Tiefgreifende Einblicke in den Bauprozess Das 3D-Modell drängt auf die Straße

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1 Tiefgreifende Einblicke in den Bauprozess Das 3D-Modell drängt auf die Straße Dipl.-Ing Helmut Mörtel NWSIB-Tage, Gelsenkirchen, November 2013 Vor allem im Bereich des Maschinenbaus sind 3D- Modelle längst Stand der Technik. Die Modellierung erfolgt mit Software wie Catia oder NX. Die virtuelle Konstruktion in 3D löst die Zeichnung ab. Die Zeichnung wird bei Bedarf aus dem Modell abgeleitet. Vor Anfertigung eines Prototyps steht in der Regel das virtuelle Modell. Das virtuelle Modell dient auch zur automatisierten Herstellung der Objekte. Ein digitaler Volumenkörper ist geometrisch exakt und vollständig definiert. Ein Volumenkörper grenzt sich gegen andere nicht nur geometrisch, sondern z.b. auch durch ihm eigene homogene Materialeigenschaften, Funktionalität, Zugehörigkeit zu einer bestimmten Produktionsphase oder ähnliches ab. In der Detaillierung ist der Volumenkörper aber möglicherweise zweckmäßig begrenzt. Beispielsweise wird das Modell eines Brückengeländers für seine Herstellung sehr detailliert aufbereitet. Als Bestandteil eines Modells der Brücke kann es gröber definiert werden.

2 Ein Bauprojekt kann man gewissermaßen als "Prototyp" ansehen. Es folgt zwar keine Serienproduktion, dafür aber muss der Prototyp auf Anhieb funktionieren. Dies soll durch vorheriges virtuelles Bauen sichergestellt werden. Das Bauprojekt wird aus Einzelobjekten zusammengesetzt, die jedes für sich in 3D geometrisch beschrieben werden. Die Einzelobjekte sind Bohrpfähle, Aushubkörper, Fundamente, Wände, Dammschüttungen, Bordsteinleisten, Asphaltschichten, Widerlager, Pfeiler,... Die Summe der Einzelobjekte bilden das digitale Volumenmodell eines Bauprojektes.

3 Im Bauprozess werden viele Objekte über einen langen Zeitraum hergestellt. Der Herstellungsprozess wird heute üblicherweise durch einen schematischen Bauzeitenplan veranschaulicht, der fortlaufend auf seine Aktualität geprüft und fortgeschrieben wird. Ein digitales Objektmodell erlaubt eine Simulation unterschiedlichster Bauzustände durch Zuweisung realistischer Termine für jedes Einzelobjekt. Ist das Modell vollständig, also alle herzustellenden Bauteile als virtuelles Objekt definiert, können nahezu alle Informationen im Bauprozess den Objekten zugeordnet werden. Es eröffnet sich die Möglichkeit zum BIM. Die komfortable 3D-Visualisierung ist nur ein positiver Effekt unter einer Vielzahl von Möglichkeiten. Die Objekte können mit Materialeigenschaften, Terminen, LV- Positionen, Konfliktprüfungen, Verantwortlichkeiten, Lieferanten, Abnahmen, Ressourcen, Kosten... logisch verknüpft werden. Das Modell unterstützt Terminsicherheit und Terminverfolgung. Es steigert die Kostensicherheit durch Zuweisung zu kalkulierbaren Einheiten Simulationen, Navigation und Konfliktprüfungen führen zu verbesserter Qualität.

4 Bei der Generierung des DVM gilt es gerade im Straßen- und Tiefbau eine hohe Hürde der Geometrie zu nehmen. Beim Hochbau und Ingenieurbau lassen sich die allermeisten Körper durch Raumprimitive oder mit wenigen, relativ einfach zu handhabenden Parametern beschreiben. Die Außenanlagen eines Logistikzentrums oder der Baugrund einer Talbrücke bleiben in aller Regel oberflächlich betrachtet. Eine Asphaltdecke, eine Bordsteinleiste, eine Dammschüttung, eine Frostschutzschicht etc. geometrisch hinreichend exakt zu beschreiben und diese Objekte gegeneinander abzugrenzen gestaltet sich sehr schwierig. Die eingangs genannten Programme sind auf die Dimensionen (mehrere km), die sich überlagernden Parameter (Haupt- und Nebenachsen, Gradienten, Regelzeichnungen, Verwindungen, Breitenverziehungen) und vorhandenen Umgebungsbedingungen (Altbestand) nicht ausgelegt.

5 Dem im Baubereich wirkenden Geodäten steht als probates Mittel zur geometrischen Beschreibung beliebigster Oberflächen das DGM zur Verfügung. Er bestimmt die wesentlichen Punkte eines Objektes durch exakte räumliche Koordinaten, definiert daraus die markanten Formen einer Oberfläche und schließt diese flächendeckend durch ein lückenloses Dreiecksnetz. Durch die Anzahl und räumliche Verteilung der Punkte wird die Detailgenauigkeit einer solchen Abbildung steuer- und beherrschbar. Der Übergang zur Beschreibung eines Volumenkörpers gelingt mit einem randlosen, in sich geschlossenen Dreiecksnetz.

6 Das 3D-Modell des Projektes entsteht dann aus den einzelnen 3D-Objekten. Diese sind jedes für sich als ein vom Konstrukteur beherrschtes Dreiecksnetz erzeugt. Die Verwaltung von so definierten 3D-Objekten gelingt ohne unmittelbare Anwendung von CAD-Systemen durch relativ einfache Datenbankstrukturen.

7 Dabei wird die für BIM vorausgesetzte Objektorientierung der Daten erreicht. Die Geometriedaten können komplett zentral gesammelt und auch verteilt werden. Ein solches Geometriemanagement könnte eine geeignete Basis für das BIM darstellen. Lieferant Kosten Termin Gewährleistung Informationsmodell Lastenträger Material Objektstruktur LV-Position Geometriemodell Objektstruktur Absteckung Abnahme Mengen Ein auf geeignete Geometriedaten gestütztes BIM bietet die Chance zu solider Kostenschätzung solider Terminplanung transparenter und eindeutiger Ausschreibung von Bauleistungen sicherer Terminverfolgung im Bauprozess Vermeidung von Konflikten und Fehlern im Bauablauf Minimierung von Nachträgen exakter Mengenermittlung

8 Um diese Chancen zu nutzen ist es erforderlich das 3D-Modell frühzeitig zu entwickeln und in den Bauprozess zu integrieren objektorientiert zu planen planorientierte CAD-Programme durch objektorientierte Konstruktionssoftware zu ersetzen der Planung einen größeren Anteil an Kosten und Zeit einzuräumen erst nach abgeschlossener Planung in die Ausführungsphase überzugehen Quellenverweis: Die Grafiken zu 3D-Anwendungen im Maschinenbau wurden beispielhaft aus einer Vielzahl an "Treffern" im Internet ausgewählt. Die 3D-Grafiken mit Beispielen aus Hochbau, Brückenbau und Tiefbau stammen aus dem Netzwerk intramax der Firmengruppe Max Bögl. Die Grafiken zum DGM und der vorgestellten Datenstrukturen sind vom Autor selbst verfasst. Das Dokument und seine Vorstellung bei den NWSIB-Tagen beruhen auf dem vom FGSV-Verlag herausgegebenen "Arbeitspapier 3-D-Volumenmodellierung in Straßenbauprozessen", Ausgabe 2011 (ISBN ).