Aus 2D wird 3D: So entstehen aus GIS-Daten BIM-Modelle von Infrastrukturen
BIM-Modelle – dreidimensionale Modelle – werden in der Infrastrukturplanung vermehrt nachgefragt. Soll etwa eine Strasse saniert werden, ist es nützlich, den Bestand aller Bauten und Leitungen unter und über der Erde in drei Dimensionen (3D) sehen zu können. Die Geoinformatik-Ingenieurin Natalia Kudinova und ihr Team erstellen solche anschaulichen 3D-BIM-Modelle aus konventionellen 2D-GIS-Daten. Wir haben ihr über die Schulter geschaut.
Natalia Kudinova fährt mit der Maus über den Bildschirm. Sie öffnet das Programm ArcGIS Pro (Esri): Wir sehen einen Abschnitt der Kantonsstrasse zwischen Interlaken und Grindelwald. Zuerst ist nur die Strassenoberfläche erkennbar, umgeben von schemenhaften Bäumen und Häusern. Mit jedem Klick wird mehr sichtbar: Gasleitungen, Abwasserrohre, Elektroanlagen, Telecom-Kabel, dann Trinkwasserleitungen.
Alles erscheint plastisch dargestellt in «Volumenkörpern», wie diese Elemente in der Fachsprache des Building Information Modeling (BIM) genannt werden. Die 3D-Visualisierung ist ein digitales Abbild der gesamten Infrastruktur des Strassenabschnittes. Natalias Auftraggeber, der Oberingenieurkreis I des Tiefbauamts des Kantons Bern, wird die Sanierung der Strasse bei Interlaken auf Basis dieses Modells planen und koordinieren können.
Natalia, warum werden vermehrt 3D-Modelle von Infrastrukturanlagen verlangt?
Unsere Kunden – der Bund, kantonale und kommunale Werke und Gemeinden – wollen die Bestandssituation präzise kennen, um Entscheidungen zu treffen. Die Modelle nutzen sie für ihre Planung, etwa für Sanierungsprojekte. Ihre Ingenieure müssen wissen, was sich wo befindet, über und unter der Erde, um die richtigen Massnahmen zu planen. Sie wollen wissen, wo die Bauunternehmen bohren können und wo nicht, oder wo sie entwässern müssen.
Dank dem 3D-Modell mit integrierten Geodaten können Planungs- und Ausführungsfehler vermieden werden. Die Vereinigung von Geodaten und BIM nennt man übrigens GeoBIM. Sie ist besonders nützlich für grosse Bauprojekte, die Stadtplanung, das Infrastrukturmanagement oder Umweltthemen.
Warum gibt es GIS-Daten eigentlich nur in 2D?
Da muss ich präzisieren. Nicht immer sind GIS-Daten, die georeferenzierten Daten aus Geoinformationssystemen (GIS), nur zweidimensional. Bei Entwässerungsanlagen zum Beispiel gibt es meist auch Höheninformationen, die uns sagen, wie tief oder hoch ein Rohr liegt. In der Regel aber sind GIS-Daten nur zweidimensional vorhanden. Das hat historische Gründe: GIS-Systeme wurden einst für Karten und Pläne entwickelt. Technische Limitierungen und fehlende Datenquellen führten dazu, dass die dritte Dimension nicht systematisch erfasst wurde.
Wenn du aus 2D-GIS-Daten 3D-BIM-Modelle erstellst: Was ist die Herausforderung dabei?
Da in GIS oft die Höhenkoordinate fehlt, wissen wir zwar beispielsweise, wo ein Kabel im Untergrund liegt, nicht aber wie tief und welches Volumen es hat. Bei Brunnen wissen wir historisch bedingt oft nur ungenau, wo und wie tief deren Leitungen verlegt sind. Wir brauchen aber Höhendaten, um ein 3D-Modell zu erstellen. BIM kennt keine Toleranz gegenüber zweidimensionalen Daten.
Kannst du diese Nicht-Toleranz ausführen?
In der BIM-Umgebung gibt es nur 3D-Objekte. Alle Daten werden als Volumenkörper dargestellt. Auch eine blosse Beschriftung, beispielsweise eine Parzellennummer, wird als Körper dargestellt. BIM akzeptiert keine Daten, denen die dritte Dimension fehlt. Wir haben es mit zwei Welten zu tun, der GIS- und der BIM-Welt. Die Herausforderung ist, diese zwei Welten zusammenzuführen.
Wie gehst du vor, wenn Daten fehlen?
Zuerst müssen wir beim Auftraggeber in Erfahrung bringen, wie präzise die gewünschten BIM-Modelle sein sollen. Ist eine hohe Präzision gewünscht, muss die fehlende dritte Dimension vor Ort erhoben werden. Einen Schacht zum Beispiel würde man mit einem Tachymeter-Gerät vermessen. Oft reicht es aber aus, mit Annahmen zu arbeiten, die auf Normen basieren, etwa der üblichen Tiefe von Werkleitungen: Wasserrohre liegen in mindestens 1,5 Metern Tiefe, damit sie vor Frost und Druckbelastung geschützt bleiben, während Abwasserrohre bereits bei 0,8 Metern überdeckt werden können.
Um einen Datenmangel zu verdeutlichen, arbeiten wir manchmal auch mit überdimensionierten Darstellungen: Einen Brunnenschacht mit unbekannter Tiefe stellen wir dann zum Beispiel mit einer Tiefe von 300 Metern dar. Ist der Auftraggeber mit unserer Datenlogik zufrieden, übersetzen wir alle Daten in ein BIM-Modell.
Wie funktioniert dies technisch?
Basler & Hofmann hat für die Übersetzung von GIS-Daten in BIM-Modelle eigens ein Computerprogramm entwickelt. Es errechnet aus allen eingespeisten Daten das 3D-BIM-Modell. Wir stellen unseren Kunden die Daten dann im gängigen Dateiformat IFC zur Verfügung. So können sie die Modelle in verschiedenen Programmen öffnen und mit Fachplanenden teilen.
Schauen wir in die Zukunft. Werden GIS und BIM einmal eins werden?
Ich denke, die GIS-Systeme werden quasi in die BIM-Welt hineinwachsen. Dann wird man keine technische Konvertierung mehr brauchen. In Norwegen ist diese Integration schon geschafft, dort hat der Staat flächendeckend bestimmte Softwareformate vorgeschrieben. In der Schweiz fehlt der politische Druck.
Aber das ist die Zukunft: die Integration beider Welten in ein System. Die umfassende GeoBIM-Integration scheint mir, angesichts der Komplexität moderner Infrastrukturprojekte, sogar ein Muss. Wir arbeiten deshalb sehr eng mit Kantonen, Gemeinden und Hochschulen an GeoBIM-Themen zusammen, sowohl im Rahmen von Fachgremien als auch in laufenden Projekten.