171. DVW- Seminar Geodäsie und BIM 3. Juli 2018 in Stuttgart. Wege der Interoperabilität zwischen BIM und GIS

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1 171. DVW- Seminar Geodäsie und BIM 3. Juli 2018 in Stuttgart Wege der Interoperabilität zwischen BIM und GIS Dr.-Ing. Andreas Donaubauer TUM, Lehrstuhl für Geoinformatik Leonhard Obermeyer Center mit Beiträgen von Prof. Dr. rer. nat. Thomas H. Kolbe Dr. Ihab Hijazi TUM, Lehrstuhl für Geoinformatik Prof. Dr.-Ing. Robert Kaden Fachhochschule Erfurt, University of Applied Sciences

2 Inhalt BIM und GIS Gemeinsamkeiten und Unterschiede Skalenbereich Modellierungsparadigmen und Standards Raumbezug Integration von BIM und GIS Nutzenaspekte und Stufen der Integration Technische Ansätze zur Integration Praxisbeispiel Gesamtplanungsintegration Erkenntnisse aus den Praxisbeispielen des Leitfadens Geodäsie und BIM

3 BIM und GIS oder eher BIM und TIM? Domäne Architektur und Bauingenieurwesen Geodäsie und Geoinformatik Methode Werkzeug standard. Datenmodell Building Information Modeling (BIM) param. CAAD (+ Simulatoren) z.b. IFC Topography / Urban Information Modeling (TIM / UIM) GIS (+ Simulatoren) z.b. CityGML

4 Domänenübersicht: Digitale Modelle der bebauten Umwelt Computergrafik Szenegraphen Geodäsie und Geoinformatik semantisches 3D- Stadt- und Landschaftsmodell 3D- Modell Architektur und Bauingenieurwesen Building Information Model (BIM) Computerspiele/ Simulationen Simulations- und Interaktionsmodelle

5 Unterschiedliche Skalenbereiche der Modelle Modellinhalt, -auflösung, -struktur und -genauigkeit abhängig von: thematischem Fokus bzw. Anwendungskontext (Scope) zu betrachtende räumliche Ausdehnung/Umfang (Scale) Welt Kontinent Land Kommune / Stadt Quartier Gebäude Raum Bauteil TGA UIM BIM

6 Unterschiedliche Modellierungsparadigmen BIM (z.b. IFC) z.b. Constructive Solid Geometry 3D GIS (z.b. CityGML) Boundary Representation gut geeignet, um Entwurfsprozesse zu unterstützen, Volumetrische, parametrisierte also, um Modelle Primitive für repräsentieren die Gebäudekomponenten geplante Objekte zu erzeugen gut geeignet, um Modellerstellung durch Vermessung und Beobachtung zu unterstützen, also, um Modelle Akkumulation der beobachtbaren Oberflächen der topographischen Objekte für bestehende Objekte zu erzeugen 6

7 Modellierungsansatz in Architektur & Bauingenieurwesen Idee für Bauwerk Entwurfsmodell/-plan reale Welt Abbildung der konstruktiven Elemente komponentenbasierte, generative Modellierung: Building Information Modeling: Semantische Objekte mit räumlichen und thematischen Eigenschaften Parametrische Geometrie Digitaler Zwilling eines geplanten Bauwerks

8 Modellierungsansatz in Geodäsie und Geoinformatik reale Welt Vermessung topographische Abstraktion generell nur Objektoberflächen mit Sensoren vermessen: Topographic / Urban Information Modeling: Semantische Objekte mit räumlichen und thematischen Eigenschaften Geometrie: Randflächendarstellung (Boundary Representation) Digitaler Zwilling der realen Welt / des Bestandes

9 Unterschiede beim Raumbezug BIM: meist* Projektkoordinatensystem PCS (z.b. lokal, M=1:1) GIS: geodätische Koordinatenreferenzsystem CRS (z.b. ETRS89/UTM) Einheit: Verschieden, Definiert durch Ersteller Meter, Definiert durch CRS Abdeckung: Lokal, begrenzt durch Planungsgebiet Europa Zonenwechsel: Nein Ja Koordinatenlänge: Reduktion wegen Abbildung Reduktion wegen Höhe über Ellipsoid Kleine Zahlen (Ursprung des PCS nahe Planungsgebiet) Nein (1:1) Nein Große Zahlen (7-8 Stellen vor und 2-3 Stellen nach dem Komma) Ja Ja * IFC ermöglicht auch Verwendung geodätischer CRS, Referenzierung über EPSG

10 Unterschiede beim Raumbezug Relevanz: Planung auf der Grundlage amtlicher Geobasisdaten Ermitteln von Absteckwerten aus BIM-Modellen Digitale Fertigung von Bauteilen Wichtig für BIM-GIS-Interoperabilitiät: Eindeutige, maschineninterpretierbare Beschreibung von CRS

11 Standards: Industry Foundation Classes (IFC) Umfangreichstes Datenmodell und Austauschformat für Building Information Models (BIM) ISO-Standard für semantische Gebäudemodelle Entwickelt durch die buildingsmart International Repräsentation von Anlagen/Gebäudemodellen bezogen auf ihre Geometrie, Topologie und Semantik Unterstützung von 2D und 3D Geometrie: Parametrisch, Sweep, CSG, B-Rep Integration verschiedener Bilanzierungen, u.a. Material, Kosten, etc. Einfache Georeferenzierung seit IFC 2.3 Seit Version 4.1 Trassierungselemente repräsentierbar, Verwendung geodätischer CRS über EPSG-Codes

12 Standards: City Geography Markup Language (CityGML) Fachneutrales topographisches Datenmodell und -format für virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle Verschiedene thematische Bereiche (Gebäude, Brücken, Tunnel, Vegetation, Relief, Gewässer, Verkehr, Landnutzung etc.) Formale Erweiterung über ADE-Mechanismus möglich Internationaler Standard des Open Geospatial Consortium spezifiziert von der SIG 3D der GDI NRW und GDI DE sowie der OGC CityGML SWG (> 120 Institutionen) aktuelle Version 2.0 wurde im März 2012 verabschiedet Weite nationale und internationale Verbreitung

13 Integration von GIS und BIM: Anwendungsfälle im Lebenszyklus eines Bauwerks* Variantenstudien, UVS, Kollisionsprüfungen, Bürgerbeteiligung, Wirkungsanalysen, Simulationen im geogr. Kontext Geodesign Energetische Simulationen im geogr. Kontext Machbarkeitsuntersuchungen zu Abrissmethoden (Sprengung), Umbau Planung der Baustellenlogistik und Baustelleneinrichtung Umweltbaubegleitung CAFM, Notfallmanagement, Indoor-Outdoor-Navigation Fortführung Geobasisdaten Abbildung Lebenszyklus: [Borrmann et al., 2015] *Auswahl, weitere siehe Beiträge Schaller und Carstens im Leitfaden Geodäsie und BIM

14 Integration von GIS und BIM auf unterschiedlichen Stufen Digitale Modelle repräsentieren Objekte nach Aspekten Geometrie/Topologie, Erscheinung, Semantik, Je nach Anwendungsfall bei Integration unterschiedliche Aspekte zu berücksichtigen, z.b.: Stufe 1: Geometrie: z.b. DGM aus GIS als Planungsgrundlage in BIM Stufe 2: Geometrie und Erscheinung: z.b. Visualisierung von Entwürfen im geographischen Kontext Stufe 3a: Geometrie, Erscheinung und Semantik, Zielmodell = nicht-standardisiertes/projektspezifisches Datenmodell: Analysen und Simulationen auf der Grundlage einer konsistenten Repräsentation der Stadt / Landschaft inkl. gepl. Objekte, Was-wäre-wenn-Szenarien Stufe 3b: wie 3a, Quell- und Zielmodell = standardisiert Open BIM + Open GIS

15 Technische Ansätze zur Integration: A) Modelltransformation Visualisierung: CityGML GenericCityObject nutzbar Konvertierung von Geometrie und Erscheinung ausreichend Standardtools verfügbar Probleme bei der Umwandlung komplexerer parametrischer Geometrien Georeferenzierung GIS-Viewer GIS-Viewer Abbildung auf das semantische Modell von CityGML: Herausforderung: 1:n-Matchings zwischen Konzepten aus IFC- und CityGML auflösen Nicht alle Konzepte abbildbar Informationsverlust 1:n [Nagel et al. 2009]

16 Technische Ansätze zur Integration: B) Modelltransformation Visualisierung: generisches IFC-Konzept IfcProxy mit IFCFacetedBrep-Geometrie nutzbar Standardtools verfügbar CAD-Viewer Abbildung auf das semantische Modell von IFC: Erzeugung von Volumenkörpern aus flächenhafter Repräsentation Konstruktive Elemente bestehender Bauwerke oft nur teilweise oder gar nicht erfassbar fehlende Informationen in CityGML-Daten 1:1-Matching nur in wenigen Fällen Mehrdeutigkeiten bei n:m Widerspruch zwischen starken geometrische Randbedingungen von CSG-Primitiven (Parallelität, Rechtwinkligkeit) und beobachteten Flächen in CityGML Vollständige Automatisierung n:m fraglich [Nagel et al. 2009]

17 Technische Ansätze zur Integration: C) übergeordnetes Modell Modell Building structure Connectivity Thematic Unified Building Model Building structure Connectivity Thematic enthält Obermenge der Konzepte aus IFC und CityGML Grundlage für bidirektionale Transformation IFC <-> CityGML Applikationen müssten UBM- Schema unterstützen [El-Mekawy et al. 2011]

18 Technische Ansätze zur Integration: D) Verlinkung Daten bleiben in ihren originären Strukturen Verlinkung auf Anwendungsebene: Werkzeuge, die mit beiden Datenmodellen umgehen können, z.b. QL4BIM [Daum et al. 2016] oder Projekt eeembed (TU Dresden) Verlinkung auf Prozessebene: z.b. Kapselung des IFC- bzw. CityGML-Datenmodells mittels Web Services Verlinkung auf Datenebene: z.b. Semantic Web Technologien

19 Beispiel Gesamtplanungsintegration Problemstellung: konsistentes 3D-Modell, bestehend aus geplanten Bauwerken + Varianten + Planungsständen Bestand auf der Erdoberfläche und im Untergrund Simulationsergebnissen Kooperation TUM, Lehrstuhl Geoinformatik mit OBERMEYER Planen + Beraten: Egger, Studienarbeit, 2017: Integration von BIM (IFC) mit Bestandsdaten in ein gemeinsames CityGML-Modell Schönhut, Masterarbeit, 2018: Untergrund-Umwelt-Datenmodell + Gesamtplanungsintegration 19

20 Beispiel Gesamtplanungsintegration SolitaryVegetationObject Building PlantCover TrafficArea -Road WaterBody Relief Railway Tunnel GeologicUnit HydrogeoUnit Building Quelle: Planungsdaten, IFC GeologicUnit Quelle: verändert nach [Schönhut, 2018] 20

21 Beispiel Gesamtplanungsintegration Quelle: [Schönhut, 2018] 21

22 Beispiel Gesamtplanungsintegration Beispiele für Anfragen an Gesamtmodell Quelle: [Schönhut, 2018] 22

23 Erkenntnisse aus dem Leitfaden Geodäsie und BIM 1. Anwendungsfälle Meist Pilotprojekte und Konzepte, Ziel: Durchgängige Arbeitsprozesse. Hindernis: z.t. geringer Digitalisierungsgrad in der Baubranche Phasen im Lebenszyklus: Entwurf (hauptsächlich Infrastrukturbau), Bewirtschaftung (hauptsächlich Gebäude) Softwaresysteme aus Domänen Architektur/Bauingenieurwesen bzw. Geodäsie/Geoinformatik werden als in sich geschlossene, hochspezialisierte Werkzeuge angesehen GIS als Plattform für Kollaboration und Kommunikation im BIM-Prozess GIS-Analysen zur Optimierung des Entwurfs Vermeidung von Planungsfehlern und Verzögerungen im Bauablauf Potenzial von Geobasisdaten Abbildung Lebenszyklus: [Borrmann et al., 2015]

24 Erkenntnisse aus dem Leitfaden Geodäsie und BIM 2. Technische Ansätze und Stufen der Integration Überwiegend Modelltransformation von IFC / nicht-standardisierten BIM-Daten nach CityGML bzw. projektspezifisches GIS-Datenmodell Einmal beschrieben: Konzept zur integrierten Speicherung von IFCund CityGML-Daten in einem Datenbanksystem Modell Wichtig: gegenseitiges Verständnis der Struktur und der Semantik der ausgetauschten Daten, um Informationsverluste und Fehlinterpretationen zu vermeiden (Beitrag Schaller)

25 Zusammenfassung Unterschiedliche Ansätze zur Modellierung der bebauten Umwelt in Architektur&Bauwesen bzw. Geoinformatik&Geodäsie Bedeutender Beitrag von Geoinformation, GI-Methoden und Technologien zum Building Information Modeling Alle Phasen im Lebenszyklus eines Bauwerks profitieren von Geoinformation, insb. Entwurf von Infrastrukturbauwerken und Bewirtschaftung Anwendungsfälle erfordern unterschiedliche Stufen der Integration Kopplung BIM und GIS in der Praxis steht erst am Anfang

26 Ausblick 3D-DLM als Beitrag der amtlichen Vermessung zu BIM? Quellen: Projekte 3D-DLM (Runder Tisch GIS e.v., TUM, M.O.S.S., LDBV, LGL), VoDLM 3D (TUM, VCS, Land Vorarlberg)

27 e Download: publikationen/leitfaeden.html Kontakt: andreas.donaubauer@tum.de