BIM und GIS. INTERGEO Kongress 2017 Leitfaden Geodäsie und BIM

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1 BIM und GIS INTERGEO Kongress 2017 Leitfaden Geodäsie und BIM Dr.-Ing. Andreas Donaubauer Lehrstuhl für Geoinformatik / Runder Tisch GIS e.v. Dr.-Ing. Robert Kaden HTW Dresden

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

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

4 Domänenübersicht: Digitale Modelle der bebauten Umwelt Computergrafik Szenegraphen Geodäsie und Geoinformatik semantisches 3D- Stadt- und Landschaftsmodell 3D- Modell Architektur und Bauingenieurwesen Building Information Model (BIM) Computerspiele/ Simulationen Simulations- und Interaktionsmodelle verändert nach [Kolbe, 2013]

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

6 Modellierungsansatz in Architektur & Bauingenieurwesen Idee für Bauwerk Entwurfsmodell/-plan reale Welt Abbildung der konstruktiven Elemente komponentenbasierte, generative Modellierung: Building Information Modeling: Semantische Objekte mit räumlichen und thematischen Eigenschaften Parametrische Geometrie Digitaler Zwilling eines geplanten Bauwerks verändert nach [Kolbe, 2013]

7 Modellierungsansatz in Geodäsie und Geoinformatik reale Welt Vermessung topographische Abstraktion generell nur Objektoberflächen mit Sensoren vermessen: Topographic / Urban Information Modeling: Semantische Objekte mit räumlichen und thematischen Eigenschaften Geometrie: Randflächendarstellung (Boundary Representation) Digitaler Zwilling der realen Welt / des Bestandes verändert nach [Kolbe, 2013]

8 Unterschiedliche Modellierungsparadigmen BIM (z.b. IFC) Constructive Solid Geometry 3D GIS (z.b. CityGML) Boundary Representation IfcWallStandardCase IntBuildingInstallation IfcBeam WallSurface FloorSurface IfcWindow gut geeignet, um Entwurfsprozesse IfcSlab zu unterstützen, also, um Modelle für Volumetrische, parametrisierte Primitive repräsentieren die Gebäudekomponenten geplante Objekte zu erzeugen Window GroundSurface Akkumulation der beobachtbaren Oberflächen der topographischen Objekte [Kolbe, 2013] gut geeignet, um Modellerstellung durch Vermessung und Beobachtung InteriorWallSurface zu unterstützen, also, um Modelle für bestehende Objekte zu erzeugen 8

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

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

11 Lehrstuhl für Geoinformatik Standards: City Geography Markup Language (CityGML) Fachneutrales topographisches Datenmodell und Austauschformat für virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle Umfasst verschiedene thematische Bereiche (Gebäude, Brücken, Tunnel, Vegetation, Relief, Gewässer, Verkehr, Landnutzung etc.) Internationaler Standard des Open Geospatial Consortium spezifiziert von der SIG 3D der GDI NRW und GDI DE sowie der OGC CityGML SWG (> 120 Institutionen) aktuelle Version 2.0 wurde im März 2012 verabschiedet Weite nationale und internationale Verbreitung Bundesweit durch die Landesbehörden und Kommunen genutzt Weltweit in vielen Städten im Einsatz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

21 Rgd BIM Standard, Dokument Niederlande (2012), 29 Seiten Singapore BIM Guide V2 (2013) Lehrstuhl für Geoinformatik Die Rolle der Geoinformation aus Sicht Architektur und Bauingenieurwesen Dokument BIM-Leitfaden für Deutschland, Dokument ZukunftBAU (2013), 109 Seiten Common BIM Requirement Dokument COBIM, Finnland (2012), 278 Seiten Begriff Geoinformation / Geodaten Begriff GIS - 1x GIS in Begriff Geoinformation / beschriftung GIS Abbildungs- Begriff Geodaten Weitere Begriffe aus dem Bereich Geoinformation - Weitere Begriffe aus dem Bereich Geoinformation - - Tacheometric Begriff Geoinformation / Geodaten Begriff GIS Surveying, Weitere Begriffe Laser aus Scanning dem (Bestandserfassung) Bereich Geoinformation Terrain Model - - Geographic position and Begriff Geoinformation / Geodaten Begriff GIS orientation Weitere Begriffe (WGS84), aus dem Terrain Model, Bereich Cadastral Geoinformation Reference - - Digital Elevation Model to be provided by registered surveyors

22 Die Rolle der Geoinformation aus Sicht von Architektur und Bauingenieurwesen (Fortsetzung) Dokument Umsetzung des Stufenplans Digitales Planen und Bauen, Erster Fortschrittsbericht, BMVI, 2017, 28 Seiten Begriff Geoinformation / Geodaten Austausch von Geodaten Begriff GIS Informationen werden von GIS und anderen IT- Systemen abgefragt und als Planungsgrundlage verwendet. Weitere Begriffe aus dem Bereich Geoinformation Integration von BIM-Daten für die Umsetzung der INSPIRE- Richtlinie von großer Wichtigkeit, die webbasierte Online-Dienste für die Suche, die Visualisierung und das Herunterladen der Daten vorsieht. Aspekte bei der Konzeption von Datenbanken zur Unterstützung von BIM Im Rahmen Einführung von BIM werden Konzepte entwickelt, um die Pflege der Geodateninfrastruktur Deutschlands zu vereinfachen