Manipulation der Wandverschnitte im IFC Produktdatenmodell

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1 Manipulation der Wandverschnitte im IFC Produktdatenmodell Cand.-Ing. Andreas Geiger Matrikel-Nr Diplomarbeit April August 2002 Betreuung: Dipl.-Ing. Karl-Heinz Häfele Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Angewandte Informatik Prof. Dr.-Ing. Christian Enderle Fachhochschule Karlsruhe Fachbereich Architektur und Bauwesen Studiengang Bauingenieurwesen

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3 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Angewandte Informatik Leiter: Prof. Dr.-Ing. G. Bretthauer Häfele, Diplomarbeit für Andreas Geiger, Matr.-Nr Fachhochschule Karlsruhe, Fachbereich Architektur und Bauwesen, Studiengang Bauingenieurwesen Manipulation der Wandverschnitte im IFC Produktdatenmodell Am Institut für Angewandte Informatik des Forschungszentrums Karlsruhe sollen individuelle Häuser aus industriell vorgefertigten Steinblöcken gebaut werden. Die Voraussetzung für eine automatisierte Vorfertigung ist ein Produktdatenmodell des Gebäudes. Nur in einem Produktdatenmodell kann gezielt auf Wände und assoziierte Elemente wie zum Beispiel Tür- und Fensteröffnungen zugegriffen werden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen die Wände aus einem Produktdatenmodell extrahiert und die Wandverschnitte korrigiert werden. Schwerpunkt der Arbeit ist die softwaretechnische Umsetzung des Zugriffs auf das Gebäudemodell und die Korrektur der Wandverschnitte als Vorbereitung für eine Aufteilung der Wände in geschosshohe Blöcke. Die Wandverschnitte sollen weitestgehend automatisch korrigiert werden. Die Regeln für die Wandverschneidungen sind sowohl nach bautechnischer als auch nach fertigungstechnischer Sicht zu definieren. Für Sonderfälle ist ein manueller Eingriff vorzusehen. Die Ergebnisse der Korrektur werden im Produktdatenmodell abgespeichert. Als Produktdatenmodell kommen die Industry Foundation Classes (IFC) der International Alliance for Interoperability (IAI) in der aktuellen, noch nicht zertifizierten Version 2x zum Einsatz. Die Implementierung der Software erfolgt mit den Microsoft Foundation Classes (MFC) unter dem Windows Betriebssystem. Für den Zugriff auf die IFC-Strukturen wird das Werkzeug ECCO der Firma PDTec eingesetzt. Alle Aktivitäten sind ausführlich zu dokumentieren. Das Programm ist sowohl im Quelltext als auch in der Ausarbeitung ausführlich zu erläutern, so dass spätere Modifikationen und Erweiterungen möglich sind. Der Funktionsnachweis ist anhand ausgewählter Beispiele zu erbringen. Dipl.-Ing. K.-H. Häfele Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik (IAI) Tel.: / Fax: / haefele@iai.fzk.de Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Vorsitzender des Aufsichtsrates: Sitz der Gesellschaft: Commerzbank AG, Karlsruhe Mitglied der Hermann von Helmholtz- Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.v. (HGF) Hermann-von-Helmholtz-Platz Eggenstein-Leopoldshafen Telefon / 82-0 Telefax / Ministerialdirektor Dr. Hermann Schunck Vorstand (Geschäftsführung): Prof. Dr. Manfred Popp (Vorsitzender) Ass. jur. Sigurd Lettow (stellvertretender Vorsitzender) Dr.-Ing. Peter Fritz Prof. Dr. Reinhard Maschuw Weberstr. 5, Karlsruhe Handelsregister: Amtsgericht Karlsruhe HRB 302 Bankverbindungen: Baden-Württembergische Bank AG, Karlsruhe Kto (BLZ ) Kto (BLZ ) Deutsche Bank AG, Karlsruhe Kto (BLZ ) Dresdner Bank AG, Karlsruhe Kto (BLZ )

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5 Erklärung Ich versichere, die vorliegende Arbeit selbständig und nur mit den im Literaturverzeichnis angegebenen Quellen und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Karlsruhe, den

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7 Zusammenfassung Produktdatenmodelle dienen einer ganzheitlichen Betrachtung von Produkten über deren gesamten Lebenszyklus. Für ein Gebäude bedeutet dies, dass alle Daten von der Planung, der Entstehung, über den Unterhalt bis hin zur Demontage in einem Modell beschrieben werden. Der Einsatz solcher Produktdatenmodelle ist im Bauwesen bislang nicht üblich. Daten werden in der Planungs- und Bauphase von den einzelnen Planungspartnern mit hohem Fehlerrisiko wiederholt erfasst und verarbeitet. Das IFC (Industry Foundation Classes) Modell stellt eine integrale Beschreibung für Gebäude dar. Es handelt sich dabei um ein Produktdatenmodell, das mit seinen Basisdaten auf den STEP-Standard (Standard of the Exchange of Product Model Data) aufbaut. Gebäuderelevante Informationen können damit über den Bauprozess hinaus bereitgestellt werden (z. B. für den Bereich des Facility-Managements). Daten müssen nur einmal erfasst werden und nachfolgende Gewerke und Leistungsphasen können diese Daten aus dem Produktdatenmodell entnehmen. Je nach Anforderung an den Datenbestand kann es sich hierbei um beliebige Untermengen der Gesamtdaten handeln. Ein Teilprozess, der in besonderem Maß von einer einheitlichen Datenmodellierung profitiert, ist die Vorfertigung. Hier sind nicht nur die geometrischen Informationen von besonderem Interesse, sondern zusätzliche Parameter wie Material, Wandaufbau, Beziehungen zu benachbarten Wänden und Öffnungen, sowie Installationen aus dem Bereich HLS (Heizung, Lüftung, Sanitär) müssen ausgewertet werden, um Maschinendaten zu erzeugen. Aus dem Produktdatenmodell IFC lassen sich diese Informationen extrahieren und an die Bedürfnisse und Anforderungen einer Maschinensteuerung anpassen. Zentrales Problem aller Arbeitsschritte stellt die Prüfung der Wandverschnitte dar. Entsprechend den Anforderungen an das spätere Vorfertigungsverfahren und an das Material sind unterschiedliche Rahmenbedingungen maßgebend, welche die Art und Form der Wandverschnitte beeinflussen. Dementsprechend sind die statischen, sowie fertigungsund montagetechnischen Aspekte zu analysieren und zu berücksichtigen. Abstract Product data models provide an integral view of a product over its entire life cycle. For a building this means that all data from planning, construction, via the maintenance up to the disassembly are described in a model. In the building industry the use of product data models is so far the exception and data re-entered several times produces a higher risk of error. The IFC (Industry Foundation Classes) model represents an integral description of the building. It is a product data model whose structures are based upon the STEP-standard (Standard of the Exchange of Product Model Data). Thus building-relevant information can be applied beyond the building process, e.g. for the area of the facility management. Data must be entered only once, and following subsections and processes can access these data from the product data model. Depending on the specification of the volume of data this can only be a subset of the total data. Prefabrication is a sub-process, which particularly profits from uniform data modelling. Not only the geometrical information is of special interest, but also additional parameters such as materials, wall construction and relation to other walls and openings as well as installations from the area HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) must be analysed, in order to produce machine data. From the data model IFC information can be extracted and adjusted to the needs and the specification of the machine controller. The central problem of all work procedures is the checking of the wall blends. According to the requirements of the later prefabrication procedure and of the materials, different basic conditions are existing that influence the type and form of the wall blends. Accordingly the static, manufacturing and assembly-technical aspects have to be analysed and considered. i

8 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung...i Abstract...i Inhaltsverzeichnis...ii Abbildungsverzeichnis... iii Tabellenverzeichnis...iv Abkürzungen...v 1 Einleitung Stand der Technik Nemetschek AllPlan / AllPlot FT [NEM02] WETO Holzhausplaner [WET02] DICAD ICAD.OS [DIC02] GranIT CADStone [GRA02] IDAT ACADWand [IDA02] AS-CON Software ASWand 2002 [ASC02] Grundlagen IFC EXPRESS Architektur Relevante Entities Wandverschnitte Bautechnik CAAD IFC Problemstellung Bautechnische Probleme Softwaretechnische Probleme Wandführung Wandgeometrie Wandanschlüsse Öffnungen IFC-Prozessoren Softwaretechnische Umsetzung Projektübersicht Struktur Randbedingungen IfcWallTool Export IFC C Update C++ IFC IfcWallModificator Verschneidungs-Algorithmen Vorgehensweise C++ Struktur Programmbedienung Beispiele Wandkombinationen Wall-Connection Einfache Fallbeispiele Gebäudemodelle Niedrigenergiehaus FZK-Haus Rohbau Zusammenfassung...47 Literaturverzeichnis...48 ii

9 Abbildungsverzeichnis Abb. 3.1: Ebenendarstellung der IFC-Architektur [ITE00]... 6 Abb. 3.2: Abhängigkeiten des Entities IfcWallStandardCase... 7 Abb. 3.3: Mauertafel aus Ziegelsteinen, Stumpfstoß mit Bewehrung [UNI02, SWE98]...13 Abb. 3.4: Wandverbindung bei Normalbeton bzw. Liapor [SCH02, ALP02]...14 Abb. 3.5: Mauerwerksverband, Anschluss Betonschalwände [KSI97, ALP02]...14 Abb. 4.1: Verschneidungswinkel...20 Abb. 5.1: Zusammenspiel IfcWallModificator / IfcWallTool...23 Abb. 5.2: Projektübersicht IfcWallTool...26 Abb. 5.3: Beispiel der IFC Struktur einer IfcWallStandardCase...28 Abb. 5.4: Quellcode-Beispiel: Deklarationen und Funktion ExportWalls, IFC C Abb. 5.5: Quellcode-Beispiel: Austausch von Werten, IFC C Abb. 5.6: Eigenschaften, Parameter und Geometrieinformationen...30 Abb. 5.7: Quellcode-Beispiel: Update von Werten, C++ IFC...31 Abb. 5.8: Projektübersicht IfcWallModificator...33 Abb. 5.9: Programmablauf Wall Button...33 Abb. 5.10: Benutzeroberfläche IfcWallModificator...35 Abb. 5.11: Registerblatt Wall Geometry...36 Abb. 5.12: Benutzerdialoge...36 Abb. 5.13: Registerblätter Storey View und Processus-Glaser...37 Abb. 5.14: Registerblätter Trimming Setup und Log File...37 Abb. 6.1: Wall-Connection...38 Abb. 6.2: Doppelte Wände, Modellansicht...41 Abb. 6.3: Doppelte Wände, Modellansicht...41 Abb. 6.4: Niedrigenergiehaus, Modellansicht...42 Abb. 6.5: FZK-Haus, Modellansicht...44 Abb. 6.6: Rohbau, Modellansicht...45 iii

10 Tabellenverzeichnis Tab. 3.1: Klassenhierarchie des Entity IfcWallStandardCase [ISP01]... 8 Tab. 3.2: Klassenhierarchie des Entity IfcLocalPlacement [ISP01]... 8 Tab. 3.3: Klassenhierarchie des Entity IfcOwnerHistory [ISP01]... 9 Tab. 3.4: Klassenhierarchie des Entity IfcProductDefinitionShape [ISP01]... 9 Tab. 3.5: Klassenhierarchie des Entity IfcBooleanClippingResult [ISP01]... 9 Tab. 3.6: Klassenhierarchie des Entity IfcRelVoidsElement [ISP01]...10 Tab. 3.7: Klassenhierarchie des Entity IfcOpeningElement [ISP01]...10 Tab. 3.8: Klassenhierarchie des Entity IfcRelConnectsPathElements [ISP01]...11 Tab. 3.9: Klassenhierarchie des Entity IfcRelAssiciatesMaterial [ISP01]...11 Tab. 3.10: Klassenhierarchie des Entity IfcRelContainedInSpatialStructure [ISP01]...12 Tab. 4.1: Materialkennwerte Porenbeton (Hebel Jumbo W Geschosshoch) [FEL01]...16 Tab. 4.2: Kritische Steinlänge [BAU02]...17 Tab. 4.3: Wandführung...18 Tab. 4.4: Wandverschnitt...19 Tab. 4.5: Verarbeitung der Daten des IfcWallModificator IFC-Prozessoren...21 Tab. 5.1: Klassenübersicht der Datei EccoInterface.h...24 Tab. 5.2: Geometrische Beschreibung der Grundfläche eines Wandelementes...32 Tab. 5.3: Verschneidung schematisch dargestellt...32 Tab. 6.1: Wall-Connection...39 Tab. 6.2: Wandreihe Tab. 6.3: Wandreihe Tab. 6.4: Wandreihe Tab. 6.5: Kreuzungsbeipiel Tab. 6.6: Kreuzungsbeipiel Tab. 6.7: Kreuzungsbeipiel Tab. 6.8: Doppelte Wände...41 Tab. 6.9: Niedrigenergiehaus, Modellübersicht...42 Tab. 6.10: Niedrigenergiehaus, Kellergeschoss...43 Tab. 6.11: Niedrigenergiehaus, Erdgeschoss...43 Tab. 6.12: Niedrigenergiehaus, Obergeschoss...43 Tab. 6.13: Niedrigenergiehaus, Dachgeschoss...43 Tab. 6.14: Detailansicht...43 Tab. 6.15: FZK-Haus, Modellübersicht...44 Tab. 6.16: FZK-Haus, Erdgeschoss...44 Tab. 6.17: FZK-Haus, Dachgeschoss...44 Tab. 6.18: Karlstraße, Modellübersicht...45 Tab. 6.19: Rohbau, Kellergeschoss...45 Tab. 6.20: Rohbau, Erdgeschoss...46 Tab. 6.21: Rohbau, Dachgeschoss...46 Tab. 6.22: Detail Rohbau, Dachgeschoss...46 iv

11 Abkürzungen AEC Architecture, Engineering and Construction API Application Interface B-Rep Boundary Representation CAAD Computer Aided Architectural Design CAD Computer Aided Design DIN Deutsches Institut für Normung e.v. DLL Dynamic Link Library DXF Data Exchange Format, Dateiformat EXE Executable File: Ausführbare Datei FZK Forschungszentrum Karlsruhe IAI International Alliance for Interoperability IAI Institut für Angewandte Informatik ID Identifier IFC Industry Foundation Classes ISO International Organisation for Standardisation MFC Microsoft Foundation Classes OID Object Identifier PDM Product Data Model SDI Single Document Interface SQL Structured Query Language STEP Standard for the Exchange of Product Model Data STL Standard Template Library v

12 1 Einleitung Das FZK (Forschungszentrum Karlsruhe) befasst sich im Rahmen des Forschungsprojektes Planen, Bauen und Wohnen mit der Problematik der Rationalisierung und Vorfertigung im Wohnungsbau. Eines der Ziele dieses Forschungsprojektes ist der Aufbau einer Fabrik zur automatisierten Vorfertigung von Wandelementen. Die hierfür eingesetzten geschosshohen Porenbetonsteine durchlaufen mehrere Arbeitsschritte: Zuschneiden auf das richtige Maß, Fräsen von Schlitzen für Elektro- und Sanitärinstallationen, Bestückung und Auftragen eines Grundputzes. Nach der Trocknungsphase werden die Steinelemente auf spezielle Transportpaletten einsortiert, um auf der Baustelle einen reibungsfreien Ablauf bei der Entnahme und der Montage zu gewährleisten [BRE01]. Die Realisierung der automatischen Verarbeitung von CAAD-Daten für diesen Vorfertigungsprozess erfolgt mit Hilfe des Produktdatenmodells IFC (Industry Foundation Classes). Dieses Datenmodell der IAI (International Alliance for Interoperability) beinhaltet nicht nur die Geometrie, sondern es beschreibt das Produkt Gebäude in seiner Gesamtheit. Dies beginnt bei der Planung, führt über die Realisierung und endet bei der Demontage bzw. der Entsorgung. Es können somit alle relevanten Bauteilinformationen für einen Vorfertigungsprozess aus den IFC-Daten entnommen werden. Hierzu zählen nicht nur die geometrischen Informationen von Bauteilen, sondern in besonderem Maße deren Eigenschaften und Parameter. Hinzu kommen die Daten aus dem Bereich HLS (Heizung, Lüftung, Sanitär), die bei der Erzeugung von Maschinendaten berücksichtigt werden müssen. Das IFC-Produktdatenmodell beschreibt eine Wand durch die Führungslinie, den Wandkörper und ihren Wandaufbau. Der Übergang zwischen Wandelementen, der sogenannte Wandverschnitt, wird geometrisch von den CAAD-Systemen (Computer Aided Architectural Design) nicht immer korrekt oder für die fertigungstechnischen Erfordernisse unpassend erzeugt. Die Formdarstellung dieser Wandverschnitte erscheint in den IFC-Daten im allgemeinen durch eine Gehrung, die aus bautechnischer Sicht allerdings von untergeordneter Bedeutung ist. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Problematik der Wandverschnitte im Produktdatenmodell behandelt. Durch die unterschiedliche Darstellung der Wandverschnitte in IFC und der Baupraxis ist für den Vorfertigungsprozess die Überprüfung bzw. Korrektur der Daten notwendig. Die softwaretechnische Lösung erfolgt durch Analyse der statischen-, montage- und fertigungstechnischen Anforderungen und deren Abbildung in Algorithmen zur datentechnischen Verarbeitung. Dabei sind Randbedingungen, die sich aus den unterschiedlichen Materialien und Fertigungsverfahren ergeben, zu berücksichtigen. Das entwickelte Programm IfcWallModificator liest die IFC-Daten der CAAD-Systeme ein und führt eine automatische Korrektur der Wandgeometrie durch. Zusätzlich steht dem Benutzer die Möglichkeit zur Verfügung, manuelle Korrekturen vorzunehmen. Die IFC-Daten werden dabei entsprechend manipuliert bzw. ergänzt. Das Ergebnis wird ohne Verlust von Informationen in eine neue IFC-Datei geschrieben. Für die nachfolgenden Arbeitsprozesse wird dadurch sichergestellt, dass die geometrische Repräsentation der verarbeiteten Wandelemente sowie deren Wandanschlüsse richtig und eindeutig sind. Zu diesen Arbeitsprozessen zählen in erster Linie die Segmentierung der einzelnen Wandelemente in Steinmodule sowie die Maschinensteuerung. 1

13 2 Stand der Technik Mit dem Begriff Fertigteile im Bauwesen werden in erster Linie Stahlbetonfertigteile, wie sie vorzugsweise im Gewerbe- und Industriebau zum Einsatz kommen, assoziiert. Dementsprechend sind in diesem Bereich auch eine Vielzahl an Softwarelösungen vertreten, die den Ingenieur unterstützen und Vorschläge für die Fertigung geben. In der nachfolgenden Aufstellung sind Programme vertreten, die sich bereits mit der Problematik der Wandverschnitte bzw. Wandanschlüsse befassen. Die Softwarelösungen beziehen sich auf den Wohnungsbau, d. h. es sind sowohl Module für den Holz- und Stahlbetonfertigteilbau, als auch für den Mauerwerksbau vertreten. Die praxisgerechte Umsetzung von Wandverschnitten ist in allen Bereichen des Massiv- und Holzbaus ein wiederkehrendes Problem und ist nicht auf den Mauerwerksbau begrenzt. Systeme, die den Wandverschnitt und die Steinaufteilung direkt auf Basis des Produktdatenmodells IFC berechnen, sind nicht bekannt. 2.1 Nemetschek AllPlan / AllPlot FT [NEM02] Das CAAD-System AllPlot / AllPlan FT ist in der Standardversion bereits mit einem Fertigteilmodul ausgestattet. Es beinhaltet allerdings nur eine SEMA-Schnittstelle (Datenschnittstelle zu den Holzbauprogrammen der SEMA GmbH [SEM02]), die eine Anbindung zum Holzfertigteilbau bietet. Die Aufbereitung der Zeichnungsdaten umfasst die Definition von Wänden bezüglich der für den Holzbau relevanten Punkte. Dazu gehören der Wandaufbau, Anschlüsse, Öffnungen und statische Stiele. Definition bedeutet in diesem Zusammenhang, die Verknüpfung von den Wandelementen zu den passenden SEMA- Makros herzustellen. Diese Makros beschreiben die exakte holzbautechnische Ausbildung dieser Elemente. Zusätzlich bietet die Firma Nemetschek Allready an. Dabei handelt es sich um ein CAD- System speziell für die Anforderungen von Fertigteilwerken. Es ermöglicht die durchgängige Planung von Fertigteilwänden und Fertigteildecken vom Entwurf bis zur Herstellung. Das Programm unterstützt die automatische Elementierung von Wänden und Decken, sowie die Optimierung der Wandanschlüsse. Die Elementierung beinhaltet eine automatische Ermittlung der Bewehrung und die Berechnung der Hülsen- und Versatzschlaufen. Die Wandanschlüsse erfolgen entsprechend den Werkskatalogen. 2.2 WETO Holzhausplaner [WET02] Der WETO Holzhausplaner ist ein Zusatzmodul des CAAD-Systems ArCon für Holzrahmen-, Ständer-, Fachwerkbau, Blockbauhäuser und Holzverschalungen. In ArCon [MBS02] erstellte Grundrisse werden mit der entsprechenden Dachform, den Türen, Fenstern, Treppenöffnungen und mit Schornstein auf Knopfdruck übergeben. Der Anwender kann zwischen Fachwerk-, Block- und Ständerbau oder Holzverschalungskonstruktionen wählen. Auch das Erzeugen von Balkenlagen ist möglich. Wände werden mit der gewählten Konstruktionsart belegt und automatisch von ArCon übernommen und dargestellt. Neben der optischen Erscheinung bekommt man detaillierte Informationen über die Holzkonstruktion mittels eines Holzauszuges. 2.3 DICAD ICAD.OS [DIC02] Für das Konstruktionssystem ICAD.OS, auf Basis der [or.bit]-technologie, einer Plattform zum gemeinsamen Planen, Erstellen und Nutzen von Bauwerken der mb-software AG [MBS02], existieren eine Reihe von Modulen für die zeichnerische Arbeitsvorbereitung und Fertigung von Stahlbetonfertigteilen (Deckenplatten, ein- und zweischalige Wände), sowie vorgefertigten Mauerwerkswänden. Dabei unterstützt das Programm die IFC-Schnittstelle und verarbeitet im Mauerwerksmodul die importierten Wände und Öffnungen. 2

14 Die Daten lassen sich für das Mauerwerk entsprechend aufbereiten, indem zusätzliche Informationen und Bauteile hinzugefügt werden. Vor allem im Öffnungsbereich ist das Hinzufügen von Stürzen, Rolladenkästen und Gurtsteinen notwendig. Die Auswahl der Bauteile erfolgt aus einem Bauteilkatalog, der in Inhalt und Struktur frei definierbar ist. In den Stammdaten werden neben den Materialien auch die Steine und Elementierungsregeln verwaltet. Dabei stehen geometrische, bauphysikalische, statische, optische und kalkulatorische Materialkennwerte und Eigenschaften zur Verfügung. Die Mauerwerkelementierung deckt folgende Bereiche ab: - Elementierung mit Standard-Steinformaten von kompletten Grundrissen unter Berücksichtigung der Eckverzahnung - Elementierung von großformatigen Steinen - Elementierung zur Vorfertigung von Wänden im Werk Die Elementierung von Wänden erfolgt in zwei Arbeitsschritten. Zuerst werden Wandeinheiten gebildet. Dabei handelt es sich entweder um eine komplette Wandansicht oder eine produktions- bzw. transporttechnische Einheit. Diese lassen sich aus Vorzugslängen bzw. gewichtsdefinierten Parametern bilden. In nächsten Schritt kann man innerhalb des Bauwerkmodells jede beliebige Wand mit umfangreichen Manipulationsfunktionen bearbeiten. So ist es möglich, ein neues Regelwerk auf Schichten anzuwenden und Einfluss auf die Schichtverteilung zu nehmen. Zusätzlich stehen umfangreiche Manipulatoren zur Beeinflussung der Wandverbindungen bereit. Jede Verbindung erhält automatisch einen Identifikationspunkt, über den eine eindeutige Zuordnung zu der aktuellen Wandverbindung mit ihren Parametern möglich ist. Bauteile wie Stützen oder Elementdecken nehmen entsprechend Einfluss auf die Steinverlegung bzw. auf die Steinformate. Abschließend lassen sich alle Informationen in einer bildlichen Darstellung ausgeben und für die Mengenermittlung auswerten. 2.4 GranIT CADStone [GRA02] Das Modul zur Steinaufteilung SAM wurde in Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Großblockelementen entwickelt. Es liefert eine durchgängige Prozesskette von der Planung bis zur Fertigung. Aus den CAD-Daten generiert SAM Wandansichten und führt die Steineinteilung durch. Dabei ist es dem Anwender jederzeit möglich, manuell einzugreifen und die Vorgaben des Programms zu korrigieren. Aus den Geometrieinformationen werden Pläne, Stücklisten, Verlegeanweisungen und benötigte Daten für Verkauf, Fertigung und Kalkulation erzeugt. Zusätzlich besteht noch die Möglichkeit, mit dem Zusatzmodul Baugesuch Eingabepläne zu erstellen. Die Stammdaten werden in einer SQL-Datenbank abgelegt. Dort befinden sich alle Informationen über Steine, Steintypen, Schichten und Lagen. Mit diesen Informationen werden die zu einer Wand gehörenden Schichten und Lagen automatisch generiert. Dies beinhaltet auch Kimmschicht und Deckenabmauerung. Aus den Daten der Grundrisseingabe wird die Elementierung der Wände erstellt und die Verzahnung von Wänden angegeben. Der nächste Schritt ist die Steineinteilung. Diese ist auf zwei Arten möglich. Zum einen automatisch, was den Durchsatz in der Konstruktion erhöht, zum Anderen die optimierte Variante, wobei die Bearbeitung von Steinelementen reduziert wird. Zusätzlich sind Definitionen für Betongurt und Ringanker vorgesehen. Für den Anwender besteht nach der Steineinteilung noch die Option, einzelne Steine auszutauschen (z. B. höhere Festigkeitsklassen) oder einzelne Steinkanten zu verschieben. 2.5 IDAT ACADWand [IDA02] Das Programm ACADWand basiert auf AutoCAD mit dem Zusatz Architectural Desktop und unterstützt damit auch den Umgang mit intelligenten Objekten. Neben dem Programm ACADWand sind noch weitere Programme erhältlich, die alle für die Bearbeitung von Betonfertigteilen entwickelt wurden. So werden sowohl Verlegepläne für die Baustelle, als 3

15 auch Fertigungszettel mit allen Angaben für die Produktion von Bauteilen erstellt. Ebenso werden umfangreiche Daten für kaufmännische und logistische Anwendungen erzeugt. Für die Elementierung können der Ort der Teilung (z. B. in der Mitte von abgehenden Wänden) und die Art der Eckausbildung voreingestellt werden. Ein speziell für Kalksandsteine entwickeltes Modul verwaltet in einer Steindatenbank beliebige, selbst definierbare Steinsysteme, die für die Elementierung herangezogen werden, damit ein gültiger Verbund entsteht. Entsprechend kann bei allen Eckverbindungen entschieden werden, ob die Steine einbinden, oder ob Stumpfstoßtechnik angewendet werden soll. Bei der Elementierung sind zwei Wege der Durchführung möglich. Zum einen durch beliebige Steinsysteme, wobei aus den zur Verfügung stehenden Steinen eine optimale Einteilung automatisch gewählt wird, so dass die Anzahl der Schnittsteine minimal bleibt. Zum Anderen eine Methode bei der nur ein Standard-Steinformat zum Einsatz kommt. Ist aus geometrischen Gründen die Verwendung dieses Steinformates nicht möglich (z. B. bei Öffnungen, Wandenden, usw.) werden Passsteine erzeugt. Stellpläne und Schnittsteinkarten werden entsprechend für jede Wand sowie Verlegepläne für das gesamte Projekt erstellt. 2.6 AS-CON Software ASWand 2002 [ASC02] Bei dem Programm ASWAND 2002 handelt es sich um eine Erweiterung des CAAD- Systems ASDraw, das als Gesamtsystem versucht, alle Bereiche von der Planung bis zur Abrechnung zu erfassen. ASWand2002 ist das neueste und umfangreichste der verglichenen Module. Mit der Bauplanerfassung erfolgt der Import von Daten entweder mit einer AutoCAD 2000 Schnittstelle, über beliebige 2D DXF Dateien oder aus gängigen Grafikformaten. Bei den 2D Vorlagen versucht das Programm automatisch die Daten in 3D umzusetzen, wobei Öffnungen und Nischen berücksichtigt werden. Diese Daten lassen sich manuell nachbearbeiten. Das Programm Grundrissplanung ist eine speziell für die Wandabwicklung optimierte Version des Programms ASDRAW Mit diesem Programm können komplexe, mehretagige Grundrisse erstellt werden. Mit Hilfe von Assistenten werden Wände, Wandöffnungen und beliebige Dächer erstellt. Alle Wandanschlüsse werden, bevor ein Projekt an die Wandabwicklung übergeben wird, automatisch erkannt und können bei Bedarf manuell überarbeitet werden. Im Modul der Wandabwicklung sind zunächst eine Reihe von Voreinstellungen zu treffen. Diese Einstellungen dienen dazu, eine reibungslose Wandabwicklung durchführen zu können. Die Wandabwicklung erfolgt mit Hilfe von Assistenten und bietet den Zugriff auf eine Steindatenbank. Diese ist als Zusatz zu ASWand erhältlich. Sie bietet zusätzlich eine flexible Steindatenverwaltung mit vielen Steineigenschaften, Ausschreibungstexten für jeden Stein und Verwaltung verschiedener Hersteller / Typen. Das Programm berücksichtigt Wandöffnungen, Stürze, Rolläden, Nischen, Verjüngungen, Säulen, Absenkungen, Höhenlinien, Wandanschlüsse, Schlitze und Aussparungen. Auch eine Reststeinverwaltung ist vorhanden, mit der es jederzeit möglich ist, Reststeine und Fugen zu optimieren. Anhand der generierten Daten lassen sich alle Listen für den Bauablauf und die Abrechnung erstellen. Dazu zählen eine Übersicht der Schnitt- und Reststeine sowie Bestelllisten und VOB-bezogene Auswertungen. Darüber hinaus existiert ein Palettierungsprogramm, das die wand-, etagen- oder projektweise Palettierung der Steine erlaubt. Optional stehen vordefinierte und frei definierbare Filter zur Verfügung, die Steine anhand der Schnitte und Sägbarkeit trennen, falls eine Übergabe an eine Säge oder einen Paßsteinautomat vorgenommen werden soll. Jeder Wand können individuell Paletten zugeordnet und belegt werden. Die Palettierung häufig vorkommender Steine kann halbautomatisch erfolgen. Dabei stehen die Original- Wandansichten, Konstruktionszeichnungen für jeden Stein und Echtzeit 3D-Darstellung von Stein und Palette zur Verfügung. 4

16 3 Grundlagen 3.1 Industry Foundation Classes (IFC) Das von der IAI (International Alliance for Interoperability) seit 1994 entwickelte Modell IFC (Industry Foundation Classes) ist in Anlehnung an den internationalen Standard STEP (ISO 10303) entstanden [AND00, EAS99]. Die Tätigkeiten der IAI sind jedoch nicht für eine Normung vorgesehen, wodurch erheblich kürzere Entwicklungszyklen zu erwarten sind. Aktuell liegt die Version 2x zur Implementierung vor. Somit können voraussichtlich Ende des Jahres die ersten Produkte zertifiziert werden [IAI02]. Bei den IFC handelt es sich um eine Klassendefinition, die ein Konzept zur Interoperabilität darstellt, d. h. Eigenschaften von Objekten werden in allen IFC kompatiblen Anwendungen gleich interpretiert und somit eine fachübergreifende Nutzung von Informationen sichergestellt [ITE00] Modellierungssprache EXPRESS EXPRESS ist eine strukturell objektorientierte Informationsmodellierungssprache, die im Rahmen der Entwicklung und Normung des STEP Standards entwickelt wurde. Sie dient zur objektorientierten Beschreibung eines konzeptionellen Schemas für die Produktdatenmodellierung. Dabei ist eines der wichtigsten Merkmale von STEP die Beschreibung des Verhaltens von Objekten (Entities). Dies wird durch Zwangsbedingungen und Operationen ausgedrückt. EXPRESS basiert im allgemeinen auf der Definition von Datentypen, Relationen, Facilities, Deklarationen, ausführbaren Anweisungen und Ausdrücken [AND93]. Ein Entity bildet in EXPRESS einen Sachverhalt ab und wird durch einen Namen und eine Reihe von Attributen und Zwangsbedingungen definiert. Im Schema sind die Entities zusammengefasst und ihre Gültigkeitsbereiche definiert [GRA93]. Solche EXPRESS Spezifikationen bilden die Grundlage des IFC-Produktdatenmodells und kommen bei den Definitionen des IFC-Schemas zum Einsatz. Die Modellierungssprache EXPRESS-C ist eine Erweiterung von EXPRESS und kommt im Rahmen der Diplomarbeit zur Manipulation der Entity-Instanzen eingelesener IFC-Dateien zum Einsatz IFC-Architektur Wegen der inhomogenen Struktur des Bauwesens hat das IFC-Modell eine modulare und einfach erweiterbare Architektur, die in vier Ebenen gegliedert ist, deren wesentliches Merkmal eine hierarchische Klassenstruktur darstellt (siehe Abb. 3.1). Damit ist gemeint, dass eine Klasse nur Klassen aus der selben bzw. einer untergeordneten Ebene referenzieren darf. Referenzen auf eine höhere Ebene sind nicht zulässig. Innerhalb einer Ebene sind Referenzen aus Gründen der Modularität sorgfältig zu prüfen [IEX01]. Verweise zwischen Modulen der Resource Ebene sind im Hinblick auf die Selbständigkeit jedes Resource Moduls zu vermeiden. Ausgeschlossen sind einige untergeordnete Ressourcen wie z. B. die der Einheiten [ITE00, BIT98]. Resource Layer: Die unterste Ebene des IFC-Modells kann von Klassen aller anderen Ebenen referenziert werden. Sie enthält allgemeingültige Klassen, die ein geschlossenes Konzept darstellen und unabhängig von anderen Klassen sind. Die Geometrie ist eine der am häufigsten verwendeten Ressourcen, deren grundlegende Definition unabhängig von allen Domain Modulen ist. Dennoch muss ein Objekt aus dem Domain Layer erst definiert werden, bevor es Geometrie besitzen kann [ITE00, BIT98]. 5

17 Domain Layer Interoperability Layer Core Layer Resource Layer Abb. 3.1: Ebenendarstellung der IFC-Architektur [ITE00] Core Layer: Der Core Layer bildet die nächste Ebene und stellt die grundlegende Struktur des IFC Objektmodells dar. Er beinhaltet zumeist abstrakte Konzepte, die in darüber liegenden Ebenen definiert sind. Diese Ebene wurde so entworfen, dass Erweiterungen nachfolgender Versionen keinen Einfluss auf die Architektur haben [ITE00, BIT98]. Gegliedert ist der Core Layer in zwei unterschiedliche Abstraktionsebenen. Dies sind der Kernel sowie die Core Extension. Der Kernel stellt grundlegende Konzepte über die Verfügbarkeit von Objekten, deren Beziehungen, Typdefinitionen und Attributen bereit. Er bildet eine Art Metamodell, das als Plattform für Modellerweiterungen dient. Diese Abstraktion hat nichts mit den Anforderungen des Bauwesen gemeinsam. Diese Aufgabe übernehmen die Core Extension Module. Sie stellen Spezialisierungen der im Kernel definierten Kassen dar und passen die Elemente an die Erfordernisse eines Gebäudes an. Beispielsweise beinhaltet die Product Extension Rohbauelemente wie Decken, Wände, Stützen oder Balken [ITE00, BIT98]. Interoperability Layer: Die konzeptionelle Idee des Interoperability Layers ist eine Art Plug-In Architektur zu realisieren, die es erlaubt, eine Vielzahl von Domain Modellen hinzuzufügen. Im Interoperability Layer werden Konzepte bzw. Objekte definiert, die mehreren Domain Modellen zugeordnet werden können. Zusätzlich werden hier die abstrakten Konzepte des Core Layers genauer spezifiziert. Weiterhin verfügt diese Ebene noch über sogenannte Adapter. Diese erweitern die Konzepte des Core Layers und bilden damit die Grundlage für die Domain Module. Zum Beispiel werden damit die grundlegenden Eigenschaften der Wände in den Shared Building Elements definiert [ITE00, BIT98]. Domain Layer: Die Module der obersten Ebene sind speziell an die Anforderungen eines Fachbereiches angepasst. Dementsprechend dürfen in dieser Ebene auch nur Klassen aus darunter liegenden Ebenen angesprochen werden. Der Domain Layer verfügt über Module für Architektur, Bauingenieurwesen und Facility Management, aber auch für Elektrik, Heizung, Lüftung und Sanitär [ITE00, BIT98]. 6

18 3.1.3 Relevante Entities Im Folgenden werden nur die Entities angesprochen, die im Rahmen der Diplomarbeit von besonderer Bedeutung sind. Darunter fallen Wände und Öffnungen, wie auch die Beziehungen der Wände untereinander und zu den Materialien. Abbildung 3.2 stellt die Abhängigkeiten der Entities zu einer IfcWallStandardCase dar. In der linken Spalte beginnend mit den Entity IfcLocalPlacement stehen die direkten Verweise, d. h. den Object Identifier (OID) steht direkt in der Instanz der IfcWallStandardCase. Auf der rechten Seite sind die indirekten (inversen) Verweise zu sehen, die selbst den Object Identifier der IfcWallStandardCase beinhalten. Die Beschreibung der Entities bezieht sich ausschließlich auf die Zusammenhänge mit Wandelementen und dem Entity IfcWallStandardCase. IfcWallStandardCase IfcLocalPlacement IfcRelVoidsElement IfcOwnerHistory IfcRelConnectsPathElements IfcProductdefinitionShape IfcRelAssociatesMaterial IfcShapeRepresentation -Axis, Curve2D - Body, SweptSolid - BoundingBox IfcRelContainedInSpartialStructure Abb. 3.2: Abhängigkeiten des Entities IfcWallStandardCase IfcWallStandardCase Das Entity IfcWallStandardCase (siehe Tab. 3.1) bildet die Grundlage dieser Diplomarbeit. Dieses Entity ist ein Untertyp des Entity IfcWall und dient der Beschreibung von Wänden, die entlang ihrer Achse eine konstante Wandstärke besitzen. Dadurch ist die Zuweisung eines mehrschichtigen Wandaufbaus leichter möglich, da die einzelnen Wandschichten über keine Geometrie verfügen und somit eine konstante Schichtdicke besitzen. Laut Spezifikation zu IFC 2x [ISP01] und dem Model Implementation Guide [IMO01] bestehen für diesen Wandtyp einige Vorgaben. Die geometrische Darstellung der Führungslinie muss aus einer zweidimensionalen Kurve (IfcBoundedCurve) gebildet werden. Dies kann zum Beispiel eine Polylinie oder ein Kreisbogen sein. Der Wandkörper muss ein Extrusionskörper sein. Außerdem müssen die folgenden geometrischen Parameter für jede IfcWallStandardCase gegeben sein: Die Wandhöhe (Extrusionshöhe) und das Profil im Grundriss, aus der geometrischen Representation (WallBody). Die Wandführung, aus der geometrischen Representation (WallAxis). Die Wandstärke, aus dem MaterialLayerSet. Der Wandversatz bezüglich der Führungslinie (WallAxis) aus dem MaterialLayerSet. Eine IfcWallStandardCase benötigt mindestens zwei geometrische Darstellungsformen: die Führungslinie (WallAxis) und den Wandkörper (WallBody). Je nach CAAD-System wird die Geometrie der Boundingbox ebenfalls mit in die IFC-Dateien geschrieben. ENTITY IfcWallStandardCase; ENTITY IfcRoot; GlobalId OwnerHistory Name : IfcGloballyUniqueId; : IfcOwnerHistory; : OPTIONAL IfcLabel; 7

19 Description ENTITY IfcObject; ObjectType INVERSE IsDefinedBy HasAssociations HasAssignments Decomposes IsDecomposedBy ENTITY IfcProduct; ObjectPlacement Representation INVERSE ReferencedBy ENTITY IfcElement; : OPTIONAL IfcText; : OPTIONAL IfcLabel; : SET OF IfcRelDefines FOR RelatedObjects; : SET OF IfcRelAssociates FOR RelatedObjects; : SET OF IfcRelAssigns FOR RelatedObjects; : SET OF IfcRelDecomposes FOR RelatedObjects; : SET [0:1] OF IfcRelDecomposes FOR RelatingObject; : OPTIONAL IfcObjectPlacement; : OPTIONAL IfcProductRepresentation; Tag : OPTIONAL IfcIdentifier ; INVERSE ConnectedTo ConnectedFrom ContainedInStructure ENTITY IfcBuildingElement; INVERSE ProvidesBoundaries HasOpenings FillsVoids ENTITY IfcWall; ENTITY IfcWallStandardCase; : SET OF IfcRelAssignsToProduct FOR RelatingProduct; : SET OF IfcRelConnectsElements FOR RelatingElement; : SET OF IfcRelConnectsElements FOR RelatedElement; : SET [0:1] OF IfcRelContainedInSpatialStructure FOR RelatedElements; : SET OF IfcRelSpaceBoundary FOR RelatedBuildingElement; : SET OF IfcRelVoidsElement FOR RelatingBuildingElement; : SET OF IfcRelFillsElement FOR RelatedBuildingElement; END_ENTITY; Tab. 3.1: Klassenhierarchie des Entity IfcWallStandardCase [ISP01] IfcLocalPlacement Das IfcLocalPlacement (siehe Tab. 3.2) definiert entweder die relative Lage eines Objektes (z. B. Wand, Öffnung,...) zu einem anderen oder die absolute Lage bezüglich des geometrischen Darstellungskontextes des Projektes (globales Koordinatensystem). Ein durch PlacementRelTo referenziertes IfcProduct ist innerhalb des lokalen Koordinatensystems eines anderen IfcProducts angeordnet. Für die Anwendung der relativen Platzierung sind folgende Vereinbarungen getroffen worden [ISP01]: IfcSite wird absolut innerhalb des Weltkoordinatensystems platziert, das durch den geometrischen Darstellungskontext des Projektes errichtet wurde. IfcBuilding wird im Verhältnis zum lokalen Koordinatensystem von IfcSite angeordnet. IfcBuildingStorey wird im Verhältnis zur lokalen Position von IfcBuilding angeordnet. IfcElement wird angeordnet relativ zum: - lokalen Koordinatensystem seines Containers (IfcSite, IfcBuilding, IfcBuildingStorey), - lokalen Koordinatensystems des IfcElements, an das es gebunden ist (IfcRelVoidsElement, IfcRelFillsElement, IfcRelCoversBldgElements, IfcRelAssemblesElements). ENTITY IfcLocalPlacement; ENTITY IfcObjectPlacement; INVERSE ReferencedByPlacements : SET OF IfcLocalPlacement FOR PlacementRelTo; ENTITY IfcLocalPlacement ; PlacementRelTo : OPTIONAL IfcObjectPlacement ; RelativePlacement : IfcAxis2Placement ; END_ENTITY ; Tab. 3.2: Klassenhierarchie des Entity IfcLocalPlacement [ISP01] 8

20 IfcOwnerHistory Die IfcOwnerHistory (siehe Tab. 3.3) dient der Identifikation der Person, die ein Objekt erzeugt hat und beinhaltet die letzte Änderung dieses Objektes. Zudem wird das CAAD- System, mit dem die Erzeugung / Änderung stattgefunden hat, festgehalten. Das Entity definiert alle für den Verlauf und die Identifizierung notwendigen Informationen. Um einen schnellen Zugriff auf diese Informationen zu gewährleisten, wird es direkt an alle unabhängigen Objekte, Beziehungen und Eigenschaften angehängt. ENTITY IfcOwnerHistory; ENTITY IfcOwnerHistory; OwningUser OwningApplication State ChangeAction LastModifiedDate LastModifyingUser LastModifyingApplication CreationDate : IfcPersonAndOrganization; : IfcApplication; : OPTIONAL IfcStateEnum; : IfcChangeActionEnum; : OPTIONAL IfcTimeStamp; : OPTIONAL IfcPersonAndOrganization; : OPTIONAL IfcApplication; : IfcTimeStamp; END_ENTITY; Tab. 3.3: Klassenhierarchie des Entity IfcOwnerHistory [ISP01] IfcProductDefinitionShape Die IfcProductDefinitionsShape (siehe Tab. 3.4) definiert alle relevanten Informationen der Geometrie eines Objektes. Es sind unterschiedliche geometrische Formdarstellungen des gleichen IfcProducts möglich. Beispielsweise kann eine Wand durch die Geometrien Axis (für die Wandführung), Body (für die eigentliche Wandgeometrie) und Boundingbox (Quader, der den Wandkörper umschließt) repräsentiert werden. ENTITY IfcProductDefinitionShape; ENTITY IfcProductRepresentation; Name Description Representations ENTITY IfcProductDefinitionShape; INVERSE HasShapeAspects : OPTIONAL IfcLabel; : OPTIONAL IfcText; : LIST [1:?] OF IfcRepresentation; : SET OF IfcShapeAspect FOR PartOfProductDefinitionShape; END_ENTITY; Tab. 3.4: Klassenhierarchie des Entity IfcProductDefinitionShape [ISP01] IfcBooleanClippingResult Das Entity IfcBooleanClippingResult (siehe Tab. 3.5) dient zur Begrenzung von Wänden. Es wird eine Ebene mit der Geometrie der Wand verschnitten und angegeben, welche Seite der Schnittebene ausgeblendet wird. Die Verschneidung eines geometrischen Körpers mit der Schnittebene darf nur in Richtungen erfolgen, die nicht bereits mit der Definition der Geometrie abgedeckt werden können. Zum Beispiel darf eine Wand nicht in Ihrer Länge durch ein IfcBooleanClippingResult gekürzt werden. Anwendung findet es beispielsweise bei den Giebelwänden. Der FirstOperand verweist dabei auf das Wandelement und der SecondOperand auf die Verschneidungsebene. ENTITY IfcBooleanClippingResult; ENTITY IfcRepresentationItem; ENTITY IfcGeometricRepresentationItem; ENTITY IfcBooleanResult; Operator FirstOperand SecondOperand DERIVE Dim ENTITY IfcBooleanClippingResult; : IfcBooleanOperator; : IfcBooleanOperand; : IfcBooleanOperand; : IfcDimensionCount := FirstOperand.Dim; END_ENTITY; Tab. 3.5: Klassenhierarchie des Entity IfcBooleanClippingResult [ISP01] 9