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03.06.2021 | Daniela Renz, Jürgen Schmitt, Ralf Schiller

Infrastrukturplanung für Logistikzentrum

BIM & Infrastruktur

Die Planung der Infrastruktur mit der BIM-Methodik kann zur Herausforderung werden. Welche Arbeitsschritte sind sinnvoll – und wo stößt die digitale Planung noch an Grenzen?

Der vorliegende Beitrag basiert auf der Infrastrukturplanung eines Logistikstandortes auf Grundlage der BIM-Technologie (siehe Abbildung 1). Mithilfe des Programmsystems Autodesk Civil 3D wurde ein 3D-Modell der Außenanlagen erstellt, auf dessen Grundlage vom Auftraggeber geforderte Planunterlagen abgeleitet werden sollten. Der Prozess sollte mithilfe von Automatisierungen die Effizienz und Planungssicherheit von Infrastrukturprojekten steigern.

Abbildung 1: Gesamtmodell der Infrastrukturplanung eines Logistikstandortes, Bild: ARCADIS Germany GmbH

BIM und allgemeine Umsetzung in die Praxis

Building Information Modeling ist eine kooperative Arbeitsmethodik, die ein digitales Modell eines Bauvorhabens über seinen gesamten Lebenszyklus darstellt. Die Einführung dieser Arbeitsweise dient der Effizienzsteigerung der Planung im Bauwesen. Gegenwärtige Verzögerungen im Bauzeitenplan sowie Überschreitung von Planungskosten sollen mithilfe des digitalen Modells reduziert werden, indem die Potenziale der digitalen Technologien umgesetzt werden. [1]

Ein Übergang zur BIM-Arbeitsmethodik erfolgt schrittweise. Aus diesem Grund entwickelte die BIM Task Group das BIM-Reifegradmodell. Es besteht aus vier Ebenen.

Die Ebene 0 repräsentiert die konventionelle Arbeitsweise mit 2D-Zeichnungen und dem Austausch in Papierform. Der erste Schritt zur BIM-Methodik, welche die Ebene 1 darstellt, besteht darin, die 2D-Zeichnungen als 3D-Modelle zu erzeugen, die digital übermittelt werden. Die Modellierung ist effizient und effektiv zu gestalten. Aus diesem Grund sind Möglichkeiten zur Automatisierung sowie Wiederverwendung bereits geplanter Bausteine einzubringen.

In Ebene 2 werden einzelne Modelle verschiedener Fachplaner erstellt und regelmäßig miteinander verglichen. Der Austausch der Daten sowie die Koordination erfolgen über eine gemeinsame Projektplattform. Die Voraussetzung für die Umsetzung liegt, im Vergleich zur konventionellen Planung, in einer kooperativen Zusammenarbeit.

Die letzte Ebene zur BIM-Arbeitsweise sieht vor, dass ISO-Standards für den Datenaustausch verwendet werden. Ziel der Projektbearbeitung ist ein digitales Modell, das für unterschiedliche Bauphasen besteht. Aufgrund unterschiedlicher Programmsysteme der unterschiedlichen Fachplaner sind gemeinsame Datenaustauschformate zu wählen. Der Datenverlust, der dem Export in ein anderes Dateiformat geschuldet ist, muss möglichst gering gehalten werden. Die Verwaltung der Modelle ist cloudbasiert durchzuführen. [2]

Gegenwärtige Arbeitsabläufe der Projektbearbeitung

Der Ablauf einer konventionellen Infrastrukturplanung verläuft standardmäßig, indem im ersten Schritt alle Grundinformationen wie z. B. das Kataster, die Vermessungsdaten des Bestandsgeländes und die weiteren Bestandsunterlagen gesammelt und in einer gemeinsamen Zeichnung zusammengeführt werden. Aus den Geländedaten wird ein digitales Modell des Bestandsgeländes erstellt, sodass in einem späteren Planungsschritt eine Berechnung der Auf- und Abtragmenge ermöglicht wird. In einem weiteren Schritt beginnt die Planerstellung. Für das zugrunde liegende Projekt wurden zwei Planungsabschnitte unterschieden.

Im ersten Abschnitt wurde ein 2D-Lageplan erstellt und zur Genehmigung eingereicht. Basis waren zweidimensionale Polylinien sowie Objekte ohne dreidimensionalen Bezug. Demnach entstand für jede Änderung ein Mehraufwand, da keine dynamischen Objekte vorhanden waren. Ebenso konnten weitere Fachgewerke wie z. B. die Entwässerungsplanung erst zu einem späteren Zeitpunkt im Projekt mit der Arbeit beginnen, da keine Höhen der Straßenunter- sowie Straßenoberkanten bekannt waren.

Ein weiterer Nachteil der manuellen Planerstellung bestand darin, dass keine Kostenschätzung abgeleitet werden konnte. Ebenso wie die Planung wurde auch die Planprüfung nach konventionellen Methoden durchgeführt, indem die Planunterlagen gedruckt und kommentiert wurden. In der gegenwärtigen Bearbeitung der Genehmigungsplanung bestand demnach keine Implementierung der BIM-Arbeitsmethodik. [3]

Der zweite Abschnitt bestand aus der Genehmigungsplanung, die auf Basis eines 3D-Modells sowie von gedruckten 2D-Plänen auszuführen war. Die Bearbeitung erfolgte in den zwei Teilgruppen der 3D-Modellierung und der 2D-Planbearbeitung. Die 2D-Planunterlagen wurden erstellt, woraufhin das 3D-Modell mit den Informationen aus den 2D-Grundlagenplänen angepasst wurde. Es erfolgte keine Ableitung der Planunterlagen aus dem Modell. Hieraus entstand die Problematik, dass parallel und doppelt gearbeitet wurde, was durch Anwendung der BIM-Arbeitsmethodik verhindert werden kann. Die gegenwärtige Herausforderung bestand darin, die Übermittlung aller Änderungen durchzuführen, sodass alle Planunterlagen auf den aktuellen Informationen erstellt werden konnten.

Des Weiteren erfolgte eine cloudbasierte Arbeitsweise ausschließlich für die 3D-Modellierung. Die 2D-Planunterlagen wurden zwar als Referenzen zur Verfügung gestellt, jedoch erfolgte dies erst nach Freigabe und interner Prüfung. Die Prüfung der

Planunterlagen erfolgte wie in der Genehmigungsphase mit konventionellen Methoden und gedruckten Plänen. [3]

Umsetzung eines Datenmanagements

Die Projektbearbeitung im Bauwesen beruht auf einer Vielzahl von Dokumenten mit großen Datenmengen, die zwischen den verschiedenen Fachplanern ausgetauscht werden müssen. Hier stoßen Arbeitsvorgänge an ihre Grenzen, falls Datenmengen nicht übermittelt werden können oder der Überblick über die Historie der Zeichnungen verloren geht. Zudem schaffen Änderungen des Dateinamens eine vermeidbare Fehlerquelle im Datenaustausch. Ebenso werden eine einheitliche Datenablage sowie Informationsübermittlung benötigt. Ist dies nicht der Fall, können Projektdaten in Emails verloren gehen, oder es erfolgt keine Informationsübermittlung. Resultate sind die Verwendung einer falschen Version und selbst verursachte Mehrkosten. Lösung hierfür ist eine cloudbasierte Arbeitsweise, die in die BIM-Arbeitsmethodik zu integrieren ist.

Große Datenmengen erschweren nicht nur die Übermittlung der Datensätze, sondern auch die Projektbearbeitung, weshalb die Bearbeitungsweise anzupassen ist. Es ist ein Datenmanagement zu implementieren, wodurch Zeichnungsdateien in ihrer Datengröße verringert werden sowie paralleles Arbeiten der Projektteams ermöglicht wird. Ziel ist es, verschiedene Objekte in unterschiedlichen Zeichnungsdateien zu bearbeiten und durch Verknüpfung zusammenzuführen. Der Workflow unterscheidet drei Arbeitsphasen bzw. Verantwortungsbereiche: Designmodell, Produktionsmodell und Planerstellung (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Datenmanagement der Planbearbeitung, Bild: ARCADIS Germany GmbH

Das Designmodell enthält die planerischen dreidimensionalen Informationen. Erstellt und bearbeitet wird es durch den Straßenplaner. Dieser erstellt im Designmodell die Achsen und Querschnitte sowie den resultierenden 3D-Profilkörper. Ebenso wird in diesem Workflow-Schritt durch den Entwässerungsplaner das Kanalnetz geplant. Somit besteht das Ziel dieses Workflow-Schritts nur darin, die dreidimensionalen Informationen in unterschiedlichen Modellen herzustellen. Basisgrundlagen sind referenzierte Grundlageninformationen aus der Genehmigungsphase.

Im Produktionsmodell werden mithilfe von Datenverknüpfung die benötigten Civil 3D-Objekte aus dem Designmodell referenziert, sodass ein vollständiges Gesamtmodell der Außenanlagen erstellt wird. Es handelt sich um die Vorlage für die im nächsten Schritt folgende Planerstellung. Aus diesem Grund wird im Produktionsmodell zudem auf die Visualisierung nach deutschem Standard bzw. dem Standard des Auftraggebers geachtet, auf die im Designmodell verzichtet werden kann. Vorteile dieser Herangehensweise sind eine geringe Datengröße des Gesamtmodells und somit eine Arbeitserleichterung für den Modellierer. Des Weiteren wird das Arbeiten für mehrere Personen an einer endgültigen Zeichnung ermöglicht.

Einführung von BIM in die Infrastrukturplanung

Infolge der geringen Zeitspanne, die für die Bearbeitung der Genehmigungsphase vom Auftraggeber vorgegeben wurde, war eine detaillierte 3D-Modellierung mittels 3D-Profilkörpern zu Projektbeginn nicht möglich. Trotzdem ist eine 3D-Modellierung notwendig, um automatisierte Berechnungen aus der Planung zu verwirklichen und weitere Gewerke frühzeitig in die Planung einzubinden. In diesem Fall war eine vereinfachte Modellierung möglich, um die BIM-Methodik bereits zum Projektstart einzuführen.

Die Lösung bestand in der Verwendung von Elementkanten anstelle von Polylinien. Den Elementkanten konnte aus den vorgegebenen Querneigungen und Anschlusshöhen an das Logistikzentrum oder aus den vorhandenen Festpunkthöhen eine Höhe zugeordnet werden (siehe Abbildung 3). Querneigungsänderungen waren ebenfalls mit Elementkanten abzubilden, die als Bruchkanten definiert wurden. Berechnungen der Volumina sowie der Auf- und Abtragmengen konnten mithilfe von digitalen Geländemodellen der Elementkanten einfach und dynamisch erstellt werden. Ebenso konnten die Planungshöhen anderen Fachgewerken für eine frühzeitige Integrierung übergeben werden.

Abbildung 3: Elementkante zur Erstellung vereinfachter 3D-Modelle, Bild: ARCADIS Germany GmbH

Ein hohes Potenzial zur Implementierung von BIM bestand in der Ausführungsplanung. Ziele der Einführung dieser Arbeitsmethodik waren die verbundene Zeitersparnis und eine Effizienzsteigerung in der Planung. Wesentlicher Unterschied zu den gegenwärtigen Arbeitsabläufen bestand in der Weiterverwendung des 3D-Modells. Die 3D-Modellierung sollte in zukünftigen Projekten nicht ausschließlich für die Mengenermittlung dienen. Angestrebt wurde die Aufbereitung eines Modells, das den Vorgaben des Auftraggebers entspricht. Dem Bearbeiter standen zwei Varianten zur Verfügung, mit denen Planunterlagen abgeleitet vom 3D-Modell erstellt werden konnten.

Die erste Variante umfasste die Darstellung von digitalen Geländemodellen, die aus den 3D-Profilkörpern abgeleitet werden. Visuell können Geländemodelle mithilfe von Stilen den zweidimensionalen Anforderungen entsprechend angepasst werden. Ist eine dreidimensionale Ansicht gewünscht, kann den Geländemodellen ein Material zugeordnet werden.

Für eine fehlerfreie visuelle Darstellung der Geländemodelle ist es notwendig, dass für unterschiedliche Materialen im Oberbau oder unterschiedliche Elemente wie Bordsteine ein gesondertes Geländemodell aus dem 3D-Profilkörper exportiert wird. Für unterschiedliche Pläne können unterschiedliche Definitionen erstellt werden, sodass aus dem Modell diverse Pläne – beispielsweise ein Bord- oder Flächenplan – abgeleitet werden können. Vorteil dieser Variante ist die visuelle Darstellung für große Flächen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, Objekte dynamisch an den Geländemodellen auszurichten. Nachteil dieser Methode ist, dass jedes Geländemodell einzeln gemäß den visuellen Anforderungen aufbereitet werden soll. Es kann kein Stil vordefiniert werden, der für alle Geländemodelle anzuwenden ist. Das Ergebnis der Planableitung aus den Geländemodellen des 3D-Modells ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Planableitung aus digitalen Geländemodellen eines 3D-Modells – 3D-Ansicht, Bild: ARCADIS Germany GmbH

Die zweite Variante bereitet die 3D-Profilkörper gemäß den Anforderungen des Auftraggebers auf. Hierfür ist ein Codestilsatz zu definieren, in dem die Ansichten des Lageplans und Modells sowie der Querschnitte eingestellt werden können. Nachteil dieser Variante ist die visuelle Darstellung. 3D-Profilkörper werden für definierte Intervalle erstellt, die auch in der Planableitung dargestellt werden. Demnach werden für geringe Radien, die für das vorhandene Projekt benötigt wurden, alle verwendeten Intervalle angezeigt.

Im Vergleich zur Variante der Planableitung mit Geländemodellen ist die Zuweisung der Codestile nur einmalig durchzuführen. Mit vordefinierten Codestilen besteht zudem die Möglichkeit, Querschnittspläne gemäß den Vorgaben des Auftraggebers aus den 3D-Profilkörpern abzuleiten. Des Weiteren können durch dynamische Höhen- und Neigungsbeschriftungen die Querschnitte benutzerdefiniert gestaltet werden.
Welche der beiden Methoden angewandt wird, ist dem Bearbeiter überlassen. Beide Varianten besitzen Vor- und Nachteile, die projektspezifisch analysiert werden sollen. Das Projekt, auf dem dieser Bericht basiert, beschreibt die Verkehrsanlagenplanung, die mit großen Flächen für den ruhenden Verkehr gekoppelt ist. Deshalb ist die präferierte Methode die Ableitung aus erstellten digitalen Geländemodellen der einzelnen 3D-Profilkörper. Hierfür ist ein weiterer Arbeitsschritt notwendig, jedoch ist das Ergebnis optisch vergleichbar mit der konventionellen Planerstellung.

Des Weiteren können Markierungen, Beschilderungen und weiteren Objekten eine Höhe aus den Geländemodellen zugewiesen werden, wodurch eine dreidimensionale Visualisierung ermöglicht wird. Trotzdem ist zu beachten, dass die Planunterlagen ebenfalls Schnitte beinhalten, die aus den 3D-Profilkörpern abzuleiten sind. Aufgrund des geringen Zeitaufwandes der Erstellung eines Produktionsmodells auf Grundlage der Profilkörper wird empfohlen, ein zweites Modell zu erstellen (siehe Abbildung 5), aus denen Schnittführungen abgeleitet werden können.

Die visuelle Darstellung im Lageplan kann in diesem Modell vernachlässigt werden. Für klassische Verkehrsanlagenprojekte, die keine großen Wende- oder Parkflächen besitzen, empfiehlt sich die Planerstellung auf Basis von 3D-Profilkörpern.

Abbildung 5: Planableitung aus 3D-Profilkörpern, Bild: ARCADIS Germany GmbH

Kooperative Zusammenarbeit

Die BIM-Arbeitsmethodik beschränkt sich nicht auf die Erstellung eines digitalen Modells, sondern implementiert eine kooperative Zusammenarbeit aller Fachgewerke. Grundvoraussetzung einer kooperativen Zusammenarbeit ist eine cloudbasierte Arbeitsweise. In dem zugrunde liegenden Projekt wurde die cloudbasierte Plattform Autodesk BIM 360 zur Dokumentablage und -übermittlung sowie Zusammenarbeit aller Planer verwendet.

BIM 360 bietet die Möglichkeit, dass Genehmigungsprozesse implementiert werden können. Planunterlagen lassen sich direkt kommentieren, und es können dem Bearbeiter Aufgaben zugewiesen werden, was die Planprüfung zum einen erleichtert und zum anderen eine klare Struktur hervorbringt. Die Qualitätsprüfung ist hierbei nicht für einzelne Planunterlagen gesondert durchzuführen. Sie kann mit der Kollisionsprüfung für das Gesamtmodell erfolgen. Die Kollisionsprüfung lässt Unstimmigkeiten bzw. Kollisionen der Modelle visuell oder tabellarisch anzeigen. Die Kollisionsmatrix stellt die Konflikte der einzelnen Zeichnungen dar. Voraussetzungen dafür ist ein gemeinsam genutztes Koordinatensystem.

Diese Vorgehensweise führt dazu, dass Planungsfehler frühzeitig erkannt werden, wodurch die Planung effizienter gestaltet wird. Für die Behebung der Kollisionen bietet BIM 360 zudem die Möglichkeit, Aufgaben aus den vorhandenen Kollisionen zu generieren und sie an den Bearbeiter mit einer Frist zu adressieren. Die gegenwärtige Arbeitsweise nutzt die Vorteile von BIM 360 nicht durchgehend. Das ist für die Umsetzung von BIM in der Infrastrukturplanung zu ändern. Durch die Anwendung werden die Problematiken des Datenverlustes durch Übermittlung per Email vermieden.

Fazit: BIM in zukünftigen Infrastrukturprojekten

Die genannten Vorteile zur Projektbearbeitung mit BIM machen deutlich, dass eine Umsetzung der BIM-Arbeitsweise realisiert werden soll. Die Vorteile der BIM-Methodik liegen im einheitlichen Projektverständnis aller Beteiligten – insbesondere für den Auftraggeber – und in der Planungssicherheit. Auf Grundlage der Visualisierungen des Projektmodells und der frühzeitigen Kollisionsprüfungen werden Planungsfehler zeitnah erkannt, wodurch eine Optimierung im Projektzeitplan und bei den Planungskosten erfolgt. Außerdem liegen die Kosten der modellbasierten Mengenermittlung zugrunde, wodurch Änderungen der Planung keinen Mehraufwand der Anpassung der Massen verursachen.

Gegenwärtig ist die Planung mit der BIM-Methodik optimierbar, was auf Grundlage des Infrastrukturprojekts für ein Logistikzentrum erkennbar ist. Die beschriebenen Möglichkeiten der Bearbeitung von Infrastrukturprojekten mit Autodesk Civil 3D und BIM 360 zeigen, welche Arbeitsschritte für eine verbesserte Projektbearbeitung mit BIM durchgeführt werden können.

Für die Anwendung der BIM-Arbeitsmethodik in der Infrastrukturplanung muss grundlegend zwischen zwei unterschiedlichen Anwendungsfällen differenziert werden: reine Straßenplanung oder Planung von Verkehrsanlagen mit ausreichenden Flächen für den ruhenden Verkehr, die durch große Asphaltflächen und abknickende Fahrbahnränder geprägt sind. Für diese beiden Optionen existieren unterschiedliche Lösungen der BIM-Implementierung. Für die Verkehrsanlagenplanung mit großen Asphaltflächen und abknickenden Fahrbahnrändern werden die Umsetzung eines 3D-Modells und die Ableitung von Planunterlagen durch die Projektgeometrie erschwert.

Die Einführung von BIM in die Infrastrukturplanung ist ein schrittweiser Prozess. Künftige Projekte werden zudem um die 4D- und 5D-BIM-Planung erweitert, bei der Zeit und Kosten mit dem 3D-Modell verknüpft werden.

 

Literatur

[1] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, „Stufenplan Digitales Planen und Bauen – Einführung moderner, IT-geschützter Prozesse und Technologien bei Planung, Bau und betrieb von Bauwerken,“ Berlin, Dezember 2015

[2] André Borrmann, Markus König, Christian Koch, Jakob Beetz, Building Information Modeling – Technologische Grundlagen und industrielle Praxis, Wiesbaden: Springer Verlag, 2015.

[3] Projektunterlagen der Firma ARCADIS Germany GmbH

© ARCADIS Germany GmbH
Autoren

Daniela Renz, M.  Eng. studierte Bauingenieurwesen an der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Darmstadt und arbeitet im Bereich der Verkehrsanlagenplanung bei der ARCADIS Germany GmbH. (Bild: privat) arcadis.com


Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmitt vertritt im Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Darmstadt die Forschungs- und Lehrgebiete Geotechnik, Tunnelbau und CAD. (Bild: privat) h-da.de


Dipl.-Ing. Ralf Schiller ist als Bereichsleiter Highway & ITS Germany für die ARCADIS Germany GmbH tätig. (Bild: privat) arcadis.com

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