"Potenziale des Building Information Modeling im Infrastrukturprojekt - Neue Methoden für einen modellbasierten Arbeitsprozess im Schwerpunkt der Planung" Von der Wirtschaftswissenschaf1lichen Fakultät der Universität Leipzig genehmigte DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur "Dr.-Ing." vorgelegt von Dipl.-Ing. Ina Kaminski geboren am 11.April 1965 in Halle (Saale) Gutachter: Prof. Dr.-techn. Karl-Heinz Bruhnke Prof. Dipl.-Ing. Architekt Burkhard Pahl Dr.-Ing. Dietmar Michel Tag der Verleihung: 26.10.2009
Inhalt Vorwort 3 Inhaltsverzeichnis 5 1. Einleitung 11 1.1. Anlass und Gegenstand (Problemstellung) 12 1.2. Zielsetzung 13 1.3. Thematische Eingrenzung 15 1.4. Gang der Untersuchung bzw. Vorgehensweise 17 2. Stand der Forschung: Digitale Planung im Bauprozess 21 2.1. Einleitung 21 2.2. Aktuelle Forschungsaktivitäten zu digitalen Planungsprozessen bzw. Einsatz von digitalen Werkzeugen im Gesamtprozess 22 2.2.1. Überblick zu Forschungsaktivitäten digitaler Planungsprozesse 22 2.2.2. Dreidimensionale Planungsmodelle bzw. CAD-Modelle in den Prozessen der Sauwirtschaft 28 2.2.3. Stand der Forschung im Infrastrukturbereich und der Verkehrsplanung 31 2.2.4. Stand der Forschung: Building Information Modeling in der Gebäudeplanung 34 2.3. Fazit: Fokussierungl Eingrenzung der Untersuchung 39
3. Der Planungs- und Ausführungsprozess bei Infrastrukturprojekten 41 3.1. Grundlagen der Infrastrukturplanung.41 3.1.1. Definition des Infrastrukturprojekts und Grundsätze der Planung.41 3.2. Aktueller Projektablauf nach HOAI..45 3.2.1. Einleitung: Gesamtprozess als Lebenszyklus.45 3.2.2. Das Leistungsbild für Verkehrsanlagen.47 3.2.3. Technische Regelwerke und gesetzliche Grundlagen imstraßenbau.49 3.3. Projektbeteiligte: Spezifische Aufgaben bzw. Inhalte der Arbeitsprozesse 52 3.3.1. Die Arbeitsprozesse der Akteure im Überblick 53 3.3.2. Vermessung und Datengrundlagen 55 3.3.3. Ingenieurtechnische Fachplanung 59 3.3.4. Angebotskalkulation im Straßen- und Tiefbauprojekt 65 3.3.5. Mengenerfassung und deren spezifische Dokumentationsformen im Infrastrukturprojekt...73 3.3.5.1. Spezifische Problemstellung: Erdarbeiten 73 3.3.5.2. Stufen der Mengenermittlung im Projektverlauf. 77 3.3.5.3 Methoden der Mengenermittlung im Straßen- und Tiefbau 79 3.3.5.4. REB-Verfahren im Straßen- und Tiefbau 82 3.3.5.5. REB-Verfahren nach GAEB 84 3.4. Fazit: Identifizierung von Kernthemen für den Gesamtprozess 88
4. Modellanforderungen im Building Information Modefing des Straßenbaus 91 4.1. Einleitung: Aktuelle Praxis beim Einsatz digitaler Methoden im Straßenbauprojekt.. 91 4.2. Building Information Modefing im Straßenbau 92 4.3. Das BIM-orientierte Planungsmodell im Straßenbau 94 4.3.1. Ganzheitlicher Planungsansatz 94 4.3.2. Zielsetzung zur Etablierung des BIM-orientierten Planungsmodells im Straßenbau 96 4.3.3. Modellanforderungen 98 4.3.3.1. Objektorientierung 98 4.3.3.2. VolumenmodelIierung 101 4.3.3.3. Parametrische ModelIierung 106 4.3.3.4. Konstruktionselemente des Straßen baus 108 4.3.3.5. Analysefunktionen des Modells: Fokus Mengenermittlung 110 4.3.3.6. Interoperabilität: Anforderungen an den Datenaustausch 111 4.4. Zusammenfassung: Anforderungen an ein BIM-orientiertes Planungsmodell im Straßenbau 117 4.5. Fazit und weiteres Vorgehen 118 5. Testfälle im realen Planungsmodell 121 5.1. Einleitung: Überblick ausgewählte Testfälle und Zielsetzung 121 5.1.1. Konstruktion: Objektorientierung und VolumenmodelIierung 123
5.1.2. Analyse und Modellauswertung 129 5.1.2.1. Überblick der Testfälle zur digitalen Mengenermittlung 130 5.1.2.2. Die digitale Mengenermittlung auf Basis des 3D-Modells 131 5.1.2.3. Modellbasierte Mengenermittlung in Teilbereichen 134 5.1.2.4. Mengenermittlung nach REB-Verfahren136 5.1.3. Datenaustausch und Informationsweitergabe 139 5.1.3.1. Testfälle zum Datenaustausch 141 5.1.3.2. Die Menge als digitale Information 149 5.1.3.3. Die digitale Mengenermittlung auf Basis freier Datenformate (dwf) 152 5.2. Bewertung durchgeführter Testfälle 154 5.2.1. Konstruktion: Objektorientierung und VolumenmodelIierung 154 5.2.1.1. Bewertung Testfall einzelner Entwurfsobjekte und eines gesamten Straßenkörpers 154 5.2.2. Analyse und Modellauswertung 158 5.2.2.1. Bewertung Testfall digitale Mengenermittlung 158 5.2.3. Datenaustausch und Informationsweitergabe 160 5.2.3.1. Bewertung Testfälle zum Datenaustausch 160 5.2.3.2. Bewertung Testfall: Die Menge als digitale Information 162 5.3. Fazit: Testfälle im Planungsmodell. 164
6. Das ideale Planungsmodell in den Prozessen des Building Information Modeling im Sbaßenbau 167 6.1. Das ideale objektorientierte dreidimensionale Planungsmodell im Straßenbauprojekt 167 6.2. Anforderungen an die Werkzeuge in der Planung und den Folgeprozessen 173 6.3. Weiterführende Modelle 178 6.3.1. Das 4D-Modell der Bauablaufplanung 179 6.3.2. Weiterführende Modelle: Anbindung von Leistungsverzeichnissen 183 6.4. Innovative Werkzeuge in den Prozessen des Building Information Modeling 187 6.5. Zwischenfazit: Beziehungen zwischen dem Modellaufbau der Planung, den Akteuren und Werkzeugen und Konsequenzen für die Prozessabbildung 189 6.6. Die integrierte Projektstruktur auf Basis eines objektorientierten Planungsmodells 193 6.6.1. Einleitung 195 6.6.2. Das digitale Planungsmodell in einer integrierten Projektstruktur 195 6.6.2.1. Zielsetzung 195 6.6.2.2. Die Einbindung des objektorientierten Planungsmodells im Geschäftsprozessmanagement zur Unterstützung der Lebenszyklusbetrachtung 198 6.6.3. Die Stellung des objektorientierten Planungsmodells im Gesamtprozess 204
6.7. Die modell basierte Planungsmethodik in den Planungsprozessen und im weiteren Projektverlauf.. 210 6.7.1. Rückschlüsse auf die Arbeitsprozesse im Schwerpunkt der Planung 210 6.7.2. Der Nutzen der modellbasierten Planung des Straßenbaus im Gesamtprozess nach HOAI... 213 6.8. Fazit: Building Information Modeling im Infrastrukturbereich 216 7. Zusammenfassung und Ausblick 219 7.1. Zusammenfassende Ergebnisse der Arbeit 219 7.2. Ausblick und Ansätze für die weitere Forschung 223 Anhang 229 Abbildungsverzeichnis 249 Tabellenverzeichnis 255 Abkürzungsverzeichnis 257 Literaturverzeichnis 261 Vorschriften, Normen und Richtlinien 282 Internetquellen 285 Glossar 287 Thesen zur Dissertation 293 Kurzfassung 299 Wissenschaftlicher Werdegang 301 Selbständigkeitserklärung 303