BIM im Brücken- und Ingenieurbau

Transkript

1 BIM im Brücken- und Ingenieurbau

2 Markus Nöldgen BIM im Brücken- und Ingenieurbau Digitale Bauwerksmodelle mit NX 10, 3D-Konstruktion, Datenintegration und FE-Simulation

3 Markus Nöldgen Köln, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Lektorat: Dipl.-Ing. Ralf Harms Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

4 V Vorwort Das vorliegende Lehrbuch richtet sich an Studierende sowie Konstruktions- und Berechnungsingenieure in der Praxis des konstruktiven Ingenieurbaus, die sich bereits heute oder in der nahen Zukunft mit der Erzeugung oder Weiterbearbeitung von digitalen Bauwerksmodellen im Brücken- und Ingenieurbau beschäftigen. Mit der objektbasierten 3D-Konstruktion bildet das Konstruktionsmodell eines Bauwerks die zentrale Grundlage für kooperative digitale Planungsaktivitäten im Zuge des Building Information Modeling (BIM). Es löst damit die klassische, auf Zeichnungen und Dokumenten basierende, Planung ab. Zeichnungen werden wie FE-Simulationen zukünftig unmittelbar aus dem Konstruktionsmodell abgeleitet und bleiben damit assoziativ verknüpft, sodass Änderungen automatisch übernommen werden können. Das 3D-Modell kann im weiteren Planungsverlauf mit zahlreichen Informationen angereichert werden und durch die Verknüpfung von Prozessabläufen sogar zur zeitlichen und organisatorischen Steuerung des Baus und Betriebs über den ganzen Lebenszyklus des Bauwerks dienen. Damit entsteht neben dem tatsächlichen Bauwerk ein virtuelles 4D-Bauwerksmodell. Dieses Lehrbuch wurde an der Technischen Hochschule Köln für Bauingenieure mit dem Schwerpunkt Brücken- und Ingenieurbau entwickelt. Für die Durchsicht sämtlicher Beispiele in diesem Buch sowie den Beitrag zur Zeichnungsableitung möchte ich Frau Jennifer Harder, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für konstruktiven Ingenieurbau der Technischen Hochschule Köln, herzlich danken. Weiterer Dank gilt Herrn Hanno Posch, Siemens Industry Software GmbH, sowie Herrn Klaus Feldt, Herrn Wolfgang Wassmann und Herrn Kurt Zilleßen, Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbh, für die Praxisspiegelung und ihre wertvollen Anregungen zu den Beispielen. Schließlich wünsche ich den Lesern viel Erfolg und Freude bei der 3D-Modellierung und der Verknüpfung der Konstruktion mit Simulationen, Prozessen und Daten mit der neuen Planungsmethode BIM und freue mich auf das Feedback zu diesem Buch! Köln, im Januar 2016 Markus Nöldgen

5 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Zieldefinition D-Modellierung von Brücken- und Ingenieurbauwerken mit NX10: Einführungsbeispiele NX-Begriffe Einführungsbeispiele: Top-Down-Modellierung für Brücken- und Ingenieurbauwerke... 8 Beispiel 1: Brückenpfeiler mit Fundament... 8 Beispiel 2: Brückenüberbau entlang Führungskurve Beispiel 3: Brückenüberbau entlang mehrerer Führungskurven Beispiel 4: Spundwand und Sohle an die Konstruktion mit Zwangsbedingungen anschließen Beispiel 5: Zeichnungsableitung eines Brückenüberbaus Einige wichtige allgemeine Funktionen und Hinweise zu NX Projektbeispiel: Zweifeldbrücke Übersicht und Zielsetzung Digitales Geländemodell integrieren Bestandsinfrastruktur integrieren ,5-D-Trassierung in die 3D-Umgebung integrieren Hintergrundwissen: Bauteile objektorientiert als 3D-Modell erzeugen Baustelleneinrichtung als vereinfachte Hüllgeometrie erzeugen D-Konstruktion des Brückenüberbaus entlang der Trassierung D-Konstruktion der Unterbauten assoziativ zum Überbau und Gelände Hintergrundwissen: Level of Detail, Level of Information, Level of Development Datenintegration in der 3D-Konstruktion Teile Wiederverwenden, Bauteil-Bibliothek und Bauteil-Familie Kollisionskontrollen und geometrische Prüfung am Modell

6 VIII Inhaltsverzeichnis 3.12 Assoziative Messungen und Speicherung wichtiger Brückenparameter im 3D-Modell Zeichnungsableitung Bauablauf als Anordnungen (statisch) und in Sequenzen (dynamisch) BIM2FEM Design Embedded Simulation im Betonbrückenbau Übersicht und Zielsetzung Aufbau eines isogeometrischen, assoziativen Rechenmodells Netzgenerierung mit Volumenelementen D-System, Festhaltungen und Lasteingabe Spannungsbasierte sowie Schnittgrößenbasierte Auswertung und Bemessung Beispiel 2: Schiefwinklige Platte mit Vorspannung Quellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Sachwortverzeichnis

7 1 1 Einführung und Zieldefinition Das Lehrbuch bietet die technischen Grundlagen zur Erstellung einer objektbasierten 3D- Konstruktion von Brücken- und Ingenieurbauwerken, die sich von der klassischen 2D- Zeichnung ausgewählter Schnitte und Ansichten grundlegend unterscheidet. An der Technischen Hochschule in Köln kommen mehrere 3D-CAD-Systeme zum Einsatz. Für die 3D-Modellierung von trassengebundenen Bauwerken im Brücken- und Ingenieurbau wird die Anwendung Siemens NX, Version , hier eingesetzt, damit die Beispiele und Techniken in diesem Buch konkret, Schritt für Schritt, dargestellt werden können. Nach einer kurzen Definition neuer Begriffe, die für das Verständnis der 3D-Konstruktion mit NX10 wichtig sind, wird die Methodik der Erstellung von 3D-Konstruktionsmodellen für Brückenbauwerke anhand von fünf einführenden Beispielen Schritt für Schritt dargestellt und mit zahlreichen kurzen Hinweisen und Erläuterungen ergänzt (Kapitel 2). Diese Beispiele stehen im E-Learning-Bereich demnächst auch als Videos und Musterdateien zur Verfügung. Vorteil: In NX ist die Konstruktionshistorie durch die Abspeicherung aller Schritte in ihrer Reihenfolge und Abhängigkeit auch im Nachhinein nachvollziehbar, sodass die digitalen Beispiele und Videos sich als Ergänzung zum Buch sehr gut zum Selbststudium eignen. Im Anschluss an die Einführungsbeispiele wird die 3D-Konstruktion und Datenintegration im Modell anhand eines typischen Brückenbauprojekts erläutert. Ziel ist hier vor allem die Darstellung der allgemeinen Vorgehensweise und der Zusammenhänge zwischen den neuen Konstruktionsmethoden, der Parametrik, der Attributierung mit Daten und der Ableitung von Zeichnungen aus dem Modell (Kapitel 3). Dieses Beispiel ist soweit vereinfacht und mit Screenshots ergänzt, dass alle wesentlichen Schritte mit Hilfe der Kenntnisse aus den Einführungsbeispielen und der Erläuterung zum Hintergrund im Buch nachvollzogen werden können. Eine Musterdatei ist dem E-Learning Bereich beigefügt. Im Maschinenbau werden bereits seit vielen Jahren Zeichnungen, Prozesse und Simulation unmittelbar aus dem 3D-Modell abgeleitet und für das Design genutzt (Design Embedded Simulation). Diese Technik der isogeometrischen Konstruktion und Finite-Elemente-Simulation wird im Kapitel 4 dieses Lehrbuchs auf den konstruktiven Ingenieurbau übertragen. Die Vorgehensweise zur Ableitung eines Rechenmodells aus der Konstruktion, der Vernetzung der 3D-Geometrie sowie der Berechnung und werkstoffgerechten Bemessung im Spannbetonbau wird anhand von zwei Beispielen aufgezeigt. Da dieser Prozess noch weiterer softwaretechnischer Entwicklung bedarf, wird hier in erster Linie die Methodik erläutert, die mit moderatem Aufwand auch heute schon mit kommerziellen Anwendungen umsetzbar ist.