Entwicklung eines LoD Konzepts für digitale Bauwerksmodelle von Brücken und dessen Implementierung

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1 Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation Prof. Dr.-Ing. André Borrmann Entwicklung eines LoD Konzepts für digitale Bauwerksmodelle von Brücken und dessen Implementierung Franziska Mini Masterthesis für den Master of Science Studiengang Bauingenieurwesen Autor: Franziska Mini Matrikelnummer: Betreuer: Prof. Dr.-Ing. André Borrmann Singer Dominic M.Sc. Ausgabedatum: 15. Juni 2016 Abgabedatum: 30. November 2016

2 Abstract The future of the building industry is determined by the method of the Building Information Modeling (BIM). The publication made by the graduated scheme Digitales Planen und Bauen of the Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure in December 2015, stands for an impending change. The aim is the digitalization of the infrastructure planning and bridge construction until 2020, too. In order to meet the challenges arising by the scheme mentioned above, a structured approach is necessary. An important issue is the definition of the geometric and semantic information of a BIM-Model. Internationally, some specifications of the so called Level of Development (LoD) already exist. So far these definitions only refer to the building construction. This work investigates the development of a concept for the Level of Development definition for digital building models of bridges. In addition to convey a common understanding of the current status of a BIM-Model, a LoD concept is important for quality assurance. The first part focuses on the definition of the term BIM and the current developments in Germany and abroad. Furthermore, the terms Level of Development, Level of Detail and Level of Information are examined for the generation of a shared understanding. In literature the Level of Development and Level of Detail are known by the acronym LoD. As part of this work, an unique defintion of the abbreviation LoD is given. Finally, the basic chapter is finished by an analysis of national and international classificationsystems in relation to the bridge construction. The second part contains the development of the LoD concept for bridge design. After the necessary rules and software products are identified and addressed, the LoD concept is established for the following components of a bridge: superstructure, abutment, deep foundation, cap, railings, noise protection, protection against accidental contact, bearings, road surface and waterproofing, contraction joints as well as expansion joints. In the third part the implementation of the LoD concept in a BIM pilot project is shown, which took part in cooperation with the engineering company SSF Ingenieure AG. Finally, the work is finished by a conclusion, an evaluation and further development potentialities for the LoD concept.

3 Zusammenfassung Die Zukunft des Baugewerbes wird im Wesentlichen durch die Methode des Building Information Modeling (BIM) bestimmt werden. Die Veröffentlichung des Stufenplans Digitales Planen und Bauen vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur im Dezember 2015 verdeutlicht den bevorstehenden Wandel der Planungskultur. Dieser sieht die Digitalisierung des Infrastrukturbaus bis zum Jahr 2020 vor. Davon betroffen sind auch Brückenbauwerke. Um den Herausforderungen der BIM-Methode gerecht zu werden, ist eine strukturierte Herangehensweise erforderlich. Einen zentralen Aspekt stellt in diesem Zusammenhang die Definition der geometrischen und der zusätzlich enthaltenen semantischen Informationen dar. International wurden bereits Spezifikationen für die Festlegung dieser sogenannten Level of Development (LoD) für die verschiedenen Phasen der Projektabwicklung erarbeitet. Bisher beziehen sich die Konzepte jedoch nur auf den Hochbau. In der vorliegenden Arbeit soll ein LoD Konzept für digitale Bauwerksmodelle von Brücken entwickelt werden. Ein LoD Konzept ist, neben der Schaffung einer gemeinsamen Kommunikationsgrundlage, maßgebend für die Qualitätssicherung eines BIM-Modells. Der erste Teil behandelt als Einführung in die Thematik die Definition des Begriffs BIM und die aktuellen Entwicklungen der BIM-Methode im In- und Ausland. Zur Schaffung eines gemeinsamen Verständnisses werden die Begriffe Level of Development, Level of Detail und Level of Information analysiert und ihre Unterschiede aufgezeigt. Für das Akronym LoD, das in der Literatur sowohl für den Level of Development als auch für den Level of Detail verwendet wird, erfolgt eine eindeutige Definition. Die Behandlung internationaler und nationaler Klassifizierungssysteme in Bezug auf den Brückenbau beschließt das theoretische Grundlagenkapitel. Der zweite Teil enthält die Entwicklung des LoD Konzepts für ausgewählte Brückenbauteile. Nach der Vorstellung der verwendeten Regelwerke und Richtlinien sowie der eingesetzten Softwareprodukte, wird das LoD Konzept für folgende ausgewählte Brückenbauteile erarbeitet: Überbau, Widerlager, Tiefgründung, Kappe, Geländer, Lärmschutzwand, Berührungsschutz, Lager, Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung, Scheinfugen sowie Dehnfugen und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten. Im dritten Teil erfolgt die Umsetzung des LoD Konzepts anhand eines BIM-Pilotprojekts in die Praxis. Dies wurde in Kooperation mit dem Planungsbüro SSF Ingenieure AG durchgeführt. Eine Zusammenfassung, Bewertung und das Aufzeigen weiterer Entwicklungsmöglichkeiten des LoD Konzepts für digitale Brückenmodelle beschließen diese Arbeit.

4 iv Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Einführung und Motivation Ziele der Arbeit Aufbau der Arbeit Theoretische Grundlagen Building Information Modeling Begriffsdefinition Stand der Einführung im Ausland Stand der Einführung im Inland Detaillierungsgrade der Modellelemente Detaillierung traditioneller Planung versus digitaler Planung Level of Development Level of Detail Level of Information Zusammenfassung der Detaillierungsgrade der Modellelemente BIM-Anforderungsmanagement Klassifizierungssysteme Internationale Klassifizierungssysteme Nationale Klassifizierungssysteme Entwicklung eines LoD Konzepts für den Brückenbau Regelwerke für den Brücken- und Ingenieurbau Verwendete Softwareprodukte Autodesk Revit Dynamo Allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau Definition der Level of Development für ausgewählte Brückenbauteile Definition der Level of Geometry für ausgewählte Brückenbauteile Definition der Level of Information für ausgewählte Brückenbauteile. 52

5 4 Implementierung am Beispiel eines BIM-Pilotprojekts Projektübersicht Bauvorhaben Ablauf der Projektbearbeitung BIM-Zielsetzungen und BIM-Anwendungsfälle BIM-Teilmodelle und Grundlagen für die Modellerstellung Vorgehensweise der Modellerstellung Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen Vorplanung (Variantenentscheidungsmodelle) Entwurfsplanung Ausschreibung Zusammenfassung 78 6 Ausblick 82 Anhang 84

6 vi Abkürzungsverzeichnis 2D 3D 4D 5D ABDSB AEC AIA ASB-ING AVA BAP BASt BIM BMVI BSI CSI FGSV G HOAI ISO LB LB-StB By LoD LoG LoI LSW MEA NURBS OCCS RAB-ING RiZ-ING SIB Zweidimensional Dreidimensional Dreidimensionale Geometrie mit Zeit Dreidimensionale Geometrie mit Zeit und Kosten Autobahndirektion Südbayern Architecture, Engineering and Construction Auftraggeberinformationsanforderungen Anweisung Straßeninformationsbank, Teilsystem Bauwerksdaten Ausschreibung, Vergabe, Abrechnung BIM-Abwicklungsplan Bundesanstalt für Straßenwesen Building Information Modeling Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur British Standard Institution Construction Specifications Institute Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen Grade Honorarordnung für Architekten und Ingenieure International Organization for Standardization Leistungsbereiche Leistungsbeschreibung für den Straßen- und Brückenbau in Bayern Level of Development Level of Geometry Level of Information Lärmschutzwand Model Element Author Non-uniform rational B-Splines OmniClass Construction Classification System Richtlinien für das Aufstellen von Bauwerksentwürfen für Ingenieurbauten Richtzeichnungen für Ingenieurbauten Straßeninformationsbank

7 SSF STLK Uniclass VOB ZTV SSF Ingenieure AG Standardleistungskatalog für den Straßen- und Brückenbau Unified Classification for the Construction Industry Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen

8 viii Abbildungsverzeichnis 2.1 BIM über den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks (eigene Darstellung in Anlehnung an Borrmann et al. (2015)) BIM-Reifegradmodell der BIM Task Group (Borrmann et al., 2015) Schematische Darstellung des BIM-Stufenplans (eigene Darstellung in Anlehnung an BMVI (2015)) Referenzprozess BIM (BMVI, 2015) Schematische Darstellung der Level of Development (Borrmann et al., 2015) Schematische Darstellung der Level of Detail (AEC, 2012) Model Element Table (BIMforum, 2015) Beispiel einer Attribut Tabelle der Model Element Table (BIMforum, 2015) Aufbau Uniclass2015 (eigene Darstellung in Anlehnung an NBS (2016)) RIZ-ING für Widerlagerflügel mit Kappe (BMVI, 2016) Graphische Repräsentation von Dynamo am Beispiel eines Pseudocodes Zuordnung der Level of Geometry zu den Leistungsphasen nach HOAI LoG 200 Überbau LoG 300 Überbau LoG 200 Widerlager LoG 300 Widerlager LoG 200 Tiefgründung LoG 300 Tiefgründung LoG 200 Kappe LoG 300 Kappe LoG 200 Geländer LoG 300 Geländer LoG 400 Geländer LoG 200 LSW LoG 300 LSW LoG 400 LSW LoG 200 Berührungsschutz LoG 300 Berührungsschutz

9 3.20 LoG 400 Berührungsschutz LoG 200 Lager LoG 300 Lager LoG 400 Lager LoG 450 Lager LoG 500 Lager LoG 200 Belag LoG 300 Belag LoG 400 Belag LoG 300 Abschlussprofil LoG 400 Abschlussprofil LoG 300 Scheinfugen LoG 400 Scheinfugen LoG 300 Dehnfuge LoG 400 Dehnfuge Aufbau der Tabellen für die Definition der Level of Information Definition der Level of Information Tabelle A Definition der Level of Information Tabelle B Definition der Level of Information Tabelle C Definition der Level of Information Tabelle D Lageplan Bauwerk Übersicht über die BIM-Anwendungsfälle in den einzelnen Leistungsphasen (SSF Ingenieure AG, 2016a) Bestandsmodell IST-Zustand: Bestandsmodell und Abbruchmodell SOLL-Zustand: Bestandsmodell und Neubaumodell Zwischenzustand: Dargestellt ist das Abbruchmodell der Richtungsfahrbahn Nürnberg und das Verbaumodell Auslesen der Koordinaten aus AutoCAD und Aufbereiten der Daten in Excel Erstellen der Trassierung und Einfügen der Koordinatensysteme in jedem Punkt der Gradiente in Dynamo Erstellen einer Ortbetonplatte in Dynamo und Importieren des Bauteils in Revit Neubaumodell Vorplanung - Variante Level of Information Neubaumodell Vorplanung - Variante Neubaumodell Vorplanung - Variante Neubaumodell Entwurfsplanung Level of Information Neubaumodell Entwurfsplanung

10 x Tabellenverzeichnis 2.1 Definition der Level of Development (BIMforum, 2015) Definition der Level of Detail (AEC, 2012) Allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau (Aufbau der Tabelle in Anlehnung an Liebich & Hausknecht (2016)) Definition der Level of Geometry Überbau Definition der Level of Geometry Widerlager Definition der Level of Geometry Tiefgründung Definition der Level of Geometry Kappe Definition der Level of Geometry Geländer Definition der Level of Geometry Lärmschutzwand Definition der Level of Geometry Berührungsschutz Definition der Level of Geometry Lager Definition der Level of Geometry Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung Definition der Level of Geometry Abschlussprofil für die Abdichtung Definition der Level of Geometry Scheinfugen Definition der Level of Geometry Dehnfuge und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten Level of Geometry Neubaumodell Vorplanung - Variante Level of Geometry Neubaumodell Vorplanung - Variante Level of Geometry Neubaumodell Entwurfsplanung

11 1 1.Einleitung 1.1 Einführung und Motivation Konventionell wird die Planung eines Bauwerks mit 2D-Plänen durchgeführt. Diese Herangehensweise, die auf der traditionellen Entwurfsarbeit mit Hilfe eines Zeichenbretts basiert, ist heute noch weit verbreitet. Die Vorteile computergestützter Modellierung werden von 2D-CAD-Programmen allerdings nur ansatzweise genutzt. Building Information Modeling (BIM) stellt eine neue Generation von Planungswerkzeugen dar, die auf einem digitalen Bauwerksinformationsmodell beruhen (Günthner & Borrmann, 2011). Die Digitalisierung des Bauwesens wird die Zukunft des Planens, Bauens und Betreibens von Bauwerken wesentlich bestimmen. Zu den Vorteilen zählen die Gewährleistung einer hohen Planungs-, Kostenund Terminsicherheit. Durch die konsequente Weiternutzung der Informationen vom Entwurf über die Planung, Ausführung und Bewirtschaftung, bis hin zum Rückbau, lässt sich die bisher fehlerbehaftete und aufwändige Wiedereingabe der Daten umgehen. Somit können Informationsverluste reduziert werden (Borrmann et al., 2015). Zusätzlich können frühzeitige Kollisionsprüfungen erfolgen, wodurch Widersprüche weitgehend vermieden werden. Weitere Vorteile sind eine verbesserte visuelle Darstellung von möglichen Varianten und eine transparente Projektabwicklung durch die Verwendung computergestützter Simulation (BMVI, 2015). Derzeit fokussiert sich der Einsatz der BIM-Methode vorwiegend auf den Hochbau. Die hierfür entwickelten Softwarewerkzeuge und Datenaustauschformate sind bereits weitgehend ausgearbeitet und werden für die Durchführung von BIM-Projekten weltweit eingesetzt. Die Anwendung für Infrastrukturbauwerke stellt die Planer und die verwendeten Softwareprodukte vor neue Herausforderungen und Projekterfahrungen müssen noch gesammelt werden. Das Potenzial der Durchführung von Infrastrukturprojekten mit der BIM-Methode wird von vielen Teilen der Bauwirtschaft und den staatlichen Auftraggebern als besonders groß beurteilt (König et al., 2016a). Damit die Beteiligten bei der Bewältigung dieser Aufgabe unterstützt werden und um sie mit den zukünftigen Anforderungen vertraut zu machen, wurde im Dezember 2015 der

12 1.1. Einführung und Motivation 2 Stufenplan Digitales Planen und Bauen vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) veröffentlicht. Der BIM-Stufenplan für Deutschland sieht die Einführung der BIM-Methode für alle neu zu planenden Projekte im Bereich des Verkehrsinfrastrukturbaus bis zum Jahr 2020 vor. Die Dringlichkeit der Einführung zeigen auch die Ansprüche der Deutschen Bahn, die ab 2017 verbindlich mit der BIM-Methode arbeiten wird (BMVI, 2015). Mit der Einführung des BIM-Stufenplans ist der Einsatz der BIM-Methode ebenfalls für den Brückenbau vorgesehen. Um die zuständigen Behörden und Unternehmen auf die speziellen Anforderungen eines BIM-Projekts vorzubereiten, werden aktuell Pilotprojekte im Auftrag des BMVI durchgeführt und wissenschaftlich begleitet (König et al., 2016b). Bis zum Jahr 2020 werden weitere Pilotvorhaben folgen. Um den besonderen Herausforderungen der BIM-Methode als ganzheitliche Lösung gerecht zu werden, ist eine strukturierte Herangehensweise notwendig. So ist vor Projektbeginn die Erstellung eines BIM-Abwicklungsplans (BAP) erforderlich. Dieser wird auf der Basis der vom Auftraggeber erarbeiteten Auftraggeberinformationsanforderungen (AIA) erstellt. Der BIM-Abwicklungsplan fasst alle Aktivitäten der Auftragnehmer eines BIM-Projekts zusammen, wodurch deren Zusammenarbeit geordnet und der Projektablauf vereinfacht wird (Drees und Sommer & Vrame, 2016). Ein besonders wichtiger Punkt ist die Festlegung, welche Teile der Planung bis wann, von wem, wofür und wie übergeben werden müssen (BMVI, 2015). In diesem Zusammenhang ist die Spezifikation der Modelle bezüglich der geometrischen Detaillierungsgrade und der zusätzlich enthaltenen semantischen Informationen notwendig. Von internationalen Organisationen wurden für die Definition der geometrischen und semantischen Detaillierung eines digitalen Bauwerksmodells bereits spezielle Konzepte entwickelt. In der Literatur sind diese als LoD Konzepte bekannt. Verwiesen wird auf die Spezifikation des American Institute of Architects (AIA, 2013a) und die darauf aufbauenden Festlegungen des amerikanischen BIMforums (BIMforum, 2015). Die Konzepte konzentrieren sich jedoch ausschließlich auf den Hochbau. Für digitale Bauwerksmodelle von Brücken liegt derzeit noch kein Konzept vor, das die geometrischen und semantischen Detaillierungsgrade für Brückenbauteile in den verschiedenen Phasen eines BIM-Projekts definiert. Mit der Veröffentlichung des BIM-Stufenplans durch das BMVI und somit auch die Forderung, Brücken in Zukunft mit Hilfe der BIM-Methode zu planen, ist die Entwicklung eines LoD Konzepts speziell für den Brückenbau notwendig. Das LoD Konzept ist zum einen für die Festlegung der Ziele von Bedeutung, die am Ende der Planungsphase erreicht sein sollen, zum anderen ermöglicht es eine eindeutige Kommunikation zwischen den Planungsbeteiligten (Maier, 2015). Ein weiteres Problem bei dem Einsatz der BIM-Methode ist, dass Informationen aus dem Modell gezogen werden können, obwohl sie vom Ersteller des Modells nicht beabsichtigt waren. Zum Beispiel können Abmessungen präzise aus dem Modell gemessen werden, obwohl das Modellelement erst mit ungefähren Maßen modelliert wurde. Durch

13 1.2. Ziele der Arbeit 3 die Verwendung eines LoD Konzepts wird es dem Ersteller ermöglicht, eindeutig zu definieren in welcher Bearbeitungstiefe sich das Modellelement befindet und auf welche Informationen sich der Nutzer verlassen kann (BIMforum, 2015). Darüber hinaus ist ein LoD Konzept für die Qualitätssicherung relevant, da die Anforderungen an die modellierte Geometrie und die geforderten semantischen Informationen in den jeweiligen Bearbeitungstiefen festgelegt und nachvollzogen werden können (Maier, 2015). Die Prüfung der Modelle kann somit eindeutig erfolgen. Die aktuellen Entwicklungen der Digitalisierung des Infrastrukturbaus und die aufgezeigten Probleme bei dem Einsatz der BIM-Methode, verdeutlichen die Dringlichkeit der Definition für die geometrische und semantische Detaillierung eines digitalen Brückenmodells. Daher beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der folgenden Aufgabenstellung: Entwicklung eines LoD Konzepts für digitale Bauwerksmodelle von Brücken und dessen Implementierung 1.2 Ziele der Arbeit Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines LoD Konzepts für digitale Bauwerksmodelle von Brücken. Da sich bisherige Spezifikationen nur auf den Hochbau konzentrieren, soll dieses Konzept erstmals die Detaillierungsgrade in den einzelnen Planungsphasen für ausgewählte Brückenbauteile aufzeigen. Neben der Detailtiefe der modellierten Geometrie, soll der Detaillierungsgrad der semantischen Informationen im fortschreitenden Projektverlauf berücksichtigt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Beschreibung der Detailstufen in Bezug auf die projektabhängigen BIM-Anwendungsfälle. Es ist darauf zu achten, dass das Konzept projektspezifisch eingesetzt werden kann. Dieses Ziel wird mit der Umsetzung des LoD Konzepts anhand eines BIM-Pilotprojekts beispielhaft umgesetzt. Die Erarbeitung des Konzepts und dessen Implementierung erfolgt in Kooperation mit dem Planungsbüro SSF Ingenieure AG (SSF). Als Grundlage für die Entwicklung eines LoD Konzepts für Brücken, wird im Vorfeld der Aufbau von entsprechend bestehenden Konzepten für den Hochbau betrachtet. Ziel ist zum einen die Untersuchung bestehender LoD Spezifikationen für den Hochbau. Zum anderen soll eine eindeutige Definition des Akronyms LoD erfolgen, das in der Literatur sowohl für den Begriff Level of Development als auch für den Level of Detail verwendet wird. Zudem werden die Unterschiede der Schlagwörter Level of Development, Level of Detail und Level of Information analysiert. Nicht zuletzt soll diese Arbeit als Basis für weitere Entwicklungen eines LoD Konzepts für digitale Brückenmodelle dienen. Dazu werden im Ausblick verschiedene Entwicklungsmöglichkeiten ausgearbeitet.

14 1.3. Aufbau der Arbeit Aufbau der Arbeit Um die formulierte Aufgabenstellung beantworten zu können, wird in Kapitel 2 ein theoretisches Grundgerüst für die weitere Bearbeitung geschaffen. Zunächst soll ein Einstieg in die Thematik von BIM gegeben werden. Neben einer Definition des Begriffs BIM wird der Stand der Einführung im In- und Ausland beleuchtet. Um ein gemeinsames Verständnis der Schlagwörter Level of Development, Level of Detail und Level of Information zu erhalten, werden diese zuerst in Bezug auf den Hochbau analysiert. Danach wird eine eindeutige Definition des Akronyms LoD erarbeitet. Auf mögliche Lösungsvorschläge für die Beschreibung der geometrischen und semantischen Detaillierungsgrade, bezüglich der projektspezifischen Vorgaben, wird im Abschnitt BIM-Anforderungsmanagement eingegangen. Damit das BIM-Modell von verschiedenen Analysewerkzeugen, wie zum Beispiel für die Kostenermittlung verwendet werden kann, ist der Einsatz von Klassifizierungssystemen unabdingbar. Zum Abschluss des Kapitels werden internationale und nationale Klassifizierungssysteme im Hinblick auf den Brückenbau behandelt. Dazu zählen Uniclass, OmniClass, der Standardleistungskatalog für den Straßen- und Brückenbau (STLK) und die Leistungsbeschreibung für den Straßen- und Brückenbau in Bayern (LB-StB By). Darauf aufbauend, folgt in Kapitel 3 die Entwicklung eines LoD Konzepts für den Brückenbau. Dazu werden zu Beginn die zugrunde gelegten Regelwerke und die verwendeten Softwareprodukte Autodesk Revit 2016 und Dynamo 1.0 vorgestellt. Nach einer allgemeinen Festlegung der Level of Development (LoD) für den Brückenbau, werden diese daraufhin für ausgewählte Brückenbauteile definiert. Dazu zählen der Überbau, Widerlager, Tiefgründung, Kappe, Geländer, Lärmschutzwand, Berührungsschutz, Lager, Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung, Scheinfugen sowie Dehnfugen und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten. Kapitel 4 zeigt die Umsetzung des entwickelten LoD Konzepts anhand eines BIM-Pilotprojekts. Bei dem Projekt handelt es sich um eine Autobahnbrücke nordöstlich von München. Einen Teil der Planung übernimmt das Unternehmen SSF. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Durchführung des BIM-Pilotprojekts unterstützt. Zu Beginn des Kapitels wird eine Übersicht über das Projekt sowie die benötigten Grundlagen für dessen Umsetzung und die Vorgehensweise der Modellerstellung gegeben. Daraufhin wird auf die Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen eingegangen. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Behandlung der Vorplanung und Entwurfsplanung. Ein Ausblick auf die ausstehende Ausschreibung beschließt dieses Kapitel. Kaptitel 5 fasst den Theorie- und Praxisteil zusammen. Ein Fazit sowie ein Ausblick auf weitere Entwicklungsmöglichkeiten des LoD Konzepts beenden die Arbeit.

15 5 2.Theoretische Grundlagen Das Kapitel 2 erläutert die theoretischen Grundlagen für die weitere Bearbeitung der formulierten Aufgabenstellung. Um ein gemeinsames Verständnis zu erhalten, wird im ersten Abschnitt der Begriff BIM definiert. Anschließend werden die aktuellen Entwicklungen der Einführung von BIM im In- und Ausland behandelt. Für die in der Aufgabenstellung verwendete Abkürzung LoD kursieren in der Literatur verschiedene Ausformulierungen und Definitionen. Um Klarheit zu schaffen, werden im zweiten Abschnitt die Begriffe Level of Detail, Level of Development und Level of Information erläutert und deren Unterschiede aufgezeigt. Anschließend behandelt der Abschnitt BIM-Anforderungsmanagement Möglichkeiten über die Festlegung, welche Teile der Planung bis wann, von wem, wofür und wie übergeben werden müssen. Zum Abschluss erfolgt die Untersuchung vorhandener Klassifizierungssysteme in Bezug auf den Brückenbau. 2.1 Building Information Modeling Begriffsdefinition Die Abkürzung BIM steht sowohl für ein virtuelles digitales 3D-Bauwerksmodell, das Building Information Model, als auch für den Prozess, dieses Modell zu erstellen, zu verwalten und zu nutzen, der als Building Information Modeling bezeichnet wird (Borrmann et al., 2015). Ein Building Information Model enthält neben der dreidimensionalen Darstellung der Geometrie auch semantische Informationen wie Kosten, Typinformationen oder technische Eigenschaften (Borrmann et al., 2015). Diese dreidimensionalen Bauwerksmodelle werden auf der Basis von vordefinierten Bauteilobjekten realisiert. Im Unterschied zur reinen 3D-Modellierung erlaubt die bauteilorientierte Modellierung neben der Ableitung konsistenter DIN-gerechter Pläne auch die Anwendung verschiedener Analyse- und Simulationswerkzeuge (Borrmann et al., 2015; Günther & Borrmann, 2011). Ziel des Building Information Models ist die zentrale, objektbasierte und durchgängige Verwaltung und Koordination möglichst aller wesentlichen Projektinformationen (Egger et al., 2013).

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19 2.1. Building Information Modeling 9 Der Stufenplan definiert zum einen ein gemeinsames Verständnis der BIM-Methode, zum anderen werden Anforderungen bezüglich der digitalen Bauwerksmodelle und der gemeinschaftlichen Arbeit mit BIM festgelegt. Die Beteiligten erfahren somit, welche Anforderungen sie zukünftig bewältigen müssen. Der Drei-Stufen-Plan bietet ihnen die Möglichkeit, sich auf die Veränderungen einzustellen und entsprechend zu reagieren. Hauptsächlich betroffen sind öffentliche Bauvorhaben im Bereich des Infrastrukturbaus. Auch private Auftraggeber können als Grundlage für die Einführung der BIM-Methode auf den Stufenplan zurückgreifen (BMVI, 2015). Die bis zum Jahr 2020 geforderten Anforderungen des Leistungsniveaus 1 gliedern sich in die Bereiche Prozesse, Daten und Qualifikationen. Bezüglich der Daten hat der Auftraggeber in den Auftraggeberinformationsanforderungen zu definieren, welche Daten wann, in welcher Detailtiefe und in welchem Format vom Auftragnehmer zur Verfügung gestellt werden müssen (BMVI, 2015). In einem BIM-Abwicklungsplan ist der Prozess zur Herstellung der in den Auftraggeberinformationsanforderungen geforderten Daten festzulegen. Der Auftraggeber ist verantwortlich für die Erstellung des BIM-Abwicklungsplans, kann diese Aufgabe aber vertraglich auf den Auftragnehmer übertragen. Neben den Festlegungen des Datenabgleichs soll eine gemeinsame Datenumgebung für einen verlustfreien Austausch und Aufbewahrung der Daten geschaffen werden. Da jedes Bauprojekt ein Unikat darstellt, unterscheiden sich die Prozesse von Projekt zu Projekt. Es ist jedoch möglich, einen übergeordneten Referenzprozess zu definieren, der in Abbildung 2.4 auf der nachfolgenden Seite dargestellt ist (BMVI, 2015).

20 2.1. Building Information Modeling 10 Abbildung 2.4: Referenzprozess BIM (BMVI, 2015) Der Referenzprozess beschreibt das Prinzip der Informationsbereitstellung und das entsprechende Projektmanagement u ber die verschiedenen Leistungsphasen fu r alle Vergabeund Vertragsarten. Bei der projektbezogenen Erstellung des BIM-Abwicklungsplans kann auf die Grobstruktur dieses Referenzprozesses zuru ckgegriffen werden. Am Anfang eines BIM-Projekts (gru ner Bereich) ist die Anfertigung der Auftraggeberinformationsanforderungen durch den Auftraggeber notwendig. Auf der Basis der Auftraggeberinformationsanforderungen wird daraufhin der BIM-Abwicklungsplan durch den Auftragnehmer erstellt. Die hell- und dunkelblauen Bereiche stehen fu r die HOAI-Leistungsphasen 1 bis 8, in denen die Informationen in einer gemeinsamen Datenumgebung erstellt und bereitgestellt werden. Die roten Punkte stellen die Zeitpunkte fu r die Datenu bergaben an den Auftraggeber dar, die projektspezifisch variieren ko nnen. Die Phasen fu r den Betrieb und Unterhalt (brauner Bereich) sowie fu r den Ru ckbau (roter Bereich) runden den Lebenszyklus eines Bauwerks ab (BMVI, 2015). Als letzter Punkt der Anforderungen des Leistungsniveaus 1 muss der Auftragnehmer entsprechende BIM-Kompetenzen und die Bereitschaft zur partnerschaftlichen Zusammenarbeit nachweisen (BMVI, 2015).

21 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente Detaillierungsgrade der Modellelemente Digitale Bauwerksinformationsmodelle bestehen aus einzelnen Modellelementen, die der digitalen Abbildung der funktionellen und physischen Eigenschaften eines wirklichen Bauteils entsprechen. Diese Eigenschaften sind zusätzliche zur modellierten Geometrie enthaltene geometrische und semantische Informationen. Zu den geometrischen Informationen zählen sowohl Parameter wie Länge, Breite, Höhe als auch Auswertungsinformationen wie Fläche und Volumen. Semantische Informationen sind beispielsweise Material, Bauteilklassifikationen oder Herstellerangaben. Im Projektfortschritt bleibt die Informationstiefe eines Modellelements nicht gleich, sondern wächst an (Liebich & Hausknecht, 2016). Die geometrische und semantische Detaillierung der Modellelemente wird mit Detaillierungsgraden beschrieben. Nach einer Gegenüberstellung der Detaillierung traditioneller Planung und digitaler Planung, wird in den folgenden Abschnitten auf das in der Aufgabenstellung verwendete Akronym LoD eingegangen. LoD wird in der Literatur häufig mit Level of Development oder Level of Detail ausformuliert. Die Verwendung einer Abkürzung für zwei Begriffe führt oft zu Verwechslungen. Aus diesem Grund werden zunächst die Begriffe Level of Development, Level of Detail und Level of Information erläutert und deren Unterschiede herausgearbeitet. Zusammenfassend wird die Abkürzung LoD für die Verwendung im Rahmen dieser Arbeit eindeutig definiert. Abschließend wird ein Überblick über die Möglichkeiten des BIM-Anforderungsmanagements gegeben Detaillierung traditioneller Planung versus digitaler Planung In der traditionellen, zeichnungsorientierten Planung von Bauwerken werden die Leistungsphasen in verschiedenen 2D-Planungsmaßstäben abgebildet. In der Anfangsphase wird ein grober Maßstab (zum Beispiel 1:200) verwendet, der noch wenig detailgetreu ist. Im Laufe der fortschreitenden Planung werden Detailzeichnungen (Maßstab 1:10) erstellt, die alle zur Herstellung notwendigen Informationen mit höchster Zuverlässigkeit enthalten (Borrmann et al., 2015; Egger et al., 2013). Der Maßstab bestimmt, welche graphischen Details eines Bauteils dargestellt werden und steuert somit die Detaillierung (Liebich & Hausknecht, 2016). Bei der digitalen Planung liegt das BIM-Modell, das bezüglich seiner geometrischen Ausprägung einem digitalen Geometriemodell entspricht (siehe auch Abschnitt 2.1.1), immer im Maßstab 1:1 vor. Die Abbildung auf 2D-Pläne erfolgt erst durch dynamische Planableitung. Da aufgrund der parametrischen Beschreibung der Geometrie bestimmte Details unterdrückt werden, lässt sich die Detailtiefe eines BIM-Modells nicht über die abgeleiteten Pläne beschreiben und ist nicht von diesen abhängig. Daher ist eine unabhängige Definition der Detaillierungsgrade notwendig, die für die digitale Auswertbarkeit der Planungsinformatio-

22 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente 12 nen von Bedeutung ist. Die zu einem bestimmten Planungszeitpunkt vorhandene Detailtiefe muss vollständig und ausreichend belastbar sein, um ohne menschliche Hilfe direkt von anderen Softwareprogrammen interpretiert zu werden (Liebich & Hausknecht, 2016). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der traditionellen Planung der Maßstab beschreibt, wie etwas dargestellt wird. Es steht im Vordergrund, wie Pläne einheitlich und richtig interpretiert werden. Bei der digitalen Planung legt der Detaillierungsgrad fest, was übergeben wird. Das bedeutet, welche fachlichen Informationen das BIM-Modell enthalten muss (Liebich & Hausknecht, 2016) Level of Development Für die Projektbeteiligten stellt der Level of Development ein Maß für die Genauigkeit des Inhalts und der Zuverlässigkeit eines BIM-Modells dar. Der als Fertigstellungs-, Reifeoder Ausarbeitungsgrad bezeichnete Level of Development beschreibt, wie überlegt die Verknüpfung der geometrischen Darstellung und dem Modell hinzugefügten semantischen Informationen ist (BIMforum, 2015). Derzeit liegen in Deutschland noch keine allgemein anerkannten Standards oder Beispiele für den Level of Development vor (Egger et al., 2013). Wirft man jedoch einen Blick ins Ausland, findet man eine Vielzahl an landeseigenen Definitionen. Im Jahr 2008 wurde der Level of Development erstmals durch das American Institute of Architects spezifiziert (AIA, 2013a). Darauf aufbauend, veröffentlichte das BIMforum die Level of Development Spezifikationen für den Hochbau (BIMforum, 2015). Die inhaltlichen Mindestanforderungen erstrecken sich vom Level of Development 100 für die konzeptionelle Annäherung zu Beginn eines BIM-Projekts bis zum Level of Development 500 für die präzise Darstellung zum Ende der Projektabwicklung. Jedes Level baut auf dem vorherigen auf und beinhaltet alle Informationen des vorherigen Levels (AIA, 2013a). In der nachfolgenden Tabelle werden in Anlehnung an das BIMforum (2015) die sechs Stufen des Level of Development für den Hochbau definiert.

23 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente 13 Level of Development Beschreibung 100 Das Modellelement kann graphisch innerhalb des Modells in Form eines Symbols oder einer anderen allgemeinen Abbildung vorhanden sein, entspricht jedoch nicht den Anforderungen des Level of Development 200. Es besitzt hinsichtlich seiner Form, Abmessung oder Lage keine eigene geometrische Darstellung. Zusätzliche Informationen können an andere Modellelemente angehängt werden. 200 Das Modellelement ist graphisch innerhalb des Modells als allgemeines System, Objekt oder Baugruppe mit ungefährer Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung vorhanden. Modellelemente dieser Kategorie stellen entweder Volumenkörper als Platzhalter dar oder sind bereits als die Bauteile, die sie darstellen sollen, erkennbar. Einfache semantische Informationen können enthalten sein. 300 Das Modellelement ist graphisch innerhalb des Modells als System, Objekt oder Baugruppe mit exakter Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung vorhanden, die direkt aus dem Modell ermittelt werden können. Semantische Informationen können enthalten sein. 350 Das Modellelement ist graphisch innerhalb des Modells als System, Objekt oder Baugruppe mit exakter Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung vorhanden und fungiert als Schnittstelle zu anderen Gebäudesystemen. Semantische Informationen können enthalten sein. 400 Das Modellelement ist graphisch innerhalb des Modells als präzises System, Objekt oder Baugruppe mit exakter Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung vorhanden, die direkt aus dem Modell ermittelt werden können. Es enthält zudem notwendige semantische Informationen zur Herstellung, Installation und Montage des Bauteils. Weitere semantische Informationen können enthalten sein. 500 Das Modellelement ist eine auf der Baustelle überprüfte Repräsentation des realen Bauteils (As-Built) in Bezug auf Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung. Semantische Informationen können enthalten sein. Tabelle 2.1: Definition der Level of Development (BIMforum, 2015)

24 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente 14 Folgende Abbildung veranschaulicht die in Tabelle 2.1 definierten Level of Development am Beispiel einer Stahlstütze und ihrer benachbarten Bauteile. Level of Development 500 wird nicht gezeigt (Borrmann et al., 2015). Level of Development 500 entspricht dem As-Built Zustand des Bauteils. Weicht die überprüfte Repräsentation des Bauteils von dem Level of Development 400 ab, so ist für das Level of Development 500 eine Nachführung des Modellelements gemäß eingebauten Zustand notwendig. Ansonsten stimmt das Level of Development 500 mit dem Level of Development 400 überein. Abbildung 2.5: Schematische Darstellung der Level of Development (Borrmann et al., 2015) Im Folgenden werden die in Abbildung 2.5 schematisch dargestellten Level of Development einer Stahlstütze und ihrer benachbarten Bauteile beschrieben. Level of Development 100: Die Stahlstütze wird in Form eines allgemeinen Symbols dargestellt. Level of Development 200: Die Stahlstütze wird typgerecht mit ungefährer Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung dargestellt. Level of Development 300: Die Stahlstütze wird mit exakter Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung dargestellt. Semantische Informationen wie Material oder Oberflächenbehandlung können enthalten sein. Level of Development 350:: Die Stahlstütze wird zusammen mit seinem Anschluss an das darunterliegende Bauteil dargestellt. Zusätzlich werden typische Befestigungsobjekte, wie Knotenbleche oder Ankerstangen, mit exakter Orientierung modelliert. Level of Development 400: Zusätzlich werden Schweißnähte, Unterlegscheiben, Muttern und sonstige Montageelemente dargestellt (BIMforum, 2015). Level of Development 500: Der Level of Development 500 entspricht einer überprüften Repräsentation des realen Bauteils (As-Built). Level of Development 500 wird in Abbildung 2.5 nicht gezeigt. Neben den geforderten Ansprüchen an die inhaltlichen Mindestanforderungen der Modellelemente legt das Dokument AIA (2013a) zusätzlich fest, ab welchem Ausarbeitungs-

25 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente 15 grad die Modellelemente für bestimmte Berechnungen und Auswertungen, wie Analysen und Kostenschätzungen, verwendet werden dürfen (Authorized Uses). Dadurch soll die unbegrenzte Weiternutzung eines Modells und aller darin enthaltenen Informationen verhindert werden. Es ist zudem zu beachten, dass innerhalb eines Modells die einzelnen Modellelemente verschiedene Level of Development besitzen können. Beispielsweise können mehrere Elemente dem Level of Development 200 zugeordnet werden, es können aber auch Elemente im Level of Development 300 oder 400 vorliegen (AIA, 2013b). Die Spezifikation des Level of Development darf nicht als Ersatz eines BIM-Ablaufplans gesehen werden. Da sich viele Informationen von Projekt zu Projekt unterscheiden, ist die Definition der Detaillierungsgrade eine wichtige Komponente des BIM-Abwicklungsplans. Die Spezifikation stellt lediglich einen Standard dar, auf den im BIM-Abwicklungsplan Bezug genommen werden kann (BIMforum, 2015). An dieser Stelle ist auf Abschnitt zu verweisen, in dem die Möglichkeiten einer umfassenden Definition der Modellanforderungen aufgezeigt werden Level of Detail Nach der AEC UK Initiative (AEC, 2015) wird der Level of Detail, der auch als Grade (G) bezeichnet wird, wie folgt definiert: [Level of Detail] Specifies the intended graphical scale and how much detail is contained in the object (e.g. 1:100, 1:20). (AEC, 2015, S. 37) Der Level of Detail beschreibt somit die Detailgenauigkeit der Modellelemente. Er stellt ein Maß für die Quantität der Details dar (BIMforum, 2015). Folgende vier Stufen werden von der AEC UK Initiative spezifiziert (AEC, 2012): Grade Beschreibung G 0 Das Modellelement wird als symbolischer Platzhalter dargestellt (schematische Darstellung). G 1 G 2 G 3 Das Modellelement wird als einfacher Platzhalter mit geringer Detailtiefe dargestellt (konzeptionelle Darstellung). Die Abbildung entspricht den Maßstäben 1:500 und 1:200. Das Modellelement entspricht einer detaillierten Darstellung für Design und Konstruktion mit mittlerer Detailtiefe (explizite Darstellung). Die Abbildung entspricht den Maßstäben 1:100 und maximal 1:50. Das Modellelement entspricht einer vollständigen Darstellung zu Visualisierungszwecken mit hoher Detailtiefe (gerenderte Darstellung). Tabelle 2.2: Definition der Level of Detail (AEC, 2012)

26 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente 16 Die von der AEC UK Initiative definierten Level of Detail werden am Beispiel eines Stuhls veranschaulicht. Dieses Beispiel wird mit Beschreibung im Folgenden gezeigt. Grade 0 wird nicht abgebildet. Abbildung 2.6: Schematische Darstellung der Level of Detail (AEC, 2012) Grade 1: Grade 2: Grade 3: Für die konzeptionelle Darstellung wird der Stuhl als einfacher Platzhalter mit geringer Detailtiefe dargestellt. Der Stuhl ist als solcher identifizierbar. Die Art von Stuhl ist jedoch nicht erkennbar. Der Stuhl wird mit seinen ungefähren Abmessungen dargestellt. Für die explizite Darstellung wird der Stuhl ausreichend genau detailliert dargestellt. Die Art des Stuhls ist erkennbar. Grade 2 ist für die meisten Anwendungen ausreichend. Grade 3 unterscheidet sich von Grade 2 durch die gerenderte Darstellung. Der Stuhl wird in einer hohen Detailtiefe abgebildet (AEC, 2012).

27 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente Level of Information Neben der geometrischen Darstellung besitzen die Modellelemente auch semantische Informationen. Für den Austausch und die weitere Verwendung der Modelle, zum Beispiel für energetische Analysen oder Kostenberechnungen, sind die semantischen Informationen von entscheidender Bedeutung. Diese Informationen können in Form von Attributen oder in ergänzenden Unterlagen enthalten sein. Beispielsweise kann einem Stahlbetonbauteil der Baustoff C30/37 zugewiesen werden. Der Informationsgrad eines Elements wird durch den Level of Information beschrieben, der stark von den vereinbarten BIM-Zielen und somit von den BIM-Anwendungsfällen abhängig ist. Daher ist die Definition der Informationstiefe schwieriger als die der geometrischen Detaillierung in festgelegten Stufen. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Informationstiefe für die jeweiligen Anwendungsfälle vor Projektbeginn zu vereinbaren (Liebich & Hausknecht, 2016). Dies erfolgt im BIM-Abwicklungsplan, der projektspezifisch zu erstellen ist Zusammenfassung der Detaillierungsgrade der Modellelemente Die Abkürzung LoD führt in der Literatur oft zu Verwechslungen. Steht sie nun für den Level of Detail oder den Level of Development? Nach Liebich & Hausknecht (2016) wäre Level of Disaster eine weitere mögliche Ausformulierung. In den Abschnitten und wurden die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Level of Detail und dem Level of Development bereits aufgezeigt. Der Level of Detail gibt die geometrische Detailgenauigkeit der Modellelemente an und stellt ein Maß für die Quantität der Details dar. Hingegen beschreibt der Level of Development, wie durchdacht die Verknüpfung der geometrischen Darstellung und dem Modell hinzugefügten semantischen Informationen ist (BIMforum, 2015). Folglich wird nicht die maximale Informationstiefe gewählt, sondern die Informationstiefe, die für die vereinbarten BIM-Anwendungsfälle notwendig ist. Nach den Definitionen des AIA (2013a) und des BIMforums (2015) bezieht sich aber auch der Level of Development vorrangig auf die geometrische Detailgenauigkeit. Es wurde versucht, die Definition der Informationstiefe in den Authorized Uses und mit dem Satz Non-graphic information may also be attached to the Model Element. (BIMforum, 2015, S. 12) zu berücksichtigen. Die allgemeine Formulierung, dass auch nicht-graphische Informationen den Modellelementen hinzugefügt werden können, zeigt jedoch, wie schwierig die Definition des Informationsgrades ist (BIMforum, 2015). Für eine exakte Differenzierung in geometrische und semantische Detaillierung ist eine getrennte Definition sinnvoll. Für die Klassifikation der geometrischen Ausprägung wird der

28 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente 18 Begriff Level of Geometry eingeführt. Dieser beschreibt die Detaillierung der Geometrie. Die Level of Geometry sind mit den Maßstäben von 2D-Zeichnungen in den verschiedenen Leistungsphasen vergleichbar. Die Festlegung der Level of Geometry in festgelegten Stufen ist daher möglich. Für die semantische Detaillierung wird der Begriff Level of Information verwendet, der bereits in Abschnitt erläutert wurde. Da der Level of Information von den vereinbarten BIM-Anwendungsfällen abhängig ist, ist eine Definition in festgelegten Stufen schwieriger als beim Level of Geometry. Eine projektspezifische Definition im BIM-Ablaufplan ist daher vor Projektbeginn notwendig. Die Summe aus dem Level of Geometry und dem Level of Information ergibt somit eine präzise Definition der Level of Development (Liebich & Hausknecht, 2016). Das Akronym LoD wird im Folgenden für den Level of Development verwendet. Der Level of Geometry kann mit LoG und der Level of Information mit LoI abgekürzt werden. Zusammenfassend ergibt sich nachstehende Formel: LoD = LoG + LoI (Level of Development = Level of Geometry + Level of Information) Eine Standardisierung der Level of Development wird dringend empfohlen, da sie eine äußerst wichtige Kommunikationsgrundlage für die Bauherren und Planungsteams darstellen (Liebich & Hausknecht, 2016) BIM-Anforderungsmanagement Um die BIM-Methode in Bauvorhaben effizient zu nutzen, sind projektspezifische BIM-Vorgaben, eindeutige Modellierungsvorschriften und genaue Aussagen über die semantischen Informationen für jedes Modellelement notwendig. Diese Vereinbarungen stellen auch eine wichtige Grundlage für die Überprüfung und Qualitätssicherung der vertraglich vereinbarten BIM-Leistungen dar (Liebich & Hausknecht, 2016). Die Anforderungen an ein BIM-Projekt werden in einem projektspezifischen BIM-Abwicklungsplan festgelegt, der in der Regel vom Auftragnehmer vor Projektbeginn auf der Grundlage der Auftraggeberinformationsanforderungen erstellt wird (BMVI, 2015). Der BIM-Abwicklungsplan fasst alle Aktivitäten der Beteiligten eines BIM-Projekts zusammen, wodurch deren Zusammenarbeit geordnet und die Projektarbeit vereinfacht wird (Drees und Sommer & Vrame, 2016). Ein wichtiger Punkt des BIM-Abwicklungsplans ist die Festlegung, welche Teile der Planung bis wann, von wem, wofür und wie übergeben werden müssen. Der vorherige Abschnitt hat jedoch gezeigt, dass eine eindeutige Definition der Detaillierungsgrade für die verschiedenen BIM-Anwendungsfälle eine große Herausforderung darstellt (Liebich & Hausknecht, 2016). Unter anderem vom BIMforum (2015) wurden bereits Vorschläge für allgemeingültige Beschreibungen der Level of Development angestellt. Diese sogenannte Model Element Table liegt in Form einer Microsoft Excel Tabelle vor.

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30 2.2. Detaillierungsgrade der Modellelemente 20 Ein wichtiger Punkt des BIM-Abwicklungsplans ist die Festlegung, welche Teile der Planung, bis wann, von wem, wofür und wie übergeben werden müssen. Diese Anforderungen können mit den fünf W-Fragen wer, was, wann, wofür und wie zusammengefasst werden (Liebich & Hausknecht, 2016). Wer: Was: Wann: Wofür: Wie: Festlegung der Verantwortlichen für die Erstellung der Modellelemente und Zuweisung der Attribute. Definition der geometrischen und semantischen Detaillierungsgrade der Modellelemente (Level of Geometry und Level of Information). Definiton der Leistungsphasen oder der Meilensteine. Festlegung der BIM-Anwendungsfälle. Definition der Abbildung auf die verwendete BIM-Software und Festlegung eines herstellerunabhängigen Austauschformats. Die nach dem BIMforum (2015) erstellte Model Element Table beantwortet lediglich die drei W-Fragen wer, was und wann. Der Modellierer erstellt ein Element in dem geforderten geometrischen Detaillierungsgrad und mit den zugehörigen Attributen bis zum definierten Meilenstein. Sollen nun noch die Fragen wofür und wie hinzugefügt werden, entstehen hochkomplexe und unübersichtliche Strukturen, die mit Excel schwer zu handhaben und zu verwalten sind. Auch die automatisierte Qualitätsprüfung ist mit Excel nur eingeschränkt möglich (Liebich & Hausknecht, 2016). Um diese Probleme zu umgehen, entwickelte die AEC3 Deutschland GmbH eine webbasierte Datenbanklösung: Die Datenbank für das BIM-Anforderungs- und Qualitätsmanagement BIM*Q. BIM*Q ermöglicht die intelligente Erstellung und Verwaltung der Anforderungen an ein BIM-Modell und gewährleistet dessen Qualitätssicherung (AEC3 Deutschland GmbH, 2016). Die bereits zuvor beschriebenen fünf W-Fragen stellen die Basis für die Definition wiederverwendbarer und konfigurierbarer BIM-Anforderungen dar, die für eine erweiterte Beschreibung der Level of Development notwendig sind (Liebich & Hausknecht, 2016). Diese fünf Elemente werden separat als einzelne Bausteine erfasst. Dadurch wird sowohl die Erfassung und Verwaltung, als auch die Wiederverwendung und die Mehrfachverwendung dieser Daten vereinfacht. Von Vorteil ist auch, dass die Level of Geometry und Level of Information getrennt voneinander definiert werden können. Dies ermöglicht eine exaktere Definition dieser Informationen bezüglich der vereinbarten BIM-Anwendungsfälle. Die einzelnen Bausteine werden verwendet, um eine projektspezifische BIM-Richtlinie zu erstellen. Die BIM- Richtlinie stellt das BIM-Pflichtenheft dar, in der die Erstellung der BIM-Modelle und die Datenanforderungen geregelt sind. Das BIM-Pflichtenheft wird in den BIM-Abwicklungsplan integriert, wodurch eine optimale Kommunikationsgrundlage für den Bauherren und das Planungsteam entsteht. Darüber hinaus können die so erfassten Daten für das Qualitätsmanagement genutzt werden (Liebich & Hausknecht, 2016; AEC3 Deutschland GmbH, 2016).

31 2.3. Klassifizierungssysteme Klassifizierungssysteme Unter dem Begriff Klassifizierung wird im Allgemeinen das Zusammenfassen von Objekten zu Klassen verstanden. Eines der einfachsten und bewährtesten Klassifizierungssysteme wird von Lexika und Wörterbüchern verwendet. Die Organisation der Informationen erfolgt in standardisierter Weise und bringt folgende Vorteile mit sich: Durch den systematischen Aufbau können Informationen schnell und einfach gefunden werden. Die Regeln, die dem Klassifizierungssystem zugrunde liegen sind leicht erfassbar und einprägsam. Unter Berücksichtigung des verwendeten Schemas können beliebig viele Informationen hinzugefügt werden. Somit kann neben der einfachen Aktualisierung, der eindeutige Verweis auf enthaltene Informationen erfolgen. Die aufgeführten Vorzüge unterstreichen den Nutzen aller Klassifizierungssysteme (NBS, 2013). Die Fülle an Bauinformationen während eines Planungsprozesses erfordert eine sinnvolle Organisation, für die sich der Einsatz von Klassifizierungssystemen generell anbietet. Besonders für die BIM-Methode eignet sich deren Verwendung aus folgenden Gründen: Erstens erlaubt die Zuordnung der Bauteile in ein standardisiertes Schema eine schnelle Identifikation der enthaltenen Modellelemente und eine transparente Verwaltung für alle Planungsbeteiligten (NBS, 2013). Zweites kann das BIM-Modell somit im Rahmen der Anwendung von Analysewerkzeugen für die Erstellung eines Leistungsverzeichnisses und für die Kostenermittlung herangezogen werden. Drittens erleichtern die vordefinierten Schlüssel die Filterung nach Bauteilen. Für die Klassifizierung von Bauteilen stehen sowohl für den Hochbau als auch für den Brücken- und Ingenieurbau verschiedenen Klassifizierungssysteme zur Verfügung. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf folgende internationale und nationaler Klassifizierungssysteme mit Bezug auf den Brückenbau: Internationale Klassifizierungssysteme: - Uniclass - OmniClass Nationale Klassifizierungssysteme: - Standardleistungskatalog für den Straßen- und Brückenbau (STLK) - Leistungsbeschreibung für den Straßen- und Brückenbau in Bayern (LB-StB By)

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33 2.3. Klassifizierungssysteme 23 Die Klassifizierung der Bauteile wird aus verschiedenen Feldern in einer definierte Reihenfolge zusammengesetzt. Die Tabelle Systeme ist zum Beispiel in vier Ebenen gegliedert, aus denen sich ein eindeutiger Code für die Bauteile ergibt. Folgendes Beispiel zeigt die Aufgliederung für Brückenwiderlager und -pfeiler (NBS, 2016). Ss Bridge abutments and pier systems Ss Abutment systems Ss Bank seat abutments Ss Embedded retaining wall bridge abutment Ss Integral abutment Ss Ss Ss Bridge pier systems Masonry bridge piers Reinforced concrete bridge piers Das OmniClass Construction Classification System, auch als OCCS oder einfach nur OmniClass bekannt, ist ein Klassifizierungssystem der nordamerikanischen Bauindustrie. Es ist - ebenso wie Uniclass - mit dem internationalen Standard für die Bauteilklassifikation ISO konform. OmniClass ist für viele Anwendungen der BIM-Methode gebräuchlich. Das Klassifizierungssystem ist für die Verwendung aller in der bebauten Umgebung vorkommenden Konstruktionstypen ausgelegt (CSI, 2016). OmniClass umfasst insgesamt 15 Tabellen, in denen die aufgeführten Bauteile mit einer eindeutigen Nummer versehen werden. Folgendes Beispiel ist ein Auszug aus OmniClass- Tabelle 23 (CSI, 2016) Utility and Transportation Products Tunnels and Bridges Bridges Prefabricated Bridges Bridge Beams Bridge Trusses Bridge Cable Bridge Bearings Fixed Bridge Bearings Expansion Bridge Bearings Multi Rotational Bridge Bearings

34 2.3. Klassifizierungssysteme Nationale Klassifizierungssysteme Der Standardleistungskatalog für den Straßen- und Brückenbau ist eine Zusammenstellung standardisierter, datenverarbeitungsgerechter Texte, die der Beschreibung von Bauleistungen im Straßen- und Brückenbau dienen (DIN.bauportal gmbh, 2016). Diese Texte, die auf der Grundlage von der Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB), einschlägigen zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen (ZTV) und sonstigen Richtlinien basieren, sind Voraussetzung für die bundeseinheitliche Ausschreibung, Vergabe und Abrechnung von Bauleistungen (FGSV, 2015). Der STLK wurde ursprünglich vom Bundesministerium für Verkehr herausgegeben. Seit 1999 übernimmt die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) die Überarbeitungen und Neuausgaben. Die aktuelle Version des STLK ist vom Dezember 2015 (DIN.bauportal gmbh, 2016). Der STLK ist derzeit in 34 Leistungsbereiche (LB) gegliedert. Ein Leistungsbereich fasst die Standardtexte zusammen, die sich unter der Bezeichnung des Leistungsbereichs einordnen lassen. Beispiele für Leistungsbereiche sind LB 121: Lager, Übergänge, Geländer für Kunstbauten und LB 127: Lärmschutzkonstruktionen (FGSV, 2015). Im Internet sind verschiedene Online-Versionen des STLK, wie zum Beispiel von der f:data GmbH, verfügbar. Die aktuellen Texte der Leistungsbereiche werden mit einem Programm zur Texterstellung angeboten und können nach der Erstellung einer Positionsliste heruntergeladen werden. Eine Weiterverarbeitung der generierten STLK-Positionen, in den für die Kostenberechnung verwendeten AVA-Programmen, ist möglich (DIN.bauportal gmbh, 2016). Wie der STLK ist die Leistungsbeschreibung für den Straßen- und Brückenbau in Bayern eine Zusammenstellung standardisierter Texte für die Beschreibung von Bauleistungen im Straßen- und Brückenbau. Die LB-StB By gilt speziell für die Ausschreibung von Baumaßnahmen im Zuge der Staatsstraßen, der Bundesfernstraßen und der Kreisstraßen, die von den staatlichen Bauämtern betreut werden. Im Jahr 2007 wurde die aktuelle Version LB-StB By 07 von der Obersten Baubehörde im Bayerischen Staatsministerium des Innern bekannt gegeben (STMI für Bau und Verkehr, 2007). Die LB-StB By 07 gliedert sich derzeit in 33 Leistungsbereiche. Beispiele für Leistungsbereiche sind LB 919: Lager, Fahrbahnübergänge und LB 925: Lärmschutzwände, Steilwandkonstruktionen, Bekleidungen. Folgendes Beispiel ist ein Auszug aus dem Leistungsbereich LB 925: Lärmschutzwände, Steilwandkonstruktionen, Bekleidungen (STMI für Bau und Verkehr, 2016).

35 2.3. Klassifizierungssysteme Lärmschutzwände, Steilwandkonstruktionen, Bekleidungen Vorbemerkungen Vorarbeiten 101 Bestehende Lärmschutzwälle vermessen und Aufmaßzeichnungen herstellen Lärmschutzwände 201 Geräte für die Herstellung von Pfählen aus Stahlrohren einsetzen 202 Stahlrohrpfähle einbauen 203 Köcher in Stahlrohrpfahl herstellen 204 Köcher in Gründungskörper aus Beton herstellen 205 Köcher verfüllen 206 Aussparung im oberen Bereich von Köchern verfüllen Von den vorgestellten Klassifizierungssystemen wird die LB-StB By in der vorliegenden Arbeit in Kapitel 4 verwendet.

36 26 3.Entwicklung eines LoD Konzepts für den Brückenbau Wie im Kapitel 2 erläutert, erfolgte die Spezifikation der Level of Development bisher an Beispielen des Hochbaus. Im Folgenden soll ein LoD Konzept für digitale Bauwerksmodelle von Brücken entwickelt werden, um die formulierte Aufgabenstellung zu beantworten. Aufgrund der Veröffentlichung des BIM-Stufenplans im Dezember 2015 und somit auch die Forderung, Brücken ab dem Jahr 2020 mit Hilfe der BIM-Methode zu planen, wird eine Spezifikation der Level of Development für digitale Brückenmodelle in den kommenden Jahren an Bedeutung gewinnen. Die Verwendung eines LoD Konzepts ermöglicht eine eindeutige Kommunikation zwischen den Planungsbeteiligten. Mit dessen Hilfe ist eine eindeutige Zuordnung möglich, in welchem Level of Development sich die Modellelemente in der jeweiligen Planungsphase befinden. Dadurch wird auch verhindert, dass Nutzer Informationen aus dem Modell ziehen, die vom Ersteller des Modells nicht beabsichtigt waren. Zum Beispiel können Abmessungen präzise aus dem Modell gemessen werden, obwohl die Modellierung des Elements nur mit ungefähren Maßen erfolgt ist (BIMforum, 2015). Außerdem ist die Verwendung der Definition der Level of Development für die Qualitätssicherung hilfreich. So ist eine eindeutige Kontrolle der modellierten Geometrie und der verwendeten Attribute möglich (Maier, 2015). In diesem Kapitel werden zunächst die Regelwerke für den Brücken- und Ingenieurbau vorgestellt, auf denen das LoD Konzept basiert. Dazu zählen die Anweisung Straßeninformationsbank, Teilsystem Bauwerksdaten (ASB-ING) und die Richtzeichnungen für Ingenieurbauten (RiZ-ING). Nach einer Vorstellung der verwendeten Software erfolgt anschließend eine allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau. Das LoD Konzept wird in dem letzten Abschnitt für ausgewählte Brückenbauteile umgesetzt. Dazu zählen der Überbau, Widerlager, Tiefgründung, Kappe, Geländer, Lärmschutzwand, Berührungsschutz, Lager, Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung, Scheinfugen sowie Dehnfugen und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Entwicklung des LoD Konzepts auf Straßenbrücken aus Stahlbeton konzentriert. Das Konzept kann aber als Grundlage verwendet oder entsprechend auf andere Brückenarten übertragen werden.

37 3.1. Regelwerke für den Brücken- und Ingenieurbau Regelwerke für den Brücken- und Ingenieurbau Wie alle anderen Bauwerke, unterliegt auch die Konstruktion von Brücken bestimmten Normen und Richtlinien. Diese Dokumente bilden somit eine wichtige Grundlage, um die Anforderungen an BIM-Brückenmodelle zu erfüllen. Das im Folgenden entwickelte LoD Konzept basiert auf der ASB-ING (2013) und der RiZ-ING (BMVI, 2016), die im Rahmen dieses Abschnitts vorgestellt werden. Das LoD Konzept wird für die typischen Bauteile einer Brücke nach der ASB-ING erstellt. Die ASB-ING stellt die Grundlage für das Teilmodul Straßeninformationsbank der SIB-Bauwerke dar. Die in der SIB-Bauwerke enthaltenen Informationen zum Bestand und Zustand von Brücken- und Ingenieurbauwerken dienen als Basis für eine einheitliche Entscheidungsfindung in den Straßenbauverwaltungen des Bundes und der Länder. Nach ASB-ING kann ein Bauwerk in folgende Bauteilgruppen gegliedert werden (ASB-ING, 2013): - Überbau - Unterbau - Vorspannung - Gründung - Erd- und Felsanker - Brückenseile - Lager - Fahrbahnübergänge - Abdichtung - Beläge - Kappen - Schutzeinrichtungen - Sonstiges Die Untergliederung in eine sinnvolle Bauteilstruktur ist für die spätere Bewertung des Bauwerkszustands notwendig. Der Einsatz und die Vorteile von BIM im Erhaltungsmanagement bei Bestandsbrücken, wurden in der Machbarkeitsstudie BIM für Bestandsbrücken der TU München für die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) untersucht (Singer & Borrmann, 2016). Für den Entwurf von Straßenbrücken werden im Folgenden die Bestimmungen der Richtzeichnungen für Ingenieurbauten eingehalten. Diese wurden durch das BMVI erstmals 1972 bundeseinheitlich eingeführt (BMVI, 2016). Die Funktion der RIZ-ING wird von der Abteilung Straßenbau des BMVI wie folgt beschrieben (BMVI, 2013): Die Richtzeichnungen beschreiben die für die Planung, Kalkulation und Ausführung von Bauwerken und ihrer Teile geltenden Bedingungen, damit für wiederkehrende technische Aufgaben hierfür bewährte

38 3.1. Regelwerke für den Brücken- und Ingenieurbau 28 Detaillösungen vorgesehen werden können. Die Richtzeichnungen finden Anwendung für alle Bundesfernstraßen, wodurch für die Hersteller eine sinnvolle Produktion und Lagerhaltung bestimmter Bauteile ermöglicht wird. Die Richtzeichnungen geben den jeweiligen Stand der Technik wieder und sind Teil der vom BMVI bzw. der BASt herausgegebenen Sammlung Brücken- und Ingenieurbau. Sie werden von der zuständigen BASt-Arbeitsgruppe bearbeitet. Änderungen werden nach Bedarf vorgenommen, können aber erforderlich sein, wenn für bestimmte Konstruktionen technisch bessere oder wirtschaftlichere Lösungen vorliegen. In der Regel erfolgt die Fortschreibung einmal jährlich. Ihre Anwendung ist im Zuständigkeitsbereich der Länder, Kreise und Gemeinden empfohlen. Sind in begründeten Fällen Abweichungen oder andere konstruktive Lösungen erforderlich, ist den Festlegungen in den Richtzeichnungen als Mindestanforderungen und Maßstab für die notwendige Qualität nachzukommen (BMVI, 2013). In Abbildung 3.1 ist die Ausbildung für Widerlagerflügel mit Kappe nach RIZ-ING als Beispiel abgebildet (BMVI, 2016). Abbildung 3.1: RIZ-ING für Widerlagerflügel mit Kappe (BMVI, 2016)

39 3.2. Verwendete Softwareprodukte Verwendete Softwareprodukte Für die Erstellung des LoD Konzepts wurden Autodesk Revit 2016 und Dynamo 1.0 verwendet. Im den folgenden Abschnitten werden die eingesetzten Softwareprodukte vorgestellt Autodesk Revit 2016 Revit ist eine speziell für die BIM-Methode entwickelte Softwarelösung der Firma Autodesk. Mit der objektorientierten 3D-CAD Software kann ein BIM-Arbeitsablauf vom ersten Konzept bis zur Bauausführung durchgeführt werden (Autodesk Revit, 2016). Der Name Revit, der aus der Verschmelzung des Wortes revise instantly entstand, steht für die sofortige Übernahme von Änderungen im gesamten Projekt. Somit bleibt Autodesk dem BIM Gedanken a change anywhere is a change everywhere treu und garantiert ein durchgängiges digitales Bauwerksmodell (Hiermer, 2013). Die BIM-Software bietet umfassende Werkzeuge zur Unterstützung der verschiedenen Fachplaner bei der Abwicklung ihrer BIM-Projekte (Autodesk Revit, 2016). Die Aufteilung der Benutzeroberfläche für Architekten, Tragwersplaner und Gebäudetechniker verdeutlicht, dass Revit hauptsächlich für die Planung im Hochbau entwickelt wurde. Brücken stellen für die Planer und die verwendete Software jedoch andere Herausforderungen dar. Die Software muss die Entwicklung des Überbaus entlang der geforderten Trassierung ermöglichen. Außerdem sollten Änderungen an der Trasse und Gradiente einfache Anpassungen des Brückenmodells zur Folge haben. Oft sind die Bauwerke schiefwinklig, besitzen eine veränderliche Querneigung oder Fahrbahnbreite und müssen weitere geometrische Anforderungen nach RiZ-ING erfüllen. Ebenso ist die Planableitung zum Beispiel aufgrund gekrümmter Schnitte aufwändiger als im Hochbau. Um die Brückenmodellierung mit Revit zu erleichtern, kann zusätzlich die Open-Source-Anwendung Dynamo eingesetzt werden (König et al., 2016a). Dynamo wird im nachfolgenden Abschnitt vorgestellt Dynamo 1.0 Dynamo ist eine Open-Source-Anwendung, die als Plugin für Revit erhältlich ist. Dynamo erweitert Revit um eine visuelle Programmiersprache, mit deren Hilfe komplexe Geometrien erstellt und Prozesse automatisiert werden können. Durch das Plugin für Revit werden den Anwendern grundlegende Funktionen, wie mathematische Operationen, Möglichkeiten für die Geometrieverarbeitung sowie Import- und Exportoptionen externer Dateien, wie *.xls oder *.sat, zur Verfügung gestellt. Außerdem wird der Export von Dynamo nach Revit gewährleistet. In Revit können die mit Dynamo erstellten Geometrien weiterverarbeitet werden (Dynamo, 2016).

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41 3.3. Allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau Allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau In der nachfolgenden Tabelle erfolgt eine allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau. Wie im Abschnitt erläutert, wird der Level of Development für eine präzisere Definition in den Level of Geometry und den Level of Information aufgeteilt. Eine eindeutige Festlegung des Level of Information in festgelegten Stufen ist schwieriger als beim Level of Geometry. Daher wird in Tabelle 3.1 nur der Level of Geometry mit Nummerierungen (LoG 100 bis LoG 500) versehen, der Level of Information muss nach den vereinbarten BIM-Anwendungsfällen festgelegt werden (Liebich & Hausknecht, 2016). In der folgenden Tabelle wird die Definition des Level of Information nach BIM-Anwendungsfällen durch die Verwendung einer kursiven Schrift verdeutlicht. LoD LoG & LoI Beschreibung LoD 100 LOG 100 Es ist kein BIM-Modell erforderlich. Allerdings können Planungsunterlagen wie Gelände- und Bestandsvermessung oder Bestandsdaten (Bauwerk und Sparten) vorgegeben werden. LoI Es sind keine semantischen Informationen erforderlich. LoD 200 LOG 200 Die Modellelemente werden als Volumenkörper mit ungefährer Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung dargestellt. Sie dienen lediglich als Platzhalter. LoI Erste semantische Informationen gemäß BIM- Anwendungsfällen können enthalten sein, wie Material oder Bauteilklassifikation. LoD 300 LOG 300 Die Modellelemente werden mit exakter Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung dargestellt, die direkt aus dem Modell ermittelt werden können. LoI Weitere semantische Informationen gemäß BIM- Anwendungsfällen werden hinzugefügt, wie Expositionsklasse, Oberflächenschutzsystem, Korrosionsschutz oder geschätzter Bewehrungsgehalt.

42 3.3. Allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau 32 LoD 400 LOG 400 Die Modellelemente werden mit exakter Menge, Abmessung, Form, Lage und Orientierung dargestellt, die direkt aus dem Modell ermittelt werden können. Schnittstellen zu benachbarten Bauteilen werden abgebildet, zum Beispiel durch die Darstellung von Befestigungsobjekten. LoI Weitere semantische Informationen gemäß BIM- Anwendungsfällen werden hinzugefügt, wie spezifische Angaben zu den Befestigungsobjekten. LoD 450 LOG 450 LoD 450 existiert nur für Bauteile, die vorgefertigt werden. Die geometrische Darstellung wird um spezifische Informationen ergänzt, die für die Herstellung, Installation und Montage notwendig sind. Der exakte Aufbau der Modellelemente wird zusätzlich in Detailplänen (2D) dargestellt. LoI Weitere semantische Informationen gemäß BIM- Anwendungsfällen werden hinzugefügt, wie ausführende Firma, Lieferbedingungen oder Produktbezeichnungen. LoD 500 LOG 500 Die Modellelemente werden gemäß eingebauten Zustand nachgeführt. LoI Weitere semantische Informationen gemäß BIM- Anwendungsfällen werden hinzugefügt, wie Angaben zur Bauwerkserhaltung. Tabelle 3.1: Allgemeine Definition der Level of Development für den Brückenbau (Aufbau der Tabelle in Anlehnung an Liebich & Hausknecht (2016))

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44 3.4. Definition der Level of Development für ausgewählte Brückenbauteile Definition der Level of Development für ausgewählte Brückenbauteile In diesem Abschnitt werden die Level of Development für folgende ausgewählte Brückenbauteile definiert: - Überbau - Widerlager - Tiefgründung - Kappe - Geländer - Lärmschutzwand (LSW) - Berührungsschutz - Lager - Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung - Abschlussprofil für die Abdichtung - Scheinfugen - Dehnfugen und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten Die Definition der Level of Development für die gewählten Bauteile erfolgt mit Hilfe der RiZ-ING und auf der Basis von 2D-Plänen von Brückenbauwerken. Die Pläne wurden in konventioneller Planung von SSF erstellt und liegen für die Vorplanung, Entwurfsplanung, Ausführungsplanung und Werk- und Montageplanung vor. Die Level of Development für die oben genannten Bauteile werden jeweils mit Hilfe von zwei getrennten Tabellen für die Definitionen der Level of Geometry und der Level of Information beschrieben Definition der Level of Geometry für ausgewählte Brückenbauteile Die Tabellen für die Definition der Level of Geometry sind wie folgt aufgebaut. In der ersten Spalte werden die Level of Geometry 100 bis 500 aufgetragen. Diese können gemäß Abbildung 3.3 den entsprechenden Phasen zugeordnet werden. Nach einer Beschreibung der Geometrie erfolgt in der letzten Spalte die Abbildung der Bauteile in dem jeweiligen Level of Geometry als 3D-Ansicht und im Schnitt. Um eine übersichtlichere Darstellung zu gewährleisten, werden die betroffenen Bauteile farblich hervorgehoben. Die abgeleiteten Schnitte entsprechen keinen Darstellungen, wie sie in DIN-gerechten 2D-Plänen erwartet werden, sondern dienen lediglich der Veranschaulichung. Aufgrund der allgemeinen Definition der Level of Development für den Brückenbau in Abschnitt 3.3 ist für den Level of Geometry 100 keine geometrische Darstellung erforderlich. Daher beginnen folgende Tabellen erst ab dem Level of Geometry 200. Der Level of Geometry 500 entspricht dem As-Built Zustand des Bauteils. Weicht die überprüfte Repräsentation

45 3.4. Definition der Level of Development für ausgewählte Brückenbauteile 35 des Bauteils von dem Level of Geometry 400 ab, so ist für das Level of Geometry 500 eine Nachführung gemäß eingebauten Zustand notwendig. Ansonsten stimmt das Level of Geometry 500 mit dem Level of Development 400 überein. Die Umsetzung der 3D-Bewehrung mit Revit ist für Brücken aufgrund der höheren geometrischen Anforderungen im Vergleich zum Hochbau noch nicht weit fortgeschritten. In den Level of Geometry Definitionen wird für die Darstellung der Bewehrung auf 2D-Detailpläne verwiesen und der Beton- und Spannstahlgehalt als semantische Information (siehe Abschnitt 3.4.2) angegeben.

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51 3.4. Definition der Level of Development für ausgewählte Brückenbauteile Darstellung der Geometrie wie LoG Darstellung der Fußplatte mit Einzelbauteilen sowie Erdung, Montage- und Bewegungsfugen in Detailplänen (2D) Nachführung der Geometrie gemäß eingebautem Zustand, ansonsten siehe Geometrie wie LoG 450 Tabelle 3.6: Definition der Level of Geometry Geländer

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53 3.4. Definition der Level of Development für ausgewählte Brückenbauteile Darstellung der Geometrie wie LoG Darstellung der Fußplatte mit Einzelbauteilen sowie Erdung, Montage- und Bewegungsfugen in Detailplänen (2D) Nachführung der Geometrie gemäß eingebautem Zustand, ansonsten siehe Geometrie wie LoG 450 Tabelle 3.7: Definition der Level of Geometry Lärmschutzwand

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63 3.4. Definition der Level of Development für ausgewählte Brückenbauteile 53 Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier Tabellen (A bis D) für die Definition der Level of Information erstellt. Jedes Bauteil wird in einer dieser Tabellen abgebildet. Eine Übersicht über die Zuordnung der Bauteile zu den Tabellen ist im Folgenden zusammengestellt: Tabelle A: - Überbau - Widerlager - Tiefgründung - Kappe Tabelle B: - Geländer - Lärmschutzwand - Berührungsschutz Tabelle C: Tabelle D: - Lager - Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung - Abschlussprofil für die Abdichtung - Scheinfugen - Dehnfugen und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten Nach der allgemeinen Definition der Level of Development für den Brückenbau in Abschnitt 3.3 werden für die Grundlagenermittlung (Level of Geometry 100) keine semantischen Informationen benötigt. Der Level of Information wird für den Level of Geometry 100 im Folgenden nicht aufgeführt. Jede Tabelle beinhaltet eine Zusammenstellung der Attribute, die für die zugeordneten Bauteile relevant sind. Es wird betont, dass die Tabellen für die Definition der Level of Information eine praxisnahe Auswahl an Attributen beinhalten. Diese erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Praxispartner SSF. Die Definitionen der Level of Information wurden beispielhaft ausgefüllt. Die Tabellen können als Vorlage verwendet und individuell ergänzt oder abgeändert werden. Unter dem Attribut Lieferbedingungen werden Angaben zu Lieferant und Hersteller der Bauteile verstanden. Für eine übersichtlichere Darstellung werden die verschiedenen Level of Geometry in unterschiedlichen Farben dargestellt. Durch die farbliche Kennzeichnung wird ersichtlich, welche Attribute aus dem vorherigen Level übernommen werden und welche semantischen Informationen erst in dem betrachteten Level ergänzt werden. Der Anwendungsfall 4D-Modell kann bereits für Testzwecke im Level of Geometry 200 durchgeführt werden, ist jedoch in dieser frühen Bearbeitungsphase nicht zwingend erforderlich. Die Klammer wurde gesetzt, um diesen Gedanken zu verdeutlichen.

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68 58 4.Implementierung am Beispiel eines BIM-Pilotprojekts Das in Kapitel 3 entwickelte LoD Konzept für digitale Bauwerksmodelle von Brücken wird im Folgenden am Beispiel eines realen BIM-Pilotprojekts in Kooperation mit SSF umgesetzt. Zu Beginn wird ein Überblick über das Projekt gegeben. Es werden das Bauvorhaben, der geplante Ablauf der Projektbearbeitung und die im BIM-Abwicklungsplan festgelegten BIM- Zielsetzungen und vereinbarten BIM-Anwendungsfälle erläutert. Für die Realisierung der Anwendungsfälle wird das Gesamtmodell in verschiedene Teilmodelle aufgeteilt. Die einzelnen Teilmodelle, die benötigten Grundlagen sowie die Vorgehensweise für deren Erstellung werden vorgestellt. Die Umsetzung des LoD Konzepts wird für das BIM-Pilotprojekt anhand der Vorplanung (Leistungsphase 2 ) und Entwurfsplanung (Leistungsphase 3 ) beschrieben. Ein Ausblick auf die bevorstehende Ausschreibung (Leistungsphase 6 ) beschließt dieses Kapitel. 4.1 Projektübersicht Bauvorhaben Die derzeit sechsspurige A99 verläuft nordöstlich von München und stellt die Autobahnumfahrung der Stadt dar. Die Autobahndirektion Südbayern (ABDSB) sieht aufgrund des steigenden Verkehrsaufkommens den achtstreifigen Ausbau der A99 zwischen dem Autobahnkreuz München Nord und der Autobahnausfahrt Haar vor (SSF Ingenieure AG, 2016b). Im Zuge des Ausbaus sind auf dieser Strecke mehrere Brückenbauwerke zu ersetzen. Dazu zählt auch das Bauwerk 27-1, das die S-Bahnlinie S8 der Deutschen Bahn quert. Die ABDSB nutzt dieses Bauvorhaben als Pilotprojekt für die Umsetzung der BIM-Methode (SSF Ingenieure AG, 2016a). Einen Überblick über die Lage des Bauwerks 27-1 gibt Abbildung 4.1 auf der nächsten Seite.

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70 4.1. Projektübersicht 60 schen Universität München. Die Leistungsphasen 4 und 5 sollen an ein anderes Planungsbüro vergeben werden. Diese Vorgehensweise dient der Überprüfung, beziehungsweise dem Test, ob die Übergabe des BIM-Modells und seine Weiternutzung realisierbar sind. Die Vergabe der Bauausführung wird voraussichtlich ohne Einbezug der BIM-Methode separat erfolgen (SSF Ingenieure AG, 2016a). Bauwerk 27-1 eignet sich aufgrund der Einfachheit der Geometrie als BIM-Pilotprojekt. Auftraggeber und Auftragnehmer wird somit die Möglichkeit gegeben, sich vorrangig auf die BIM-Projektabwicklung und die technische Umsetzung zu konzentrieren BIM-Zielsetzungen und BIM-Anwendungsfälle Damit eine erfolgreiche Umsetzung des BIM-Pilotprojekts ermöglicht werden kann, ist die Vorgabe realistischer BIM-Ziele notwendig. In diesem Zusammenhang spielen auch die beteiligten Personen eine entscheidende Rolle, deren Aufgabe es ist, die geforderten Ziele zu verwirklichen. Mit ihrem Wissensstand und ihrer Motivation die neuen Prozesse, Anwendungen und Technologien zu erlernen, beeinflussen sie maßgebend den Erfolg eines BIM-Projekts (Egger et al., 2013). Die BIM-Ziele, die die ABDSB mit der Anwendung der BIM-Methode verfolgt, werden in den Auftraggeberinformationsanforderungen festgelegt und im Folgenden aufgelistet (SSF Ingenieure AG, 2016a). - Sammlung von Erfahrungen in der Anwendung von BIM - Verringerung von Planungsfehlern durch einen durchgängigen Planungsprozess - Verbesserung der Kommunikation und Schnittstellenkoordination - Transparente Beurteilung der Planungstiefe und Planungsqualität - Optimierte Entscheidungsbasis hinsichtlich der Kosten - Weiternutzung der Modelle für Betrieb und Erhaltung Aus den BIM-Zielen ergeben sich die Anwendungsfälle. Folgende BIM-Anwendungsfälle nach Auftraggeberinformationsanforderungen, beziehungsweise BIM-Abwicklungsplan, sollen durchgeführt werden (SSF Ingenieure AG, 2016a): - Kostenschätzung und Kostenberechnung - Erstellen eines Leistungsverzeichnisses - Planableitung aus dem BIM-Modell - Bauablaufsimulation (4D-Modell) - Simulation des zeitlichen Verlaufs der Kosten (5D-Modell) - Nutzung des Modells für Unterhalt, Betrieb und Instandsetzung

71 4.1. Projektübersicht 61 Für die Realisierung der BIM-Anwendungsfälle kommen folgende Softwareprodukte zum Einsatz: - Modellierung der Modelle und Planableitung: Revit mit Dynamo - Mengenentnahme sowie 4D- und 5D-Modelle: RIB itwo - Kollisions- und Modellprüfung: Tekla BIMsight Abbildung 4.2 zeigt einen Auszug aus dem BIM-Abwicklungsplan. Dargestellt ist eine Übersicht über die Anwendungsfälle in den einzelnen Leistungsphasen. Zusätzlich ist eine Beschreibung der Anwendungsfälle und die jeweils verwendete Software zu finden (SSF Ingenieure AG, 2016a). Abbildung 4.2: Übersicht über die BIM-Anwendungsfälle in den einzelnen Leistungsphasen (SSF Ingenieure AG, 2016a) Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Modellierung der Modelle in den verschiedenen Bearbeitungstiefen und auf die Planableitung aus dem BIM-Modell mit Revit und Dynamo. Die Umsetzung der BIM-Anwendungsfälle Kostenermittlung, Erstellung eines Leistungsverzeichnisses, 4D- und 5D-Modelle sowie die Nutzung des BIM-Modells für Unterhalt, Betrieb und Instandsetzung werden nicht detailliert behandelt. Für die Festlegung der Level of Information werden jedoch alle Anwendungsfälle berücksichtigt.

72 4.2. BIM-Teilmodelle und Grundlagen für die Modellerstellung BIM-Teilmodelle und Grundlagen für die Modellerstellung Im Laufe der BIM-Planung müssen für die Realisierung der BIM-Anwendungsfälle mehrere Teilmodelle erstellt werden. Durch die Aufteilung bleiben zum einen die Modellgrößen handhabbar, zum anderen können die Teilmodelle je nach BIM-Anwendungsfall ein- oder ausgeschaltet werden (SSF Ingenieure AG, 2016a). Die einzelnen Modelle wurden mit Autodesk Revit 2016 und Dynamo 1.0 erstellt (siehe Abschnitt 3.2). Im Folgenden werden die erstellten Teilmodelle und die benötigten Grundlagen vorgestellt. Die Abbildungen dienen lediglich der Veranschaulichung der Teilmodelle. Es handelt sich um Modelle aus der Vorplanung. Im Bestandsmodell erfolgt die Darstellung des bestehenden Geländes mit Baugrube. Dem modellierten Gelände liegt ein digitales Geländemodell zugrunde, das vom Vermesser übergeben wurde. Außerdem beinhaltet das Bestandsmodell Baugrundinformationen in Form von lage- und höhenrichtigen Bohrprofilen. Da das neue Bauwerk 27-1 die S-Bahnlinie S8 der Deutschen Bahn kreuzt, sind zusätzliche Informationen der zu überführenden S8 notwendig. Dazu zählen Bahnachsen, Lichtraumprofil, Oberleitungsanlagen und Sparten (SSF Ingenieure AG, 2016a). Abbildung 4.3: Bestandsmodell

73 4.2. BIM-Teilmodelle und Grundlagen für die Modellerstellung 63 Im Abbruchmodell ist das abzubrechende Bestandsbauwerk und der Baugrubenaushub enthalten. Für die Modellierung des Bestandsbauwerks sind 2D-Bestandsdaten und Bauwerksbücher einzuholen. Den IST-Zustand erhält man durch die gleichzeitige Betrachtung des Bestands- und Abbruchmodells (SSF Ingenieure AG, 2016a). Abbildung 4.4: IST-Zustand: Bestandsmodell und Abbruchmodell Das Neubaumodell stellt ein Rahmentragwerk dar, bei dem Über- und Unterbau monolithisch miteinander verbunden werden. Der Überbau des Ersatzneubaus 27-1 besteht aus zwei baulich getrennten Fahrbahnen Richtung Nürnberg und Richtung Salzburg. Bei der Erstellung des Überbaus müssen neben der Längsneigung und der Querneigung auch die Radien der beiden Fahrbahnen berücksichtigt werden. Für die Modellierung des Überbaus ist die Trassierung notwendig. Als zusätzliche Randbedingungen sind der Kreuzungspunkt und der Kreuzungswinkel des über- und unterführenden Verkehrsweges zu beachten. Bauwerk 27-1 stellt ein schiefes Bauwerk dar. Das Neubaumodell beinhaltet neben dem neuen Bauwerk auch die Verfüllung der Baugrube. Den SOLL-Zustand erhält man durch eine Überlagerung des Neubaumodells mit dem Bestandsmodell, wie auf folgender Seite abgebildet.

74 4.2. BIM-Teilmodelle und Grundlagen für die Modellerstellung 64 Abbildung 4.5: SOLL-Zustand: Bestandsmodell und Neubaumodell Das Verbaumodell enthält temporäre Baubehelfe, wie den Verbau, Abschottungen zu den Anlagen der Deutschen Bahn oder Schutzgerüste für den Abbruch. Durch entsprechende Überlagerung des Verbaumodells mit den anderen Teilmodellen können Zwischenzustände abgebildet werden (SSF Ingenieure AG, 2016a). In folgender Abbildung wurde beispielhaft die bestehende Richtungsfahrbahn Salzburg abgerissen. Dargestellt ist das Abbruchmodell der Richtungsfahrbahn Nürnberg und das Verbaumodell. Das Beispiel wurde mit dem IFC-Viewer Tekla BIMsight erstellt. Die Software ermöglicht die individuelle Kombination der verschiedenen Planungsphasen. Abbildung 4.6: Zwischenzustand: Dargestellt ist das Abbruchmodell der Richtungsfahrbahn Nürnberg und das Verbaumodell

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77 4.4. Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen In diesem Abschnitt erfolgt die Umsetzung des LoD Konzepts für digitale Brückenmodelle aus Kapitel 3 anhand des BIM-Pilotprojekts. Im BIM-Abwicklungsplan werden die geometrischen und semantischen Modellinformationen allgemein definiert. Die Anforderungen an die geometrische Modellierung sind, dass alle Bauteile als einzelne 3D-Volumenkörper dargestellt werden. Die geometrischen Informationen, wie Volumina, müssen für die Mengenermittlung direkt aus den Körpern entnommen werden können. Die geforderten semantischen Informationen werden im BIM-Abwicklungsplan für die Vorplanung, Entwurfsplanung und Ausschreibung aufgelistet (SSF Ingenieure AG, 2016a) Vorplanung (Variantenentscheidungsmodelle) Die Vorplanung, die der Leistungsphase 2 nach HOAI entspricht, beinhaltet die Analyse der Grundlagen, die Abstimmung der Zielvorstellungen sowie die Erarbeitung eines Planungskonzepts. Die Vorplanung stellt einen Teil der Vorbereitung für die Entwurfsplanung (Leistungsphase 3 ) dar (Heinlein et al., 2013). Im Rahmen der Leistungsphase 2 werden unterschiedliche Lösungsvarianten untersucht, die sogenannten Variantenentscheidungsmodelle. Die Verwendung der BIM-Methode ermöglicht eine frühe 3D-Visualisierung der verschiedenen Varianten. Da die BIM-Modelle für die Abstimmung und für die Entscheidung einer Variante herangezogen werden können, führt der Einsatz der BIM-Methode, neben einer vereinfachten Analyse der Varianten, zu einer präzisen Überprüfung der Randbedingungen. Für das Bauwerk 27-1 erfolgte die Untersuchung von zwei Varianten, für die jeweils ein BIM-Modell erstellt wurde. Die Bauverfahren und ihre Unterschiede werden für die Varianten lediglich kurz erläutert. Eine detaillierte Beschreibung ist für die vorliegende Arbeit nicht relevant. Im Vordergrund steht die Betrachtung der geometrischen und semantischen Detaillierungstiefe. Es wird darauf hingewiesen, dass im Folgenden nur der Level of Development des Neubaumodells ohne Gelände betrachtet wird. Die Teilmodelle Bestand, Verbau und Abbruch werden nicht näher behandelt. In Variante 1 wird der Ersatzneubau als flach gegründeter Rahmen mit der minimal erforderlichen lichten Weite ausgeführt. Für die Erstellung der Brücke ist der Abbruch der Bestandsfundamente, das Einbringen eines Gleislängsverbaus für den Endaushub sowie der zusätzliche Verbau mit Spundwänden erforderlich. Für Bauarbeiten im Nahbereich von elektrifizierten Bahnanlagen ist eine frühzeitige Abschätzung und die Beantragung von Sperrpausen notwendig. Während der Planung des Bauablaufs wurde festgestellt, dass bei Variante 1 die Gefahr besteht, die zur Verfügung stehende Sperrpause von 60 Stunden zu überschreiten.

78 4.4. Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen 68 Zunächst wird der Level of Geometry des Neubaumodells der Variante 1 betrachtet. In der Abbildung 4.10 ist das Neubaumodell der Variante 1 dargestellt. In der Tabelle 4.1 auf der folgenden Seite werden die verwendeten Bauteile, die zugehörigen Tabellen der Level of Geometry aus Abschnitt und der verwendete Level of Geometry aufgelistet. Abbildung 4.10: Neubaumodell Vorplanung - Variante 1

79 4.4. Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen 69 Bauteil LoG-Tabelle LoG Überbau (Ortbetonschicht, Fertigteile) Überbau (Tabelle 3.2) 200 Widerlager Widerlager (Tabelle 3.3) 200 Kappe Kappe (Tabelle 3.5) 200 Geländer Geländer (Tabelle 3.6) 200 Lärmschutzwand Lärmschutzwand (Tabelle 3.7) 200 Berührungsschutz Berührungsschutz (Tabelle 3.8) 200 Fahrbahnbelag Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung (Tabelle 3.10) 200 Abschlussprofil die Abdichtung für Abschlussprofil für die Abdichtung (Tabelle 3.11) 200 Scheinfugen Scheinfugen (Tabelle 3.12) 200 Dehnfuge und Fugenabdeckung Dehnfuge und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten (Tabelle 3.13) 200 Tabelle 4.1: Level of Geometry Neubaumodell Vorplanung - Variante 1 In dem Neubaumodell der Variante 1 sind zusätzlich die Bauteile Fundament und Schutzeinrichtung enthalten. Diese wurden im Abschnitt nicht definiert. Fundament und Schutzeinrichtung wurden jeweils als Volumenkörper modelliert und stellen lediglich Platzhalter dar. Für den Level of Information der Vorplanung werden im BIM-Abwicklungsplan folgende semantische Informationen vorgeschrieben: Baustoff, Bauteilklassifikation, Schlüsselgruppen nach LB-StB By (erste Ebene) sowie Angaben zu den Schutzeinrichtungen, in der Abbildung 4.11 als Rückhaltesystem bezeichnet. Zusätzlich wurde ein Attribut für die verwendete Richtzeichnung nach BMVI (2016) angelegt. Die Vorlagen für die Definition der Level of Information in Abschnitt wurden für das Bauwerk 27-1 im Folgenden entsprechend angepasst. Die Definition des Level of Information für die Vorplanung auf der nächsten Seite gilt für alle enthaltenen Bauteile des Neubaumodells der Variante 1 und wurde entsprechend ausgefüllt. Die semantischen Informationen wurden in Form von Projektparametern in Revit definiert.

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81 4.4. Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen 71 für die Ausschreibung von Baumaßnahmen, die von staatlichen Bauämtern betreut werden (STMI für Bau und Verkehr, 2007). Detailliertere Informationen über die LB-StB By sind in Abschnitt zu finden. Die BIM-Anwendungsfälle 5D-Modell und Unterhalt, Betrieb, Instandsetzung wurden für die Vorplanung nicht durchgeführt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Anwendungsfall Planableitung näher betrachtet. Die Darstellung der Geometrie auf 2D-Pläne erfolgte für das Bauwerk 27-1 durch dynamische Planableitung aus dem BIM-Modell. Wie Abbildung 4.11 entnommen werden kann, sind für die Pläne der Vorplanung die Attribute Baustoff, RiZ-ING und Angaben zum verwendeten Rückhaltesystem notwendig. Das Attribut Baustoff wird für die Darstellung der entsprechenden Schraffuren der Bauteile in den Schnitten benötigt. Die Kurzbezeichnungen der RiZ-ING und die Angaben zu den Rückhaltesystemen können direkt mit dem BIM-Modell verknüpft werden. Dadurch wird die Erzeugung konsistenter und widerspruchsfreier Pläne ermöglicht. Bei der Generierung der Pläne in Revit sind folgende Vor- und Nachteile zu nennen. Ein Vorzug ist, dass Änderungen im gesamten Projekt übernommen werden (Autodesk Revit, 2016). Das bedeutet, dass auch die zugehörigen Schnitte automatisch angepasst werden. Schwierigkeiten haben sich jedoch bei der Bemaßung von geneigten Modellelementen in den abgeleiteten Schnitten gezeigt. In den Schnitten ist zwar die Anwendung der Bemaßungsfunktionen möglich, es werden jedoch nicht die Kanten oder Punkte gefangen, die im Schnitt sichtbar sind. Für die Behebung des Problems kam Dynamo zum Einsatz. Mit Hilfe des erstellten Skripts wurden an der jeweiligen Schnittstelle die Kanten der Modellelemente nachgezeichnet, sodass eine richtige Bemaßung in Revit ermöglicht wurde. Ein weiterer Nachteil ist, dass in Abhängigkeit der gestellten Anforderungen eine mehr oder weniger aufwändige Nachbearbeitung der Pläne notwendig ist. Im BIM-Modell definierte Achsen werden zum Beispiel nur automatisch im Schnitt angezeigt, wenn dieser senkrecht zu den Achsen verläuft. Andernfalls müssen die Achsen im entsprechenden Schnitt händisch ergänzt werden. Ferner besitzen die mit Revit generierten Pläne ein anderes Erscheinungsbild, wie von konventionellen Plänen gewohnt. Es handelt sich um reale und keine geschönten Darstellungen mit einer gewissen Schnitttiefe. Im Anhang ist der abgeleitete Plan für die Vorplanung der Variante 1 zu finden. Die Planung der Variante 2 basiert auf einem minimalen Eingriff in die Bahnanlagen. Die lichte Weite ist größer als bei Variante 1, da unmittelbar hinter den bestehenden Widerlagern eine neue Tiefgründung durch das Fundament gebohrt wird. Direkt auf den Bohrpfählen wird die neue Rahmenkonstruktion errichtet. Das bestehende Fundament muss somit nicht abgerissen werden. Variante 2 hat den Vorteil, dass der unmittelbare Gleisbereich weniger stark von der Maßnahme betroffen ist und sich dadurch Vereinfachungen im Bauablauf ergeben. Daraus resultiert ein geringeres Bauzeitenrisiko.

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83 4.4. Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen 73 Bauteil LoG-Tabelle LoG Überbau (Ortbetonschicht, Fertigteile) Überbau (Tabelle 3.2) 200 Widerlager Widerlager (Tabelle 3.3) 200 Tiefgründung Tiefgründung (Tabelle 3.4) 200 Kappe Kappe (Tabelle 3.5) 200 Geländer Geländer (Tabelle 3.6) 200 Lärmschutzwand Lärmschutzwand (Tabelle 3.7) 200 Berührungsschutz Berührungsschutz (Tabelle 3.8) 200 Fahrbahnbelag Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung (Tabelle 3.10) 200 Abschlussprofil die Abdichtung für Abschlussprofil für die Abdichtung (Tabelle 3.11) 200 Scheinfugen Scheinfugen (Tabelle 3.12) 200 Dehnfuge und Fugenabdeckung Dehnfuge und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten (Tabelle 3.13) 200 Tabelle 4.2: Level of Geometry Neubaumodell Vorplanung - Variante 2 In dem Neubaumodell der Variante 2 ist zusätzlich das Bauteil Schutzeinrichtung enthalten. Die geometrische Darstellung stimmt mit der von Variante 1 überein. Die Definition des Level of Information entspricht der von Variante 1 (siehe Tabelle 4.1). Im Anhang ist der abgeleitete Plan für die Vorplanung der Variante 2 zu finden.

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85 4.4. Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen 75 Bauteil LoG-Tabelle LoG Überbau (Ortbetonschicht, Fertigteile) Überbau (Tabelle 3.2) 300 Widerlager Widerlager (Tabelle 3.3) 300 Tiefgründung Tiefgründung (Tabelle 3.4) 300 Kappe Kappe (Tabelle 3.5) 300 Geländer Geländer (Tabelle 3.6) 300 Lärmschutzwand Lärmschutzwand (Tabelle 3.7) 200 Berührungsschutz Berührungsschutz (Tabelle 3.8) 300 Fahrbahnbelag Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung (Tabelle 3.10) 200 Abschlussprofil die Abdichtung für Abschlussprofil für die Abdichtung (Tabelle 3.11) 300 Scheinfugen Scheinfugen (Tabelle 3.12) 300 Dehnfuge und Fugenabdeckung Dehnfuge und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten (Tabelle 3.13) 300 Tabelle 4.3: Level of Geometry Neubaumodell Entwurfsplanung Das Level of Geoemtry des Bauteils Schutzeinrichtung stimmt mit dem von der Vorplanung überein.

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87 4.4. Bearbeitungstiefen nach Leistungsphasen Ausschreibung Die Vorbereitung der Vergabe, die der Leistungsphase 6 nach HOAI entspricht, wird häufig zusammen mit der Durchführung der Vergabe (Leistungsphase 7 ), unter dem Begriff Ausschreibung abgehandelt. Leistungsphase 6 beinhaltet die Aufstellung von Leistungsbeschreibungen mit Leistungsverzeichnissen, die Ermittlung der Mengen auf der Basis der Ausführungsplanung, die Erarbeitung eines Terminplans und die Berechnung der Kosten. Als Ergebnis werden die Vergabeunterlagen zusammengestellt (Heinlein et al., 2013). Im Rahmen des BIM-Pilotprojekts wird die Leistungsphase 6 auf der Basis der Entwurfsplanung durchgeführt werden. Der Level of Geoemtry des Neubaumodells wird dem der Leistungsphase 3 entsprechen. Für den Level of Information müssen im Vergleich zur Entwurfsplanung keine zusätzlichen semantischen Informationen hinzugefügt werden. Lediglich eine detailliertere Aufschlüsselung der Schlüsselgruppe nach LB-StB By (zweite Ebene) ist erforderlich. Die Abgabe der Ausschreibung wird Ende April 2017 erfolgen.

88 78 5.Zusammenfassung Die Bauwirtschaft ist derzeit in einem tiefgreifenden Wandel. Mit der Veröffentlichung des BIM-Stufenplans durch das BMVI, wird in Zukunft der Einsatz der BIM-Methode auch für den Brückenbau gefordert. Um den Herausforderungen der BIM-Methode gerecht zu werden, stellt die Definition der geometrischen und semantischen Detaillierung der Modellelemente im Laufe des Projektfortschritts einen wichtigen Bestandteil dar. Die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit war es, ein LoD Konzept für digitale Bauwerksmodelle von Brücken zu entwickeln und dieses am Beispiel eines BIM-Pilotprojekts umzusetzen. Als Einstieg in die Thematik, wurden der Begriff BIM definiert und die aktuellen Entwicklungen im In- und Ausland analysiert. Die Einführung der BIM-Methode ist im Ausland bereits weit fortgeschritten. Besonders hervorzuheben ist Großbritannien, das seit April 2016 eine verbindliche Nutzung des BIM Level 2 für alle öffentlichen Bauvorhaben vorschreibt. Das darauffolgende BIM Level 3 hat die Umsetzung der Big Open BIM-Methode zum Ziel und soll Großbritannien zum Weltmarktführer in BIM machen. Mit der Veröffentlichung des BIM-Stufenplans im Dezember 2015 durch das BMVI, wurden auch in Deutschland erste Schritte in Richtung der Anwendung der BIM-Methode gemacht. Bis zum Jahr 2020 sollen alle öffentlichen Bauvorhaben des Verkehrsinfrastrukturbaus den Anforderungen des Leistungsniveaus 1 gerecht werden. Um ein gemeinsames Verständnis zu schaffen, wurden die Begriffe Level of Development, Level of Detail und Level of Information in Bezug auf den Hochbau definiert. Zusammengefasst werden kann, dass der Level of Detail die geometrische Detailgenauigkeit der Modellelemente angibt und ein Maß für die Quantität der Details darstellt. Im Gegensatz beschreibt der Level of Development, wie durchdacht die Verknüpfung der geometrischen Darstellung und dem Modell hinzugefügten semantischen Informationen ist. Der Level of Information legt den Informationsgrad eines Modellelements fest, der stark von den vereinbarten BIM-Anwendungsfällen abhängig ist. Eine projektspezifische Definition der Level of Information im BIM-Abwicklungsplan ist daher sinnvoll.

89 79 Das in der Aufgabenstellung verwendete Akronym LoD führt oft zu Verwechslungen, da es in der Literatur sowohl für den Level of Development als auch für den Level of Detail verwendet wird. In der vorliegenden Arbeit steht die Abkürzung LoD für den Level of Development. Um eine exakte Differenzierung in geometrische und semantische Detaillierung zu erreichen, wurden für die geometrische Ausprägung der Modellelemente der Begriff Level of Geometry und für die semantischen Informationen der Level of Information eingeführt. Als Ergebnis kann somit festgehalten werden, dass der Level of Development (LoD) die Summe aus dem Level of Geometry (LoG) und dem Level of Information (LoI) ist. Ein weiterer wichtiger Aspekt des BIM-Abwicklungsplans ist die Festlegung, welche Teile der Planung bis wann, von wem, wofür und wie übergeben werden (fünf W-Fragen). Die Beantwortung von allen fünf W-Fragen stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Das amerikanische BIMforum hat hierfür die sogenannte Model Element Table entwickelt. Die Nachteile sind jedoch, dass nicht alle fünf W-Fragen beantwortet werden und die verwendeten Tabellen komplex und unübersichtlich sind. Die AEC3 Deutschland GmbH hat mit ihrer webbasierten Datenbank für das BIM-Anforderungs- und Qualitätsmanagement BIM*Q einen neuen Lösungsvorschlag erarbeitet. Mit Hilfe von BIM*Q werden alle fünf W-Fragen beantwortet. Das BIM-Pflichtenheft, als Resultat der Verwendung von BIM*Q, kann in den BIM-Abwicklungsplan integriert werden. Dadurch entsteht eine optimale Kommunikationsgrundlage für den Bauherrn und das Planungsteam. Ferner kann in Betracht gezogen werden, zusätzliche Attribute im BIM-Modell für die Festlegung der Level of Development und den Autor anzulegen. Dies befähigt den Nutzer des Modells, unabhängig vom BIM-Abwicklungsplan zu erfahren, von wem das betrachtete Modellelement erstellt wurde und in welchem Level of Development es vorliegt. Um die theoretischen Grundlagen abzurunden, erfolgte die Untersuchung von Klassifizierungssystemen im Hinblick auf den Brückenbau. Deren Einsatz ist für eine sinnvolle Organisation der Bauinformationen während eines Planungsprozesses unabdingbar. Behandelt wurden die internationalen Klassifizierungssysteme Uniclass und OmniClass sowie die nationalen Klassifzierungssysteme STLK und LB-StB By. Den Haupteil der vorliegenden Arbeit stellt die Entwicklung eines LoD Konzepts für digitale Bauwerksmodelle von Brücken dar. Das Konzept basiert auf der RiZ-ING und der ASB-ING. Nach einer allgemeinen Definition der Level of Development für digitale Brückenmodelle, wurde ein LoD Konzept für folgende ausgewählte Bauteile erstellt: Überbau, Widerlager, Tiefgründung, Kappe, Geländer, Lärmschutzwand, Berührungsschutz, Lager, Aufbau Straßenbelag und Entwässerung der Abdichtung, Scheinfugen sowie Dehnfugen und Fugenabdeckung bei getrennten Überbauten. Der Level of Geometry und der Level of Information wurden getrennt für jedes Bauteil in Form von Tabellen definiert. Das LoD Konzept ermöglicht durch diese Differenzierung eine getrennte Betrachtung der Level of Geometry und der Level of Information. Die Aufteilung erlaubt die Zuordnung der Level of Geometry

90 80 zu den Leistungsphasen und die projektspezifische Definition der Level of Information nach den vereinbarten BIM-Anwendungsfällen. Ein Vergleich mit den fünf W-Fragen, die im Abschnitt behandelt wurden, zeigt, dass das erstellte LoD Konzept lediglich die Fragen, was, wann und wofür beantwortet. Nicht geklärt wurde zum einen die Frage wer der Verantwortliche für die Erstellung der Modellelemente und die Zuweisung der Attribute ist (Model Element Author), zum anderen wurde die Frage wie nicht beantwortet, nämlich welches Austauschformat zum Einsatz kommt. Ein möglicher Lösungsvorschlag, um die aufgezeigte Lücke zu schließen, ist die Verwendung der Datenbank für das BIM-Anforderungs- und Qualitätsmanagement BIM*Q der AEC3 Deutschland GmbH (siehe Abschnitt 2.2.6). Die Erstellung des LoD Konzepts erfolgte nur für ausgewählte Bauteile von Straßenbrücken aus Stahlbeton. Das Konzept kann jedoch als Grundlage für andere Brückenarten verwendet, beziehungsweise entsprechend übertragen werden. Zudem ist das LoD Konzept für eine vollständige Definition der Level of Development für Brücken um weitere Bauteile zu ergänzen. Dazu zählen zum Beispiel die Spezifikationen der Level of Development der Pfeiler und des Bodenaufbaus. Das Konzept beinhaltet nicht die 3D-Bewehrung der betroffenen Modellelemente. Für die Darstellung der Bewehrung wurde auf 2D-Pläne verwiesen und der Beton- und Spannstahlgehalt als semantische Information angegeben. Mit der Weiterentwicklung der 3D-Bewehrung mit Revit für Brücken, ist das Konzept um die entsprechenden Details zu ergänzen. Die projektspezifische Implementierung des LoD Konzepts im Rahmen des BIM-Pilotprojekts konnte erfolgreich für die Vorplanung und Entwurfsplanung durchgeführt werden. SSF hat die Modelle und Pläne der Vorplanung bereits an den Auftraggeber zur Prüfung übergeben. Die Entwurfsplanung wird bis Ende November folgen. Die Beschreibung der Geometrie der Modellelemente für die Leistungsphase 2 und Leistungsphase 3 erfolgte mit Hilfe der zuvor erarbeiteten Tabellen für den Level of Geometry. Die Informationstiefen der Bauteile wurden auf der Basis der entwickelten Tabellen für den Level of Information festgelegt. Der Inhalt der Tabellen für die Beschreibung der Level of Information beinhalten die im BIM-Abwicklungsplan geforderten semantischen Informationen und berücksichtigt die vereinbarten BIM-Anwendungsfälle. Um die Brückenmodellierung in Revit zu erleichtern, wurde im Rahmen des BIM-Pilotprojekts zusätzlich Dynamo eingesetzt. Ein großer Vorteil von Dynamo ist das Automatisieren von Prozessen und das Modellieren von beliebigen komplexen Geometrien. Desweiteren ist zu erwähnen, dass für die Vorplanung ein höherer Aufwand notwendig war, als es bisher von der traditionellen Planung bekannt ist. Durch das Automatisieren von Prozessen hat sich aber bereits bei der Erstellung der zweiten Variante der Vorplanung eine schnellere Modellerstellung gezeigt. Die abgeleiteten Pläne aus dem BIM-Modell besitzen im Vergleich

91 81 zu traditionellen Plänen ein anderes Erscheinungsbild. In Abhängigkeit der gestellten Anforderungen ist eine mehr oder weniger aufwändige Nachbearbeitung der Pläne erforderlich. Zusammenfassend kann Folgendes über den aktuellen Stand des BIM-Pilotprojekts gesagt werden. Mit Hilfe des Projekts konnten Erfahrungen in der Anwendung der BIM- Methode, sowohl auf der Auftragnehmer- als auch auf der Auftraggeberseite, gesammelt werden. Das Projekt basierte von Anfang an auf den Prinzipien von BIM. Daher musste der komplette BIM-Planungsprozess, der mit der Erstellung der Auftraggeberinformationsanforderungen und des BIM-Abwicklungsplans begann, durchgeführt und in die Praxis umgesetzt werden. Aufgrund der Einfachheit der Geometrie konnten sich der Auftraggeber und der Auftragnehmer hauptsächlich auf die BIM-Projektabwicklung und die technische Umsetzung konzentrieren.

92 82 6.Ausblick Im Vergleich zum digitalen Planen, Bauen und Betreiben im Hochbau, ist der Einsatz der BIM-Methode im Brückenbau noch nicht weit etabliert (König et al., 2016a). Mit der Forderung des BIM-Stufenplans, die BIM-Methode für alle öffentlichen Bauvorhaben im Bereich von Infrastrukturbauten bis zum Jahr 2020 in Deutschland einzusetzen, sind die Entwicklungen in den nächsten Jahren zu beobachten. Erste Erkenntnisse aus den aktuell durchgeführten Pilotvorhaben, sind die Notwendigkeit der Erarbeitung von allgemeingültigen Standards und Richtlinien für den Einsatz der BIM-Methode im Infrastrukturbau. Nach König et al. (2016a) hat diese gerade weltweit begonnen. Dazu zählt auch die Spezifikation der Level of Development für Brückenbauwerke, um eine einheitliche Planung zu gewährleisten. Die Definition der Level of Development erfolgt derzeit nur projekt- beziehungsweise unternehmensspezifisch. Um eine breite Wiederverwendbarkeit zu gewährleisten, ist die Standardisierung der Level of Development für Brücken in Abhängigkeit der vereinbarten BIM-Anwendungsfälle von großer Bedeutung (König et al., 2016a). Ein interessanter Aspekt wäre in diesem Zusammenhang die Bereitstellung von parametrisierten, softwareunabhängigen Modellelementen für die verschiedenen Level of Development. Diese könnten zentral vom Auftraggeber erstellt und vom Auftragnehmer genutzt werden. Die Vorteile wären einheitliche Modelle und daraus abgeleitete Pläne in dem vereinbarten Level of Development. Die Grundlage für diese Modellelemente könnte beispielsweise die RiZ-ING sein. Die DB Station&Service hat hierfür bereits erste Regelungen getroffen. Die Vorlagen, die eine Bauteilbibliothek für kleinere und mittlere Verkehrsstation enthalten, wurden speziell für Revit erstellt und sind zu Projektbeginn zu importieren. Zusätzlich erfolgt die Bereitstellung voreingestellter Filter für den geometrischen Detaillierungsgrad sowie Bauteillisten für die semantischen Informationen (DB Station&Service AG, 2016). Die Anwendung der BIM-Methode steht für die durchgängige Nutzung des BIM-Modells über den gesamten Lebenszyklus des Bauwerks. Aus diesem Grund wird die zukünftige Verwendung der BIM-Modelle für den Einsatz in der Bauwerksverwaltung und dem Erhaltungsmanagement von Brücken einen wichtigen Stellenwert einnehmen. Die digitalen Brückenmodelle

93 83 können somit als Datenbasis für geometrische und semantische Informationen genutzt werden. Darüberhinaus wird eine zentrale Dokumentation der Schadens- und Zustandsentwicklung des Bauwerks ermöglicht (Singer & Borrmann, 2016). Der Einsatz und die Vorteile von BIM im Erhaltungsmanagement bei Bestandsbrücken wurden in der Machbarkeitsstudie BIM für Bestandsbrücken der TU München für die BASt untersucht (Singer & Borrmann, 2016). Es wird deutlich, dass die Verwendung der BIM-Methode für den Brückenbau noch am Anfang steht. Erfahrungen mit den Herausforderungen der Prinzipien von BIM müssen erst noch gesammelt werden, Standards und Richtlinien müssen erarbeitet werden. Auch die eingesetzte Software muss an die Bedürfnisse der Modellierung der komplexen Geometrien von Brückenbauwerken angepasst und weiterentwickelt werden. Die vorliegende Arbeit stellt mit dem LoD Konzept für ausgewählte Brückenbauteile eine erste Grundlage für die Spezifikation der Level of Development für digitale Bauwerksmodelle von Brücken dar, auf der in Zukunft weiter aufgebaut werden kann.

94 84 Anhang Auf den folgenden Seiten sind die abgeleiteten Pläne aus dem BIM-Modell für die Vorplanung (Varianten 1 und 2) sowie für die Entwurfsplanung dargestellt. - Planableitung: Vorplanung Variante 1 - Planableitung: Vorplanung Variante 2 - Planableitung: Entwurfsplanung (Stand ) Desweiteren enthält der beigefügte USB-Datenträger folgende Informationen: - Vorliegende Arbeit als LaTeX- und PDF-Datei - Verwendete Literatur - Revit-Dateien für die Definition der Level of Geoemtry für ausgewählte Brückenbauteile - Excel-Dateien für die Definition der Level of Information für ausgewählte Brückenbauteile - Neubaumodell der Varianten 1 und 2 der Vorplanung als Revit- und IFC-Dateien - Neubau-, Bestands-, Abbruch- und Verbaumodell der Entwurfsplanung als Revit- und IFC-Dateien sowie die Bauteillisten der Teilmodelle (Stand ) - Abgeleitete Pläne für Vorplanung (Variante 1 und 2) sowie Entwurfsplanung als PDF-Dateien (Stand )

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96 53 5 Ansicht von Süden 1 : 200 LSW Strecke LSW auf Bauwerk LSW auf Bauwerk LSW Strecke Regelquerschnitt A-A mit Widerlageransicht 1 : 100 Breite zw. Geländer Längsschnitt B-B 1 : 200 Nürnberg Gradiente rechts m m H = m km TS = T = m f = m Nürnberg Gradiente links m m km TS = H = m T = m f = m km km Gradiente links m H = 0 00 m T = 0 00 m f = 0 0 m km TS = Salzburg Gradiente rechts m km TS = H = 0 00 m T = 0 00 m f = 0 00 m Salzburg Nord Ismaning SO Elt % 50 Fah bahnrand Nord Ede s ahlrinne H2/W Richtung Nürnberg Grad ente links Gel 3 H2/W % % % Grad ente rech s Richtung Salzburg % H2/W kleins e l chte Höhe Ede s ahlrinne Kap 1 Kap 4 Kap 1 Fahrbahnrand Süd 7 5 H2/W4 4% Lärmschutzwand h 6 0 m 1.19 Süd Unterföhring SO Bestand Neubau Draufsicht 1 : 200 (Achsen händ sch ergänzt) Gradiente links B 844/ Nürnberg A Bahn - Kilometrierung STR 5556 Bösch 1 Bösch % Katasterdaten (GIS-Integration) B Längsschnitt C-C 1 : 200 Nürnberg (Senkrecht zur Gleisachse) Salzburg m m SO m Obe leitung gem Vermessung m m Bestand Neubau Bauwerksdaten Baua t Ve kehrslasten (Einwirkungen) Anzahl k der LKW Fahrstreifen je Überbau Anzahl LKW pro Jahr je LKW -Fahrstreifen Nabs Beiwert der Verkehrslas en Q Beiwert der Oberflächenrauigkeit M litä lastenklasse Einzelstützweiten Gesamtlänge zw Endauflagern Lichte Wei e Kleinse lichte Höhe über STR 5556 Kreuzungswinkel Breite zw den Geländern Brückenfläche Modellgrundlagen Mode l BW27-1_DB BW27-1_DN BW27-1_DV BW27-1_DA Schnitt Längsschnitt B-B und Längsschnitt C-C In allen Schnit en Bemerkungen zum Lichtraumprofl: Basis = IST-Lage Gleis max. Abweichung Gleissollage - Gleisistlage: 1mm Statisches System: Bauverfahren: Spannbeton nach DIN EN und ARS 22/ (FB Nord) 3 (FB Süd) 2.0 x 10^ / nach STANAG m 15.3 m 12.7 m 6 39 m (ab SO) m m^2 Einfeld-Rahmen Spannebeton-Fertigteile mit Ortbetonergänzung Achse A99 A Kritischer Punkt UK = m SO = m D-Modell SSF Ingenieu e AG Be atende Ingenieure im Bauwesen Domagkstraße 1a München de Projekt-Nr.: bearbeitet geze chnet Datum Ze chen wem/pim mif Gradiente rechts C 5 C Salzburg 2.6 % 584/1 FREISTAAT BAYERN Autobahndirektion Südbayern Unterlage/Blatt-Nr.: 10/ Maßstab: VORENTWURF km Bösch 1 Bösch A km Objektbenennung A99 Autobahnring München 8 - streifiger Ausbau AK München Nord - AS Haar Abschnitt 1b Objektteil Bauwerk Nr. 27/1 Unterführung der Bahnstrecke München (Ost) Ismaning Variante 2 - Vorzugsvariante Spannbetonfertigtele aufgestellt: 1541/6 884/1 N München, den _VPL_BW27-1_10/01_00_F

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