Interdisziplinärer Ansatz zur Implementierung von BIM im Tunnelbau

Das Projekt „Interdisciplinary Approach on Implementing BIM in Tunneling“, auf deutsch „Interdisziplinärer Ansatz zur Implementierung von BIM im Tunnelbau“, zielt darauf ab, die Integration von Building Information Modeling (BIM) im Bereich des Tunnelbaus, der Geotechnik und des Untertagebaus zu erforschen und weiterzuentwickeln. Dabei liegt der Fokus auf der Verbesserung der Zusammenarbeit, der Koordination und dem Informationsaustausch. Durch eine Untersuchung des aktuellen Standes der BIM-Technologien im Tunnelbau und durch tiefgehende Fallstudien möchte dieses Forschungsprojekt wertvolle Einblicke und Empfehlungen für die effektive Integration von BIM in zukünftige Tunnelbauprojekte bieten.

Dieses Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Subsurface Engineering, dem Lehrstuhl für Informationstechnologie und dem Bachelor-Studienprogramm Industrial Data Science an der Montanuniversität Leoben. Im Zentrum steht ein Tunnelprojekt im Erzberg-Gebiet, das die Einführung eines BIM-fähigen Standards für zukünftige Tunnelprojekte anstrebt und dabei insbesondere die Untertageforschungsanlage Zentrum am Berg (ZaB) in den Fokus nimmt (Abb. 1).

Die Abwesenheit einer effizienten Infrastrukturtechniklösung im Tunnelbau macht die Digitalisierung in der Branche erforderlich. Die Anpassung an bestehende Standards, die Integration bestehender Softwares und die Förderung interdisziplinärer Zusammenarbeit stellen jedoch erhebliche Herausforderungen dar. Um diese Komplexitäten zu bewältigen, vereint dieses Projekt Fachkenntnisse aus verschiedenen Bereichen, einschließlich dem Subsurface Engineering und der Informationstechnologie, um den Weg für umfassende Digitalisierungslösungen zu ebnen.

Mit der langfristigen Vision, eine integrierte Softwarelösung ähnlich der typischen Gebäudekonstruktion im Hochbau zu etablieren, symbolisiert dieses Projekt einen bedeutenden Schritt zur Transformation des Tunnelbaus. Durch die fachübergreifende Zusammenarbeit mit dem Ziel, multidisziplinäre Erkenntnisse zu gewinnen, verfolgt das Projekt einen effizienten Ansatz, um die Implementierung von BIM im Tunnelbau zu erleichtern und so zur Weiterentwicklung der gesamten Tiefbaubranche beizutragen.

Building Information Modeling (BIM) hat die Baubranche revolutioniert, indem es einen digitalen Prozess für das Design, die Konstruktion und das Management von Strukturen, einschließlich Tunneln [1], bietet. Diese Zusammenfassung hebt die Bedeutung von BIM im Tunnelbau hervor und konzentriert sich auf Messmethoden, BIM-Standards und die Herausforderungen bei deren Einführung.

Der erste Schritt zur Integration von BIM ist die Herstellung einer Datenbankanbindung. Ein Anbieter für die Speicherung von Messdaten im Tunnel- und Tiefbau ist die Firma Geodata.

Da die Montanuniversität Leoben und Geodata bereits im Vorfeld gemeinsam an verschiedenen Projekten zusammengearbeitet haben, wurde die Diskussion mit Vertretern dieser Firma gesucht, um die Nachfrage und das Angebot hinsichtlich benötigter echtzeitfähiger Datenbankanbindungen zu besprechen. Solche Anbindungen sind essentiell, um einen BIM-fähigen Modellierungsprozess in Anwendungen, wie etwa Autodesk Revit, zu etablieren. Eine solche Schnittstelle steht derzeit jedoch noch nicht zur Verfügung.

Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurde eine BIM-fähige Datenbankverbindung simuliert. Ein solcher Ansatz ist für den verfolgten Proof-Of-Concept Ansatz ausreichend. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Ersatz nicht als tatsächlicher Bestandteil eines BIM-Ansatzes betrachtet werden soll, sondern als eine effiziente Lösung, um dieses Projekt weiter verfolgen zu können. Da nun eine simulierte Verbindung zu einer Datenbank hergestellt wurde, die alle notwendigen Daten liefert, konnte der auf die Modellierung und Visualisierung ausgerichtete Teil des Projekts beginnen.

Der Fokus wurde auf die Erstellung erster Prototypen zur Visualisierung der Verschiebungen der Reflektoren gelegt. Mithilfe des umfassenden und leistungsstarken Modellierungswerkzeugs Autodesk Revit 2023 wurde versucht, den Anforderungen von Architekten, Ingenieuren und weiteren Anwendern von BIM in Infrastrukturprojekten gerecht zu werden. Erklärtes Ziel war es, eine Verbindung zwischen Revit und KRONOS, der von Geodata entwickelten Geologiedatenanalysesoftware, herzustellen, um die gewonnenen Erkenntnisse für aussagekräftige Visualisierungen zu nutzen. Mit Visual Studio als integrierter Entwicklungsumgebung und den weitreichenden Möglichkeiten der Programmiersprache C# in Kombination mit der Revit-API konnten verschiedene Funktionalitäten implementiert werden.

Im Mittelpunkt des Projekts stand die sorgfältige Integration einer speziellen Funktionalität zur Visualisierung von Verschiebungen innerhalb des Tunnels. Im Speziellen ging es dabei um die Erstellung und Darstellung von Linien und Kugeln zur Veranschaulichung dieser Verschiebungen. Die Komplexität ergab sich aus dem komplizierten Zusammenspiel zwischen den geometrischen Konstruktionen und den Parametrisierungen von Autodesk Revit. Der Weg zur Lösung war geprägt von innovativen Umgehungslösungen und Ideen, bei denen neuartige Anwendungen der API zum Vorschein kamen, die es ermöglichten, die im Rahmen des Projekts angestrebte Darstellung von Gesteinsverschiebungen mit verbesserter Präzision und Effizienz zu konkretisieren.

Autodesk Revit bietet die Möglichkeit, ein maßgeschneidertes Menüsystem nach den Vorgaben des Entwicklers zu erstellen. Dieses System ermöglicht den Entwurf und die Bereitstellung einzelner Skripten, die jeweils eigene Funktionen erfüllen und zusammen einen hochgradig anpassungsfähigen Ansatz für BIM ermöglichen. Für dieses Projekt wurden Anwendungen erstellt, die dem Benutzer die Kontrolle über die Visualisierung der Bewegung der an der Tunnelwand angebrachten Reflektoren geben.

Die Verwendung des so genannten Ribbon Panels, der Symbolleiste am oberen Rand des Revit-Fensters, hat sich als äußerst hilfreiches Werkzeug erwiesen, wenn es darum geht, eine verständliche und reproduzierbare Anwendung zu erstellen. Das Ribbon Panel wurde ähnlich der bereits bestehenden Menüleiste entwickelt und bietet eine spezielle Schnittstelle für die Ausführung von Funktionen und Skripten. Der Entwicklungsprozess wurde von der komplexen Architektur der Revit-API geleitet, ergänzt durch eine Ansammlung verschiedener Hilfsmaterialien, wie YouTube Tutorials oder diversen Websites. Es ist anzumerken, dass sich der Bereich der Digitalisierung im Tunnelbau in Verbindung mit BIM-Ansätzen noch in einer frühen Phase befindet, was sich auf den Umfang des verfügbaren Wissens auswirkt. Dies gilt auch für den Bereich der Revit-API.

Die Simulation der Datenbankverbindung erfolgt durch die Verwendung von sogenannten PRP-Dateien. Diese Dateien vereinfachen die Abfrage und bieten eine intuitive Möglichkeit der Kommunikation mit unserer simulierten Datenbankanbindung. Eingelesen werden diese PRP-Dateien durch selbst geschriebene C# Skripte, welche den Import und das Verarbeiten der Daten ermöglichen.

Beim Festlegen der Rahmenbedingungen wurde die pragmatische Entscheidung getroffen, den Datenimport durch das Parsen von PRP-Dateien mit Reflektorkoordinaten zu bewerkstelligen. Anschließend wurden die Daten verfeinert, um eine kompakte Vektorwiedergabe der Verschiebungen zu erzeugen. Um die Einfachheit dieses Ansatzes zu verdeutlichen, umfasst die resultierende Visualisierung die Synthese von Linien in der Revit-Umgebung. Jeder dieser Vektoren wird jeweils von einer Kugel angeführt, die den Ursprungspunkt des Reflektors repräsentiert (Abb. 2). Die für die Linien verwendete Farbkodierung, die auf der Größe der Verschiebungen basiert, liefert eine klare visuelle Klassifizierung, die eine einfache und intuitive Darstellung ermöglicht.

Wenn wir über die Herausforderungen nachdenken, die während des Projekts aufgetreten sind, erkennen wir, dass diese Schwierigkeiten den Weg für wertvolle zukünftige Möglichkeiten geebnet haben. Die Komplexität der Revit-API, verbunden mit dem Mangel an Online-Ressourcen und kryptischen Fehlermeldungen, machte deutlich, wie wichtig es ist, die verfügbaren Wissensbestände zu erweitern. Die Einarbeitung in Software-Tools wie Revit, AutoCAD und Visual Studio sowie das Erlernen von Programmiersprachen wie C# zeigten den Wert der technischen Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit.

Zukünftige Projekte können von einer Erweiterung der Funktionen zur Visualisierung profitieren. Dazu gehört die Implementierung erweiterter Optionen zur selektiven Anzeige vollständiger Messverläufe oder zur ausschließlichen Konzentration auf Anfangs- und Endpunkte. Die Anpassung von Farbdarstellungen für Verformungen in Kombination mit der Visualisierung von individuellen Querschnittsprofilen wird eine reichhaltigere Analyse ermöglichen. Die Erstellung einer autonomen Navigation durch Abschnitte wird die detaillierte Analyse erleichtern. Längsverformungsschnitte können mit umfassenden Revit-Tunnelmodellen und präzisen Messungen entlang der Tunnelachse eingeführt werden.

Bei zukünftigen Bemühungen bleibt die Datenintegration von zentraler Bedeutung. Eine Integration einer Schnittstelle, die den Abruf von Daten in Echtzeit ermöglicht, ist sehr vielversprechend. Die Verwendung solcher Schnittstellen steht im Einklang mit der fortschreitenden BIM-Vision für den Tunnelbau und die Infrastrukturplanung. Zudem wirken sie der aktuellen Abwesenheit standardisierter Verfahren in diesem Bereich entgegen. Zusätzlich ermöglicht die Integration weiterer Daten aus Datenbanken, wie beispielsweise Informationen über die geologische Beschaffenheit entlang der Tunnelachse, wertvolle Einblicke in geologische Aspekte.

Der Ausbau einer umfassenden Online-Dokumentation im Bereich der Revit-Programmierung könnte im Mittelpunkt eines unabhängigen Projekts stehen. Durch die Erstellung einer umfassenden Dokumentation mit anschaulichen Programmierbeispielen kann diese Initiative die Lernkurve künftiger Projekte positiv beeinflussen. Anleitungen und Tutorials, die über Plattformen wie YouTube verbreitet werden, können den Zugang zu essentiellem Wissen erweitern. Optimalerweise sollte ein solches Vorhaben in Zusammenarbeit mit Autodesk durchgeführt werden.

Das Industrial Data Science Projekt zeigt die aktuelle Bedeutung der Digitalisierung im Tunnelbau auf. Die Sensibilisierung von Hochschulen, Forschungseinrichtungen und der Industrie ist entscheidend. Diese Verbreitung von Wissen wird die Qualität, Sicherheit und Kosteneffizienz von Tunnelbauprojekten steigern. Der Einsatz der Digitalisierung hat das Potenzial, verschiedene Aspekte des Tunnelbaus zu revolutionieren und die Effizienz sowie die Ergebnisse zu verbessern.

Dieses Projekt ist eine Bestandsaufnahme des aktuellen Standes der Digitalisierung im Tunnelbau und soll einen Grundstein nachfolgende Arbeiten legen. Die Umsetzung der vorgeschlagenen Ideen stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Integration digitaler Technologien im Tunnelbau dar und optimiert die Projektplanung und -ausführung.

Gleichzeitig stellen sich Fragen nach der Eignung von Revit für BIM-Anwendungen und dessen mögliche Rolle bei zukünftigen Infrastrukturprojekten. Die Beantwortung dieser Fragen erfordert eine Definition des Anwendungsbereichs von BIM in der Infrastrukturplanung und die Berücksichtigung der sich entwickelnden Landschaft von Softwaretools. Ein neues Paradigma für die Tunnelplanung, das sich an die BIM-Standards anpasst, ist von entscheidender Bedeutung. Dies erfordert die Bewältigung der Komplexität von Softwareumgebungen und die Förderung interdisziplinärer Ausbildungen im Bauwesen und der Informatik.

Im Wesentlichen haben die Schwierigkeiten, mit denen wir konfrontiert wurden, Wege für zukünftige Fortschritte aufgezeigt. Durch eine interdisziplinäre Ausbildung, die Verfeinerung technischer Fähigkeiten und die Erweiterung der Wissensbestände können künftige Ingenieur:innen ähnliche Projekte mit Einfallsreichtum und Zuversicht erfolgreich bewältigen. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen nicht nur neue Wege für die Infrastrukturplanung auf, sondern schaffen die Grundlage für aufschlussreiche Diskussionen, wie die von Professor Galler im Berg- und Hüttenmännischen Monatsheft (BHM) geführte, die sich mit den Herausforderungen bei der Einführung eines BIM-Standards im Tunnelbau befasst.