Kolloquium Straßenbau in der Praxis
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expert Verlag Tübingen
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Mechanismen und Methoden zur Integration vom BIM und GIS im Straßenbau
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Andreas Hesterkamp
Andreas Carstens
Die Integration von Software Tools schreitet voran und bietet eine gute Basis für die Zusammenarbeit von Fachdisziplinen für den Bereich des Straßenbaus. Fachbezogene Themen werden durch ein definiertes einheitliches manifestiertes Projektkoordinatensystem in ein übergreifendes Gesamtmodell zusammengefasst. Durch die Verbindung zu einer Ganzheit werden, für die zu durchlaufenden Projektphasen (Konzeption – Planung – Umsetzungsplanung unter zeitlich wirtschaftlichen Gesichtspunkten – anschließender Realisation und der über einen längeren Zeitraum durchzuführenden Bewirtschaftung) eines Infrastrukturprojektes, Mehrwerte geschaffen, welche zur Reduktion von Kommunikationsverlusten sowie zur Beschleunigung von Prozessen dienen.
Die Gewerke werden durch definierte Workflows auf einem Common Data Environment abgelegt und mit weiteren Informationen / Attributen angereichert. Nach Fertigstellung des Designs werden Ansätze zur Realisierung des Vorhabens erörtert. Diese Vorgehensweise generiert eine Anzahl von Realisierungsvarianten aus denen die Zeit- und kostenoptimierten gewählt werden. Die abschließende erfolgreiche Variante wird nun in räumlichen und zeitlichen Abschnitte aufgegliedert, mit Codierungen versehen (WBS, PBS) um die fortschreitende Realisierung zu tackten und damit die Beschaffung die nötigen Materialien einstellen kann.
Nach der Realisierung werden die Elemente aus dem Datenbestand an die Bewirtschaftung übergeben. Durch eine Betrachtung der gebauten / erstellten Gewerke (mit Dokumentation) aus Sicht der Bewirtschaftung ergeben sich neue Aspekte für das Modell, welchen mit zusätzlichen Attributen und Analysefunktionen Rechnung getragen wird. Die BIM- und GIS Software-Integration wird von Autodesk und Esri seit 2017 intensiv vorangebracht. Für Nutzer dieser Systeme ergeben sich dadurch sowohl mit der Übernahme von Revit-Modellen in GIS als auch für die web-basierte bzw. plattformgestützte Zusammenarbeit wesentliche Erleichterungen für die praktische Arbeit. Beide Anwendungen werden kurz
vorgestellt. Ergänzend werden die zukünftigen Entwicklungen der BIM-GIS-Integration für Workflows und Prozesse betrachtet.
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2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 275 Mechanismen und Methoden zur Integration von BIM und GIS im Straßenbau Andreas Hesterkamp HOCHTIEF Infrastruktur GmbH, Essen, Deutschland Dr. Andreas Carstens ESRI Deutschland GmbH, Hannover, Deutschland Zusammenfassung Die Integration von Software Tools schreitet voran und bietet eine gute Basis für die Zusammenarbeit von Fachdisziplinen für den Bereich des Straßenbaus. Fachbezogene Themen werden durch ein definiertes einheitliches manifestiertes Projektkoordinatensystem in ein übergreifendes Gesamtmodell zusammengefasst. Durch die Verbindung zu einer Ganzheit werden, für die zu durchlaufenden Projektphasen (Konzeption - Planung - Umsetzungsplanung unter zeitlich wirtschaftlichen Gesichtspunkten - anschließender Realisation und der über einen längeren Zeitraum durchzuführenden Bewirtschaftung) eines Infrastrukturprojektes, Mehrwerte geschaffen, welche zur Reduktion von Kommunikationsverlusten sowie zur Beschleunigung von Prozessen dienen. Die Gewerke werden durch definierte Workflows auf einem Common Data Environment abgelegt und mit weiteren Informationen / Attributen angereichert. Nach Fertigstellung des Designs werden Ansätze zur Realisierung des Vorhabens erörtert. Diese Vorgehensweise generiert eine Anzahl von Realisierungsvarianten aus denen die Zeit- und kostenoptimierten gewählt werden. Die abschließende erfolgreiche Variante wird nun in räumlichen und zeitlichen Abschnitte aufgegliedert, mit Codierungen versehen (WBS, PBS) um die fortschreitende Realisierung zu tackten und damit die Beschaffung die nötigen Materialien einstellen kann. Nach der Realisierung werden die Elemente aus dem Datenbestand an die Bewirtschaftung übergeben. Durch eine Betrachtung der gebauten / erstellten Gewerke (mit Dokumentation) aus Sicht der Bewirtschaftung ergeben sich neue Aspekte für das Modell, welchen mit zusätzlichen Attributen und Analysefunktionen Rechnung getragen wird. Die BIM- und GIS Software-Integration wird von Autodesk und Esri seit 2017 intensiv vorangebracht. Für Nutzer dieser Systeme ergeben sich dadurch sowohl mit der Übernahme von Revit-Modellen in GIS als auch für die web-basierte bzw. plattformgestützte Zusammenarbeit wesentliche Erleichterungen für die praktische Arbeit. Beide Anwendungen werden kurz vorgestellt. Ergänzend werden die zukünftigen Entwicklungen der BIM-GIS-Integration für Workflows und Prozesse betrachtet. 1. Datenbeschaffung für Infrastrukturprojekte Infrastrukturprojekte erstrecken sich über große geographische Räume und haben damit einen eigenen Charakter. Um die Dimensionen eines Infrastrukturprojektes zu fassen, bedarf es moderner Softwaretools und einer integrierten IT-Landschaft, welche den Nutzern beim Beschaffen und Verarbeiten der Daten des Projektes umfangreiche Unterstützung bietet und Problemlösungsvorschläge unterbreitet und diese durch genormte Workflows abbildet. 276 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Mechanismen und Methoden zur Integration von BIM und GIS im Straßenbau 1.1 Geo-Daten Infrastrukturprojekte haben einen direkten Bezug zur Real-Welt. Zur Planung von Infrastrukturprojekten ist zunächst die geographische Lage und Ausdehnung von Bedeutung. Durch die Definition eines einheitlichen Raumbezugssystems (z. B.: Lagesystem 489, ETRS 89/ UTM_32 und Höhensystem 160, DHHN / Höhen ü. NN) (WKID: 25832 Authority: EPSG, WKID: 102329 Authority: Esri (8 Stellen)) für die Projektausdehnung können existierenden Geo-Daten auf den von den Behörden zur Verfügung gestellten Portalen abgefragt werden und projektbezogen kostenfrei oder gegen Gebühren geladen/ erworben werden. ArcGIS - Online Service Suche (allgemein) Der Sachverhalt der definierten Raumbezugsbasis impliziert diverse Möglichkeiten zum Sammeln von existierenden Geo-Daten. Es können Luftbilder, Katasterinformationen, Natur und Landschaftsschutzgebiete, Geländeformationen und für Infrastruktur-Projekte wichtige geologische Sachverhalte zusammengestellt werden. (z. B. https: / / www.bohrungen.nrw.de/ bohrungen.html? lang=de) ArcGIS - Online Service Suche (Geologie) Aus der Kenntnis der vorhandenen Informationen können Strategien für die noch zu ermittelnden Verdichtungsforderungen der auf dem Projekt vertretenen Fachdisziplinen erstellt werden. Die Strategie zur Verdichtung von Sachinformationen wird durch projektbezogenen Untersuchungen, Proben und Messungen erzielt, welche ebenfalls auf Basis des einheitlichen Raumbezugssystems erstellt und dokumentiert werden. Somit sind die Untersuchungen und die hieraus abgeleiteten Erkenntnisse direkt verortet und können in ein Projektkoordinierungssystem eingebracht werden. GIS (Geographische Information Systeme) beinhalten Technologien und Routinen welche ein direktes georeferenzieren der Analyseresultate ermöglichen. Aufgabenstellung: Art und Menge der Geologischen Materialien in den Tunnelsegmenten (GIS-BIM) Real Welt Neu zu ermittelnden Informationen werden in Geo- Datenbanken abgelegt und sind somit für alle Projektbeteiligte lesbar und zur weiteren Nutzung für die Weiterverarbeitung offen. Übergreifende Projektanalysen und Analysen zwischen den Fachdisziplinen sind hierdurch leicht möglich. Rückschlüsse aus den gesammelten Daten werden für die Baumaßnahme und die zu erstellenden Elemente getroffen und somit haben diese einen direkten Einfluss auf die Erstellung der BIM Modelle. Durch die Vereinbarung des Raumbezugsystems können standardisiert Geoprozesse erstellt werden, die für ähnlich gelagerte Projekte in der Zukunft herangezogen werden können. Schema für georeferenzierte Analysen (BIM-GIS) 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 277 Mechanismen und Methoden zur Integration von BIM und GIS im Straßenbau Geo-Portale (Luftbild Stadt Duisburg, Bohrung NRW) Verdichten durch projektbezogene Messungen/ Erhebungen 1.2 Planungsdaten für Bauwerke In vielen Infrastrukturprojekten hält zurzeit die Umsetzung des Stufenplanes Digitales Planen und Bauen Einzug. Hier ist BIM als anzuwendendes Planungsinstrument die Voraussetzung. Das Bestreben der Gesamtheit der Bauindustrie ist die Schaffung von Modellen und Methoden um den Prozess des Planen - Bauen und späteren Betreibens von Infrastruktureinrichtungen zu straffen. Eine Forderung ist die Erstellung von 3D Abbildern des Bauvorhabens (Digitaler Zwilling) mit steigender Granularität je nach Planungsphase (LOD 100 - LOD 500). Eine Vielzahl von Softwareprodukten steht für die Herstellung der 3D Modelle mit der entsprechenden Detailtiefe bereit. Je nach Produkt sind weitere beschreibende Attribute an den einzelnen Modellelementen gespeichert (Material, Beschaffenheit, Wärmebeständigkeit, etc.). Die Organisation dieser 3D Modelle bei der Herstellung und die anschließende Integration in ein Gesamtmodell Fachmodelle -> Koordinierungsmodell) Volumen der geologischen Schichten (Tunnelsegment) 278 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Mechanismen und Methoden zur Integration von BIM und GIS im Straßenbau stellt eine Aufgabe für sich dar. Zunächst sind Vereinbarungen über den Inhalt der Modelle und der Zeitpunkt der Lieferung durch das Erstellen einer Auftraggeber-Informations-Anforderungen (AIA) festzulegen. Weiterhin ist ein BIM Abwicklungsplan (BAP) zu erstellen indem die Verantwortlichkeiten geregelt sowie die Intervalle an denen die Fachmodelle zusammengeführt werden, angegeben sind. Der BAP sollte grob folgenden Inhalt haben: - Lages des Projektes - Modellierungsrichtlinien (Templates) - Software und Versionsstand - Inhalt der Modelle (Festlegung der - Einheiten, Material, Mengen, …) - Genauigkeitsanforderung - Terminplan für die Lieferung der Teilmodelle - Definition der Intervalle für Updates - Interner Aufbau der Modelle - Parameter getrieben - Austauschformat (Native Modelle oder IFC) BIM Update der Fachmodelle (14 tägig) Sind diese Vorgaben definiert und sollen die Daten ausgetauscht werden, so hat sich international für die Weitergabe von Modelldaten der Teil-Bauwerke das IFC etabliert - Softwarehersteller bieten Schnittstellen hierzu an. Das Zusammenführen der Fachmodelle und die Integration in projektübergreifende Organisations- und Verwaltungssysteme kann ebenfalls mit Hilfe von IFC durchgeführt werden. Der Vorteil des Formats ist die Unabhängigkeit vom Autorensystems des Modells. Georeferenzierte Ausführungspläne Für die Lieferung von Modellen für Infrastrukturprojekte kann das IFC (neben nativen Daten) für die Bauwerke wie Brücken, Tunnel und sonstigen Anlagen gut herangezogen werden. Übernahme der Modelldaten ins GIS (ETL Funktion) Für den Linienbau / Streckenbau sind die IFC Versionen 4 und 5, in der Vorbereitung (IFC Road, IFC Tunnel; IFC Railway). Zurzeit läuft der Austausch für diese Modelle über verschiedene vorgeschriebene Schnittstellen (REB, OKSTRA oder auch LandXML, CPIXML, etc.) 2. Bauausführung des Infrastrukturprojektes In der Baubeschreibung sind die zu errichtenden Bauwerke genannt und beschrieben. Hier ist ebenfalls eine Angabe/ Verweis über die Art der Herstellung und die anzuwendenden Richtlinien und Normen zu finden. Anhand der Baubeschreibung und des vom Kunden gelieferten groben Zeitablaufes wird ein Terminplan für die Ausführung der einzelnen Bauwerke erstellt. Für Streckenbauwerke hat sich neben den üblichen Ausgaben eines Terminplanprogramms (Gant-Diagramm) die schematische Darstellung in einem Zeit-Wege Diagramm etabliert. In diesem Zeit-Wege Diagramm können die wesentlichen Aktivitäten für die Baumaßnahme abgelesen werden. Alle wesentlichen Termindaten werden nach Lage und Aktivität codiert. Wichtig ist hier die genaue Identifizierung der Bauteile und Abschnitte, sowie die zeitliche Einordnung. 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 279 Mechanismen und Methoden zur Integration von BIM und GIS im Straßenbau Ausschnitt Zeit-Wege Diagramm + Codes Durch die Kombination von Räumlicher (PBS=Projekt Breakdown Structure) und Zeitlicher (WBS=Work Breakdown Structure) Codierung ergibt sich eine gemeinsame Orientierung nach Raum und Zeit, welche der Vorgabe in der Baubeschreibung und dem darin verankerten groben Zeitrahmen folgt. Codierung PBS - WBS (stark vereinfachtes Beispiel) Durch diese Codierung erhält man eine eindeutige Ansprache der herzustellenden Objekte und der damit verbundenen Tätigkeiten, welche hier nur als vereinfachtes Beispiel dargestellt sind (siehe Bild unten Codierung PBS - WBS). 280 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Mechanismen und Methoden zur Integration von BIM und GIS im Straßenbau Wird ein Bauvorhaben von Beginn an mit diesen Codierungen versehen und einigen sich die am Projekt Beteiligten auf diese Codierung, so kann auch eine Verfolgung der Tätigkeiten (Progress Status, Reports) und die Fertigstellung mit der entsprechenden Abnahme dokumentiert und auf die Objekte (Teilbauwerke) projiziert werden. Auch hier stehen eine Menge Softwareprodukte zur Verfügung. Eine Möglichkeit ist die Verortung der Abnahmeprotokolle - speziell bei Infrastrukturprojekten - mit Hilfe von sogenannten Location Based Services (LBS) durch Smartphones oder Tablets mit entsprechender vorbereiteter installierter Applikation für die Erfassung des Baufortschritts, welche PBS - WBS bezogen ermittelt und dokumentiert wird. Zeitlich verortete Bilder bekunden zusätzlich den erfassten Fortschritt nachweislich. Das Auffinden von Abnahmeprotokollen wird durch die Codierungen und das Verbinden mit den Modellelementen vereinfacht und unterstützt die Plausibilitätsprüfung. Gerade bei der Betrachtung von Analysen der Mengen für „Erdkörper“ ist dieses Vorgehen hilfreich - zumindest unterstützt es bei der Eigenkontrolle der geplanten und ausgeführten Mengenbewegungen. Die Verortung der Daten und Objekte wird über sogenannte Webserver für die Projektbeteiligten zur Verfügung gestellt. Damit ergibt sich eine gute Transparenz der einzelnen erbrachten Leistungen auf dem Projekt und das Fortschreiten des Projektes ist sichtbar. Die einzelnen Objekte sind trackbar. Verortung der Mengen (PBS) Lageplan Verortung der Mengen Zuordnung zur PBS (3D) 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 281 Mechanismen und Methoden zur Integration von BIM und GIS im Straßenbau 3. Verwaltung eines Infrastrukturprojektes mit Geodatenbanken (Vorteile) Geodatenbanken bzw. GIS haben sich in vielen Bereichen als technische Projektmanagementsysteme und Decision Support Systems als hilfreich erwiesen. In den letzten Jahren wurde an der Interaktion zwischen BIM/ CAD und GI Systemen gearbeitet. Durch die in den letzten Jahren geschaffenen Möglichkeiten lassen sich Informationen aus dem GIS und dem BIM austauschen oder gar als natives Format in die Systeme laden (Revit in ArcGIS, GIS-DB in Autocad Civil 3D). Aus diesem Sachverhalt ergeben sich weitere Ansätze für eine gemeinschaftliche Projektbearbeitung von Infrastruktureinrichtungen mit dem Ziel Zeit zu sparen, welche sonst durch Transferaufgaben verloren ginge. Darüber hinaus können durch das Anwenden von sogenannten ETL Tools die Projektinformationen (BIM/ CAD) automatisiert ausgelesen, mit projektrelevanten Informationen / Daten angereichert und einem breiten Publikum ohne spezielle Softwareinstallation zur Verfügung gestellt werden - Online Services. Denkbar ist auch eine Online Erfassung von Merkmalen oder Ereignissen auf dem Projekt, welche für die Kommunikation nach außen (Öffentlichkeit) wichtig ist. Die Web-Services können für die in unmittelbarer Nähe zum Projekt wohnenden Personen freigeschaltet werden, um die Transparenz zu erhöhen und eine Beteiligung sowie Akzeptanz zu erreichen. ETL - Extract Transform Load (vom 3D Modell zum Projekt WebBIMGIS Portal) 4. Übernahme der Modelldaten für den Betrieb Nach Abschluss der Arbeiten am dem Infrastrukturprojekt erfolgt die Übergabe der Daten an die Kunden. Diese erfolgt üblicherweise in Form von Zeichnungen, Listen und ergänzenden Dokumentationen. Neuerdings werden auch die BIM-Modelle in den Bauvertrag verankert sodass eine weitere Nutzung für den Betrieb der Infrastruktureinrichtung gegeben ist. Je nach Vertragsform kann auch schon bei der Erstellung der Modelle eine Mitwirkung des Kunden wünschenswert sein. Ist ein sogenanntes AIM (Asset Information System) beim Kunden vorhanden kann unter der Voraussetzung, dass die erzeugten Projektdaten in dieses System überführt werden sollen, bei der Modellierung auf die einheitliche Kennzeichnung der Elemente / Objekte gemäß einer Anlagenschlüsselliste des Kunden (vergleichbar mit OKSTRA) eingegangen werden und diese als zusätzliche Attribute an die BIM- Objekte ergänzt werden. Diese Art der Vorgehensweise bedarf einer engen Zusammenarbeit des Kunden und der beauftragten Firma bei der Ausführungsplanung / -modellierung. 5. Fazit Durch die voranschreitende Integration von BIM und GIS werden Synergien geschaffen, welche die Bearbeitung von Infrastrukturprojekten nachhaltig beeinflusst. Eine gemeinsame Datenbasis in Form einer integrierten Projektdatenbank oder eines Modellservers generiert Vorteile in der Zusammenarbeit und verringert die Schnittstellen. Projekte können im Ganzen betrachtet und analysiert werden. Räumliche und Zeitliche Abhängigkeiten lassen sich einfacher erkennen und gemeinsame Lösungsvorschläge können etabliert werden. Schon in der Angebotsphase sollten die wesentlichen Teil-Bauwerke eines Infrastrukturprojektes codiert und geostrukturiert an die Wettbewerber übergeben werden, sodass eine einheitliche Projektnomenklatur (PBS - WBS) entsteht. Eine einfache Möglichkeit hierzu sind georeferenzierte beschreibende Objekte/ Features aus der Realen Welt (Abbruch) und die neu geplanten Objekte als LOD 2-3 (GIS).
