Die Industry Foundation Classes (IFC) sind ein im Hochbau entwickelter Standard für den objektorientierten, hersteller-neutralen Datenaustausch, der im Zuge von BIM zunehmend auch in der Infrastruktur an Bedeutung gewinnt. Demgegenüber steht der OKSTRA^®, der in Deutschland seit Jahren beim hersteller-neutralen Austausch von Straßendaten eingesetzt wird. Ein Vergleich beider Standards zeigt die Stärken des OKSTRA^® beim Austausch parametrisierter Modelle, während die IFC bei der Berücksichtigung unterschiedlichster Gewerke und der Erzeugung von Gesamt- oder Koordinierungsmodellen punkten können. Die richtige Wahl des Austauschformats hängt also vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Die Weiterentwicklung beider Standards soll aufeinander abgestimmt werden, um bewährte Konzepte zu übernehmen und Doppelentwicklungen zu vermeiden.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1          Einleitung

1.1        Motivation

Wir beschäftigen uns in diesem Beitrag mit einem Vergleich der beiden Standards OKSTRA^® (Objektkatalog für das Straßen- und Verkehrswesen) und IFC (Industry Foundation Classes).

Die Industry Foundation Classes sind ein im Hochbau etablierter Standard für den herstellerneutralen Austausch von Bauwerkmodellen mit semantisch-reichen, parametrisierten Objekten (z. B. Gebäude, Etage, Wand, Tür, Fenster, Dach). In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Initiativen gestartet, den Standard auch auf Objekte aus dem Bereich Infrastruktur zu erweitern (Amann & Borrmann, 2015). Neben den bereits abgeschlossenen Projekten IFC Alignment (Liebich et al., 2015) und IFC Infra Overall Architecture (Borrmann et al., 2016) sind hier u.a. IFC Road, IFC Rail, IFC Bridge und IFC Tunnel zu nennen (siehe Bild 1) (bSI, 2018a).

Auf der anderen Seite definiert der nationale Standard OKSTRA^® einen Katalog speziell für Objekte des Straßenwesens (Achse, Gradiente, Deckenbuch, Straßennetz, Straßenausstattung und vieles mehr) (OKSTRA^®, 2018).

Beide Standards haben aufgrund der historischen Entwicklung und des unterschiedlichen Geltungsbereichs andere Schwerpunkte in Modellierung und Anwendung. Im Folgenden sollen Ähnlichkeiten und Unterschiede herausgearbeitet und der Frage nachgegangen werden, inwieweit durch die Erweiterung der IFC der OKSTRA^® obsolet wird. Ist in Zeiten von BIM der OKSTRA^® noch zukunftsfähig?

Bild 1: IFC-Projekte im Bereich Infrastruktur (bSI, 2018a)

1.2        Obermeyer Planen + Beraten GmbH

Die Obermeyer Planen + Beraten GmbH wurde 1958 in München gegründet und ist eine der größten unabhängigen Planungsgesellschaften in Deutschland. Mehr als 850 Mitarbeiter sind deutschlandweit an 19 Standorten beschäftigt. Als Kernkompetenzen gelten sowohl die Gesamtplanung als auch fachliche Einzelplanungen.

Das Unternehmen deckt mit seinen Fachabteilungen aus den Bereichen Gebäude (z. B. Architektur und Städtebau, Tragwerksplanung, Technische Ausrüstung), Verkehr (z. B. Straße, Schiene, Brücken, Tunnelbau) sowie Energie & Umwelt (z. B. Bau- und Raumakustik, Immissionsschutz) den gesamten Planungsprozess in Hoch- und Tiefbau ab. Durch die Eigenentwicklung der Tiefbausoftware ProVI® kombiniert Obermeyer auf der einen Seite die Sichtweise und Anforderungen der Anwender (Planer) mit dem Blickwinkel und den Möglichkeiten eines Softwareherstellers.

Insbesondere beim Thema BIM (Building Information Modeling), das momentan in aller Munde ist, blickt Obermeyer auf langjährige Erfahrungen zurück (siehe Bild 2). Bereits Ende des letzten Jahrtausends wurden in der Infrastruktur durch das datenbankbasierte Arbeiten an einem parametrisierten, impliziten 3D-Modell erste Ansätze in Richtung BIM unternommen, zu einer Zeit, als der Begriff BIM in der Öffentlichkeit noch gar nicht bekannt war. Im Hochbau datiert das erste mit der BIM-Methode durchgeführte Großprojekt aus dem Jahre 2004. Seit 2014 ist BIM als Unternehmensstrategie bei Obermeyer verankert.

Obermeyer besitzt in beiden Bereichen umfangreiche Kenntnisse, einerseits als Gründungsmitglied (1995) der IAI (Industrieallianz für Interoperabilität), der Vorgängerorganisation von buildingSMART, die für die Entwicklung der IFC verantwortlich ist, und aktiver Mitglied in bSI German Chapter und bSI Implementation Support Group; und andererseits durch die Mitwirkung in diversen OKSTRA^®-Gremien seit dem Jahr 2001.

Bild 2: BIM-Entwicklung bei Obermeyer

2         Allgemeine Betrachtungen

2.1        Pflege

Der OKSTRA^® ist eine nationale Initiative und wird von der Fachgruppe OKSTRA^® unter Leitung der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) koordiniert. Die Weiterentwicklung des Datenmodells erfolgt in verschiedenen Arbeitsgruppen mit Vertretern von Straßenbaubehörden und Softwareherstellern. Modellierung, Pflege und Änderungsmanagement werden von der OKSTRA^®-Pflegestelle wahrgenommen. Aufgrund des relativ kleinen Kreises der Beteiligten ist eine schnelle Umsetzung von Änderungen und Ergänzungen möglich. In den letzten Jahren ist im Schnitt alle 2 Jahre eine neue Version erschienen (OKSTRA^®, 2018).

Für den offenen IFC-Standard, dessen Version IFC4 mittlerweile den Status einer Norm besitzt (ISO16739), zeichnet die internationale not-for-profit Organisation buildingSMART International (bSI) verantwortlich. Diese ist in 20 nationale Chapter unterteilt.

Die Weiterentwicklung erfolgt in zahlreichen internationalen Fach- und Projektgruppen, in denen Planer, Bauausführende, Betreiber, Produkthersteller, private und öffentliche Bauherren, Behörden und Softwarehersteller vertreten sind. Die Realisierung von Erweiterungen des Standards erfordert auf Grund der komplexen Entscheidungsprozesse wesentlich mehr Zeit als beim OKSTRA^®. Die aktuelle Version ist IFC4x1, die Version IFC5 ist nach der Fertigstellung der Infrastrukturprojekte geplant (vergleiche Bild 1).

2.2        Zertifizierung

Eine Zertifizierung von Programmen, die den OKSTRA^® unterstützen, ist derzeit nicht vorgesehen. Auf der Internetseite von OKSTRA^® stehen Testdatensätze zur Verfügung. Weiterhin kann dort das sogenannte OKSTRA^®-Werkzeug kostenlos heruntergeladen werden, mit dem der Inhalt von OKSTRA^®-Dateien geprüft und visualisiert werden kann (siehe Bild 3).

Bild 3: OKSTRA^®-Werkzeug (OKSTRA^®, 2018)

Eine Zertifizierung für IFC existiert zurzeit für den Hochbau, im Bereich Infrastruktur ist sie für die Zukunft geplant. Für die IFC-Version 2x3 sind aktuell ca. 50 Softwareprodukte zertifiziert (bSI, 2018b). Das Bild 4 zeigt einen Ausschnitt eines Testprotokolls, das im Rahmen einer Zertifizierung erstellt wurde. Ein offizielles Testprogramm zum Prüfen von IFC-Dateien existiert derzeit nicht, es gibt aber zahlreiche Viewer, z. B. FZK Viewer entwickelt vom Karlsruhe Institute of Technology (KIT, 2018).

Bild 4: Testprotokoll für IFC-Zertifizierung (bSI, 2018b)

2.3        Implementierung

Seit der Version 2.016 gibt es das OKSTRA^®-Austauschformat nur noch in Form von XML-Dateien. Die frei verfügbare OKSTRA^®-Klassenbibliothek (OKLABI) unterstützt die Entwickler bei der Implementierung von Schnittstellen (OKSTRA^®, 2018).

Als Austauschformate stehen für die IFC das STEP-Format (CTE) und das XML-Format zur Verfügung. Für die Implementierung gibt es diverse (meist kostenpflichtige) Toolboxen. Da die IFC deutlich effizientere Datenstrukturen verwendet, sind die Dateigrößen im Allgemeinen deutlich kleiner als bei OKSTRA^®-Dateien (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1: Dateigrößen beim Export eines DGMs (ca. 1.000.000 Dreiecke)

Bei den Softwareprodukten, welche die beiden Standards unterstützen, ergeben sich gravierende Unterschiede.

Die Verbreitung des OKSTRA^® ist naturgemäß sehr stark fokussiert auf den Bereich Straßenbau. Folgende Anwendungsbereiche sind u. a. zu nennen:

• Straßenplanung (Entwurfssysteme),
• Kanalplanung,
• Vermessung,
• Bestandssysteme (Straßeninformationsbanken),
• GIS-Anwendungen,
• Verkehrssimulation.

Bedingt durch die historische Entwicklung werden die IFC in erster Linie von allen gängigen Hochbauapplikationen unterstützt. Daneben gibt es zudem Anwendungen im Bereich BIM, die auch bei Infrastrukturprojekten zum Tragen kommen können. Eine Auswahl der Anwendungsmöglichkeiten wird im Folgenden aufgelistet:

• Gebäudeplanung,
• Haustechnik,
• Technische Ausrüstung,
• Tragwerksplanung,
• Infrastrukturplanung (zum Teil noch in Arbeit),
• Bauablaufplanung (4D),
• Mengen und Kosten (5D),
• Ausschreibungsprogramme,
• Analysetools (z. B. Kollisionsprüfung).

3          Geometriemodelle

Beide untersuchten Standards sind objektorientiert aufgebaut, sie unterscheiden sich aber in der Art und Weise, wie die geometrische Ausprägung von Objekten definiert wird.

3.1        Reference View

Bei der IFC erhalten alle Objekte dreidimensionale Geometrieinformationen in der Regel in Form von Volumenkörpern. Im Bereich Infrastruktur sind aktuell nur wenige semantische Objekte vorhanden (siehe Bild 5), es existiert allerdings ein generischer Ansatz, mit dem beliebige Geometrien übertragen werden können (IfcBuildingElementProxy). Den Objekten können dabei beliebige Attribute (sogenannte PropertySets) zugeordnet werden (siehe Bild 6).

Die Möglichkeiten fachliche Änderungen im empfangenden System durchzuführen sind stark eingeschränkt. Es wird in erster Linie das Ergebnis einer Planung übertragen und weniger die Entwurfsparameter. Diese Art des Datenaustauschs wird in IFC4 als „Reference View“ bezeichnet.

3.2        Design Transfer View

Im OKSTRA^® wurde ein impliziter parametrischer Ansatz gewählt. Es existieren momentan allerdings keine Volumenkörper, die Objekte (im Entwurf) werden im klassischen 3-Tafel-Bild definiert: Grundriss – Aufriss – Querschnitt. Eine Weiterbearbeitung der Daten in einem anderen Entwurfssystem ist möglich (siehe Bild 7). Diese Methode wird in IFC4 als „Design Transfer View“ bezeichnet.

Aus dem impliziten parametrisierten Modell können von den entsprechenden Fachapplikationen explizite 3D-Geometrien abgeleitet werden. Nachteil dabei ist, dass fachfremde Applikationen (z. B. Ausschreibungsprogramme) mit den Daten in der Regel nichts anfangen können. Dies erschwert die Auswertungsmöglichkeiten, zumal zurzeit keine Objektattribuierung vorgesehen ist.

3.3        Weiterentwicklung

Beide Standards entwickeln sich weiter. Bei der IFC wurden die Projekte IFC-Bridge (Februar 2017), IFC-Road (Oktober 2017), IFC-Ports and Harbors (Oktober 2017) und IFC-Rail (Januar 2018) gestartet und bald auch IFC-Tunnel, um die im Infrastrukturbereich benötigten semantischen und geometrischen Objekte zu definieren (bSI, 2018a). Die Veröffentlichung der neuen Entwicklungen ist mit Version IFC5 für Anfang 2020 geplant (siehe auch Bild 1). Es bleibt abzuwarten, inwieweit sich das IFC-Schema dann für die Übertragung eines Design Transfer Views eignet.

Für den OKSTRA^® existiert ein Änderungsantrag, um den Austausch von generischen Objekten als Volumenkörper mit frei-definierbaren Attributen zu ermöglichen (BIM4INFRA2020, 2018). Außerdem erfolgt gerade eine Überarbeitung der RAS-Verm, im Zuge derer die aufzunehmenden Bestandsobjekte mit einer geometrischen Repräsentation (Punkt, Linie, Fläche oder Volumen) und Attributen modelliert werden. Es wird hier also ebenfalls ein generischer Ansatz verfolgt.

Bild 5: IFC-Objekte: Volumenkörper ohne Semantik, aber mit Attributen (Reference View)

Bild 6: OKSTRA^®-Objekte: Achse, Querprofil und Deckenbuch (Design Transfer View)

4         Anwendungsmöglichkeiten

^{4.1       OKSTRA®}

Das OKSTRA^®-Datenmodell beschränkt sich auf Objekte des Straßenwesens, dafür werden diese aber in einem hohen Detaillierungsgrad beschrieben. Im Bereich Entwurf gibt es u. a. folgende Objektdefinitionen:

• Grundlagendaten (punkt-, linien- und flächenförmige Objekte),
• Katasterinformationen,
• Geländemodelle,
• Achse, Gradiente,
• Deckenbuch,
• Querprofile,
• Sichtweiten,
• Grunderwerbsdaten,
• Topographie (Bäume, Böschungen) und
• Kanaldaten (können im ISYBAU-Format eingebunden werden).

Zusätzlich gibt es auch eine umfangreiche Objektmodellierung in den Bereichen Bestand (z. B. Straßennetz, Straßenausstattung, Zustandsdaten) und Verkehrsdaten (z. B. Zählstellen, Unfalldaten).

Im Bild 7 sind einige für den Einsatz von OKSTRA^® typische Anwendungsfälle dargestellt. Zunächst stellt der Auftraggeber einem Planer Grundlagendaten (z. B. punkt- und linienförmige Bestandsobjekte, digitale Geländemodelle) für die Entwurfsplanung zur Verfügung. Die Ergebnisse der Planung (z. B. Achsen, Gradienten, Deckenbücher, Querprofile) werden anschließend wieder an den Auftraggeber übertragen, der sie nun an andere Planer für die Ausführungsplanung übergibt. Die Resultate (z. B. Achsen, Gradienten, Deckenbücher, Querprofile, Kanal, Grunderwerb) wandern schließlich wieder zum Auftraggeber, der abschließend sein Bestandssystem mit Daten (z. B. Achsabschnitte fürs Straßennetz, Aufbauschichten) füttert.

Bild 7: Anwendungs-Szenario mit OKSTRA^®

4.2        IFC

In der aktuellen Version IFC4x1 wurde der Austausch von folgenden Tiefbauobjekten ermöglicht:

• Achse,
• Gradiente,
• Querprofile,
• Geländemodelle.

Weitere Objekte können mit Hilfe von generischen Objekten (Geometriebeschreibung mit Liste von Attributen) übertragen werden. Im Gegensatz zum OKSTRA^® können die IFC auch im Bereich Eisenbahnbau und natürlich im Hochbau eingesetzt werden. Daher sind die IFC geeignet für das Zusammenspielen von Daten aus unterschiedlichsten Bereichen in einem Gesamt- oder Koordinierungsmodell.

Das Bild 8 zeigt ein typisches BIM-Szenario für die Anwendung der IFC in der Infrastrukturplanung. Verschiedene Fachplaner aus der Infrastruktur aber auch aus dem Hochbau arbeiten an ihren jeweiligen Teilmodellen und nutzen die IFC zur Übergabe der erzeugten Objekte an ein Koordinierungsmodell, in dem z. B. Kollisionsprüfungen durchgeführt werden können. Aus dem Koordinierungsmodell kann das Modell an Anwendungen aus der 3D-, 4D- und 5D-Welt übergeben werden.

Bild 8: Anwendungs-Szenario mit IFC

5          Fazit

Beide betrachteten Standards weisen viele Ähnlichkeiten aber auch wesentliche Unterschiede auf. Während der OKSTRA^® auf den Teilbereich Straßenbau beschränkt ist, diesen aber mit sehr großer Detailtiefe behandelt, stellt die IFC einen wesentlich umfassenderen Ansatz dar. Im Bereich Infrastruktur fehlt es allerdings noch an den entsprechenden semantischen Objektdefinitionen. Mit Hilfe generischer Objekte lassen sich aber schon jetzt nahezu alle Geometrien übertragen, wobei allerdings die zur Konstruktion der Objekte verwendete Parametrisierung meist verloren geht.

Der OKSTRA^® hat im Straßenbau 15 Jahre Vorsprung und ist sicher die bessere Wahl für den Austausch eines parametrisierten Entwurfsmodells (Design Transfer View). Im Hinblick auf BIM entfalten die IFC ihre Stärken beim Zusammenspielen verschiedener Teilmodelle zu einem Gesamt- oder Koordinierungsmodell (Reference View).

Es hängt also vom Anwendungsfall und den beteiligten Programmen ab, welcher Standard zu bevorzugen ist. Für die nähere und mittlere Zukunft ist daher davon auszugehen, dass es den „einen“ Standard für den Austausch von Infrastrukturdaten nicht geben wird. In den anstehenden Pilotprojekten des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur sollen beide Ansätze getestet werden.

Bei der zukünftigen Weiterentwicklung von OKSTRA^® und IFC sollten folgende Punkte Beachtung finden:

• Integration von BIM in den OKSTRA^® (z. B. Volumenkörper, generische Objekte, Objektattribuierung),
• Erhöhung der Akzeptanz des OKSTRA^® durch Schaffung einer Zertifizierung,
• Weiterer Ausbau des parametrisierten Modells (z. B. Deckenbuch),
• Übernahme möglichst großer Teile der OKSTRA^®-Objektdefinitionen in die neu zu schaffenden IFC-Infrastrukturobjekte.

Bei entsprechender konsequenter Weiterentwicklung wird der OKSTRA® auch eine Zukunft haben und die Frage „OKSTRA^® oder IFC?“ wird mit „OKSTRA^® und IFC!“ beantwortet werden können (siehe Bild 9).

Bild 9: Straßenplanung heißt OKSTRA^® und IFC!

Literaturverzeichnis

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BIM4INFRA2020 (2018): Protokoll des 1. OKSTRA/IFC-Expertenworkshops. Verfügbar unter
http://bim4infra.de/bim4infra2020-workshop-ifc-okstra/ (5. 4. 2018)

Borrmann, A.; Amann, J.; Chipman, T.; Hyvärinen, J.; Liebich, T.; Muhič, S.; Mol, L.; Plume, J.; Scarponcini, P. (2017): IFC Overall Architecture. Verfügbar unter
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bSI (2018a): buildingSMART Summit Paris, 26. 3.–29. 3. 2018, Paris, Frankreich.

bSI (2018b): Certified Software. Verfügbar unter
https://www.buildingsmart.org/compliance/software-certification/certified-software/ (5. 4. 2018)

KIT (2018): FZK Viewer. Verfügbar unter https://www.iai.kit.edu/1302.php (4. 4. 2018)

Liebich, T.; Amann, J.; Borrmann, A.; Chipman, T.; Lebegue, E.; Scarponcini, P. (2015): IFC Alignment. Verfügbar unter http://www.buildingsmart-tech.org/infrastructure/projects/alignment (4. 4. 2018)

OKSTRA^® (2018): OKSTRA Webseite. Verfügbar unter https://www.okstra.de (5. 4. 2018)