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BIM im Straßenbau

Im Pilotprojekt des BMVI unter Federführung der DEGES wird ein 14,0 km langer Streckenabschnitt der B 87 zwischen Eilenburg und Mockrehna in der Phase der Vorplanung mittels BIM untersucht. Das Ingenieurunternehmen Schüßler-Plan ist an der Erprobung und Entwicklung der BIM Methode in diesem Pilotprojekt direkt beteiligt. IB&T unterstützt Schüßler-Plan als Entwicklungspartner.

Bild 6: Beispiel für den Modellierungsgrad.Bild 7: Beispiel für eine Visualisierung aus dem Planungsmodell.
Bild 6: Beispiel für den Modellierungsgrad.
Bild 7: Beispiel für eine Visualisierung aus dem Planungsmodell.

Die Bundesstraße B 87 verläuft von Lützen-Süd an der A 38 in Sachsen nach Frankfurt (Oder) in Brandenburg. Im Bedarfsplan für die Bundesfernstraßen sind die Abschnitte von Leipzig bis Eilenburg, von Eilenburg bis westlich Torgau (vorliegender Planungsabschnitt), die Ortsumgehung Torgau und der Abschnitt östlich Torgau für den Freistaat Sachsen (Bundesverkehrswegeplan 2030) enthalten. Diese Abschnitte dienen vor allem der Anbindung der Mittelzentren Eilenburg und Torgau an das Oberzentrum Leipzig. Die B 87 ist somit eine der wichtigsten Verkehrsachsen in Nordsachsen für die Landesund Regionalentwicklung im Freistaat.

Grundlage in 3D

Die Planung mittels BIM erfordert ein völlig neues Herangehen bei der Trassenuntersuchung. Während bei der traditionellen Planung Korridore mit einem geringen Raumwiderstand auf zweidimensionalen Karten im Grundriss gesucht und anschlie- ßend im Aufriss betrachtet werden, erfolgt bei der BIM-Methode von Anfang an alles dreidimensional. Planungsgrundlage ist nicht mehr der Lageplan, ergänzt um einen Höhenplan, sondern das Modell. Aus den Vermessungsdaten wird ein digitales Geländemodell generiert, in das alle weiteren Informationen, wie Flächennutzung, Leitungsinformationen, Umweltinformationen, zu integrieren sind. Dieses Bestandsmodell bildet damit die dreidimensionale Grundlage für die Linienfndung. Bei der Erstellung des Bestandsmodells war das Aufbereiten der vorhandenen Leitungen besonders herausfordernd, da diese in der Regel nicht vermessen sind. Die von den Medienträgern erhaltenen Grundlagendaten waren zumeist 2D-Zeichnungen in den Formaten DWG und DXF. Schnell wird ersichtlich, dass ein gewisser Aufwand zu betreiben ist, um daraus BIM-fähige Daten zu erhalten.

BIM-fähige Daten erzeugen

Bild 1: Planungsvariante der B 87n über die vorhandene Bahnanlage.
Bild 1: Planungsvariante der B 87n über die vorhandene Bahnanlage.

Mit card_1 steht uns ein vielseitiges Arbeitsinstrument zur Verfügung, mit welchem wir diese Aufgabe bewältigten. Zum damaligen Zeitpunkt gab es in card_1 bereits einen Leitungsgenerator, jedoch noch ohne die „Glaskörperfunktion“ und Attribuierungsmöglichkeit. Eine Lösung dazu haben wir schnell via CardScript gefunden. Dialogbasierend ließen sich allen 2D-Leitungslinien DGM, Überdeckungshöhen, Nennweiten und Dimensionen des Sicherheitsabstandes (3D-Glaskörper) für die 3D-Modellierung zuweisen (siehe Bild 2). Darüber hinaus wurden alle wichtigen Informationen als Attribute den 3D-Leitungen automatisch mitgegeben. Inzwischen leistet auch der card_1 Leitungsgenerator „BIM like“ die Komponenten Sicherheitsabstand und Attribuierung.

Anforderungen – AIA

Die Anforderungen an die benötigten Modelle sowie die Defnition des Planungszieles, den Festlegungen zur Planungsgenauigkeit, den Liefergegenständen, Prozessabläufen, beschreibt der Auftraggeber in den Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA). Diese enthalten u. a.:

  • BIM-Projektziele und BIM-Anwendungsfälle
  • technische Anforderungen zu Software, Datenaustausch und Datenübergabeformaten, Datenaustauschsystem (CDE), Modellierungsvorschriften, Genauigkeits- und Planungstiefenanforderungen (LoD), Abschnittseinteilungen, Dateinamenkonventionen, Koordinatensysteme, Eingangsdaten des AG sowie Aussagen zu 3D (Ist und Planung), 4D (Bauablauf und Termine), 5D (Kosten) und 6D (Lebenszyklusbetrachtungen).
  • Management-Anforderungen, wie Verantwortlichkeiten und Leistungsbilder, Anforderungen zum BIM-Projektabwicklungsplan (BAP), Kollaborationsprozess, Qualitätssicherung, Plausibilitäts- und Kontrollprüfungen, Datensicherheit sowie Normen und Richtlinien.

Basierend auf diesen Anforderungen entsteht in Zusammenarbeit zwischen dem Planer und dem Auftraggeber das „Drehbuch“ für den Planungsprozess, der sogenannte BIM-Abwicklungsplan (BAP).

Abwicklung – BAP

Der Auftraggeber hat bereits mit der Angebotsaufforderung sehr detaillierte AIA übergeben, um zum Angebotszeitpunkt einen BAP als Entwurf zu erhalten und diesen zur Angebotswertung hinzuzuziehen. Planung ist jedoch kein statisches Ereignis, sondern ein dynamischer Prozess. Aus diesem Grund ist der BAP laufend mit den Anforderungen abzugleichen und bei Bedarf fortzuschreiben.

Open BIM

Bei der Erstellung des Planungsmodells bis zur 6D-Tiefe, d. h. 5D plus Lebenszyklusbetrachtung, ist die Anwendung unterschiedlicher Softwaretypen erforderlich. Abhängig von der Planungsphase liegt dabei der Schwerpunkt auf Trassierungs-CAD-Software, AVA-Software oder Projektmanagementsoftware. In diesem Planungsfall wurden als Trassierungssoftware VIS-All® 3D von Softwareservice John zur Trassenfndung und card_1 zur Feintrassierung eingesetzt. Die Erstellung des gewerkeübergreifenden Gesamtmodells mit Kollisionsprü- fung und Koordination erfolgt mit der BIM-Analysesoftware DESITE MD von ceapoint, die sich auch mit AVA-Software, etwa iTWO von RIB, oder Managementsoftware, wie MS-Projekt, verknüpfen lässt. Aufgrund des Pilotcharakters der Planung ist es erforderlich, die Software ständig anzupassen, um bisher unbekannte Anwendungsfälle adäquat abzubilden und Schnittstellenprobleme zu lösen. Dazu steht Schüßler-Plan mit den Softwareherstellern im engen Kontakt.

Kollisionsprüfung

Bild 2: 3D-Leitungen mit Unsicherheitsbereich als Glaskörper für die Kollisionsprüfung.
Bild 2: 3D-Leitungen mit Unsicherheitsbereich als Glaskörper für die Kollisionsprüfung.

Wesentlicher Bestandteil der BIM-Methode ist die automatisierte Kollisionsprüfung im 3D-Modell. Das Ziel ist die systematische, nahezu vollständige Beseitigung von Planungskonflikten bzw. Widersprüchen. Dazu werden die 3DModelle aller Fachdisziplinen in einem multidisziplinären, konsolidierten Koordinationsmodell zusammengeführt. In der Straßenplanung sind darüber hinaus in den frühen Leistungsphasen (LPH1+2) Varianten zu untersuchen und zu vergleichen. Aus diesem Grund wurde ein Variantenmodell aus den Grundlagen der unterschiedlichen Fachdisziplinen in Verbindung mit den Trassenvarianten erstellt. Schnell zeigt sich hier, dass die 3D-Modelle eine beachtliche Datengröße erreichen. Damit einhergehend steigen auch die Hardwareanforderungen proportional. Wird nun eine automatisierte Analyse des konsolidierten Koordinationsmodells bzw. Variantenmodells nach bestimmten defnierten Regeln durchgeführt, lassen sich geometrische Probleme mittels der Software schematisch erkennen. Dabei zeigte sich schnell, dass es sinnvoll ist, mehr 3D-Objekte zu modellieren als es für die Planungsphase zunächst notwendig erscheint. Der Grund dafür ist, dass Informationen teilweise mit geringeren Genauigkeitsanforderungen enthalten sind, als benötigt. Ein klassisches Beispiel ist die Darstellung von Leitungsbeständen. Die aufbereiteten Leitungsdaten bilden meist nur eine relativ ungenaue geografsche Lage ab. Würde die Kollisionsprüfung mit dem nachmodellierten 3D-Körper der Leitung gegen die Planung erfolgen, wären Fehlinterpretationen wahrscheinlich. Weiterhin könnte der Betrachter des 3D-Modells zu dem Schluss kommen, dass die Lage die Leitungen wirklichkeitsgetreu dargestellt ist. Aus diesem Grund wurde ein zusätzlicher „Glaskörper“ als Unsicherheitsbereich um die Leitungen modelliert (siehe Bild 2). Mit dessen Hilfe lassen sich bei der Kollisionsprüfung Risikobereiche defnieren, die in spä- teren Planungsphasen näher zu untersuchen sind.

Automatisierung

Bild 3: Vergabe des Schlüsselattributes aus der Datenbank bei der Querprofilentwicklung.
Bild 3: Vergabe des Schlüsselattributes aus der Datenbank bei der Querprofilentwicklung.
Bild 4: Vergabe des Schlüsselattributes aus Datenbank bei der Bauwerkegenerierung für eine erste Bemusterung.
Bild 4: Vergabe des Schlüsselattributes aus Datenbank bei der Bauwerkegenerierung für eine erste Bemusterung.

Ein weiteres Ziel der BIM-Methode ist die weitestgehende Automatisierung von Prozessen, um Verluste bzw. Fehler zwischen den Schnittstellen zu vermeiden. Innerhalb der klassischen Planungsphasen gibt es immer wieder Informationsübergabepunkte zwischen den Beteiligten. Dazu gehören z. B. Fachplaner für Vermessung, Umwelt, Schall, Ingenieurbauwerke und Bodenuntersuchungen. Aber auch Planungsstände für Mengen- und Kostenermittlungen werden zwischen den Sachbearbeitern der Verkehrsanlage ausgetauscht. Dafür sind neben geometrischen 3D-Körpern die Attribute zu übergeben und auszuwerten. Mit card_1 konnten wir von Anfang an unsere Querproflberechnungen inklusive attribuierbarer 3D-Körper umsetzen. Dank der engen Zusammenarbeit mit IB&T hat sich unser anfänglich halbautomatisches System zum vollautomatischen weiterentwickelt. Das bedeutet, dass die in einer Datenbank vorgehaltenen Schlüsselattribute direkt bei der Querproflentwicklung vergeben werden (siehe Bild 3). Dabei ist die Vorbelegung so gewählt, dass zumeist nur der Fahrbahnaufbau per Dialog anzupassen ist. Für speziellere Bauweisen nutzen wir eigene per CardScript entwickelte Analysetools, die uns bereits vor und nach der 3D-Körpergenerierung eine erste Bemusterung in card_1 ermöglichen (siehe Bild 4).

Koordinationsmodell

Per CPIXML wurden die einzelnen Trassenkörper an DESITE MD übergeben. Wir haben uns für die Methode „Trassenabschnitte“ entschieden, damit bei evtl. Änderungen nicht immer ein Gesamtexport aller Trassenkörper an das Planungsmodell in DESITE MD übergeben werden muss. Somit sind im Nachgang „chirurgische Eingriffe“ im Koordinationsmodell möglich. Für die Übergabe der Trassenabschnitte hat uns IB&T eine Stapelausgabe zur Verfügung gestellt. Nur so war es uns u.a. möglich, in der vorgegebenen Zeit 21 Varianten zu analysieren und letztendlich 4 Varianten für die Voruntersuchung auszuwählen. Am Ende würde man mehr als ca. 3 Millionen 3D-Objekte benötigen, um alle Varianten abzubilden. Nur durch die Arbeitsweise im Baukastensystem ließ sich die Anzahl der 3D-Körper stark reduzieren, so dass sich mit ca. 300.000 Objekten ein brauchbares Koordinationsmodell / Gesamtmodell erzeugen ließ.

Mengenauswertung

Bild 5: Automatische Positionsermittlung mit card_1 Kosten AKVS/elKe
Bild 5: Automatische Positionsermittlung mit card_1 Kosten AKVS/elKe

Um den Workflow abzurunden, haben wir eigene Menüführungen für die Mengenermittlung via DESITE MD entwickelt. Somit ist es möglich, auf Knopfdruck variantenbezogene Mengenauswertungen für das Programm card_1 Kosten AKVS/elKe auszugeben. Dort werden die Mengen automatisch den KBK-Nummern zugeordnet, was den Arbeitsaufwand bei der Erstellung der erforderlichen 4 Kostenschätzungen nach AKVS ungemein erleichtert (siehe Bild 5). Das Problem händischer Übertragungsfehler ist damit weitestgehend eliminiert.

Fazit

Viele Fragestellungen sind noch offen. Die Anstrengungen auf Seiten der Politik und der Wirtschaft lassen allerdings erwarten, dass sich der BIM-basierte Planungsprozess durchsetzen wird und in Zukunft als bestimmende Methode Anwendung fndet. Sie bietet den Planern mehr Freiraum für verschiedenste Untersuchungen und führt im Ergebnis zu einer klaren Steigerung der Qualität von Planung und Unterlagen. Letztlich kann dies für den gesamten Planungsprozess nur positiv sein.