BIM: Brücken schlagen

Bei der Sanierung und beim Neubau von Brücken sehen Fachleute für den Einsatz innovativer Methoden in der Planung der Bauwerke große Potenziale für BIM (Building Information Modeling)-Prozesse. Obermeyer Planen + Beraten kann hier auf erfolgreiche Referenzen und eigene Lösungen verweisen.

Die Zahl der Brücken in Deutschland dürfte Experten zufolge heute bundesweit bei etwa 120.000 liegen, bei einem großen Anteil davon besteht mehr oder minder akuter Sanierungsbedarf. Erste Projekte starten, allein die Deutsche Bahn will 2016 rund 150 Brücken sanieren. Auch zahlreiche Neubauprojekte stehen in den kommenden Jahren an. Angesichts der knappen Mittel, der baulichen Komplexität und der hohen Bedeutung von Brücken für den Verkehrsfluss ist der wirtschaftliche und terminliche Druck bei solchen Vorhaben hoch. Building Information Modeling (BIM) – eine Planungsmethode auf Basis eines objektorientierten 3D-Modells (siehe Infokasten) – spielt dementsprechend auch in diesem Bereich eine zunehmend wichtige Rolle. Die Konsistenz der Daten über den gesamten Planungsund Bauprozess soll dabei für Effizienz- und Qualitätssteigerungen in der Planung und Umsetzung sorgen.

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Plan- und IST-Daten: Links die per Laserscanning erzeugte 3D-Dokumentation. Rechts die Plandaten der 3D-Freiform. Aus beiden Datensätzen wird beispielsweise der Materialbedarf an Beton errechnet.

Bei der weltweit tätigen Planungsgesellschaft Obermeyer ist die Anwendung von BIM-Methoden erklärtermaßen ein wesentliches operatives und strategisches Unternehmensziel. 2013 erarbeitete Obermeyer zusammen mit der AEC3 Deutschland im Rahmen des Forschungsprogramms ZukunftBAU den BIM-Leitfaden für Deutschland, der vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) beauftragt wurde.

Der Grundgedanke des BIM-Prozesses: Ein digitales Datenmodell des gesamten Bauwerkes ist der Dreh- und Angelpunkt sämtlicher Prozesse. Plan- und Dokumentationsdaten sind objektorientiert miteinander im Modell integriert. Entwerfen, Planen und Ausführen sind gleichermaßen betroffen und fördern so komplett neue Arbeitsmethodiken.

Ressourcen-, Termin- und Kostenplanung lassen sich einfach aus dem Modell ableiten. „Dabei steht nicht nur 3D-Planungssoftware im Zentrum, sondern auch neue Prozesse der Zusammenarbeit zwischen Planer, Auftraggeber, Baufirmen, Nutzer und Betreiber“, sagt Markus Hochmuth, Fachbereichsleiter BIM im Ingenieurbau bei Obermeyer.

Sanierung einer innerstädtischen Eisenbahnüberführung

Heute setzt sich die BIM-Methode immer mehr in der Praxis durch, jedoch mit jeweils unterschiedlichen Ansätzen und von Projekt zu Projekt verschieden. Beispielsweise bei der Instandsetzung einer Eisenbahnbrücke in Köln im letzten Jahr. Bei diesem von Obermeyer geplanten Projekt zeigt der Einsatz einer entsprechenden 3D-Planungssoftware (NX von Siemens PLM Software), wie innerhalb des Ingenieurbaus die Planung und Dokumentation datentechnisch integriert behandelt werden.

Die Deutsche Bahn plante im Bereich der Strecke Köln- Koblenz-Bingen die Ertüchtigung eines im Jahr 1912 errichteten Viadukts. Aufgrund ihrer Lage zwischen der vielbefahrenen Inneren Kanalstraße und einem Güterbahnhof sowie aus verkehrstechnischen Gründen sollte die Gewölbebrücke bestehend aus zwölf Gewölben mit einer Gesamtlänge von etwa 200 Metern bei laufendem Betrieb saniert werden. Die Schwerpunkte des Modellierungsprozesses bei Obermeyer lagen auf der Bestandsaufnahme und der bestmöglichen Umsetzung einer einheitlichen Schalungsgeometrie aller Bestandsbögen. Aus der Gewölbeform ergaben sich in der Überlagerung mit der räumlichen Trassierung allerdings sehr komplexe geometrische Verhältnisse.

Der ausgeschriebene Entwurf sah vor, die bestehende Gewölbekonstruktion durch Einbau neuer Stahlbetonvorsatzschalen zu stabilisieren. Alternativ dazu wurde von Obermeyer zusammen mit der Baufirma Falkenhahn Bau ein Nebenangebot ausgearbeitet (und schließlich beauftragt), bei dem auf eine Tiefgründung des neuen „Stahlbetonkorsetts“ verzichtet wurde. Die neuen Gewölbe werden mit durchlaufenden, jeweils biegesteif an die Kämpfer angeschlossenen Sohlplatten ausgebildet.

Für die Modellierung der neuen Gewölbe wurden die bestehenden Bögen an definierten Punkten vermessen und daraus mit der entsprechenden Software Freiformflächen erzeugt, die dann als Bestandsgeometrie für die Konstruktion der neuen Gewölbebögen genutzt werden konnten. Des Weiteren erfolgte ein Aufmaß der bestehenden Situation vor Ort, um die Ist-Lage der betroffenen Gleise zu ermitteln sowie die Möglichkeit für die Erzeugung eines digitalen Geländemodells zu schaffen.

Um sicherzustellen, dass die erzeugten Splines – Kurven, die eine bestimmte Anzahl von Punkten „glatt“ miteinander verbinden – und Freiformflächen den tatsächlichen Formen der bestehenden Bögen gleichen, wurde parallel ein Brückenbogen komplett gescannt. Aus wenigen Messpunkten erzeugte die Software die entsprechenden Flächen. Wie sich zeigte, waren die Abweichungen zum Modell vernachlässigbar. Weiterhin wurden aus dem 3D-Modell der Brücke die zu verbauenden Materialmassen (Kubatur) ermittelt und den ausführenden Firmen zur Verfügung gestellt. Neben dem 3D-Modell sind wie üblich in der Bauindustrie QM-zertifizierte 2D-Pläne erforderlich, die mit der entsprechenden Software automatisiert aus dem 3DModell erstellt wurden. Das Modell und die abgeleiteten 2D-Zeichnungen sind dabei assoziativ, so dass Änderungen am 3D-Modell automatisch zu geänderten Plänen führen.

Brückenmodell für Neu- und Ersatzbauten

1.14 Building Information Modeling – BIM

Topcon Deutschland Positioning GmbH

Topcon Deutschland Positioning ist der deutsche Sitz der börsennotierten Topcon Corporation – weltweit führend in der Herstellung von optischen und elektronischen Instrumenten für die Medizin, Vermessung und Bauwirtschaft. Topcon entwickelt und produziert innovative Positionierungslösungen und bietet ein ganzheitliches Produktportfolio an GNSS-Systemen, Lasern, Produkten für die optische Vermessung und Maschinensteuerung, sowie Anwendungssoftware an.

Ebenfalls befasst sich Obermeyer mit dem BIM-Thema auch auf Ebene der Entwicklung der Standardsoftware ProVI. Zudem steht auch die Modellierung von Brücken mit Hilfe standardisierter Methoden im Fokus der Planungsgesellschaft. Da sich Brückenbauwerke stets an der Trassierung orientieren und durch festgelegte und standardisierte Bauteile und Abhängigkeiten beschreibbar sind, eignen sie sich nach Einschätzung von Obermeyer sogar besonders gut für einen ganzheitlichen dreidimensionalen Modellierungsansatz, bei dem auch die Daten aus den Geoinformationssystemen (GIS) in die Gesamtplanung integriert werden. Das Unternehmen hat seit kurzem ein trassierungsgebundenes, objektorientiertes und parametrisiertes Brückenmodell für eine durchgängige 3D-Planung entwickelt. Besonderheit dabei ist, dass es bereits in der frühen Planungsphase das Bauwerksmodell mit Trassierungs- und GIS-Daten verknüpft. Durch den Einsatz eines solchen parametrisierten Modells soll die vollständige geometrische Kompatibilität zwischen Trasse, Bauwerk und Bestand im Planungsprozess erreicht werden. Sprich: Sollte die geplante Trassierung verändert werden, passt sich die Geometrie redundant der neuen Linienführung an. Zudem macht das Modell die implementierten Informationen, wie etwa System- und Materialparameter, Massen, Kosten, Bauzeit etc. für alle Beteiligten konsistent und verfügbar.

Parametrisierte Brückenmodelle

Ermöglicht wird die Parametrisierung durch einen modularen Ansatz für die relevanten Bauteilgruppen eines Brückenbauwerks sowie deren Interaktionen. Das Gesamtmodell selbst umfasst als Teilmodelle den „Trassierungsentwurf“ mit der Ausgangsinformation Raumkurve für das Brückenbauwerk, den „Bestand“ mit den Informationen aus dem Digitalen Geländemodell inklusive vorhandener Bestandstrassen sowie das Teilmodell „Brücke“. Alle Modelle werden in einem Gesamtmodell zusammengeführt und dort geometrisch untereinander verknüpft. Die Grundlage des Brückenmodells bildet dabei der Trassierungsverlauf der Brücke, welcher im Einsatz der Trassierungssoftware ProVI geplant und im Anschluss als 3D-Kurve über eine Schnittstelle an das Gesamtmodell übergeben wird. ProVI ist ein von Obermeyer entwickeltes, auf AutoCAD basierendes, graphisch-interaktives Programmsystem für Verkehrs- und Infrastrukturplanungen in den Bereichen Straße, Schiene und Kanal. Auch das Bestandsgelände sowie die Baugrundinformationen werden in ProVI erzeugt und dem Gesamtmodell in Form von LAND XML-Daten per definierter Schnittstelle zur Verfügung gestellt. Mit diesen beiden wesentlichen Informationen „Raumkurve“ und „Bestand“ kann nun die Erstellung des Brückenmodells erfolgen.

Die Baugruppe „Brücke“ führt die einzelnen Komponenten zusammen und steht in der Hierarchieebene an oberster Stelle. Sie enthält alle Lagebeziehungen zwischen den einzelnen Bauteilen, aber keine Geometrieinformationen. Neben der Baugruppendatei wird eine Steuerdatei angelegt, die es über entsprechende geometrische Verknüpfungen innerhalb der Komponenten ermöglicht, auf Trassierungsänderungen schnell und unkompliziert zu reagieren. Untergeordnete Bauteilgruppen sind etwa Widerlager, Pfeiler oder Fundamente.

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BIM-orientierte Modellierung: Bei der 3D-Trassierungsplanung werden die Geländedaten aus dem GIS verknüpft.

Das bauteilorientierte Konzept – bestehend aus einer Steuerdatei, einem Überbau, einem Widerlager und einem Pfeiler – soll dabei eine einfache Navigation im Modell ermöglichen. Für Markus Hochmuth steht außer Frage, dass die BIM-Methodik dazu beitragen kann, die Effizienz und Produktivität bei der Realisierung von Bauprojekten zu steigern. Seine Prognose: „Ein gesamtheitlicher BIM-Planungs-, Steuerungs- und Bauprozess wird sich zukünftig nicht nur auf den Einsatz der geeigneten 3D-Planungssoftware konzentrieren.“ Um die Vorteile der BIM-Methode vollumfänglich zu nutzen, müssten neue Prozesse der Zusammenarbeit über die Grenzen Planer, Auftraggeber, Baufirmen, Nutzer und Betreiber entwickelt werden. Technisch bedeutet das auch, ein übergeordnetes Management-Tool zur Verwaltung aller stetig wachsenden Daten und zur Überwachung der Prozesse zu etablieren und möglichst viele der heute eingesetzten Software-Tools zu integrieren.

www.opb.de

Bilder: Obermeyer

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