Digital in die Tiefe

Die Experten des „Digitalisierung und Prozessmanagement“ Teams für die Themen BIM und Baustellendatenmanagement forschen bei der ZÜBLIN Spezialtiefbau GmbH an digitalen Lösungen, die das Planen und Bauen in die Tiefe noch effizienter und sicherer machen können.

Die neuen digitalen Technologien und Anwendungen ermöglichen es heute, Daten und Informationen des Baugrunds sowie der bestehenden Infrastruktur zu erheben und in 3D-BIM-Modelle zu überführen. Die Vielfalt dieser Daten reicht von der geologischen Beschaffenheit des Erdreichs bis zu den Bewegungen der Baumaschinen auf der Baustelle. Diese Visualisierungen verhelfen den unterschiedlichen Projektbeteiligten zu einem möglichst realistischen und stets aktuellen Bild vom Ist-Zustand, aber auch von simulierten Bedingungen in der Zukunft. Ein weiterer Trend entwickelt sich durch die Fortschritte in der Sensortechnik: Damit werden Baumaschinen zu sehr interessanten Datensammlern.

Vier dieser vielsprechenden Forschungsansätze stellen wir Ihnen hier vor:

1 – Vom Büro in die Point Clouds

Mirna Mamar Bachi

3D-Modelle basieren bisher auf physischen Messungen vor Ort oder von Drohnen generierten Aufnahmen. Mithilfe der Fotogrammetrie (Bildmessung) erstellten die BIM-Expertinnen und Experten des ZÜBLIN Spezialtiefbaus erstmals 3D-Visualisierungen sogenannter Punktwolken (Point Clouds) aus 360° Online Mapping Services Views. Die entsprechenden 2D-Screenshots wurden mit der Software Pix4D in ein verdichtetes 3D-Model umgerechnet. Die Punktwolke wurde in ein 3D-Mesh konvertiert und dann in eine 4D-Simulationssoftware wie Synchro-PRO importiert. Dieser Ansatz zeigte eine hohe Zuverlässigkeit und Präzision. Bei Projekten, in denen eine größere Genauigkeit durch Drohnenaufnahmen noch nicht nötig oder der Einsatz von Drohnen verboten ist, zum Beispiel an Flughäfen, bietet dieses Verfahren eine vielversprechende Alternative.

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3D-Mesh, das anhand einer Punktwolke aus  3D-Ansichten rekonstruiert wurde.
3D-Mesh, das anhand einer Punktwolke aus 3D-Ansichten rekonstruiert wurde.

2 – Erfolgreiches Clash-Management durch Visualisierungen

Mirna Mamar Bachi

4D-Ablaufsimulationen machen unvorhergesehene Konflikte zwischen aktuellen Aktivitäten, Bohrungen oder Sicherheitsthemen in bestimmten Bauabschnitten sichtbar. Jeder Maschine kann zudem ein eindeutiger Pfad zugewiesen werden, um so die auf der Baustelle wahrscheinlichen Bewegungen zu simulieren.

In einem Versuch wurde nun erprobt, bereits in der Ausschreibungsphase eines Bauprojekts durch eine 4D-Simulation mögliche Unfälle von Baumaschinen in ihren Arbeitsbereichen vorherzusagen. Dafür wurden auch 3D-Modelle von Baugeräten wie Container, Silos, Bohrgeräten, Raupenkranen oder Baggern importiert und – korrekt skaliert – in der Simulation in ihre jeweilige Position gebracht.

In einem automatisch generierten PDF-Report informierte das Planungsteam mit diesen aussagekräftigen Visualisierungen im Vorfeld über denkbare Kollisionen. Diese dynamischen Baustellenmodelle zusammen mit Visualisierungen der Aktivitäten erhöhen die Effizienz und die Arbeitssicherheit, da Risikofaktoren frühzeitig identifiziert werden.

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BIM 4D-Bauablaufsimulation mit dynamischer Baustelleneinrichtung während der Erstellung von Bohrpfahlwand, Gründungen und Schlitzwand.
BIM 4D-Bauablaufsimulation mit dynamischer Baustelleneinrichtung während der Erstellung von Bohrpfahlwand, Gründungen und Schlitzwand.

3 – Automatisiert erstellte 3D-Modelle direkt aus Datenquellen

Mirna Mamar Bachi

Diego Bellato

3D-Modelle lassen sich auch automatisiert erstellen. Dazu werden Autodesk Dynamo-Skripte verwendet, die Parameter erkennen, die verschiedenen Autodesk Revit-Familien zugeordnet und in vordefinierter Reihenfolge in einer Kalkulationstabelle angeordnet sind. Das Skript wählt die betreffende Revit-Familie aus und zeichnet die entsprechenden Beispiele in der Revit-Umgebung an der angegebenen Position und mit den voreingestellten Attributen.

In einem nächsten Schritt möchte ZÜBLIN Spezialtiefbau allgemeinere und von Revit unabhängigere Lösungen mit einer Software entwickeln, die anstelle des Dynamo-Skripts über ein bei ZÜBLIN programmiertes Application-Programming-Interface (API) mit Revit interagiert. Damit ließen sich Design-Parameter direkt in eine gut strukturierte Datenbank für unterschiedliche Stakeholder speichern. Ein einheitliches System, das geometrische Daten und Produktionsinformation kombiniert, kann das Management und die Kontrolle von Bauaktivitäten in Zukunft signifikant verbessern.

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BIM-Konzept des ZÜBLIN Spezialtiefbaus: Erstellung eines 3D-Modells basierend auf Parametern, die in einem Datenbanksystem gespeichert sind.
BIM-Konzept des ZÜBLIN Spezialtiefbaus: Erstellung eines 3D-Modells basierend auf Parametern, die in einem Datenbanksystem gespeichert sind.

4 – Auswertung der Bauphasen durch Bohrgerätedaten

Diego Bellato

Mit Sensoren an Tiefbaubohrern lassen sich Daten etwa zu Bohrtiefe, Installationszeiten, Vorschubkraft, Bohrdruck und Drehzahl messen. Eine präzise Auswertung ist aber häufig extrem zeitaufwendig. In einer Studie beim innerstädtischen Kombilösung-Infrastrukturprojekt (KASIG) in Karlsruhe untersuchte der ZÜBLIN Spezialtiefbau, wie sich diese Bohrdaten schneller und einfacher aufbereiten lassen. Auf der Baustelle für einen 1.850 km langen PKW-Tunnel werden mehrere Pfahlbohrungen in Tiefen von bis zu 23 m vorgenommen. Das automatische Erkennen von Bohrphasen und Stillständen erleichterte es den Ingenieurinnen und Ingenieuren, die aktuelle Netto- und Bruttoleistung des Bohrers genauer zu ermitteln. Außerdem wurden Korrelationen zwischen den Daten der initialen geotechnischen Untersuchungen und der nötigen spezifischen Energie, um einen Kubikmeter Boden zu bohren, aufgezeigt. Zusammen mit Informationen zu Maschinenleistung, Verbrauch und Verschleiß sowie dem Zusammenhang zwischen der spezifischen Bohrenergie und den Bodentypen werden in Zukunft die Kosten für solche Projekte noch präziser kalkuliert. In der Zwischenzeit werden Bohrdaten auch mit verschiedenen manuell gesammelten Daten verknüpft, um beispielsweise Stillstandzeiten oder unerwartet niedrige Bohrfortschritte zu erklären.

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Tiefen- und Bohrdruckprofil über die Zeit zur Definition von Bohrphasen.
Tiefen- und Bohrdruckprofil über die Zeit zur Definition von Bohrphasen.

Wenig Zeit und wenig Raum

Warum neue digitale Lösungen im Spezialtiefbau so wichtig sind.

Im modernen Spezialtiefbau agieren Expertinnen und Experten mit extrem leistungsstarken Maschinen, hochkomplexen Methoden und speziellem Equipment. Daraus ergeben sich faszinierende bautechnische Möglichkeiten – aber auch große Herausforderungen: Technik und Mensch kommen meist in eingeschränkten Bereichen der Baustelle zum Einsatz, ebenso steht für die Baumaßnahmen oft nur sehr begrenzte Zeit zur Verfügung. In vielen Fällen überschneiden sich die Aktivitäten mit denen in anderen Baustellenbereiche, nicht selten sogar mit benachbarten Projekten von Mitbewerbern oder der öffentlichen Verkehrsinfrastruktur.

Unter diesen Voraussetzungen spielen die Planung und das Baustellendesign eine entscheidende Rolle, etwa, um die Kosten realistisch zu kalkulieren, die Abläufe effizient zu gestalten, vor allem aber auch, um die Arbeitssicherheit für alle Beteiligten zu gewährleisten. Die Komplexität dieser Herausforderung lässt sich zum Zeitpunkt der Verhandlungen mit der Auftraggeberseite oder der Projektplanung häufig nicht vollständig überschauen. Unerwartete Ereignisse gehören zur Realität auf einer Baustelle, mit Auswirkungen auf Kosten, Zeitplan und Sicherheit. Der Bedarf an einer möglichst realitätsnahen Planung, aber auch an einem effektiven Echtzeitmonitoring während der Arbeiten ist entsprechend groß.

Glossar

Fotogrammetrie – steht für eine Gruppe von Messmethoden und Auswerteverfahren der Fernerkundung, um aus Fotografien oder genauen Messbildern eines Objektes seine räumliche Lage oder dreidimensionale Form zu bestimmen. Meist werden die Bilder dafür mit speziellen Messkameras aufgenommen.

Punktwolke – eine Sammlung von Messpunkten, die von einem 3D-Scanner erfasst wird oder durch Fotogrammetrieanalyse eine große Anzahl von Fotografien rekonstruiert werden. Diese winzigen Datenpunkte bilden dabei zusammen eine 3D-Masse, wie bei einer natürlichen Wolke die Wassertropfen.
Für die Erstellung erfasst ein Scanner zunächst eine große Anzahl von Datenpunkten, die von Kanten und Flächen reflektiert werden, zum Beispiel Wände, Fenster, aber auch Rohre, Leitungen oder Stahlkonstruktionen. Anhand der registrierten X-, Y- und Z-Koordinaten aller Punkte wird eine genaue 3D-Darstellung des gescannten Bereichs erstellt: die Punktwolke oder “Pointcloud”.
Um die Punktwolke im BIM-Prozess sichtbar zu machen, werden die Scans in eine Modellierungssoftware importiert.

Mesh – ein Polygonnetz aus einer Sammlung von Ecken, Kanten und Flächen, die die Form eines polyedrischen Objekts in 3D-Computergrafik und Volumenmodellierung definiert. Die Flächen bestehen in der Regel aus Dreiecken (Dreiecksnetz), Vierecken oder anderen einfachen konvexen Polygonen.

Die Autoren der Studien

Mirna Mamar Bachi

schloss ihr Studium mit einem Master in Bauingenieurwesen ab und erwarb einen weiteren Master im Hochbau. Berufserfahrung sammelte sie als Planerin und Projektkoordinatorin in verschiedenen Ländern und in verschiedenen Bereichen, zum Beispiel Infrastruktur, Hochbau und Geotechnik. Bei der Züblin Spezialtiefbau GmbH ist sie für die Entwicklung und Implementierung von BIM-Lösungen verantwortlich. Ihr Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Anwendung von BIM-Methoden in der Angebots- oder Ausführungsphase bei Spezialtiefbauprojekten.

Diego Bellato

hat einen Abschluss als Bauingenieur mit Schwerpunkt Geotechnik. Seit seiner Promotion beschäftigt er sich mit Themen der angewandten Geotechnik, insbesondere mit Bodenverbesserungs- und Spezialtiefbautechniken. Während seiner beruflichen Karriere implementierte er bereits Datenmanagementlösungen in internationalen Projekten und arbeitete mit verschiedenen zentralen Datensystemen. Derzeit ist er Leiter des Digitalisierungs- und Prozessmanagementteams der Züblin Spezialtiefbau GmbH. Er verantwortet die Strategie und Koordination bei Projekten im Bereich Standortdatenmanagement, BIM, digitale Lösungen und Prozessmanagement/LEAN.

Die Züblin Spezialtiefbau GmbH

Die 100-prozentige Tochtergesellschaft der Ed. Züblin AG gehört zum Unternehmensverbund der STRABAG SE. Das Unternehmen setzt mit derzeit rund 1.300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern geotechnisch anspruchsvolle Projekte in ganz Europa um. Das Portfolio umfasst zum Beispiel komplexe Infrastrukturprojekte, Gründungsmaßnahmen, schlüsselfertige Baugruben und Absenktunneln. Darüber hinaus verfügt ZÜBLIN-Spezialtiefbau über eine Vielzahl weiterer Kompetenzen: u.a. Spezialtechnologien wie Vereisungen, Dammsanierungen und gesteuerte Bohrungen. Die Einsatzgebiete liegen in der Bauausführung sowie in den Bereichen Planung, Logistik und Projektmanagement.

https://www.zueblin-spezialtiefbau.de