S. 73IV. Merkmalserver als Kommunikationsmittel für die Bauwirtschaft

Georg Fröch

Einleitung

Die Digitalisierung von Prozessen in Produktion und Konzeption ist ein unaufhaltsamer Megatrend, der auch vor der Bauwirtschaft nicht Halt macht. Unter Digitalisierung wird in diesem Zusammenhang der Einsatz von vernetzten Informationstechnologien in der Wertschöpfungskette verstanden – Building Information Modeling. Ziel ist es, alle Planungs-, Beschaffungs- bzw Umsetzungsprozesse unter Zuhilfenahme eines digitalen Gebäudemodelles abzuwickeln. Die Fachwelt ist sich einig, dass diese Methode die bisherigen Prozesse in der Bauwirtschaft stark verändern oder sogar revolutionieren wird. Wesentlich dabei ist der integrale Ansatz, welcher für zeitgemäße Bauwerke, die im Sinne nachhaltiger und lebenszyklusorientierter Anforderungen konzipiert werden, unabdingbar ist. Zwar wird BIM derzeit vorwiegend im Planungs- und Beschaffungsprozess verwendet und nur bruchstückhaft im Bauprozess, jedoch bieten sich zum jetzigen Zeitpunkt unabsehbare Möglichkeiten auch bei der Anwendung im Errichtungs- bzw Produktionsprozess – vor allem in Hinblick auf eine effizientere Gestaltung von logistischen Prozessen oder auch eine lückenlose, bauteilbasierte Dokumentation der Baustelle.

S. 74Welche Bedeutung das Thema Digitalisierung im Bauwesen künftig haben wird, belegen folgende Ergebnisse einer Erhebung von Roland Berger:

• 93% der Akteure der Bauindustrie stimmen zu, dass die Digitalisierung die Gesamtheit der Prozesse beeinflussen wird.

• Weniger als 6% der Bauunternehmen nutzen digitale Planungsinstrumente vollständig.

• 100% der Baustoffunternehmen glauben, ihre Digitalisierungspotenziale nicht ausgeschöpft zu haben.

Die neue prozessorientierte und integrale Arbeitsweise wird im Laufe der kommenden Jahre zu einer Voraussetzung werden, um als Unternehmer sowohl in der Ausführung als auch in der Planung öffentliche Bauaufträge abwickeln zu können.

In der Studie von Roland Berger wird – wie in Abb 1 dargestellt – das Handlungsfeld der Digitalisierung in der Bauwirtschaft in vier Hebel unterteilt.

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Abb 1: Vier Hebel der digitalen Transformation, siehe Roland Berger, 2016, S 4

Diese Einteilung soll dabei helfen, die verschiedenen Aspekt im Rahmen der Digitalisierung besser analysieren und optimieren zu können. In der praktischen Umsetzung ist jedoch noch ein wesentlicher Punkt zu beachten. Die vier Hebel sind von einer gemeinsamen Datenbasis abhängig, welche eine größtmögliche Interoperabilität aufweisen muss – die vernetzten Systeme müssen die gleiche Sprache sprechen, um die digitale Transformation umzusetzen. Solange sich die Anwendungen im selben System befinden (Closed BIM), ist dies schon seit einiger Zeit möglich. Sobald jedoch verschiedene Systeme mit derselben Datenbasis arbeiten (Open BIM), führt dies oft zu S. 76Kommunikationsproblemen. An diesem Punkt setzt das Konzept eines Merkmalservers (MMS) an, nämlich bei der Vereinheitlichung von Bauteilmerkmalen und der Bereitstellung über eine Online-Server-Lösung.

Aus diesem Grund wurde 2014 das Forschungsprojekt freeBIM-Tirol gestartet. Von einem Konsortium aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen wurde in weiterer Folge der freeBIM/ON-Merkmalserver in Zusammenarbeit mit dem Österreichischen Normungsinstitut (Komitee 011/Arbeitsgruppe 09) konzipiert und umgesetzt. In einem Folgeprojekt (freeBIM2) wird an der praxisorientierten Aufbereitung für Anwender gearbeitet, in dem es im Kern darum geht, die Merkmaldaten in ein digitales Gebäudemodell zu integrieren und in modellbasierter Software wie Simulations- oder Ausschreibungsprogrammen weiterzuverarbeiten. Die Projektpartner des Forschungsprojektes setzen sich wie folgt zusammen:

• Arbeitsbereich für Baubetrieb, Bauwirtschaft und Baumanagement (i3b), Universität Innsbruck

• ATP Architekten und Ingenieure

• b.i.m.m GmbH

• Datenbanken und Informationssysteme, Institut für Informatik, Universität Innsbruck

• inndata Datentechnik GmbH

• MUIGG CAD-Anwendungen

• RIEDERBAU GmbH

Funktion des freeBIM/ON-Merkmalservers

Die Funktion bzw das Ziel eines Merkmalservers liegt primär in der Bereitstellung eines Standards zur parametrisierten Bauteilbeschreibung, deren Nichtvorhandensein immer noch einen Hemmschuh bei der Verbreitung von BIM darstellt. Daraus resultieren eine mangelnde Kompatibilität der Daten und folglich Erschwernisse bei der Interoperabilität von Softwaresystemen. Im Sinne von BIG-BIM ist es unumgänglich, herstellerneutrale, sprachenunabhängige, offene Formate zur Verfügung zu stellen. Hier findet sich S. 77ein wesentlicher Ansatz des Forschungsprojektes, nämlich einen unabhängigen Merkmalserver (Property Server – MMS) zu entwickeln, der diese Aufgabe übernehmen kann.

Das grundlegende Konzept besteht darin, alle Merkmale, Bemessungen, Wertelisten und dergleichen nicht in Form eines von Menschen lesbaren String in diversen Sprachen datentechnisch zu übergeben, sondern diesen durch einen maschinenlesbaren Code zu ersetzen, wie in Abb 2 dargestellt. Dieser wird an einer zentralen Stelle den jeweiligen Bedeutungen und den unterschiedlichsten Sprachen gleichgesetzt, sodass dieser Code auch international auf eine eindeutige Entsprechung verweist. Dieser Code wird GUID (Globally Unique Identifier) genannt und mit seinen Entsprechungen im BuildingSMART Data Dictionary gespeichert. Das bSDD ist ebenfalls als Merkmalserver anzusehen, wobei dort bis dato lediglich die Merkmale, ihre Entsprechungen sowie deren GUIDs gespeichert werden. Nationale Eigenheiten bleiben dabei durchaus gewollt außer Acht. Im Gegenzug dazu ist die Eindeutigkeit des GUIDs und seiner multilingualen Bedeutung gewährleistet.

Abb 2: Funktion eines GUID

S. 78Dieser Systematik folgend wurde der freeBIM/ON-Merkmalserver konzipiert und umgesetzt, der bis dato auch international einzigartig ist. Die Bedeutung dieses Servers liegt vor allem in seiner Funktion als Wegbereiter für einen flächendeckenden Einsatz von BIM. Das Konzept des Merkmalservers hat in die ÖNORM A-6241-2 Digitale Bauwerksdokumentation – Building Information Modeling (BIM) – Level 3-iBIM Eingang gefunden bzw ist Teil davon. Die Entwicklung erfolgte in Abstimmung bzw Zusammenarbeit mit dem Österreichischen Normungsinstitut (Komitee 011/Arbeitsgruppe 09). Darüber hinaus wird dieses Konzept bereits in der Entwicklung der neuen BIM-CEN Norm (CEN TC 442) in Form einer Arbeitsgruppe berücksichtigt. Die praktische Anwendung der Forschungsergebnisse aus dem Projekt freeBIM-Tirol wurde durch die Generierung eines Demoprojektes unter Beweis gestellt, welches aus verschiedenen prototypischen Tools der einzelnen Projektpartner und den implementierten Bauteilparametern besteht.

Für den Datenaustausch im Sinne von Open BIM hat sich das IFC-Format durchgesetzt, welches bereits zu einer ISO-Norm wurde und sich in ständiger Weiterentwicklung befindet. Im Gegensatz dazu existiert für den Austausch zusätzlicher Informationen bzw Parameter bislang keine zufriedenstellende Lösung. Diese Lücke kann nun durch das Konzept des MMS geschlossen werden, da damit eine standardisierte Datenbasis unabhängig von sprachlichen oder sonstigen Dateninkonsistenzen zur Verfügung steht. Wie in Abbildung 3 dargestellt, können alle Stakeholder über die „gemeinsame Sprache“ des MMS auf ein digitales Gebäudemodell zugreifen und erhalten dieselben, eindeutigen Daten. Damit soll voll vernetztes Arbeiten an einem gemeinsamen Modell ermöglicht und die Prozesse sollen in allen Phasen des Lebenszyklus von Gebäuden von der Planung bis zur Herstellung und dem Betrieb optimiert werden. Wesentlich dabei ist die konsistente Datenqualität, welche letztendlich zu einer Verringerung der Fehlerquote und einer Steigerung der Effektivität führen wird. Bei der Erstellung der Datenstruktur wurde auf die Anbindung von Warenwirtschaft, Logistik und Arbeitsvorbereitung S. 79Bedacht genommen, um diese im nächsten Schritt gewährleisten zu können. So soll es in Zukunft möglich sein, den gesamten Planungs- und Abwicklungsprozess von der Auswahl der Baumaterialien in der Entwurfsphase bis hin zur Materialbestellung auf der Baustelle über das digitale Gebäudemodell abzuwickeln.

Abb 3: Funktion des Merkmalservers in der Projektorganisation

S. 80Konzeption des freeBIM/ON-Merkmalservers

Als internationale Merkmalbibliothek steht das bSDD zur Verfügung und wird entsprechend weiterentwickelt. Dort können Parameter mehrsprachig definiert und beschrieben werden, um diese multilingual eindeutig zu definieren. Zurzeit scheint dies der einzige international etablierte Standard zu sein und befindet sich nach Ansicht der Projektpartner weiterhin im Vormarsch. Die zur Verfügung gestellten Informationen werden dort jedoch nur gespeichert und können nicht gesammelt weitergegeben oder benutzerspezifisch kombiniert und ausgegeben werden. Daher erachteten die Projektpartner es als erforderlich, einen strukturierten Merkmalserver zu konzipieren, welcher in Verbindung mit dem bSDD steht.

Als Basis für die Erarbeitung aller weiteren Projektergebnisse wurde ein Prozessmodell entwickelt, welches die wesentlichen Informationsflüsse über einen Merkmalserver im Lebenszyklus eines Bauwerkes unter Zugrundelegung eines digitalen Gebäudemodells abbildet. Dieses Modell ist in Abbildung 4 dargestellt.

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Abb 4: Prozessmodell freeBIM-Tirol – beispielhaft

Zentrales Element dabei ist das Building Information Model mit allen integrierten Informationen. Um diese plattform- und softwareunabhängig austauschen zu können, wird zum einen auf das Austauschformat IFC und zum anderen auf die freeBIM/ON-Parameter zurückgegriffen. Die effektive Weitergabe der Parameter erfolgt sprachenunabhängig über die GUIDs.

S. 82Als Voraussetzung für den unabhängigen Datenaustausch muss das digitale Gebäudemodell unter Berücksichtigung und Implementierung der freeBIM/ON-Parameter, welche auf dem Merkmalserver verfügbar sind, erstellt worden sein. Die dort definierten Parameter wurden in Form des freeBIM-Dach-Kontextes auf das bSDD geladen, wo sie einen GUID erhalten. Dieser wiederum wird im MMS dem jeweiligen Parameter zugeordnet. Damit sind die Parameterdaten bzw GUIDs auf beiden Datenbanken konsistent.

Vor allem im Bauprozess kann so auf die Parameter im digitalen Gebäudemodell zugegriffen werden. Dies gewährleistet den vollen und eindeutigen Zugriff auf alle Informationen hinsichtlich der Bauteile, der Materialien und weiterer beliebiger eingepflegter Daten wie beispielsweise Angaben zur Nachhaltigkeit von Bauteilen. Mit den extrahierten Daten kann in weiterer Folge ein Bauunternehmer Materialien bestellen, deren Spezifikationen abrufen oder diese in seiner Kalkulation hinterlegen. Ermöglicht wird dies durch die Anbindung von Baustoffdatenbanken der Hersteller. Die auf eine Baustelle angelieferten Materialien können so über die Anbindung an den MMS beispielsweise auf ihre Übereinstimmung mit den Informationen aus dem digitalen Gebäudemodell geprüft werden. Darüber hinaus können die zusätzlichen Informationen über die eingebauten Produkte wieder in das Modell übernommen werden und stehen dort für die weitere Verwendung im Rahmen der Qualitätskontrolle und in der Nutzungsphase für das Facility Management bereit. Auch der Bauherr kann über Viewer-Software auf das Gebäudemodell zugreifen und hat so die Möglichkeit, Bauteilquantitäten und Materialeigenschaften einzusehen.

Für die Beschreibung von Bauteilen und Materialien wurde die Struktur und Hierarchie des IFC-Standards übernommen und, wo erforderlich, ergänzt. Auch werden Bauteile, Komponenten und Parameter, welche in IFC bereits vorhanden sind, konsequenterweise übernommen. Die Definition muss unter Berücksichtigung der „Vererbung“ von Eigenschaften erfolgen, das heißt, hierarchisch übergeordnete Parameter werden für die untergeordneten übernommen. Weiters ist in IFC eine Möglichkeit vorgesehen, zusammengesetzte Bauteile aus Schichten bzw Komponenten zu erzeugen. Diese Systematik muss im Zuge der Parametergenerierung ebenfalls konsequent umgesetzt werden. Die erforderlichen Parameter zur Definition von Bauteilen sind identifiziert und auf dem Merkmalserver verfügbar. Gleiches gilt für die wesentliS. 83chen Parameter zur Definition von häufig verwendeten Materialen. Generell können die zur Verfügung gestellten Parameter keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben, jedoch sollen alle wesentlichen und vor allem auch in der Praxis relevanten Bauteile und Materialien abgebildet werden und in weiterer Folge auch von den BIM-Nutzern herangezogen werden können. Werden weitere Parameter erforderlich, so können diese im Sinne eines offenen Systems problemlos hinzugefügt werden. Dies ist auch im Falle der Aufnahme neuer, am Markt verfügbarer Materialien oder Bauteile erforderlich. Die Prüfung der Parameter auf Plausibilität und praktische Vollständigkeit erfolgt in Zusammenarbeit mit den Experten des ON-AG 011.09 AK2.

Zur praktischen Durchführung der projektinternen Aufnahme von Daten in den Merkmalserver sowie auch als Anforderungsprofil für zukünftige externe Informationsquellen wurden Vorgaben an die Informationsqualität sowohl inhaltlicher als auch formaler Art erarbeitet. Diese werden nachfolgend beschrieben.

Generelle Gliederung:

1. Inhaltliche und formale Vorgaben:

S. 84Qualität der Beschreibung: Aussagekräftige Beschreibung in kurzen Stichworten, einem Satz oder durch anderweitige eindeutige, kurze Informationen wie mathematische Formeln und dergleichen.

2. Einordnung in die IFC-Struktur

Die einzelnen Parameter müssen in die IFC-Struktur eingeordnet werden. Vor allem muss eine Unterscheidung in Gebäudeelemente, Einrichtungselemente etc bzw in Elementbestandteile (IfcElementComponent), Materialschichten (IfcMaterialLayer), Materialschichtengruppen (IfcMaterialLayerSet) etc getroffen und die Parameter entsprechend zugeordnet werden.

3. Datentechnische Anforderungen

Sind im Rahmen der Dokumentation zum Webservice festgelegt.

Der Merkmalserver dient in seiner Hauptfunktion als Werkzeug zur Speicherung und Bereitstellung der freeBIM/ON-Parameter. Damit zusammenhängend musste auch ein Prüf- und Freigabeprozess der Inhalte programmtechnisch umgesetzt werden. Die Strukturierung des Merkmalservers wurde in Form sogenannter Bibliotheken vorgenommen, um verschiedene Themengebiete wie beispielsweise Bauteile und Materialien bzw verschiedene Inhalte besser abgrenzen zu können. Darüber hinaus ist so eine problemlose inhaltliche Erweiterbarkeit der Datenbank im Hinblick auf weitere Normen oder auf Produktdaten von Baustoffherstellern und dergleichen gegeben. Um eine Verbindung zwischen den Bibliotheken zu schaffen, besteht die Möglichkeit des Setzens von Gleichheitsbeziehungen. Damit können Entsprechungen sehr leicht gefunden und über die GUIDs Redundanzen vermieden werden. Wesentlich für das Konzept des Merkmalservers ist die Möglichkeit, GUIDs direkt aus der Datenbank aus dem bSDD generieren und speichern zu lassen.

Die Identifikation der wesentlichen Parameter sowohl für Bauteile als auch für Materialien erfolgte nach einem vordefinierten Prozess, welcher sich im Laufe der Bearbeitung entwickelt hat. Zunächst wurden die maßgeblichen Normen und Regelwerke analysiert und daraus die relevanten Parameter vorab dokumentiert. Anschließend wurden die „normativen“ Parameter über die Befragung von Experten und die Ergänzungen der Mitglieder des ÖNORM-Arbeitskreises durch praxisrelevante Parameter ergänzt, um dem Stand der S. 85Technik Rechnung zu tragen. Dabei wurden zum Teil auch Hersteller direkt eingebunden. In weiterer Folge wurden die restlichen Informationen wie Beschreibungen, Wertelisten, normative Verweise, Quellenangaben etc im Merkmalserver ergänzt. Nach der Komplettierung der Datensätze wurden diese im Rahmen des ÖNORM-Arbeitskreises abgestimmt, auf Plausibilität geprüft und freigegeben. Der Prozess zum Upload der Parameter in das bSDD wurde zweistufig gestaltet und ist über die Funktionalitäten des MMS abgedeckt. Im ersten Schritt besteht die Möglichkeit einer Art Stapelverarbeitung, in der von der Software im bSDD nach Entsprechungen gesucht wird. Sind keine Entsprechungen vorhanden, wird der Datensatz übertragen und der neu generierte GUID aus dem bSDD in die entsprechende Bibliothek des MMS übertragen. Werden jedoch Entsprechungen gefunden, zeigt die Software diese an und der für den Upload zuständige Bearbeiter muss nun manuell eine Auswahl aus den vorgeschlagenen Datensätzen aus dem bSDD treffen.

Abb 5: Bearbeitung von Merkmalen

S. 86Der Merkmalserver in der Praxis – freeBIM2

Um die Erkenntnisse und Entwicklungen im Zusammenhang mit dem MMS leichter anwendbar zu machen, wurde das Folgeprojekt freeBIM 2 gestartet. Dieses Projekt ist in zwei Hauptarbeitspakete gegliedert, damit detaillierter auf die jeweiligen Themengebiete bzw Zielgruppen eingegangen werden kann.

Abb 6: Prozessdiagramm Projekt freeBIM2

freeBIM für die Planung

Während bei Bauunternehmen die neue Technologie auf größeres Interesse zu stoßen scheint, haben Planer und Architekten in dieser Hinsicht oft noch mehr Vorbehalte. Um diesen den Einstieg in die digitalisierte Planung zu erleichtern, sollen die auf dem Merkmalserver vorhandenen Parameter zur Beschreibung von Bauteilen zum einen in nach Bauteilen und Phasen individuell strukturierbarer Form angezeigt und zum anderen in direkt implementierbarer Form heruntergeladen werden können. Damit können diese Parameter in der jeweiligen vom Anwender genutzten Software zur Anwendung kommen.

Die Umsetzung dieser Ziele soll über die Implementierung eines neuen „Frontendes“ für den Merkmalserver erfolgen. Über eine Auswahlmaske sowie über Dropdownmenüs können die Informationen und Parameter nach S. 87Elementen, Phasen usw gefiltert werden. Damit wird eine schnelle und praxisgerechte Navigation zu den gewünschten Merkmalen ermöglicht. Für den betreffenden Bearbeiter nicht relevante oder branchenfremde Informationen bleiben dabei ausgeblendet und erhöhen so die Übersichtlichkeit. Nach erfolgter Auswahl können die Daten heruntergeladen und weiterverarbeitet werden. Dadurch wird die praktische Nutzung der Parameterdaten erleichtert und es können in weiterer Folge alle Vorteile, wie beispielsweise die produktunabhängige Auswertbarkeit der Daten für AVA-Programme oder die Bereitstellung von Bauteilinformationen über den gesamten Lebenszyklus, vollumfänglich genutzt werden.

Abb 7: Konzeptstudie zum freeBIM-Frontend

S. 88freeBIM für AVA

Das digitale Gebäudemodell wird derzeit in Ausschreibung, Beschaffung und Umsetzung nicht in jenem Maße genutzt, in dem Potenzial dazu vorhanden wäre. Das heißt, bereits im Modell vorhandene Informationen werden nicht weiterverarbeitet, sondern stattdessen vor allem in der Ausschreibungsphase neu generiert. Neben einer Redundanz der Prozesse bedeutet dies eine erhebliche Minderung der Informationsqualität. Insbesondere die Procurementphase kann durch eine optimierte Schnittstelle zu den Modelldaten für AVA-Programme in der Leistungsbeschreibung wesentlich effizienter und ohne Informationsverlust unterstützt werden. Damit sind auf keinen Fall nur geometrische Daten gemeint, welche von den AVA-Programmen zum Teil bereits unterstützt werden, sondern insbesondere alphanumerische Informationen zu Qualitäten, Baustoffen etc.

Dabei soll die Anwendung von BIM im Abwicklungsprozess von Bauprojekten mit einer Fokussierung auf die Teilprozesse Ausschreibung, Kalkulation (Bereitstellung der Eingangsdaten direkt aus dem Modell, Kostenschätzung in frühen Projektphasen) und konzeptionell für die Bestellung und Abrechnung gefördert werden. Ausgehend von den Erkenntnissen aus dem Projekt freeBIM-Tirol bzw aufbauend auf dem Merkmalserver freeBIM-Tirol soll die Möglichkeit der direkten Generierung von Leistungsverzeichnissen aus digitalen Gebäudemodellen geschaffen werden. Das grundlegende Ziel dabei ist die Herstellung maximaler Kompatibilität zwischen Modellierungssoftware und AVA-Software.

Zusammenfassung

Das Konzept des Merkmalservers ist für die Realisierung von Big Open BIM eine richtungsweisende Umsetzungsmöglichkeit. Erst dadurch wird integrales Arbeiten an einem Gebäudemodell ermöglicht. Auch internationale bzw europäische Entwicklungen wie in der CEN TC 442 bestätigen dies. In einer heterogenen Softwarelandschaft und in einer von kleinen und mittleren Unternehmen dominierten Wirtschaft wie in Mitteleuropa ist der uneingeschränkte Datenaustausch über verschiedene Systeme hinweg von grundlegender WichS. 89tigkeit. Aus diesem Grund sind Kompatibilitätsprobleme, wie sie oben beschrieben wurden, im angloamerikanischen Raum von untergeordneter Bedeutung, da dort nur wenige Softwareprodukte den Markt beherrschen.

Die Merkmale müssen aufgrund der durchgängigen Datenstruktur des freeBIM/ON-Merkmalservers und dem bSDD-Abgleich softwareunabhängig dieselben sein und darüber hinaus international eindeutig. Dadurch kann der gesamte Workflow im Bauwesen von der Planung bis zur Kalkulation und der Beschaffung als Teil der Wertschöpfungskette Bau über ein digitales Gebäudemodell unterstützt werden.

Im Hinblick auf die künftigen Entwicklungen im Bereich Digitalisierung in der Bauwirtschaft kann es nur im Sinne aller Stakeholder in der Bauwirtschaft sein, gemeinsame Strategien und Datengrundlagen zu schaffen. Daher ist auch bei der Erstellung eines gemeinsamen Standards integrales Arbeiten erforderlich – nur gemeinsame Lösungen werden Bestand haben.

Literaturverzeichnis

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