WAS IST BIM UND SCAN TO BIM?

 

Ansätze für die Verwendung von BIM für Bestandsgebäude

Beeinflusst durch die rasante Entwicklung der Laserscanning-Technologie und Photogrammmetrie hat die Dokumentation von Gebäuden in ihrem aktuellen Zustand mit der 3D Modellierung des architektonischen Bestands in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dieser Artikel konzentriert sich vor allem auf verschiedene Methoden zur Interpretation von Punktwolken und die Erstellung von HBIM (Historic BIM)-Familienbibliotheken. Dabei wird untersucht, wie dies geschehen soll, da es bis jetzt keine klaren Richtlinien hierfür gibt. Aus diesem Grund ist das Ziel dieses Artikels, eine Methodik für die Erstellung eines BIM-Modells aus einer Punktwolke mittels einer hauptsächlich manuellen Methode zu etablieren.

In der täglichen Praxis hat sich gezeigt, dass das 3D-Laserscanning die geeignete Methode zur vermessungstechnischen Erfassung von Gebäuden als Grundlage für die Erstellung eines BIM-Modells ist und die Weiterentwicklung halbautomatischer Methoden den Prozess in den kommenden Jahren exponentiell erleichtern wird.

BIM (Building Information Modeling)

Seitdem der Begriff BIM Anfang der 90er Jahre zum ersten Mal verwendet wurde, haben zahlreiche Studien in den letzten 20 Jahren wesentliche Fortschritte hinsichtlich der Methodik und der Technologie erzielt. Die heutigen BIM-Systeme haben ihre Wurzeln im Neubau, wodurch sich bestimmte Konventionen in ihrer Funktionalität ergeben haben. So werden Bauteile eher idealisiert als verformungsgerecht dargestellt, Wände werden mehrheitlich orthogonal und mit parallelen Wandflächen gezeigt, repetitive Strukturen werden verwendet und Querschnitte werden vereinheitlicht.

Um zu verstehen, was BIM ist, muss die Bedeutung seiner Akronyme analysiert werden:

Das B, Building, steht sowohl für das Gebäude als auch für den Bauprozess.

Das I, Informationen, beschreibt die Metadaten, die eingeführt werden.

Das M, Modellierung, bezieht sich auf die Tatsache, dass all diese Informationen in einem vollständigen Modell gesammelt werden, welches das Gebäude in allen Phasen von der Grundlagenermittlung über die Nutzung bis zum Abriss oder Rückbau seines Lebenszyklus repräsentiert. In der Betriebsphase des Gebäudes entsteht der größte Aufwand.

BIM kann sowohl als Technologie als auch als Arbeitsmethode definiert werden. BIM ist eine Technologie, weil es sich um eine digitale Darstellung der physikalischen und funktionalen Eigenschaften eines Gebäudes handelt, und es ist eine Methode, weil sie die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Beteiligten in den verschiedenen Phasen des Lebenszyklus des Gebäudes ermöglicht.

BIM bedeutet einen Wandel in der Projektverwaltung auf verschiedenen Ebenen, wie z.B. Kooperationsprozesse, Organisationsstrukturen und verwendete Technologien, und impliziert einen Wandel hin zu einem stärker kooperationsorientierten Projektmanagement.

 

BEP

Ein wichtiger Teil des BIM-Prozesses ist die Interoperabilität (das heißt die Kompatibilität von verschiedenen Softwaresystemen, also die Schnittstelle) mit der Entwicklung von IFC und COBie zur Unterstützung des strukturierten Datenaustauschs sowie ein effektives Informationsmanagement. Grundlage hierfür ist der BEP (BIM Execution Plan – Abwicklungsplan), der vor Projektbeginn vereinbart wird und eine transparente Vorgehensweise während des gesamten Projekts gewährleistet.

 

IDM

Das Information Delivery Manual (IDM) beschreibt die Anforderungen an den Datenaustausch. Es stellt den Umfang und die Anforderungen an die Informationen dar, die ein bestimmter Benutzer zu einem bestimmten Zeitpunkt oder während eines bestimmten Arbeitsprozesses in einem BIM-Projekt bereitstellen muss.

 

Open BIM / Close BIM

Das Open BIM Collaborative Format (oder Austauschformat) ist eine Datenschnittstelle für den Informationsaustausch während des Arbeitsprozesses zwischen verschiedenen Softwareprodukten, die auf dem IFC-Austauschformat basieren. Open BIM ermöglicht eine modellbasierte Kommunikation zwischen verschiedenen Benutzern und liefert Informationen über Status, Standort, Anzeigerichtung, Komponenten, Kommentare, Benutzer und Zeiten im IFC-Datenmodell.

Close BIM stellt in der Regel die Arbeit in einer eingeschränkten Designumgebung dar, in der die Teilnehmer die gleiche Software verwenden müssen. Damit bleibt die Zugänglichkeit für diejenigen Nutzer einschränkt, die mit diesem speziellen Tool nicht vertraut sind. Die Einschränkungen des Close BIM haben sich als Ursache für eine Kommunikationsschwäche zwischen verschiedenen Teilnehmern erwiesen, die versuchen, Daten in einer gemeinsamen Umgebung auszutauschen. Close BIM ist derzeit jedoch oft das Mittel der Wahl, da die Standardisierung der Austauschformate noch lückenhaft ist und nicht alle Softwarehersteller eine funktionierende Schnittstelle bereitstellen.

 

IFC

Das IFC (Industry Foundation Classes)-Dateiformat, erstellt von der Non-Profit-Organisation Building Smart, bietet eine Lösung für die Interoperabilität zwischen verschiedenen Programmen. Die Referenzdaten werden in Form von Definitionen von Eigenschaften- und Mengenbezeichnungen sowie von Beschreibungen abgebildet. Dabei wird der Informationsverlust bei der Übertragung von einer Anwendung zur anderen dank des für gemeinsame Objekte in der Bauindustrie festgelegten Standards reduziert.

Mit der Veröffentlichung der DIN EN ISO 16739 im April 2017 ist der IFC4 Standard nun auch offiziell das anerkannte europäische Datenformat für den Austausch von Daten für die Gebäudedatenmodellierung, also BIM.

Die Model View Definition (MVD) stellt eine Anleitung für alle IFC-Ausdrücke zur Verfügung, die in einem definierten Anwendungsbereich verwendet werden und vorhanden sein müssen, wie Klassen, Attribute, Beziehungen, Eigenschaften, Mengendefinitionen etc.

 

BIM: Stand und Richtlinien in Deutschland

Die Nutzung von BIM in Deutschland steht derzeit im Schatten anderer Länder, sowohl auf europäischer als auch auf internationaler Ebene. Beispielsweise ist BIM in nordischen Ländern wie Finnland oder Norwegen für öffentliche Bauvorhaben verpflichtend. In Deutschland erschweren eine unklare Definition von Terminologie und Standards die Anwendung, obwohl Technologie und Know-How vorhanden sind.

Auf der Ebene der Standardisierung entwickelt der VDI (Verein Deutscher Ingenieure) eine Reihe von Normen für die verschiedenen Baugewerke. Es handelt sich um insgesamt neun Dokumente, in denen ein Überblick über nationale und internationale Normen zusammengestellt wurde. Im Januar 2017 wurde das erste der Dokumente, VDI 2552 Blatt 3 „BIM – Mengen und Controlling", veröffentlicht.

Die größten Initiativen auf Regierungsebene finden im Bereich der Infrastruktur statt. Das Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur (BMVI) hat im Dezember 2015 (aktualisiert im Januar 2017) den Stufenplan Digitales Planen und Bauen ins Leben gerufen, der die verbindliche Anwendung der BIM-Methodik für alle Bauprojekte im Infrastrukturbereich ab 2020 vorsieht. Gleichzeitig kündigte die Deutsche Bahn an, dass bis Ende 2020 alle neuen standardisierbaren sowie komplexen Projekte mit BIM geplant werden.

 

BIM Dimensionen

Je nach Quelle gibt es sechs oder sieben BIM-Dimensionen, sofern Nachhaltigkeit eine eigene Dimension hat und in den vorangegangenen Dimensionen nicht impliziert ist.

Das 3D-Modell wird als die unteren drei Dimensionen verstanden. Der Prozess der Erstellung von grafischen und nicht-grafischen Informationen und des Austauschs dieser Informationen in einer gemeinsamen Datenumgebung wird zur Kollisionserkennung in der Entwurfsphase vor der Inbetriebnahme verwendet. Als 4D-Dimension wird die Bauzeitenplanung verstanden. 4D dient der Visualisierung und Simulation des Bauablaufs. Die 5D-Dimension, Kostenplanung, basiert auf der Kostenextraktion aus dem Modell. Diese Berechnungen können auf Grundlage der Daten und der zugehörigen Informationen durchgeführt werden, die mit bestimmten Komponenten des grafischen Modells verknüpft sind. Diese Informationen ermöglichen es, die Mengen einer bestimmten Komponente eines Projekts einfach zu ermitteln.

Die 6D-Dimension kann als Nachhaltigkeit verstanden werden. In diesem Fall bezieht sich 7D auf das Facility Management (FM, Verwaltung und Bewirtschaftung von Gebäuden) oder die Betriebsphase während seiner Nutzungsdauer. Aber auch die sechste Dimension wird oft mit Facility Management in Verbindung gebracht, da die „Nachhaltigkeit" in den anderen Dimensionen integriert ist. Auch als integriertes BIM oder iBIM bezeichnet, beinhaltet BIM 6D die Aufnahme von Informationen für die Unterstützung des Facility Managements während die Betriebsphase. Diese Daten können Informationen über den Hersteller einer Komponente, ihr Installationsdatum, die erforderliche Wartung und Angaben zur Konfiguration beinhalten.

Dezentrale Planung

Bauwerksmodelle können die wichtigsten Mittel zur zentralen Verwaltung und Koordination von Projektinformationen sein. Sie bestehen aus dreidimensionalen virtuellen Komponenten und intelligenten Elementen, die es ermöglichen, aus der Geometrie zusätzliche Informationen zu generieren. Die dezentrale Planung versucht, mehrere Fachmodelle zu erstellen, die über eine zuvor definierte und koordinierte Qualitätssicherung verfügen. Diese werden in regelmäßigen Abständen in einem globalen oder zentralen Modell integriert und gesamtheitlich kontrolliert.

Alle relevanten Gebäudedaten werden mit Hilfe einer speziellen Software digital erfasst, kombiniert und vernetzt. Die Visualisierung des virtuellen Gebäudemodells ist nur ein Aspekt; gleichzeitig ermöglicht die kontinuierliche Vorbereitung und die sofortige Verfügbarkeit einer gemeinsamen Datenbank eine Steigerung der Produktivität des Planungs- und Bauprozesses.

 

BIM-Objekte

Ein BIM-Objekt ist eine Kombination aus:

  • Geometrie des Modells, das die physikalischen Eigenschaften des Produkts beschreibt
  • Inhalt der Informationen, die das Produkt definieren
  • Verhaltens- und Betriebsdaten, die es ermöglichen, das BIM-Objekt zu setzen oder zu entfernen
  • Visualisierungsinformationen, die dem Objekt ein erkennbares Aussehen geben

Parametrische Objekte

Parametrische BIM-Objekte bilden verschiedene architektonische Eigenschaften, Strukturelemente und Systeme und sind intelligente Informationsträger. Sie werden mit geometrischen Definitionen, zugehörigen Daten und Regeln erstellt, die ihr Verhalten definieren, d.h. wie sie mit anderen Objekten interagieren oder wie sie auf Änderungen ihrer Parameter reagieren.

 

Parametrische Bibliotheken

Die parametrische Modellierung basiert auf der Verwendung von vorgefertigten Bibliotheken. Die meisten BIM-Softwarepakete verfügen über umfangreiche Bibliotheken mit vordefinierten parametrischen Objekten, die zur Erstellung von BIM-Modellen verwendet werden. Dies ermöglicht eine effiziente Modellierung, da die 3D-Geometrie nicht von Grund auf neu erstellt werden muss.

 

LOD

Ein wichtiger Teil vor Beginn eines Projekts ist der Entwicklungsgrad, der erreicht werden soll. Der Zweck der Bauvermessung bestimmt die Detailtreue und Genauigkeit des Modells. Es gibt verschiedene Interpretationen des Akronyms LOD:  Es kann als Entwicklungsgrad oder Detaillierungsgrad verstanden werden. Der Detaillierungsgrad ist im Wesentlichen die Detailgenauigkeit, die im Modellelement enthalten ist. Der Entwicklungsgrad ist der Grad, in dem die Geometrie des Elements und der angehängten Informationen konzipiert wurde – inwieweit sich die Mitglieder des Projektteams bei der Verwendung des Modells auf die Informationen verlassen können.

LOD bezieht sich oft auf einen Zeitpunkt, eine Phase im Lebenszyklus oder auf eine vertragliche Verantwortung und bestimmt alle folgenden Schritte, von der Auswahl der Technik bis zur Erstellung des Modells aufgrund seines großen Einflusses auf die Qualität und den Umfang der benötigten Daten.

Es gibt fünf Haupt-LOD-Stufen. Von LOD 100 bis LOD 400 entsprechen sie dem Entwicklungsstand im Projekt. LOD 500 ist die einmal erstellte Vor-Ort-Verifikation.

Level of Information (LOI) Eingabe
LOI 100 Modellkategorie und -position (nur 2D-Symbol)
LOI 200 Modellkategorie, -position und Größe
LOI 300 Modellkategorie, -position und Größe und Typ
LOI 400 Modellkategorie, -position und Größe, Typ und visuelle Bemerkungen
LOI 500 Modellkategorie, -position und Größe, Typ, visuelle Bemerkungen und FM Daten

LOI 100, LOI 200 und LOI 300 sind allesamt geometriebasierte Eingaben. LOI 400 und LOI 500 kann im Modell durch visuelle Beobachtungen erreicht werden (vor Ort, wenn möglich).

Eine geeignete Modellierungsstrategie sollte so flexibel wie möglich sein, damit der LOD der modellierten Elemente leicht erhöht oder verringert werden kann, um den Bedürfnissen künftiger BIM-Anwender gerecht zu werden.

BIM im Bestand

Mit der Verbreitung von BIM wächst auch der Bedarf, die Technologie an bestehende oder bereits gebaute Gebäude anzupassen.

Die Umsetzung von BIM in Bestandsgebäuden ist noch begrenzt und konzentriert sich auf kürzlich fertiggestellte Gebäude mit einem verfügbaren BIM-Modell und nicht auf bestehende Gebäude ohne vorhandene BIM-Modelle, da aufgrund eines zeitaufwändigen Datenerfassungs-, Verarbeitungs- und Erstellungsprozesses der Modellierungsaufwand in BIM hoch ist und zudem in vielen Bestandsgebäuden unvollständige, veraltete oder lediglich fragmentierte Informationen bereitstehen.

 

As-built BIM vs. As-is BIM

Das „As-built“ BIM-Konzept wird verwendet, um Gebäude zu beschreiben, die nach Fertigstellung der Bauphase mit BIM modelliert werden. In diesen „Konstruktionsmodellen“ werden detaillierte Informationen über die Konstruktion, z.B. verwendete Materialen und Schichtaufbauten von Wänden, bereitgestellt. As-built BIM-Modelle eignen sich aufgrund ihrer Informationsdichte für die Verwendung im Facility Management und eine Lebenszyklusanalyse.

Hingegen gibt ein „As-is“ BIM-Modell den Zustand des Gebäudes zum Zeitpunkt seiner Vermessung wieder („Vermessungsmodell“). Diese Modelle zeigen Informationen, die aus den Daten der Vermessung und der Bestandsaufnahme ersichtlich sind, z.B. Oberflächeninformationen und Bauteilabmessungen. Informationen wie Wandaufbauten, die sich hinter den Oberflächen verbergen und somit durch visuelle Messmethoden wie dem 3D-Laserscanning nicht erfassbar sind, können nicht aufgenommen und daher im Modell nicht wiedergegeben werden. As-is Modelle eigenen sich dementsprechend als Grundlage für weitere Planungen.

Insgesamt handelt sich in der Regel um manuelle Konzepte, die drei Aspekte umfassen: Die geometrische Modellierung des Bauteils, die Zuordnung von Kategorien und Materialeigenschaften zu den Bauteilen und schließlich die Herstellung von Abhängigkeiten zwischen ihnen.

Obwohl einige bestehende Gebäude möglicherweise über BIM verfügen, kann dies den aktuellen Bauzustand nicht widerspiegeln, da sich die Gebäude noch in der ständigen Renovierung befinden.

Die potenziellen Vorteile der BIM-Implementierung in bestehenden Gebäuden scheinen erheblich zu sein. Sie umfassen Sanierung, Dokumentation, Qualitätskontrolle oder Energie- und Flächenmanagement sowie verbessertes Facility Management.

 

Scan to BIM

Der Ausdruck „Scan-to-BIM" beschreibt den Prozess der Erstellung, Manipulation und Platzierung von nativen BIM-Komponenten durch direkten Bezug auf die darunterliegende Punktwolke.

Das Ergebnis des Laserscans ist eine Punktwolke „As-is“, die aus Millionen von Einzelpunkten mit 3D-Koordinateninformationen besteht. Die Auflösung der Punktwolke beschreibt den mittleren Abstand zwischen den Punkten und bestimmt die Größe des kleinsten modellierbaren Objekts.

Die Punktwolken enthalten jedoch keine zusätzlichen Informationen über die Objekte, deren Geometrie sie darstellen. Um geometrische, topologische und semantische Daten zu erhalten, ist es daher notwendig, 3D-Geometriemodelle mit parametrischen Objekten zu erstellen.

HBIM

HBIM ist ein Akronym für Historic Building Information Modeling oder Heritage BIM und wird als eine neuartige Bibliothek von parametrischen Objekten beschrieben, die auf historischen Architekturdaten und einem System von Programmen zur Darstellung dieser Daten über Punktwolkeninformationen und Photogrammmetrie basiert. HBIM wird auch als eine neue Technologie definiert, die es ermöglicht, den gebauten Bestand, das Kulturerbe, zu verstehen, zu dokumentieren, zu bewerben und virtuell zu rekonstruieren.

Die Erstellung von HBIM für Denkmalschutzprojekte erfordert die Sammlung der verfügbaren Informationen, die Interpretation und die endgültige Modellierung der verschiedenen Bauteile.

Die wichtigste Anforderung bei der Verwendung von BIM für die Darstellung und Vermessung historischer Architektur ist die Qualität des Modells und seine Zuverlässigkeit in Bezug auf die Geometrie. Eine zweite Bedingung ist die Hinzufügung einer vollständigen Datenbank mit Anmerkungen zu jedem Bauteil über Materialien und Veränderungen im Laufe der Zeit, da die Informationen über das Kulturerbe nicht nur integraler Bestandteil von Schutzprojekten sind, sondern auch auf dem neuesten Stand sein müssen, nachdem eine Intervention abgeschlossen wurde.

BIM für ein Bestands- oder historisches Gebäude kann als Dokumentations- und Verwaltungsinstrument für die Erhaltung, Sanierung, Renovierung und Analyse von Gebäuden eingesetzt werden.

Orthofotos oder Orthobilder können in das fertige HBIM-Modell (und in 2D-Zeichnungen) integriert werden, um Unterstützung beim Verständnis für die Struktur und deren Interpretation zu leisten.

 

HBIM-Bibliothek

Die verfügbaren kommerziellen Softwareplattformen beinhalten keine Bibliotheken mit historischen Elementen, sodass es notwendig ist, eine neue HBIM-Bibliothek zu erstellen.

Die HBIM-Bibliothek wird neben dem Laserscanning auch mit Manuskripten und historischer Architekturdokumentation, photogrammetrischen Techniken und anderen Daten aus der physikalischen Analyse des betreffenden Gebäudes aufgebaut.

 

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