Building Information Modeling

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1 Building Information Modeling Handout zum 1. Workshop der Veranstaltungsreihe BIM smart planen, bauen und nutzen Echtzeit-Zusammenarbeit Kooperative Prozesse Planungssicherheit Intelligente datenbankbasierte 3D-Modelle Höhere Termin- und Kostensicherheit Akkurate Vorbereitung der Planung

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3 Building Information Modeling (BIM) Mit der Digitalisierung und Automatisierung der Arbeitswelt steht die Wirtschaft an der Schwelle zur 4. industriellen Revolution. Zukünftige Produktionsketten zeichnen sich durch individuelle und hochflexible Großserienproduktion aus und sind mit hochwertigen Dienstleistungen verbunden. Der Wandel analoger Prozesse in digitale Wertschöpfungsketten führt auch im Bauwesen zu einem Paradigmenwechsel. Mit Hilfe von Building Information Modeling (BIM) soll digitales Planen und Bauen bis 2020 als verpflichtender Standard für alle neuzuplanenden Infrastrukturprojekte etabliert werden. Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur hat im Dezember 2015 für die Einführung von BIM in Deutschland den Stufenplan Digitalisiertes Planen und Bauen veröffentlicht. Mit der Definition von BIM befassen sich derzeit verschiedene Gremien (u.a. VDI, buildingsmart), jedoch konnte eine endgültige Definition bisher noch nicht aufgestellt werden. Vergleicht man allerdings verschiedene Ansätze, stellen sich als Gemeinsamkeiten folgende Charakteristika heraus: eine kooperative Arbeitsmethodik auf Grundlage digitaler Modelle eines Bauwerks, mit konsistenter Erfassung und Verwaltung von Informationen und Daten ein Prozess, eine Arbeitsweise, eine Technologie, die für die Erstellung und Koordination und Übergabe eines fachübergreifenden virtuellen Bauwerkmodells erforderlich ist eine optimierte Methode, die mit Hilfe einer zentralen Datenbank Informationen zu Bauwerken, Bauprozessen, Betrieb zentral bereitstellt die Kommunikation zwischen Systemen, Disziplinen und Unternehmen Die Anwendung von BIM wird spezifisch auf gemeinsam abgestimmte Projektziele ausgerichtet. Dabei ist der Einsatz von BIM so individuell, wie das jeweilige Projekt. Kein BIM-Prozess gleicht einem anderen. Entscheidend für die Anwendung der BIM-Methode sind folgende 4 Komponenten: Menschen, die BIM-Prozesse ausführen und durch Abstimmungen und Konventionen eine Arbeits- und Vertrauensbasis schaffen, um mit Hilfe neuer Technologien Mehrwerte im Planen und Bauen zu generieren. Kontinuierliche, disziplinierte Arbeitsweise Aufgeschlossenheit gegenüber neuer Technik Änderung von Prozessabläufen durch zentrale Datenhaltung Änderung von Kommunikation und Zusammenarbeit Höhere Softwareanforderungen Entwicklung neuer Schnittstellen Definition von BIM-Zielen Festlegung von Regeln der Kooperation Entwicklung von Strategien zum Informationsaustausch

4 Die notwendige und frühzeitige Kommunikation sowie Kooperation anhand virtueller Bauwerksmodelle der BIM-Methode und die zentrale Datenhaltung für die Planungsphase, Bauausführung und den Betrieb führen zu folgenden Vorteilen: eine höhere Planungs-, Termin- und Kostensicherheit eine bessere Kontrolle von Planungsqualität und Fertigungsprozessen eine Verringerung von technischen Risiken, Planungs-, Genehmigungs-, und Kommunikationsrisiken eine konsistente und vollständige Datenhaltung schnelle und flexible Planungs- und Arbeitsabläufe Die im Vorfeld notwendigen Absprachen und Festlegungen für einen erfolgreichen Einsatz von BIM führen zu einem entsprechenden Mehraufwand in der Vorbereitung (Leistungsphase 0). So sind u.a. die Ziele sowie das konkrete Leistungsspektrum der BIM-Anwendung zu determinieren, die Kompetenzbereiche und Verantwortlichkeiten innerhalb des BIM-Prozess zu klären sowie Festlegungen zur Konstruktions- und Datenstruktur der virtuellen 3D-Modelle zu treffen. Durch den Ansatz 2x bauen erst digital, dann real sind wesentliche Planungsentscheidungen in früheren Leistungsphasen zu treffen als bisher üblich. Durch diesen Mehraufwand entsteht aber gleichzeitig eine Kostenersparnis, die aus einem höheren Einfluss auf entstehende Kosten in den früheren Planungsphasen resultiert. Das frühzeitige Erkennen und Beheben von Fehlern sowie das unkomplizierte Durchführen von Planungsänderungen reduzieren zusätzlich das Risiko von unvorhergesehenen Kostensteigerungen. Quelle: Dr. Liebich, AEC 3 Deutschland, München

5 Vom Fachmodell zum Gesamtmodell Die Verknüpfung mehrerer Fachmodelle zu einem Gesamtmodell dient der Koordination und gleichzeitig der Revision des gemeinsamen Planungsprozesses. Gezielt können Bereiche im Gesamtmodell zur Bearbeitung für Fachplaner freigegeben oder nur deren Ansicht zugelassen werden, um die Zuständigkeiten der Fachplaner zu begrenzen. Inhaltlich gibt es für Fachmodelle keine Grenzen. So können nicht nur 3D-Objekte, sondern auch 2D-Zeichnungen und Dokumente mit dem Gesamtmodell gekoppelt werden. Die daraus entstehende Datenbank enthält alle relevanten Bauwerksinformationen. Quelle: Egger, M.; Hausknecht, K.; Liebich, T.; Przybylo, J. (2013). BIM-Leitfaden für Deutschland Information und Ratgeber; ZukunftBAU Ist bei 2D-Zeichnungen größtenteils durch den Maßstab die Detailierung der Zeichnung vorgegeben, sind es bei 3D-Modellen die Detailierungsgrade, die sowohl die geometrische Genauigkeit als auch den Informationsgehalt der Modelle beschreiben. LOD / LOI - Detailierungsgrade der Modellierung Das Level of Detail (LoD) beschreibt die geometrische Modellierungsgenauigkeit in Bezug zu den Projektphasen. GRAFISCHE Darstellung LOD 100 LOD 200 LOD 300 LOD 400 LOD 500 Quelle: Bredehorn, J.; Dohmen, P.; Heinz, M.; Liebsch, P.; Sauter, H-P. (2016). LOD / LOI Informationen zur Detailierungs- und Informationstiefe BIM. Ein Dokument des BIM Praxisleitfaden

6 Das Level of Information (LoI) hingegen beschreibt den Informationsgehalt von Modellobjekten in Bezug zu den Projektphasen. NICHT GRAFISCHE Darstellung LOI 100 LOI 200 LOI 300 LOI 400 LOI 500 Name, Objektart Name, Objektart, Brands.-tür T30 Modell T30-1 H8-5 Modell T30-1 H3D tragend/nicht tra- Beton/Mauwerk Zul.nr. Z Zul.nr. Z gend Keller (detailierte Inform. (detailierte Inform. außen/innen Verputzt über geplante über eingebaute Brandschutztür Gestrichen Baustoffe/-teile) Baustoffe/-teile) Quelle: Bredehorn, J.; Dohmen, P.; Heinz, M.; Liebsch, P.; Sauter, H-P. (2016). LOD / LOI Informationen zur Detailierungs- und Informationstiefe BIM. Ein Dokument des BIM Praxisleitfaden D bis 7D derzeitige Dimensionen von BIM Beim Thema BIM werden Begriffe wie 5D-Planung oder 7D-Planung verwendet. Hinter den Dimensionen von BIM verbirgt sich die Beschreibung des Lebenszyklus eines Bauwerkes hinsichtlich der Faktoren Zeit und Kosten. So können Bauablauf und Kosten bis zur Fertigstellung des Bauwerkes im Modell abgebildet werden. Für die Darstellung weiterer Kosten im Unterhalt bis hin zu den Kosten für den Rückbau des Objektes, ist das Bauwerksmodell erweiterbar. 4D = 3D-Modelle + Zeit 5D = 4D-Modelle + Kosten 6D = 5D-Modelle + Betrieb / Unterhaltung 7D = 6D-Modelle + Rückbau Darstellung des Bauablaufs durch Verknüpfung der Bauzeiten mit dem 3D-Modell Mengen- und Kostenermittlung anhand eines koordinierten Gesamtmodells Nutzung und Erweiterung d. Modells für Betrieb und Unterhaltung Berücksichtigung aller Kosten über kompletten Lebenszyklus

7 Referenzprozess für die BIM-Anwendung Der durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur vorgestellte BIM-Referenzprozess gibt eine Orientierung, wie Building Information Modeling im Planungsprozess implementiert werden kann. Dabei sind zwei Phasen zu unterscheiden: Die BIM-Vorbereitungsphase und die BIM- Anwendungsphase. Um bei der Modellierung und Parametrisierung in der BIM-Anwendungsphase den gewünschten BIM-Mehrwert zu erhalten, werden in der Vorbereitungsphase u.a. Prozessabläufe beschrieben und Konventionen zum Datenaustausch vereinbart. BIM Rollen Die ebenfalls in der Vorbereitungsphase zu definierenden BIM-Rollen setzen die Pflichten und Verantwortlichkeiten der Beteiligten im jeweiligen BIM-Prozess fest. Die nachstehende Abbildung zeigt diesbezüglich eine schematische Kompetenzverteilung auf. Quelle: Bredehorn, J.; Dohmen, P.; Heinz, M.; Liebsch, P.; Sauter, H-P. (2016). BIM Rollen und Verantwortlich-keiten V1.0. Ein Dokument des BIM Praxisleitfaden

8 BIM-Vorbereitungsphase Die Vorbereitungsphase der BIM-Anwendung gliedert sich in 3 Abschnitte: Vor der Vergabe Vergabe Nach der Vergabe Vor der Vergabe ist zu klären mit welchen Zielen BIM im jeweiligen Projekt eingesetzt wird und welche Leistungen durch die Anwendung von BIM erbracht werden. Diese Zielformulierung wird vorerst in einer Auftraggeber Informationsanforderung (AIA) durch den BIM-Informationsmanager zusammengestellt. Sie ist eine Beschreibung der Informationsbedürfnisse des Auftraggebers, die als Anforderung für den Auftragnehmer und als Grundlage für den BIM-Abwicklungsplan (BAP) im jeweiligen Projekt dient. Inhalt der Auftraggeber Informationsanforderung (AIA): Allgemeine Projektinformationen Ziele der BIM-Anwendung BIM-Leistungen Implementierung der BIM-Anwendung im Projekt Umreißen des zeitlichen Ablaufs und Übergabeanforderungen Definieren der gemeinsamen Kollaborationsplattform Kompetenzabfrage zur BIM-Fähigkeit und den BIM-Erfahrungen der Bewerber

9 Um die BIM-Ziele im Projekt realisieren zu können, beinhaltet die Vergabe entsprechend der AIA, eine Abfrage der BIM-Kompetenzen bei den Bewerbern. Für den Vertragsschluss ist neben der vertraglichen Vereinbarung zu benennen, welche weiteren Dokumente Vertragsbestandteil sein werden und in welcher Hierarchie sie zueinanderstehen. Diese Regelungen werden im Protokoll der Vertragsdokumente festgeschrieben. Die zum Vertrag gehörigen Dokumente sind in der beigefügten Grafik aufgeführt. Quelle: Bredehorn, J.; Dohmen, P.; Heinz, M.; Liebsch, P.; Sauter, H-P. (2016). BIM Rollen und Verantwortlichkeiten V1.0. Ein Dokument des BIM Praxisleitfaden Nach der Vergabe ist der projektspezifische BIM-Abwicklungsplan (BAP) von dem BIM-Manager zu erstellen. Dieser beruht auf den in den AIA definierten Zielen. Der BAP stellt die projektbezogene Zusammenfassung aller Aktivitäten der Projektbeteiligten in Bezug auf BIM dar. Inhalt des BIM-Abwicklungsplans (Auszug): Allg. Projektinformationen BIM-Ziele und BIM-Leistungen Projektbeteiligte und deren BIM-Rollen bzw. Verantwortlichkeiten nach Leistungsphasen BIM-Abwicklungsprozesse, Prozessübersicht und Teilprozesse BIM-Informations-Austausch-Strategie BIM-Qualitätskontrolle Modell-, Layerstruktur, geodätischer Raumbezug, geometrische Gliederung Übergabeanforderungen, Datenformate

10 BIM-Pilotprojekte Unser Büro setzt derzeit zwei BIM-Projekte um. Die Auswahl dieser Projekte umfasst sowohl die Neuplanung als auch die Bestandserfassung von Objekten, da zukünftig beide Planungsaufgaben mit BIM ausgeführt werden sollen. So ist einerseits das Bestandsbauwerk Karl-Heine-Bogen in Leipzig, als auch die Neuplanung eines Absperrbauwerkes in Großosida im Fokus unserer BIM-Anwendungen. Bestandsaufnahme Brücke Karl-Heine-Bogen Ziel bei diesem Projekt ist, den Ablauf einer Bestandserfassung mit der BIM-Methode zu erproben. Weiterhin soll das Anforderungsprofil für die Bestandserfassung so entwickelt werden, dass eine Verwendung des erstellten 3D-Modells für die Bauwerksprüfung ermöglicht wird. Hierfür stehen wir in enger Zusammenarbeit mit unserem Team für Bauwerksprüfung, dem Vermessungsteam der Pro- Copter GmbH sowie dem Verkehrs- und Tiefbauamt Leipzig als Baulastträger. Der Karl-Heine-Bogen wurde unter Einsatz von Flugrobotern mit entsprechendem Kamera- und Sensorequipment photogrammetrisch durch die Firma ProCopter GmbH vermessen. Die erfasste Punktwolke bildet die Grundlage für die in unserem Workshop vorgestellte 3D-Modellierung des Brückenbauwerks. Darüberhinaus liefert sie die beispielhafte Dokumentation sowohl von Bauwerksdetails als auch ausgewählten Bauwerksschäden. Mit dem Hinzufügen von Bauteilinformationen wurde das virtuelle Bauwerksmodell anschließend für eine weiterführende Dokumentation der Bauwerksschäden BIM-fähig gemacht. Punktwolke der Brücke und Umgebung Nachmodellierte Brücke Brücke mit verknüpfter Punktwolke Punktwolke einer Schraube am Kämpfer

11 Neubau eines Absperrbauwerks in Großosida Anhand des Absperrbauwerks in Großosida konnten weitere Erkenntnisse und Ergebnisse der BIM- Methode präsentiert werden. Ziel der Neuplanung des Absperrbauwerkes und der Errichtung der zugehörigen Deichanlagen ist die Schließung der Hochwasserschutzlinie westlich von Zeitz. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die automatisierte Anpassung einzelner Bauteile an eine Veränderung des Bemessungshochwasserstandes (BHW), die mit der BIM-Anwendung möglich wird. Absperrbauwerk 3D Draufsicht

12 Grundlagendaten für BIM Die Aufnahme von Bestandsbauwerken, sowie deren Umgebung, in planungsfähige BIM Gesamtmodelle bedarf zuerst einmal der Erstellung einer maßstabsgetreuen Abbildung der Echt-Welt in digitaler Form. Dazu wird unter Einsatz moderner Sensor- und Messtechnik der Ist-Zustand von Bauwerken und Landschaften in einem sehr hohen Detailierungsgrad erfasst. Aus diesem Scanvorgang resultierende, hochdichte Messpunktwolken werden anschließend als Vorlage zur Ableitung von CAD Objekten und einer Vielzahl weiterer planungsrelevanter Produkte sowie der Begutachtung aus der Ferne genutzt. Vergleich d. Informationsdichte klassischer Vermessung (links) und drohnengestütztem 3D Scan (rechts); Quelle: MULTIROTOR Mit Hilfe speziell ausgestatteter, unbemannter Trägerplattformen, wie z.b. Drohnen, ist die Durchführung von Detailvermessungs- oder Besichtigungsarbeiten auch in schwer zugänglichen oder gefährlichen Gebieten möglich. In vielen Fällen kann auf den Einsatz schwerer Technik wie Hubwagen, Kräne und Gerüsten unter hohem Personalaufwand verzichtet werden, was zu Zeit- und Kosteneinsparungen führt. Der Einsatz von Drohnen ist im Vergleich zur traditionellen Vermessung mit einem deutlich geringeren Zeitaufwand für die Datenerfassung verbunden. Vor allem großflächige Gebiete können in einem Bruchteil der bisher benötigten Zeit beflogen und die erhobenen, wesentlich detaillierteren Daten entsprechend ausgewertet werden. Brückenschaden am Überbau als Punktwolken-Scan mit 25mio. Messpunkten archiviert Einmal erfasste Grundlagendaten werden in definierten Intervallen mit Überprüfungsdaten des gleichen Objektes zentimetergenau durch Überlagerung verglichen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, Bauwerksschäden und sonstige Veränderungen nicht nur realitätsnah zu dokumentieren, sondern mit anderen (verursachenden) Ereignissen in Kontext zu setzen. Bildgebende Verfahren können zusätzlich, ähnlich wie in der Medizintechnik, herangezogen werden, um z.b. die Bildung von Rissen über Zeit durch gezielte Kontrastierung für den Menschen einfacher quantifizierbar zu machen und ggf. Prognosen erstellen zu können.

13 Mittels photogrammetrischer Auswertung und/oder Laser-Scan erzeugte Rohdaten können entsprechend vorher definierter Projektanforderungen ausgewertet und in unterschiedlichen Differenzierungsgraden ausgegeben werden. Punktwolkendaten (oben links) stellen dabei mit Millionen von Informationen gleichzeitig das genaueste, allerdings auch computertechnisch anspruchsvollste Format dar. Zur Weiterverarbeitung, wie der Berechnung von Volumina oder zum Zwecke der Visualisierung, wird daher eine Oberflächengeometrie über benachbarte, außenliegende Punkte generiert (oben Mitte). Der Grad an verbleibender Detailierung in diesem Ausgabeformat ist variabel einstellbar und bestimmt die resultierende Messgenauigkeit und Dateigröße. Zum Aufbau eines performanten BIM Gesamtmodells werden ausgehend vom hohen Detailgrad und Datenaufkommen der Punktwolke entweder händisch oder teilautomatisiert vereinfachte CAD Körper abgeleitet (oben rechts), welche im weiteren Planungsverlauf mit relevanten Informationen (siehe LoI) ergänzt werden. Die Grundlagendaten bleiben dabei als Archivdatensatz im Gesamtmodell erhalten und können bei Bedarf jederzeit eingesehen und mit zukünftigen Aufnahmen chronologisch verglichen werden. Digitales Oberflächenmodell (DOM), Digitales Geländemodell (DGM) und entzerrtes Orthofoto; Quelle: ProCopter GmbH Neben der detaillierten Erfassung von Bauwerken werden auch Landschaften zu Planungs- und Monitoring Zwecken gescannt. Dabei entstehen feinaufgelöste, maßstabs- und lagegetreue Karten sowie 3D Gelände- und Oberflächenmodelle mit verschiedenen Filtermöglichkeiten wie z.b. dem Entfernen von Vegetation und anderen nicht-natürlichen Objekten. Anhand dieser Daten können mit geringem Zeitaufwand Strecken, Flächen und Volumina berechnet und Visualisierungen des Ist- und Soll-Zustandes mit beeindruckender Detailtreue erzeugt werden.

14 Empfohlene Literatur Maßnahmenkatalog zur Nutzung von BIM in der öffentlichen Bauverwaltung unter Berücksichtigung der rechtlichen und ordnungspolitischen Rahmenbedingungen ZukunftBau BIM-Leitfaden für Deutschland ZukunftBau BIM Execution Plan Pennstate University BIM Guide Singapore Building and Construction Authority Common BIM Requirements 2012 buildingsmart Finnland

15 Gern informieren wir Sie per Newsletter über weitere Termine unserer Veranstaltungsreihe BIM smart planen, bauen und nutzen. Bei Interesse bitten wir Sie uns eine an zu schreiben. Außerdem finden Sie Ankündigungen weiterer Workshops auf unserer Website unter /aktuelles.html Ihre BIM-Akademie der ssi Planungsgesellschaft mbh

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