strukturierte Daten (z. B. klassifizierte 3-D-Punktwolken, annotierte Bilder usw.) oder unstrukturierte Daten (z. B. digitalisierte Textdokumentation) verstanden werden. DL ist ein Teilbereich des ML, die auf überwachte Lernmethoden zurückgreift, wobei das Wissen darüber, was die Daten darstellen und wie sie klassifiziert werden sollen, grundsätzlich bekannt ist. DL-Methoden versuchen also, auf der Grundlage eines Modells, das darauf trainiert ist, die gleichen Arten vorhandener Daten zu erkennen und darauf basierend vorherzusagen, was die Daten repräsentieren sollen. Dazu kann z. B. ein Bildklassifikationsmodell gehören, das auf verschiedenen Bildern von Abplatzungen auf Brückenoberflächen trainiert wurde und in der Lage ist, zu erkennen, ob ein bisher ungesehenes Bild einer Brückenoberfläche Abplatzungen enthält [5]. Sowohl MLals auch DL-Verfahren sind wichtige Werkzeuge für die (teil)automatisierte Generierung digitaler Darstellungen des Ist-Zustands von Bestandsbauwerken. Im Rahmen des Projekts „Entwicklung von Verfahren zur (teil)automatisierten Erstellung von BIM-Modellen für Straßenbrücken im Bestand“ wird ein Konzept zur (teil)automatisierten Erstellung von BIM-Modellen auf der Grundlage der vorhandenen Daten sowie der mit modernen Vermessungstechniken gewonnener Punktwolken bestehender Brücken des Bundesfernstraßennetzes entwickelt [6]. Damit soll der Aufwand zur Erstellung derartiger Modelle signifikant reduziert und die Grundlage für eine flächendeckende Erfassung von BIM-Modellen im gesamten Bundesfernstraßennetz geschaffen werden. Mit der Verwendung von Vermessungsdaten kann sichergestellt werden, dass die erstellten Modelle dem aktuellen Ist-Zustand des Bestands entsprechen. Bild 2 zeigt einen terrestrischen Laserscan der Dura- BASt-Brücke im Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareal der BASt am Autobahnkreuz Köln-Ost. Die Aufnahmen des Laserscans dienen der Validierung des entwickelten Konzepts. Bild 2: Laserscan der DuraBASt-Brücke am Autobahnkreuz Köln-Ost Erfahrungsgemäß benötigt eine KI für eine Aufgabe der gegebenen Komplexität eine große Menge an Lerndaten. Diese Menge an Lerndaten durch echte Messungen von Punktwolken zu generieren würde einen unverhältnismäßigen Aufwand bedeuten. Um eine ausreichende Menge an Lerndaten zu erzeugen, werden daher zusätzlich zu tatsächlich erfassten 3-D-Punktwolken künstliche BIM- Modelle generiert, deren Vermessung in einem späteren Schritt anhand einer virtuellen Befliegung simuliert wird. Für die Generierung der BIM-Modelle werden im Rahmen des Projekts als Tragwerkstypen einfache Systeme von Massivbrücken (z. B. zweistegiger Plattenplatten) mit konventioneller Lagerung und integralen Lösungen definiert. Die Tragwerke werden als Kombination unterschiedlicher Komponenten erzeugt. Ein Tragwerk ist dabei eine Kombination aus - zwei Widerlagern, - Stützen, sofern es mehrere Felder gibt und - einem Träger. Für diese drei Bauteilarten werden unterschiedliche Typen definiert und die Kombinierbarkeit der unterschiedlichen Varianten analysiert. Bild 3: virtuelle Befliegung [6] Bild 3 zeigt die Erstellung synthetischer Trainingsdaten, die durch die Simulation einer Befliegung per Drohne generiert werden. Das Hauptziel hier ist, möglichst nahe an der Realität zu bleiben, damit das angelernte Netz später die echten Daten klassifizieren kann. 82 5. Brückenkolloquium - September 2022 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken Neben den durch 3-D-Laserscanning oder Fotogrammmetrie zu erstellenden Punktwolken und synthetischer Trainingsdaten werden auch die bereits heute in digitaler Form vorhandenen Datengrundlagen zu Bestandsbrücken in die Modellbildung einbezogen werden. Dies sind insbesondere die in SIB-Bauwerke vorhandenen Daten. Im Rahmen der Grundlagenermittlung werden diese Daten analysiert und es wird evaluiert, welche Informationen, in welcher Form, in die Modellbildung einbezogen werden können. Eine Verknüpfung mit den Daten aus SIB-Bauwerke ist sowohl als Hilfestellung für die KI, als auch für die spätere Referenzierung der Bauteile sinnvoll. Das zu entwickelnde Konzept soll einerseits eine möglichst weitgehende Automatisierung erlauben aber gleichzeitig korrekte und reproduzierbare BIM-Modelle zuverlässig liefern. In einem ersten Schritt ist daher von einer teilautomatisierten Lösung auszugehen, bei der die automatisch generierten Vorschläge zur geometrischen Strukturierung und zur semantischen Erweiterung jeweils manuell geprüft und gegebenenfalls angepasst werden müssen. Mit jeder Anpassung im praktischen Einsatz wird das System weiter trainiert (zusätzlich zum initialen Training mit Beispieldaten), so dass mit zunehmender Einsatzdauer der Grad der Automatisierung zu- und die erforderlichen manuellen Eingriffe abnehmen werden [7]. 4. Informationsanforderungen an BIM-Betriebsmodelle Um die BIM-Methode im Erhaltungsmanagement von Brückenbauwerken anzuwenden und die BIM-Modelle über die Lebenszyklusphasen Planung und Bau auch im Betrieb durchgehend nutzen zu können, sind frühzeitig Definitionen und Anforderungen festzulegen, die an die BIM-Methodik für das Erhaltungsmanagement gestellt werden. Dazu wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „BIM im Brückenbau“ [8] der gesamte Informationsfluss, der im Laufe des Lebenszyklus eines Brückenbauwerkes anfällt, untersucht und dabei insbesondere die für das Betriebs- und Erhaltungsmanagement notwendigen Informationen analysiert. Wesentlich dabei war es, zu identifizieren, welche Informationen relevant für die gängigen Anwendungsfälle und Szenarien im Erhaltungsmanagement sind. Der Fokus lag dabei auf der Praxistauglichkeit sowohl beim Erhaltungsmanagement, als auch im Informationsbeschaffungsprozess. Bild 4: Datenmanagement im BIM basierten Erhaltungsmanagement [8] 5. Brückenkolloquium - September 2022 83 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken Zur Ermittlung der Informationsanforderungen wurden Expertenbefragungen durchgeführt. Aus den Befragungen und Analysen des Status-Quo im Erhaltungsmanagement hat sich das in Bild 4 dargestellte Konzept entwickelt. Dargestellt ist zum einen das Frontend, also die Benutzeroberflächen, eines BIM-Bestandsmanagementsystems und zum anderen das Backend mit den jeweiligen Datenquellen. Bei der Analyse der Informationsanforderungen der einzelnen Anwendungsszenarien zur Erhaltung von Brückenbauwerken stellte sich heraus, dass einige Informationen, die im Status quo der Erhaltung verwendet werden, bereits nach der Planungs- und Bauphase in den Modellen enthalten sind. Diese Informationen werden in den Modellen durch Attribuierung der verschiedenen Bauteile vorgehalten und im Rahmen der Anwendungsfälle in der Planungs- und Bauphase weiterverwendet. Für die als notwendig identifizierten Informationen wurde untersucht, wie diese möglichst aufwandsarm erhoben und für den Betrieb bereitgestellt werden können. Aus den Datenanforderungen zur BIM-basierten Umsetzung der in Kapitel 5 genannten Anwendungsfälle ergeben sich die nachfolgend dargestellten Anforderungen an ein Asbuilt Modell. In Tabelle 1 werden die Informationen bauteilorientiert dargestellt. Dabei wird unterschieden, ob die Informationen als Attribut (x) im Modell hinterlegt werden sollen oder die Informationen mit dem Bauteil verknüpft (o) werden sollen. Für die Verlinkung zwischen den Daten wurde eine Konvention entwickelt, welche sich aus Ortsinformationen und Bauteilinformationen zusammensetzt. Zur Demonstration der entwickelten Konzepte erfolgte die Implementierung der BIM-Anwendungsfälle exemplarisch an einem konkreten Brückenbauwerk. Diese werden im nachfolgenden Kapitel näher erläutert. Tabelle 1: Auszug aus der Tabelle „Informationsanforderungen“ [8] Tabelle 2: Auszug aus der Konvention der Metadaten zur Verlinkung von Daten und Dokumenten [8] 84 5. Brückenkolloquium - September 2022 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken 5. Anwendungsfälle im Betrieb Mit der phasenweisen Einführung der BIM-Methodik im Bundesfernstraßenbau werden sukzessiv eine bestimmte Anzahl an Anwendungsfällen eingeführt. Tabelle 3 zeigt die Liste der standardisierten Anwendungsfallbezeichnungen in Anlehnung an [9] von AWF-Nr. 000 - AWF-Nr. 200. Farblich hervorgehoben sind die acht prioritären Anwendungsfällen der Phase I des Masterplans BIM Bundesfernstraßen, die in [10] anhand von Steckbriefen, Umsetzungsdetails sowie weiterer Zusatzmaterialien zur standardisierten Beschreibung in zusammengefasster Form dargestellt werden. Tabelle 3: Liste der standardisierten Anwendungsfallbezeichnungen in Anlehnung an [9], hervorgehoben die acht prioritären Anwendungsfällen der Phase I des Masterplans BIM Bundesfernstraßen Unter dem AWF-Nr. 200 „Nutzung für Betrieb und Erhaltung wurden in [8] für die in Tabelle 4 dargestellten Anwendungsfälle Bauwerksprüfung, Nachrechnung, Schwertransporte, Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen, Erweiterung des Bauwerks in Form von Um- und Ausbau sowie die Auswertung von Netzstatistiken der Einfluss von BIM, die Nutzung der Informationen sowie die daraus entstehenden Soll-Prozesse im Betrieb konzipiert. Tabelle 4: mögliche Anwendungsfälle in Betrieb und Erhaltung Im Rahmen dieses Papers wird auf den Anwendungsfall „Bauwerksprüfung“ eingegangen. Der Nutzen digitaler Arbeitsmethoden und Technologien wird hier besonders deutlich. Zur Erfassung des Ist-Zustandes, der Gewährleistung der Sicherheit und der frühzeitigen Schadenserfassung werden Bauwerksuntersuchungen nach DIN 1076 durchgeführt. Bei diesen Bauwerksprüfungen werden die Bauwerke nach einem systematischen Verfahren geprüft und festgestellte Schäden nach den Kriterien Verkehrssicherheit, Standsicherheit und Dauerhaftigkeit beurteilt. Das technische Personal ist bei der Bauwerksprüfung auf die Verfügbarkeit und anschauliche Darstellungen einer Vielzahl umfangreicher Informationen über das Bauwerk incl. seiner Schäden angewiesen, um den Zustand umfassend beurteilen zu können. Digitale Prozesse können als Unterstützung dienen und letztlich dazu beitragen, die Zukunftsfähigkeit von Brückenbauwerken auch bei steigendem Erhaltungsaufwand und geänderten Einwirkungen zu gewährleisten [7]. Mit dem Einsatz von BIM bzw. dem Linked-Data-Ansatz können in der Bauwerksprüfung die Grundlagendaten in einer höheren Qualität zur Verfügung gestellt werden. Zudem kann in einem modellorientierten digitalen Prozess eine objektorientierte Schadenserfassung durchgeführt werden. Eine ausführliche Prozessbeschreibung der vier wesentlichen Phasen der Bauwerksprüfung einschließlich der Informationsanforderung im BIM-Prozess ist in [7] zu finden. 5. Brückenkolloquium - September 2022 85 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken Der Mehrwert durch den Einsatz von BIM in der Bauwerksprüfung spiegelt sich in der Qualität der Grundlagendaten wider, da neben den Bestandsmodellen auch idealerweise der Bauablauf dargestellt ist. Eine Bewertung von Schäden und Mängel kann so besser und leichter erfolgen. Beispielsweise sind bauablauf bedingte Öffnungen im Modell der Ausführung fortzuschreiben, sodass die dadurch entstehenden Schäden, besser bewertet werden können. BIM kann dabei die Schadenserfassung unterstützen, indem Schäden objektorientiert beispielsweise per Marker direkt mit festem Bezug am digitalen Bauteil verortet werden. Durch eine Schnittstelle zwischen diesem Schadensmodell und der Bauwerksdatenbank, können entsprechende Attribute synchronisiert werden. Bilder und Schadensskizzen werden als verlinktes Dokument mit dem Schadensobjekt verbunden, sodass alle Komponenten (Bauwerksdatenbank, Modell und Dokumente) miteinander verknüpft sind. 6. neue Technologien wie virtuelle und erweiterte Realität BIM hat das Potenzial den Bauwerksprüfungsprozess nach DIN 1076 zu optimieren. Dieser beruht nach langjähriger Praxis auf eher konventionellen Methoden. Digitale Technologien finden nur selten Anwendung. Unterstützungsbedarfe werden jedoch vor allem in der Verfügbarkeit und Visualisierung von Informationen, der Verortung und Trendverfolgung von Schäden sowie dem kollaborativen Arbeiten gesehen. BIM zeigt Potenziale auf, große Teile dieser Bedarfe abzudecken. Damit die Potenziale im Anwendungsfall der Bauwerksprüfung durch die Prüfenden genutzt werden können, bedarf es darüber hinaus geeigneter Visualisierungsmöglichkeiten. Insbesondere für die handnahe Bauwerksprüfung werden Werkzeuge benötigt, die die strukturierte und anwendungsfreundliche Visualisierung von Modelldaten sowie die Bearbeitung damit fusionierter Informationen ermöglichen. Den Technologien der virtuellen und erweiterten Realität werden in diesem Bereich gewinnbringende Einsatzmöglichkeiten zugemessen. Eher aus der Spielindustrie bekannt, eröffnen sich durch neue Entwicklungen im Bereich leistungsstarker Computer, elektronischer Sensorik und hochauflösender Bildschirme auch jenseits der Spielindustrie innovative technische Möglichkeiten. Im Rahmen eines Forschungsprojekts [11] im Auftrag der BASt wurden, auf Basis der Anforderungen und Bedürfnisse in einer Bauwerksprüfung nach DIN 1076, ein modulares Konzept sowie Demonstratoren zur digitalen Unterstützung der Prüfenden entwickelt. Hierfür wurden die Potenziale des BIM sowie der erweiterten und virtuellen Realität kombiniert, um Anwendungsmöglichkeiten in der Vor- und Nachbereitung im Büro und der Durchführung der Bauwerksprüfung an einer Brücke zu untersuchen. Als Demonstratorbauwerk diente die Intelligenten Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn bei Nürnberg. Die Vor- und Nachbereitung der Bauwerksprüfung wird durch die virtuelle Realität unterstützt, indem die virtuelle und interaktive Begehung des 3-D-Bauwerksmodells ermöglicht wird. Die anwendende Person hat die Möglichkeit, das virtuelle Bauwerksmodell, das mit den Schadensdaten und weiteren Informationen verknüpft ist, zum Beispiel im Büro zu „durchlaufen“ und sich damit ein Bild von den Gegebenheiten vor Ort zu machen. Zu diesem Zweck wurde sowohl die Visualisierung anhand einer Desktopanwendung als auch anhand einer VR-Brille demonstriert. Verknüpfte Informationen werden verortet visualisiert. Hierbei wurde auf die Entwicklung eines kollaborativen Moduls geachtet. D. h. stellen Bauwerksprüfende vor Ort die gerade aufgenommenen Schadensdaten über die Cloud zur Verfügung, sind sie schon während der Prüfung auch in der virtuellen Realität im Büro einsehbar. Zur aufgenommenen Prüfung lassen sich außerdem Anpassungen oder Veränderungen vornehmen. Hiermit ergeben sich z. B. Möglichkeiten, spezifische, nicht eindeutige Schäden zu rekapitulieren, Beschreibung von Schäden zu verbessern, den Dialog im Kollegium zu suchen und eine zweite Meinung einzuholen sowie die Möglichkeit, bedeutende Schäden zu visualisieren und nachzubearbeiten. Bei der Prüfung vor Ort an der Brücke kommt ein Tablet mit Funktionalitäten der erweiterten Realität zum Einsatz. Auch hier wurden mehrere Funktionen demonstriert. Das Modell kann über Verortung, u.a. anhand von Markern durch die Kamera des Tablets, über das Abbild der Realität gelegt werden (s. Bild 5). Es besteht die Möglichkeit, nur das Modell einzublenden, es auszublenden oder transparent über das Abbild der realen-Umgebung-zu-legen. Bild 5: Überlagerung des virtuellen Models Schäden können in der Bauwerksprüfung vor Ort durch einfache Kameraaufnahmen verortet, mit dem 3-D-Bauwerksmodell verknüpft und mit weiteren Informationen zur Unterstützung der lückenlosen Protokollierung über den Lebenszyklus versehen werden (s. Bild 6). Die Schadenseingabe orientiert sich im endgültigen Prototyp an den Eingaben in SIB-Bauwerke. Über eine Cloud können die aufgenommenen Daten bereits während der Prüfung übertragen und vom Kollegium im Büro am 3-D- Bauwerksmodell mittels virtueller Realität begutachtet und weitergehend analysiert werden. Informationen zu 86 5. Brückenkolloquium - September 2022 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken Schäden, die in vergangenen Prüfungen aufgenommenen wurden, werden den Prüfenden vor Ort über das Tablet als digitale Überlagerung mittels erweiterter Realität angezeigt. Die vorhandenen Schäden können im neuen Prüfungszyklus mit weiteren Informationen und Fotos versehen werden. Auf diesem Weg wird eine Schadenshistorie erstellt, die mit der Schadenskugel im BIM-Modell verknüpft und durch die Prüfenden verortet einsehbar ist. Insgesamt wurden die folgenden Funktionalitäten anhand des Demonstrators zur Verwendung vor Ort aufgezeigt: • Überlagerung virtueller und verorteter Informationen wie Modelldaten und Schadensdaten • Schadensverortung und virtuelle Darstellung vorhandener Schäden mittels „Kugel“ samt hinterlegter Historie • Bildliche Dokumentation von Schäden und Verknüpfung mit Schadensort über Kameraaufnahme • Schadensbeschreibung über Menü mit Vorauswahl und manueller Eingabe weiterer Messdaten • Vermessung von Schadenslängen durch integriertes Messsystem • Synchronisierung der Daten über eine Cloud • Exemplarische Implementierung der Arbeitskarten in Form von Checklisten (zum Abhaken durchgeführter Aufgaben) • Ein- und Ausblenden des verorteten digitalen Modells (auch im Transparenzmodus) • Abrufen und Anzeigen von Arbeitshilfen, Normen oder anderweitigen Richtlinien über Cloudlösung Bild 6: Demonstrator im Hohlkasten einer Brücke Insgesamt hat das Forschungsprojekt aufgezeigt, dass Technologien, technische Möglichkeiten und Potenziale zur Unterstützung der Bauwerksprüfung vorhanden sind. In Praxistests der entwickelten Demonstratoren konnten die Bedarfe zur Nutzung eines digitalen Unterstützungssystems bei den Anwendenden festgestellt werden. Die Forschungsergebnisse zeigen außerdem, dass die Motivation, digitale Hilfsmittel zu nutzen, bei den Bauwerksprüfenden vorhanden ist. Ihre Reaktionen während der Demonstration erläuterten, dass sie aktuell noch auf bessere und geeignetere Werkzeuge warten und zukünftig angewiesen sind. Insgesamt können vor allem folgende Vorteile durch die Anwendung der Technologien gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise angenommen werden: Durch Verwendung eines ähnlichen Systems könnte die Qualität der Prüfung gesteigert werden. Teilnehmende haben in dem Workshop u.a. eine erhöhte Präzision bei der Lokalisierung von Schäden erwähnt. Die Informationen liegen an einem Ort vor und werden über die Technologien gebündelt für die Prüfung visualisiert. Bei einem Tablet-basierten Tool entfiele die Notwendigkeit, eine separate Kamera mitzuführen und Papier zu nutzen. Durch die digitale Schadenserfassung bieten sich Potenziale hinsichtlich einer konsistenten, weniger fehleranfälligen und lückenlosen Protokollierung der Schäden über den Lebenszyklus. Es wurde u.a. gezeigt, dass Informationen schnell zwischen Büro und Prüfung vor Ort ausgetauscht werden könnten. Damit ergibt sich eine Plattform für alle am Projekt Beteiligten und das kollaborative Arbeiten wird unterstützt. Nicht zuletzt ergibt sich auch ein Zeiteinsparungspotenzial während der Bauwerksprüfung. 7. Ausblick und Fazit In diesem Beitrag wurden exemplarische Forschungsprojekte der Bundesanstalt für Straßenwesen aufgezeigt, die zum Einsatz von BIM im Betrieb auf dem Weg zum Digitalen Zwilling Brücke beitragen. Das übergeordnete Ziel, das auf diesem Weg mit dem Digitalen Zwilling Brücke verfolgt wird, ist der Übergang zu einem prädiktiven Lebenszyklusmanagement. Die Forschungsaktivitäten zeigen vielfältige Optimierungspotenziale im Rahmen des Betriebs auf. Für BIM wurden diese exemplarisch bereits demonstriert. Der Digitale Zwilling Brücke verspricht darüber hinaus weitergehende Unterstützung in verschiedenen Anwendungsfällen des Betriebs. Anwendungsfälle und Potenziale werden z.B. in optimierten Betriebsprozessen, reduzierten und optimierten Erhaltungsmaßnahmen durch kontinuierliche Zustandserfassung sowie im strategischen Lebenszyklusmanagement anhand szenariobasierter Prognosen gesehen. Durch die umfängliche Datenerfassung und -analyse lassen sich potenziell Entscheidungsverfahren zukünftig auch unter Einbeziehung von Nachhaltigkeitsaspekten über den gesamten Lebenszyklus anhand des Digitalen Zwillings unterstützen. Der Digitale Zwilling von Ingenieurbauwerken schafft insgesamt das Potenzial bei maximaler Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Bauwerks den Einsatz von Ressourcen zu reduzieren und damit eine Verbesserung der Nachhaltigkeit der Straßeninfrastruktur zu erreichen [12]. 5. Brückenkolloquium - September 2022 87 BIM2Twin: Einsatz von BIM im Betrieb von Brückenbauwerken Literatur [1] BMDV (2021): Masterplan BIM Bundesfernstraßen. Online verfügbar unter https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ StB/ masterplan-bim-bundesfernstrassen.html [2] Sarah Windmann, Sarah; Nieborowski, Sonja (2022): Digitaler Zwilling und Reallabor - Visionspapier der Abteilung B Brücken- und Ingenieurbau der Bundesanstalt für Straßenwesen, Version 1.1. Unveröffentlicht [3] Ioannidou, Anastasia; Chatzilari, Elisavet; Nikolopoulos, Spiros; Kompatsiaris, Ioannis (2017): Deep Learning Advances in Computer Vision with 3D Data: A Survey. In: ACM Comput. Surv. 50 (2). DOI: 10.1145/ 3042064. 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Schlussbericht FE 15.0622/ 2016/ RRB. Veröffentlichung in Vorbereitung. [9] BMDV (2021): Masterplan BIM Bundesfernstraßen - Ergänzung zu den Rahmendokumenten: Liste der standardisierten Anwendungsfallbezeichnungen. Online verfügbar unter https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ StB/ masterplan-bim-bundesfernstrassen.html [10] BMDV (2021): Masterplan BIM Bundesfernstraßen - Rahmendokument: Streckbriefe der Anwendungsfälle - Version 1.0. Online verfügbar unter https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ StB/ masterplan-bim-bundesfernstrassen.html [11] Bahlau, Sascha; Hill, Marcos; Klein, Florian; Kukushkin, Alexander; Oppermann, Leif; Riedlinger, Urs et al. (2021): Bauwerksprüfung mittels 3D-Bauwerksmodellen und erweiterter/ virtueller Realität. Abschlussbericht zum Forschungsprojekt 15.0666/ 2019/ LRB im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen. Abschlussbericht zu 15.0666. Veröffentlichung in Vorbereitung. [12] Dabringhaus, S.; Neumann, S.; Hindersmann, I. 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