Integration von CAM-Prozessen in eine durchgängige Datenmodellierung mit IFC

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1 Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt Institut für Angewandte Informatik (IAI) Integration von CAM-Prozessen in eine durchgängige Datenmodellierung mit IFC Bewerbungsunterlagen "IT im Bauwesen" zur BuildIT Berlin 2002 Andreas Geiger

2 Integration von CAM-Prozessen in eine durchgängige Datenmodellierung mit IFC 1. Einleitung In der Zeit der Informationstechnologie ist es im Bereich des Bauwesens immer noch üblich, dass die relevanten Planungsdaten von den Architekten, Planern und Fachingenieuren separat erfasst und in die entsprechenden Softwareprogramme eingegeben werden. Prof. Junge, Universität München, hat in einer Studie ermittelt, dass im Laufe der Planung bis zur Ausführung und Abrechnung heute jedes tragende Bauteil mindestens sechsmal neu in eine Datenverarbeitung eingegeben wird. Hierdurch entsteht nicht nur ein enormer vermeidbarer Zeitaufwand, sondern die wiederholte Eingabe der Daten beinhaltet zusätzlich ein hohes Fehlerpotential. Abhilfe schaffen Produktdatenmodelle. Sie ermöglichen die vollständige und lückenlose Betrachtung und Beschreibung eines Produktes über dessen gesamten Lebenszyklus. Ein Ansatz für ein Produktdatenmodell ist die IFC-Schnittstelle (Industry Foundation Classes). Mit IFC ist es möglich die Durchgängigkeit der Daten von der Planung über das 3D-Modell, der Fertigung bis hin zur Nutzung und Demontage zu gewährleisten. Eine hierbei bislang fehlende Komponente ist eine automatisierte Datenanalyse und Auswertung, welche zur Anwendung auf dem Sektor der Vorfertigung notwendig ist. Zur Ansteuerung eines CAM-Prozesses (Computer Aided Manufacturing) aus den Daten der IFC-Schnittstelle müssen die zu fertigenden Objekte bzw. Bauelemente herausgefiltert werden. Außerdem muß der Datenbestand auf Eindeutigkeit kontrolliert werden. Die Auswertung beschränkt sich nicht allein auf die Geometrie, sondern es werden dabei die Eigenschaften und Parameter der geometrischen Körpern (z. B. Wandaufbau, Materialien) verarbeitet. Dadurch ist es möglich eine Produktionseinheit zur Herstellung von Bauteilen ohne gesonderte Dateneingabe anzusteuern (z. B. Abbundanlagen, Mauerwerks- oder Schalungsroboter). 2. Industy Foundation Classes Die IAI (International Alliance for Interoperability) ein ca. 650 Mitglieder umfassendes gemeinnütziges Bündnis für das Bauwesen - hat mit der IFC eine universelle Sprache für den Informationsaustausch im Bauwesen geschaffen. Dieses Bündnis stellt sich den notwendigen Veränderungen in der AEC/FM-Industrie (Architecture, Engineering and Construction / Facility Management). Ziel ist es, die unterschiedlichen Teilaspekte der AEC/FM-Industrie zu einem Datenmodell zusammenzuführen. IFC entspricht mit seinen Basisdaten weitgehend dem internationalen Standard STEP (ISO 10303), der seit 1984 entwickelt wird und in der Automobilindustrie zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zu STEP, das auch im Bauwesen eine Alternative zu IFC bildet, ist die Entwicklung nicht für eine Norm vorgesehen, was sich positiv auf die Entwicklungszyklen auswirkt und direkt auf die Anforderungen der Industrie zielt. Der wesentliche Unterschied von IFC im Vergleich zu den Datenformaten DXF bzw. DWG - "Quasi" Standard-Formate der Fa. Autodesk, die vorwiegend zum Datenaustausch verwendet werden - ist, dass mit Bau -Objekten (Wand, Stützen, Öffnungen...) statt Geometrieelementen (Rechteck, Zylinder,...) operiert wird. Diese Bauobjekte beinhalten sowohl die für unterschiedliche Darstellungen benötigten maßstabsabhänigen Repräsentationen als auch eine Vielzahl von Attributen die über den Lebenszyklus eines Elementes benötigt werden. Für die Definition der Bau-Objekte bedient man sich der Beschreibungssprache EXPRESS, mit deren Hilfe eine Datenstruktur auf Basis einer Klassenhierarchie definiert wurde. Aus diesen Klassen werden konkrete Objekte -

3 sogenannte Instanzen - erzeugt und Relationen zu den entsprechenden Instanzen hergestellt. 3. Idee Die Idee der hier vorgestellten Arbeit ist, den praxisnahen Einsatzes der IFC-Schnittstelle bei den täglichen Problemen des Datenmanagements voran zu treiben, sowie eine stärkere Integration des Arbeitsschrittes "Vorfertigung" in den Arbeitsprozess zu unterstützen. IFC -Produktdaten Extraktion Vorfertigung Montage Abb. 1: Schematischer Ablauf der IFC-Produktdaten von der Planung bis zur Montage Ziel der Vorfertigung ist, einen möglichst großen Anteil des Bauablaufes von der Baustelle in die Werkstatt bzw. in eine Fabrik zu verlegen. Dies garantiert einen hochwertigen und gleichbleibenden Fertigungsprozess bei der Herstellung von Bauteilen jeglicher Art. In der Studie Nachhaltiges Planen, Bauen und Wohnen im Informationszeitalter 1 wird ein Rückstand der bauausführenden Industrie im Bezug auf Rationalisierung und Automatisierung des Fertigungsablaufes festgestellt. Daher ist im Rahmen dieses Projektes der Aufbau einer Fabrik zur automatisierten Vorfertigung von Wandelementen vorgesehen. Neben der Bearbeitung der Außenkonturen der Wandblöcke werden alle Installationsschlitze gefräst, Leerrohre etc. montiert und durch den aufgetragenen Grundputz fixiert. Um die Durchgängigkeit der Daten zu realisieren ist es zwingend erforderlich zu jedem Zeitpunkt auf einen Gemeinsam genutzten Datenstamm zurückzugreifen und nicht, wie bislang noch üblich, für neue Arbeitsschritte (z. B. die Ansteuerung der CAM-Anlagen) bereits vorhandene Daten erneut einzugeben. Als Grundlage hierfür dienen die Daten der IFC-Schnittstelle, welche die relevanten Bauteilinformationen z. B. von Wand-, Decken- und Dachelementen vollständig beinhalten und nur entsprechend genutzt werden müssen. 4. Lösung Aus den Produktdaten (IFC) werden alle Wände und Wandöffnungen herausgefiltert, und die Wandelemente werden in Teilelemente zerlegt. Die Basisgröße für die Zerlegung bilden hierbei geschosshohe Porenbetonsteine mit einer Breite von 62,5 cm, wie sie z. B. in den Produktkatalogen der Firmen Hebel und Ytong zu finden sind. Die Zerlegung erfolgt unter Berücksichtigung von statischen, fertigungstechnischen und montagetechnischen Gesichtspunkten. Im Vorfeld wurden bereits die wirtschaftlichen Gesichtspunkte in der Vertieferarbeit von Henrik Borchers mit dem Titel Untersuchung zur Zerlegung von Häusergrundrissen in einzelne Wandbauelemente analysiert. Darin werden die Zusammenhänge verschiedener Aufteilungsvarianten abhängig von der Zahl der Lagerplätze für Verschnittstücke, des Abfalls und in Bezug zur Steinanzahl pro Grundriss, die sich aus verschiedenen Strategien ergibt, erörtert. Die Aufgabe der Arbeit besteht darin, einen sinnvollen Ansatz für die Aufteilung der Wandelemente zu finden und diesen Ansatz in Einklang mit den besonderen Merkmalen jedes Wandelementes zu bringen. Die hierbei zu berücksichtigenden Merkmale sind: Wandanschlüsse 1 Wissenschaftliche Berichte, FZKA 6626

4 Wandstöße Wandversätze Berücksichtigung minimale / maximale Steinbreite Öffnung mit bzw. ohne Sturz Übergang zwischen Wand und Öffnung Übergang zwischen Wand und Sturz Zur Umsetzung des Vorhabens stehen folgenden Entwicklungs-Tools zu Verfügung: - ECCO-Tool, Fa. PDTec - Visual Studio C++, Microsoft Das ECCO-Tool ist eine Entwicklungsumgebung zur Implementierung von genormten oder selbstdefinierten Datenmodellen auf Basis der in STEP (ISO 10303) festgelegten Methoden. Als Programmiersprache kommt EXPRESS-C zum Einsatz. Die Anbindung der in ECCO generierten Programmteile erfolgt mit einer integrierten C++ Schnittstelle, d. h. das ECCO-Tool erstellt mit Hilfe der IFC-Schemata und eines selbstdefinierten Schemas beschrieben in EXPRESS eine DLL, die in die C++ Struktur des mit Visual Studio erzeugten Codes eingebunden wird. Hierbei vervollständigt das Visual C++ die selbstdefinierten Methoden aus dem ECCO-Tool mit einer Vielzahl an Ergänzungen und Erweiterungen in C++ sowie einer ansprechenden Oberfläche auf Basis der MFC (Microsoft Foundation Classes). Die programmiertechnische Umsetzung kann in drei Schritte unterteilt werden: 1) Extrahieren der Wandelemente Softwaretool: ExtractWall (IfcUtility151, IfcUtility2x) 2) Bereinigen der Geometrie Softwaretool: IfcWallModificator 3) Segmentierung der Wandelemente Softwaretool: IfcWallDissect Das Tool ExtractWall extrahiert aus einem CAAD-Projekt (Computer Aided Architectural Design), das in IFC vorliegt, alle Wände unter Berücksichtigung darin enthaltener Öffnungen. Alle für den weiteren Verlauf nicht benötigten Daten werden dabei übergangen. Wahlweise kann definiert werden, ob die Daten pro Projekt, Gebäude, Stockwerk oder gar Wand für Wand in eine neue Datei geschrieben werden. Auf den Originaldatenbestand haben diese Veränderungen selbstverständlich keinen Einfluss. IFC-Gesamtdaten WallExtract IFC-Wanddaten Abb. 2: WallExtract: Von den IFC-Gesamtdaten zu den reinen IFC-Wanddaten Das zweite Tool IFCWallModificator erfüllt zwei Bedingungen: Zum einen stellt es alle nötigen Informationen über die Wandelemente (wie Abmessung, Lage im Koordinatensystem und Beziehungen) der eingelesenen Datei dar und ermöglicht interaktiv, Fehler in der Geometrie zu beheben (z. B. eine inkorrekte Wandhöhe). Zum Anderen wird das Problem der Wandverschnitte, das alle CAAD-Systeme geometrisch nicht ganz exakt behandeln, behoben. Dies bedeutet, es wird kontrolliert, ob sich benachbarte Wandelemente überschneiden bzw. ein Fehlbetrag in der Wandecke auftritt. Ist dies der Fall, wird eine Korrektur durchgeführt. Diese Korrekturen werden im Tool neben den Wandinformationen dargestellt und können bei Bedarf jederzeit von Hand

5 nacheditiert werden. Das Ergebnis wird in einer neuen IFC-Datei abgelegt und kann jederzeit in einem CAAD-System veranschaulicht und weiterbearbeitet werden. Optisch bereinigte Darstellung im CAAD Tatsächliche geometrische Repräsentation Abb. 3: Problematik des Verschnittes zweier Wandelemente Das dritte Tool IfcWallDissect übernimmt den komplizierten Vorgang der Elementierung. Im ersten Durchgang wird hierbei ermittelt ob und wie viele Öffnungen sich im betreffenden Wandelement befinden. Ausgehend hiervon werden verschiedene Algorithmen angewandt um eine entsprechend den festgelegten Randbedingungen sinnvolle Aufteilung zu ermitteln. Als Randbedingungen ist die Umsetzung der statischen, fertigungs- und montagetechnischen Problemstellungen anzusehen, auf die bereits hingewiesen wurde. Auch dieses Tool enthält die Möglichkeiten einer Nacharbeit der automatischen Zerlegungen und erstellt anschließend wieder eine neue IFC-Datei. IFC -Wanddaten IfcWallDissect Vorfertigung Abb. 4: IfcWallDissect: Von den IFC-Wanddaten zu den einzeln zerlegten Wandelementen Der nächste Schritt nach Realisierung dieser beiden Tools wird die Anbindung eines Roboters sein, der die Steinbearbeitung durchführt. 5. Zusammenfassung Seit erscheinen der Version der IFC-Schnittstelle steigt die Zahl der Implementierungen in CAD- und branchenspezifischer Software kontinuierlich. Somit steigen auch die Möglichkeiten des Einsatzes in der Praxis. Hierbei seien zwei große Projekte zu erwähnen: 1. Frankfurter Westhafen: Hier soll beim Neuaufbau des Hafenareals die IFC- Schnittstelle das Datenproblem beim gleichzeitigen Einsatz der Systeme ArchiCAD, ADT und AllPlan beheben. 2. Singapur: IFC als Datenformat für eine Automatisierung der Baugenehmigung über das Internet. Geplant ist, mit Hilfe von Algorithmen zukünftig online die IFC-Daten zu prüfen. Ein Großteil der Einsätze der IFC-Schnittstelle beschränkt sich primär auf die Möglichkeit, die Daten in bestehende Programmstrukturen einzubinden und weiter zu verarbeiten. In diesem Punkt soll ein anderer Weg gegangen werden. Es wird nicht die Datenstruktur auf eine bereits bestehende programminterne Struktur abgebildet sondern IFC selbst stellt die nötige Struktur dar, auf die direkt zugegriffen wird. Dies hat den Vorteil, die entwickelten Programme unabhängig von anderer Software betreiben zu können und sich somit nicht an ein bestimmtes System zu binden. Im Rahmen einer Diplomarbeit werden zwei Software-Tools entwickelt, die zum einen eine Korrektur der Geometrie von Wand-Objekten vornehmen, zum Anderen die bereinigte Geometrie logisch in eine Steinaufteilung zerlegen. Die veränderten Datenbestände werden hierbei

6 stets in eigene IFC-Dateien geschrieben, da für die angestrebten Prozesse lediglich ein Teilbestand der Daten benötigt wird, d. h. der original Datenbestand wird zu keinem Zeitpunkt verändert oder beeinflusst. Die sich aus der Segmentierung resultierenden Probleme werden hierbei entsprechend den anerkannten Regeln der Baukunst in einen vergleichbaren Algorithmus umgesetzt, der jederzeit interaktiv beeinflussbar sein wird. Hierbei muss man sich im klaren sein, dass ein Programm niemals alle Eventualitäten und Sonderfälle automatisch behandeln kann. Nach Generierung der neuen IFC-Datei mit kompletter Steinaufteilung werden die Daten zusammen mit den notwendigen Informationen über die haustechnischen Installationen an einen Roboter weitergeleitet, der entsprechend dieser Daten den Fertigungsprozess startet und Stein für Stein bearbeitet. Anzumerken sei hierbei, dass zu diesem Zeitpunkt des Fertigungsprozesses bereits eine vorgegebene Steinreihenfolge eingehalten werden muss, um nach durchlaufen der Fabrik ein kontinuierlicher Montagevorgang auf der Baustelle zu gewährleisten.