3D-Stadtmodelle vs. BIM

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1 3D-Stadtmodelle vs. BIM Robert Kaden Prof. Dr. Thomas H. Kolbe Lehrstuhl für Geoinformatik

2 Ansätze zur 3D-Stadt- / Landschaftsmodellierung Computergrafik Szenegraphen Geoinformatik (Semantische) Stadt- Landschaftsmodelle 3D AEC / CAAD CAD + Building Information Models Computerspiele / Simulationen Simulations- und Interaktionsmodelle Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 2

3 Ansatz in Architektur & Bauingenieurwesen Idee für Gebäude Entwurfsmodell/-plan reale Welt Abbildung der konstruktiven Elemente komponentenbasierte, generative Modellierung: Constructive Solid Geometry (CSG) Building Information Modeling: Semantische Objekte mit räumlichen und thematischen Eigenschaften Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 3

4 Ansatz der Geodäsie und Geoinformatik reale Welt Vermessung topographische Abstraktion generell sind nur die Objektoberflächen beobachtbar: Randflächendarstellung (Boundary Representation, B-Rep) Topography Information Modeling: Semantische Objekte mit räumlichen und thematischen Eigenschaften Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 4

5 3D-Standards / Daten(austausch)formate Differenzierung in generische Austauschformate und Informationsmodell-Formate generische Datenformate: X3D, U3D, COLLADA, KML, Shapefiles, DXF, OpenFlight, TerraPage, p3d Informationsmodell-Formate: CityGML, IFC, SEDRIS, INSPIRE Verschiedene Kategorien / Herkünfte CG / VR / Simulation: X3D, U3D, COLLADA, OpenFlight, SEDRIS Geospatial / GIS: Shapefiles, KML, GML, CityGML, INSPIRE AEC/FM / CAAD / BIM: IFC, DXF Ausdrucksmächtigkeit eines Standards begrenzt seine Repräsentationsmöglichkeiten ( mgl. Informationsverluste) Robert Kaden, Robert Thomas Kaden H. - 3D-Stadtmodelle Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM vs. BIM 5

6 City Geography Markup Language (CityGML) Fachneutrales Topographisches Informationsmodell für semantische 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle umfasst verschiedene thematische Bereiche (Gebäude, Vegetation, Relief, Gewässer, Verkehr, Landnutzung etc.) Internat. Standard des Open Geospatial Consortiums spezifiziert von der SIG 3D der GDI NRW und GDI DE sowie der OGC CityGML SWG (> 120 Institutionen) aktuelle Version 2.0 wurde im März 2012 verabschiedet Weite nationale und internationale Verbreitung Einsatz in fast allen größeren deutschen Städten nachhaltige Datenverfügbarkeit & gute Übertragbarkeit Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 6

7 Industry Foundation Classes (IFC) ISO-Standard für semantische Gebäudemodelle Entwickelt durch die buildingsmart Alliance (früher IAI) Repräsentation von Anlagen/Gebäudemodelle bezogen auf ihre Geometrie, Topologie und Semantik Unterstützung von 2D und 3D Geometrie: B-Rep, CSG, Sweep Integration verschiedener Bilanzierungen, u.a. Material, Kosten, etc. Umfangreichste und am meisten genutzte Datenmodell und Austauschformat für Building Information Modeling Keine Repräsentation von (grafischen) Erscheinungen Einfache Georeferenzierung seit IFC 2.3 Austauschformat basiert auf STEP; ifcxml ist XML-based mapping Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 7

8 Unterschiede Geowelt vs. Bauwelt Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 8

9 Unterschiede Geowelt vs. Bauwelt Die Unterschiede zwischen den 3D-Modellen der Geo- und Bauwelt werden an den folgenden 6 Aspekten deutlich: 1. Modellierungsparadigma 2. Geometrierepräsentation 3. Raumbezug 4. Maßstab 5. Standards zur Datenmodellierung und -repräsentation 6. Datenerfassung: flächendeckend spezifisch Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 9

10 1. Aspekt: Modellierungsparadigma TIM (z.b. CityGML) BIM (z.b. IFC) IntBuildingInstallation IfcWallStandardCase WallSurface FloorSurface IfcBeam Window GroundSurface gut geeignet, um Modellerstellung durch Vermessung und Beobachtung InteriorWallSurface zu unterstützen, also, um Modelle für bestehende Objekte zu erzeugen IfcWindow gut geeignet, um (generative) IfcSlab Entwurfsprozesse zu unterstützen, also, um Modelle für geplante Objekte zu erzeugen Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 10

11 2. Aspekt: Geometrierepräsentation akkumulativ Boundary Representation (B-Rep) Aggregation aller das Volumen umschließenden Oberflächen generativ Constructive Solid Geometry (CSG) volumetrische Primitive Mengenoperationen für deren Kombination:,, \ besondern für die Erfassung aus Beobachtungen geeignet (Aufmaß) besonders für den Entwurf und die Konstruktionsplanung geeignet Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 11

12 3. Aspekt: Raumbezug Geowelt: alle bekannten geodätischen Bezugssysteme (BS) BS kann zu jedem Geoobjekt angegeben werden Geoobjekte absolut georeferenziert (Weltkoordinaten) gemischte Verwendung unterschiedlicher Bezugssysteme Differenzierung Lage / Höhe Bauwelt: Modellierung mit lokalen Koordinatensystemen absolute Georeferenzierung über eine Transformation typ. keine Kombination mehrerer BS Berücksichtigung der Erdkrümmung (bei ausgedehnten Strukturen) Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 12

13 4. Aspekt: Maßstab bzw. Skalenbereich Maßstabsbereich hat Einfluss auf bzw. bestimmt die Modellierungsgranularität / Auflösung Regeln zur Erfassungsgeneralisierung geometrische Genauigkeit Aber: erzielbare / erfassbare Genauigkeit bestimmt auch umgekehrt den geeigneten Maßstabsbereich Geowelt: typ. 1:500 und kleiner (bis zu 1: ) Sehr wichtig, da stark unterschiedliche Skalenbereiche Bauwelt: typ. 1:1000 und größer Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 13

14 5. Aspekt: Standards für Modellierung Geowelt Bauwelt Open Geospatial Consortium CityGML Kooperation buildingsmart IFC Industriestandards ISO TC 211 ISO 191xx Familie ISO TC 184/SC4 ISO/PAS Normen Verwendung unterschiedlicher Modellierungssprachen IFC (Express) und GML (UML) Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 14

15 6. Aspekt: Datenerfassung Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 15

16 Von 3D-Punktwolken zu GIS-Model / CityGML Bildquelle: [Stilla & Hebel 2013], [Hebel et al. 2013] kommerzielle Lösungen zur Rekonstruktion semantischer Gebäudemodelle in CityGML in LOD1 + LOD2 erhältlich weitgehende Vollautomation, wenn 2D-Grundrisse aus Kataster verfügbar Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 16

17 Von 3D-Punktwolken zu BIM-Modellen / IFC IfcWallStandardCase IfcBeam? IfcWindow IfcSlab Bildquelle: Fa. NavVis automatische Rekonstruktion komponentenbasierter Modelle wie z.b. BIM weitgehend ungelöstes Problem Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 17

18 Schlussbetrachtung Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 18

19 Zusammenfassung und Fazit (I) Eigentliche Probleme hinter CAD GIS resultieren aus unterschiedlichen Zielen & der Art der Datenerzeugung CAD / BIM: Unterstützung von Entwurf und Konstruktion generische (auch parametrische, prozedurale) Modellierung GIS / TIM: Unterstützung der topographischen Beschreibung Modellierung der beobachtbaren Elemente & Eigenschaften Geometrische Modellierung vs. Semantische Modellierung Geometrische Modellierung: reine Zeichnungsdaten (+ Gestaltung) Semantische Modellierung: Modellierung von Realweltobjekten inkl. ihrer thematischen, räumlichen und visuellen Eigenschaften Semantische Mod. in CAD: Building Information Modelling Semantische Mod. in GIS: Topography Information Modelling Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 19

20 Zusammenfassung und Fazit (II) CityGML ist für TIM was IFC für BIM ist einheitliche, offene, standardisierte objektorientierte Datenmodelle Repräsentation realer Elemente der bebauten Umwelt Semantik, Geometrie, Topologie und Erscheinung Datenaustauschformate sind von den Datenmodellen abgeleitet Datenbereitstellung CAD/BIM-Modelle werden in erster Linie manuell beim Entwurf durch Auswahl, Bemessung und Aggregation von Komponenten erzeugt GIS/TIM-Modelle werden durch Vermessung erzeugt geometrische GIS-Modelle können z.t. vollautomatisch und flächendeckend aus Sensorbeobachtungen rekonstruiert werden semantische 3D-Stadtmodelle (TIM) können unter Nutzung von Geobasisdaten vollautomatisch und flächendeckend erzeugt werden kaum Automation bei Rekonstruktion von BIM aus Sensordaten Robert Kaden, Thomas H. Kolbe - 3D-Stadtmodelle vs. BIM 20