Die Entwicklungen zur Anwendung der Methode „Building Information Modeling“ werden international vorangetrieben. Nachdem in der Vergangenheit bei der Standardisierung der Fokus auf dem Hochbau lag, gilt nun ein großes Interesse dem Infrastrukturbereich. Die Prozesse der Erarbeitung werden beleuchtet und die Auswirkungen auf die EU und deutsche Standards aufgezeigt. Die BASt versucht die Entwicklungen zu beeinflussen, um Widersprüche oder Inkonsistenzen zum OKSTRA^® zu vermeiden. Deutschland braucht sich mit dem gelebten Standard OKSTRA^® nicht zu verstecken, im Gegenteil, die Prozesse zur Erweiterung des OKSTRA^®-Standards sind herausragend. Erste Ergebnisse von laufenden bi- und hexanationalen Forschungsvorhaben in Europa werden vorgestellt. Sie befassen sich mit der Zusammenführung von Daten, die mit unterschiedlichen Verfahren erstellt wurden. Die Nutzung von Ontology Web Language (OWL) und Verwendung der Technologie Linked Data ist nur begrenzt Erfolg versprechend und kann eine Harmonisierung nicht ersetzen.

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

1          Einleitung

Auf Grund erheblicher Überschreitungen der geplanten Kosten für große Bauprojekte setzte die Bundesregierung die Reformkommission „Bau von Großprojekten“ ein, um weiteren Fehlentwicklungen entgegenzuwirken. Die Reformkommission hat in ihrem Endbericht Mitte 2015 neben zahlreichen anderen Empfehlungen hervorgehoben, dass digitale Methoden wie das Building Information Modeling (BIM) große Vorteile mit sich bringen und deshalb verstärkt Anwendung finden sollten. Besondere Vorteile sind z. B. eine verbesserte Bedarfsanalyse durch die Visualisierung von Projektvarianten, eine widerspruchsfreie und vollständige Planung durch Kollisionsprüfungen (Bild 1) und ein friktionsloser Bauablauf auf der Grundlage von computergestützten Simulationen.

Bild 1: Fehlende Kollisionsprüfung?

Diese Empfehlung hat eine Arbeitsgruppe unter Leitung von planen-bauen 4.0 GmbH (Gesellschafter sind die relevanten Verbände und Organisationen im Bereich Planen, Bauen und Betreiben) aufgegriffen und einen Stufenplan „Digitales Planen und Bauen“ erarbeitet. Dieser wurde Mitte Dezember 2015 vom Bundesverkehrsminister vorgestellt. Darin ist folgende Definition für BIM enthalten:

„Building Information Modeling“ bezeichnet eine kooperative Arbeitsmethodik, mit der auf der Grundlage digitaler Modelle eines Bauwerks die für seinen Lebenszyklus relevanten Informationen und Daten konsistent erfasst, verwaltet und in einer transparenten Kommunikation zwischen den Beteiligten ausgetauscht oder für die weitere Bearbeitung übergeben werden.“

In drei Stufen ist eine Implementierung geplant:

Bild 2: Stufen der Einführung von BIM (Quelle: Stufenplan Digitales Bauen und Planen; BMVI 2015)

Der Stufenplan fordert ein Engagement bei

• der Koordination der Normungsaktivitäten auf internationaler, europäischer und deutscher Ebene, um deutsche Interessen zu wahren und Doppelarbeiten möglichst zu vermeiden,
• den internationalen Standardisierungsprozessen durch Beteiligung deutscher Experten, um die Erfahrungen der deutschen Standards, wie z. B. OKSTRA^®, in diese Prozesse einzubringen.

Das BMVI fördert zu diesem Zweck deutsche Experten, die sich an der Entwicklung von IFC für Straße und Schiene beteiligen.

2          Internationale Standardisierung

Die Vereinigung buildingSMART ist eine internationale not-for-profit-Organisation, die sich zum Ziel gesetzt hat, offene Datenaustauchstandards für das Bauwesen zu schaffen. Im Fokus steht dabei der gesamte Lebenszyklus von den frühen Entwurfsphasen eines Bauvorhabens über die Bauausführung bis hin zum Betrieb und der Instandhaltung des Bauwerks. Der wichtigste von buildingSMART entwickelte Standard ist das Datenmodell Industry Foundation Classes (IFC). Der dort erarbeitete Standard IFC 4 wurde zur Norm ISO 16739, das zugehörige Information Delivery Manual IDM zur ISO 29481. Der 2014 gegründete CEN/TC 442 Building Information Modeling (BIM) will diese relevanten ISO-Normen in europäische Normen überführen. Die Arbeit wurde 2015 auf 4 Arbeitsgruppen aufgeteilt:

• WG 1 Strategy and Planning (Leitung: UK),
• WG 2 Exchange Information (Leitung: D),
• WG 3 Information Delivery Specification (Leitung: A),
• WG 4 Data Dictionary (Leitung: F).

Entsprechend wurde in Deutschland der DIN NA 005-01-39 AA Building Information Modeling mit zugehörigen Untergruppen gegründet, damit Einfluss auf die europäische Normung genommen werden kann.

Während in der Vergangenheit die IFC-Entwicklungen auf den Hochbau ausgerichtet waren, besteht inzwischen ein großes Interesse an der Mitarbeit im InfraRoom, einer Unterabteilung von buildingSMART, die IFC-Erweiterungen für die gebaute Infrastruktur vorantreibt. Als erstes wurde das Projekt IfcAlignment umgesetzt, das in der Version IFC 4.1 die Beschreibung von Trassierungen beinhaltet.

Im Jahr 2020 soll ein Standard IFC 5 mit grundlegenden Standardisierungen im Infrastrukturbereich entstehen. Es ist davon auszugehen, dass dieser über das technische Komitee 59 (Gebäude und Infrastrukturbauten) mit dem Unterkomitee 13 (Organisation der Informationen über Bauwerke) im Bereich Datenaustausch wieder zur ISO-Norm wird.

Die Zusammenarbeit in buildingSMART International ist so organisiert, dass es verschiedene Räume gibt, in denen Projekte initiiert werden, die einen Beitrag zum Standard leisten. Das große Projekt IFC Rail findet in einem eigenen Raum statt. Für das BMVI sind Prof. André Borrmann (TUM) und Dr. Thomas Liebich (AEC3) als Projekt/Technischer Leiter im InfraRoom sowie RailRoom tätig und die BASt kontrolliert die Arbeiten im InfraRoom über ein Steuerungsgremium.

Ein wesentlicher Unterschied zu ISO ist, dass die entwickelten Standards frei verfügbar sind und dass ein Projekt erst gestartet wird, wenn es genügend Finanziers gibt. Das hat auch zur Folge, dass Projekte im Umfang (scope) reduziert werden.

Das Bild 4 verdeutlicht die Komplexität im Infrastrukturbereich.

Bild 3: Beziehungen zwischen internationalen und nationalen Standardisierungsgremien (Quelle: Thomas Liebich, AEC3)

Bild 4: Roadmap im Infrastrukturbereich (Quelle: InfraRoom (2017))

Die Projekte Trassierung und Grundsätze zur Erweiterung von IFC im Infastrukturbereich sind abgeschlossen. Für die Projekte Schiene, Straße, Brücke, Häfen und Tunnel wird ein gemeinsamer Teil gesehen, dazu gehören die Erdarbeiten und die Entwässerung. Allerdings laufen die Projekte nicht zeitlich parallel, Straße und Schiene wurden gerade begonnen, Brücke soll dieses Jahr abgeschlossen werden, das Projekt Häfen konkretisiert sich, zu Tunnel gibt es Absichten.

Im Forschungsprojekt „Analyse zur Erstellung eines 3D-BIM-konformen Straßenentwurfs auf Basis von IFC-Alignment aus einem OKSTRA^®-konformen 2D-Straßenentwurf unter Einsatz der TUM Open Infra Platform in Verbindung mit der OKSTRA^®-Klassenbibliothek“ der BASt konnte die Kompatibilität von IFC Alignment mit OKSTRA^® gezeigt werden (Amann, Borrmann 2015). Zur gegenseitigen Überführung steht ein Werkzeug auf der Open Infra Platform der TUM zur Verfügung.

3          BIM Initiativen in Europa

3.1        EU

2015 wurde eine EU-BIM-Task-Group gegründet und 2017 wurde das EU-BIM-Handbuch veröffentlicht, das bereits in 9 Sprachen vorliegt und noch in weitere 9 Sprachen übersetzt werden soll.

3.2        CEDR

Unter CEDR (Conference of European Directors of Roads) wurde die Task Group S3 Information gegründet. Dort engagierten sich Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, die Niederlande, Norwegen und Schweden. Es wurde ein Call 2015 „Asset Information using BIM“ erstellt und ein BIM-Bericht veröffentlicht. Darin konnte ohne Einfluss durch die Industrie eine Strategie zum Einsatz und zur Ausführung von BIM erstellt werden. Für die Straßenbauverwaltungen kommt nur open BIM in Frage, das heißt der Datenaustausch zwischen den Phasen des Lebenszyklus muss mit einem nicht proprietären Datenformat erfolgen.

Der Call 2015 „Asset information using BIM“ wurde von Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Niederlande und Norwegen finanziert. Den Zuschlag erhielt ein Konsortium unter Leitung der niederländischen Behörde TNO. Darin ist auch die Firma interactive instruments vertreten, die in Deutschland für die Pflege des OKSTRA^® zuständig ist. Das Program Executive Board leitet die BASt. Im Projekt wurden die Anforderungen und Datenbrüche bei den Straßenbauverwaltungen und bei den Softwareerstellern erhoben. Grundsätze für die Erarbeitung einer europäischen Objekttypenbibliothek wurden aufgestellt und Testfälle in Deutschland, die Niederlande sowie Schweden einbezogen. Nun bleibt zu untersuchen, ob die Aufbereitung mit OWL (Ontology Web Language) und die Verwendung von Datentripeln und Linked Data Information zusammen bringen, die aus unterschiedlichen Quellen stammen.

Zum Thema BIM ist ein weiterer Call 2018 in Vorbereitung.

3.3        Weitere BIM-Initiativen

In Großbritannien gibt es eine BIM-Task-Group. Man geht von einem Multiplikatoreffekt aus, wenn die Regierung einzelne Projekte mit Informationsanforderung vergibt, die über den gesamten Lebenszyklus benötigt werden. Durch zahlreiche Nachahmer soll bald eine hohe Verbreitung von BIM vorhanden sein. Seit 2016 ist die Informationsanforderung Level 2 (Bild 5) zu erfüllen.

Bild 5: Detaillierungsgrade (Quelle: Mark Bew, Mervyn Richards)

In den Niederlanden hat Rijkswaterstaat einen offenen BIM-Standard entwickeln lassen (Bild 6).

Bild 6: Datenaustauschmodell Niederlande (Quelle: CEDR, Report S3 task-group)

Bei Ausschreibungen wird dem Auftragnehmer eine Informationspflicht auferlegt, nach der bei jedem Meilenstein, spätestens nach 3 Monaten dem Auftraggeber die Daten übergeben werden müssen. Existierende Datenstrukturen sind davon nicht betroffen.

Finnland ist sehr engagiert, den Einsatz von BIM sowohl bei der Straße als auch bei der Schiene und auf Wasserwegen voranzutreiben. Schweden hat ein großes Projekt mit der Umfahrung von Stockholm, das auf BIM basierend durchgeführt wird. Norwegen hat eine Reihe von Pilotprojekten, die mit BIM durchgeführt werden, in enger Zusammenarbeit mit Trimble. Dänemark steht in den Startlöchern mit realen BIM-Umsetzungen. Flandern entwickelt Datenstrukturen für die BIM-Anwendung und lässt sich dabei vom OKSTRA^®-Vorgehen leiten.

Allgemeingültige Fertigstellungs- bzw. Detaillierungsgrade (LODs) für Infrastrukturbauwerke werden in mehreren europäischen Ländern angewendet. Das offene Datenaustauschformat ist teilweise csv.

3.4        Linked Data

Mit dem Projekt Linked Data sollten die Einsatzmöglichkeiten von verbundenen Informationen (Linked Data) und Ontologien und damit befassten Technologien (Semantic Web) im Bereich des Straßenwesens analysiert werden. Forschungsnehmer sind Prof. André Borrmann und Prof. Jakob Beetz (Mitherausgeber des grundlegenden Werkes „Building Information Modeling“, 2015). Die Zielsetzung lautet:

In diesem Projekt werden methodische Ansätze und Prototypen zur Verknüpfung des Objektkatalogs für das Straßen- und Verkehrswesen mit anderen Informationsmodellen auf Basis der Technologien „Linked Data“ und „Semantic Web“ erarbeitet und anhand beispielhafter Datensätze auf ihre Praxistauglichkeit hin überprüft.

In diesem Zusammenhang wird die Einbeziehung und Kontextualisierung ähnlicher und ergänzender Informationsmodelle im europäischen und internationalen Raum sowie die kritische Auslotung des Entwicklungspotenzials wechselseitiger Anbindungen in verschiedenen Anwendungsfällen untersucht.

Im Zuge des Projekts wird dabei überprüft, inwiefern der OKSTRA^® eine mögliche Rolle als zukünftiges Grundmodell eines gesamteuropäischen Modells einnehmen kann. Zunächst auf bi-nationale (DE/NL) Beispiele beschränkt, wird im Projekt eine technische Machbarkeitsstudie grenzüberschreitender Straßen- und Wegeplanung erarbeitet, welche die Möglichkeiten und Einschränkungen der Verwendung von Linked Data-Technologien demonstriert. Erkenntnisse und Ergebnisse werden darüber hinaus auch auf ihre mögliche Bedeutung für den föderalen bzw. länderübergreifenden Einsatz begutachtet, die eine Vernetzung der verschiedenen nationalen Systeme zulässt.

Das vorläufige Ergebnis ist:
Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Überführung des mittels XMI definierten Datenaustauschstandards OKSTRA^® zur Beschreibung von Daten des Straßenwesens in eine Repräsentation auf Basis der Ontology Web Language (OWL) realisiert. Dadurch stehen nun Methoden und Techniken des Semantic Web auch für OKSTRA^®-Datensätze zur Verfügung. Insbesondere ist im Sinne des Linked Data-Ansatzes die Verknüpfung mit Datensätzen anderer Schemata bzw. Domänen möglich. Dies kann u.a. durch Nutzung der Anfragesprache SPARQL zur integrativen Analyse der Daten der verschiedenen Ontologien erfolgen.

Wie im Zuge von Fallstudien gezeigt, können auf diese Weise beispielsweise Daten der niederländischen Straßen-Ontologie CB-NL/RWS mit OKSTRA^®-Daten zusammen abgefragt und analysiert werden. Dadurch lassen sich eine Reihe von grenzüberschreitenden Anwendungsszenarien realisieren, wie z. B. die Planung von Scherlasttransporten. Andere Anwendungen von Linked Data im Straßenwesen liegen in der integrierten Analyse von 3D-Stadtmodellen im Format CityGML mit OKSTRA^®-Daten oder der Verknüpfung von Bestands- mit Entwurfsdaten des OKSTRA^®-Formats.

Für die Überführung von OKSTRA^® in okstraOWL standen eine Vielzahl unterschiedliche Abbildungsoptionen zur Verfügung, deren jeweiligen Vor- und Nachteile in diesem Bericht ausführlich dargelegt wurden. Bestimmte Eigenheiten des OKSTRA^®-Standards, wie beispielsweise die sog. Fachbedeutungslisten, erschweren zwar das Mapping, grundsätzlich ist aber eine Semantik-wahrende Überführung möglich.

Obgleich Linked Data-Funktionalitäten mit der Definition von okstraOWL nun prinzipiell zur Verfügung stehen, hat sich im Zuge des Projekts (insbesondere bei der Arbeit mit realen Datensätzen) jedoch herausgestellt, dass die eigentliche Herausforderung bei der Verknüpfung verschiedener Ontologien in der unterschiedlichen semantischen Struktur und Granularität der verschiedenen Datenmodelle liegt. Auch Methoden des semiautomatischen Matchings anhand textueller Übereinstimmungen können hier nur bedingt unterstützend wirken. Stattdessen ist es erforderlich, dass der Nutzer der Abfragemechanismen Detailkenntnisse zur Semantik und Struktur der beteiligten Ontologien besitzt und anhand dessen und unter Berücksichtigung des zu erzielenden Abfrageergebnisses implizite bzw. manuelle Verknüpfungen herstellt.

Die durchgehende, ggf. europaweite Nutzung von Straßeninformationsbanken erfordert daher trotz der Verfügbarkeit der Semantic Web und Linked Data-Technologien eine prinzipielle Harmonisierung der Datenstrukturen insbesondere in Hinblick auf die semantische Struktur und Granularität.

Für die Straßenbauverwaltungen bedeutet dies, dass bei zu unterschiedlichen Datenstrukturen diese Technologie nicht hilft und die Harmonisierung wieder größeres Gewicht bekommt.

4          Resümee

OpenBIM, also der offene Datenaustausch über alle Phasen des Lebenszyklus, wird von mehreren Ländern im Infrastrukturbereich angestrebt. Aber die Standardisierung stößt auf viele Hindernisse. Die Betrachtung aus Projektsicht zeigt 3 Variablen

• Zeit,
• Aufgabenbereich,
• Finanzierung.

Ist die Finanzierung nicht ausreichend, dann wird meist der Aufgabenbereich reduziert. Dies wird als Strategie gesehen und mit fast track bezeichnet. Es ist die übliche Vorgehensweise bei buildingSmart International nur Fast Track Projects aufzulegen. Beim Projekt IFC Bridge bedeutet das, es wurden nur die Standardbrücken betrachtet, die am häufigsten vorkommen, die „use cases“ = Anwendungsfälle werden auf die stark gewünschten, aber nicht zu komplexen beschränkt, wie den Informationsaustausch innerhalb der Planung von einem Entwurf zu einem (detaillierteren) Entwurf. Die Parametrisierung, die zur optischen Darstellung von den Softwareherstellern verwendet wird, gehört nicht zum Projektbestandteil. Ebenso ist die Prüfung, ob eine Vereinbarkeit mit unseren Vorschriften besteht, nicht im Umfang enthalten.

Ein wesentlicher Schritt im Rahmen der Standardisierung ist die Abstimmung mit Experten und allen Interessengruppen. Hinzukommt die Zustimmung in den zuständig Gremien, die mit ihrer hierarchischen Anordnung viel Zeit in Anspruch nimmt.

Die Software, die diesen Standard abbildet, wird in der Regel zertifiziert. Die Zertifizierung ist aufwändig und teuer, das schlägt sich auf die Kosten der Software nieder.

Betrachten wir im Vergleich denOKSTRA^®. Die Regelwerke sind dort abgebildet, ein „Projekt“ zur Erweiterung des OKSTRA^® muss nicht im Aufgabenbereich reduziert werden, die benötigte Zeit verlängert sich nur bei Abhängigkeiten von Anderen und die Finanzierung, die bisher teilweise zur Priorisierung zwang, wurde dieses Jahr deutlich erhöht. Eine verlässliche Finanzierung seitens der öffentlichen Hand ist eine ganz andere Basis, als Spenden von Firmen oder deren Freistellung von Mitarbeitern für diese Tätigkeiten, die je nach Wirtschaftslage oder Interesse schwankt.

Die Prozesse zur Anpassung des OKSTRA^® sind vorbildlich, sie sind transparent, schnell und qualitätsgesichert. Die Nutzung für Softwarehersteller ist kostenlos und einfach durch die zur Verfügung stehende OKSTRA^®-Klassenbibliothek OKLABI sowie Werkzeuge und Profile. Wir stehen also sehr gut da. Nachteilig sind die Fachbedeutungslisten und ein paar noch nicht abgebildete Prozesse im Lebenszyklus. International wird der OKSTRA^® mit seinen Änderungsprozessen als herausragend gesehen. In Belgien baut die flämische Straßenbauverwaltung ein vergleichbares Produkt auf, nachdem sie das von den Niederländern aufgebaute Produkt als viel zu komplex verworfen hatten.

Literaturverzeichnis

Amann, J.; Borrmann, A. (2015): Analyse zur Erstellung eines 3D-BIM-konformen Straßenentwurfs auf Basis von IFC-Alignment aus einem OKSTRA^® konformen 2D-Straßenentwurf unter Einsatz der TUM Open Infra Platform in Verbindung mit der OKSTRA^®-Klassenbibliothek. Veröffentlicht auf www.OKSTRA.de, Forschungsaktivitäten, abgeschlossen

Borrmann, A.; König, M.; Koch, C.; Beetz, J. (Hrsg., 2015): „Building Information Modeling“, Technologische Grundlagen und industrielle Praxis, Springer Vieweg