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IFC4precast – ein komplett neues Konzept für die Fertigteilindustrie



IFC4precast ist ein völlig neues Konzept um den BIM Prozess, insbesondere für die Fertigteilindustrie bestmöglich zu unterstützen. Die Digitalisierung der Fertigteilbranche schreitet mit großen Schritten voran, dabei gilt es die beteiligten Softwaresysteme wie CAD, MES, PPS und ERP bei der Integration und Vernetzung zu unterstützen. Mehrere starke und bekannte Softwareanbieter dieser Branche kamen zusammen und gründeten die buildingSMART Arbeitsgruppe IFC4precast (initiiert durch Kunden).

Die aktuelle Entwicklung von BIM konzentriert sich auf die Dokumentation des Bauprozesses durch Anreicherung und Standardisierung architektonischer und technischer Gebäudemodelle. Der Vorfertigungsprozess ist in dieser Entwicklung derzeit nicht tiefgreifend verankert. IFC wird bereits als Standardaustauschformat zwischen Architektursoftwaresystemen verwendet, die enthaltenen Informationen gehen jedoch beim anschließenden Datenaustausch zu spezialisierten, Fertigteil-Softwaresystemen (CAD, MES, PPS, ERP) verloren. Aktuelle Schnittstellen zwischen Fertigteil-CAD und MES sind unflexibel und lassen sich nur sehr schwer an neue Anforderungen anpassen. Das Projekt zielt darauf ab eine internationale, standardisierte Schnittstelle zu schaffen, die von der Industrie gepflegt wird. Da vorgefertigte Produkte immer komplizierter werden, steigt die Nachfrage nach einer leistungsfähigeren Modelldatenaustauschschnittstelle.

Ende der 1960er Jahre wurde die Digitalisierung in der Bauindustrie vom Zeichenbrett bis zum CAD-Arbeitsplatz vorangetrieben. Auf dieser Basis sind viele Abläufe und Prozesse sehr fest in den CAD-Systemen verankert. Durch den bidirektionalen Datenaustausch zwischen ERP-, MES- und CAD-Systemen können Aufgaben und Know-how dorthin verlagert werden, wo sie benötigt werden.

Die Komplexität der Planung wird reduziert, da produktionsspezifische Einstellungen in den MES-Systemen verankert und verwaltet werden. Zum Beispiel muss sich ein Planer künftig nicht mehr darum kümmern, ob das Element in einer Produktionsanlage hergestellt wird, in der ein Plotter, Laser oder Roboter arbeitet, um die Elementabmessungen zu begrenzen.

Kommerzielle Daten werden mit dem führenden System in der vorgefertigten Softwareumgebung, dem ERP-System, ausgetauscht. Sie garantieren eine schnelle wirtschaftliche Betrachtung sowie eine wirtschaftliche Optimierung. Eine gemeinsame Datenbasis "IFC4precast" mit einem einzigen eindeutigen Schlüssel für Einbauteile reduziert die bisherige oftmals redundante Datenpflege in mehreren Systemen auf ein Minimum.

Aus Sicht der Fertigteilindustrie ist daher eine offene, zukunftssichere, effektive und branchenübergreifende Lösung sinnvoll, an der sowohl ERP-, CAD-, MES- und Anlagenhersteller wie auch die Hersteller von Einbauteilen beteiligt sind.
Das Projekt zielt darauf ab, eine von der Industrie gepflegte, international standardisierte Schnittstelle zu schaffen, die auf bereits im Vorfertigungsprozess etablierten Schnittstellen wie AIA, Unitechnik Version 1.0 bis 6.1, UXML, PXML und BVBS basiert. Da vorgefertigte Produkte immer komplizierter werden, steigt die Nachfrage nach einer leistungsfähigeren Modellaustauschschnittstelle.

Das Projekt wird von der buildingSMART International Community unterstützt und die Projektgruppe besteht aus Mitgliedern der Branche, und zwar (in alphabetischer Reihenfolge):
• AEC3 Deutschland GmbH (bis Ende 2018)

• bwb Beteiligungsgesellschaft mbH & Co. KG

• iabi - Institut für angewandte Bauinformatik

• IDAT GmbH

• Precast Software Engineering GmbH

• Progress Software Development GmbH

• RIB SAA Software Engineering GmbH

• Trimble Germany GmbH

• Unitechnik Systems GmbH


Die zwei Sprecher, Herr Benno Strack (bwb) und Herr Stefan Maier (RIB SAA) vertreten die Gruppe nach außen. Die fachliche Arbeit ist auf folgende Expertenteams aufgeteilt:
- Bewehrung
o Sprecher: Valentin Hellweger (Progress Software Development GmbH)
- Einbauteile
o Sprecher: Richard Borowan (RIB SAA Software Engineering GmbH)
- Bauteilmodellierung
o Sprecher: Peter Kafka (Precast Software Engineering GmbH)
- Modellstruktur
o Sprecher: Andreas Ellinger (Precast Software Engineering GmbH)
- Kommunikationsschema (PRADAP)
o Sprecher: Richard Hellrigl (Progress Software Development GmbH)
- Anwender
o Sprecher: Benno Strack (bwb Beteiligungsgesellschaft mbH & Co. KG) Stefan Maier (RIB SAA Software Engineering GmbH)
- Zertifizierung & Dokumentation
o Sprecher: Klaus Linhard (iabi - Institut für angewandte Bauinformatik)

Alle wichtigen Entscheidungen werden durch das Board/Gremium getragen, in dem alle oben gelisteten Firmen ein Stimmrecht haben.

BuildingSMART

BuildingSMART International ist eine weltweit agierende Institution, die den Nukleus für open BIM Standards für verbaute Werte darstellt.
BuildingSMART koordiniert als Dachorganisation die Arbeit zwischen den regionalen Chaptern weltweit. Die Chapter bestehen aus Unternehmen, Lehreinrichtungen und Privatpersonen aus allen Bereichen des Bauwesens und sie haben es sich zum Ziel gesetzt, die Projektabwicklung mittels effizienter Methoden integrierter Informationsverarbeitung durchgängiger und effektiver zu gestalten und damit qualitäts-, termin- und kostensicherer zu machen.
Im Mittelpunkt steht Building Information Modeling (BIM) als Planungsmethode auf Basis digitaler Bauwerksmodelle. Für eine offene BIM Anwendung konzipiert und zertifiziert der Verein Standards wie IFC. Die Industry Foundation Classes (IFC) sind ein offener Standard im Bauwesen zur digitalen Beschreibung von Gebäudemodellen.
Diese definierten Standards werden für verschiedene Bauwerksklassen Rail, Hochbau, Hafen, Brücken, etc. erstellt.

Die IFC4precast Gruppe arbeitet aktuell unter dem Dach des German Chapters, hat aber auch engen Kontakt zu buildingSMART Austria. Konkrete Unterstützung bei buildingSMART Germany erfolgt durch Herrn Günther Wölfe (Geschäftsführer) und Herrn Mirbek Bekboliev (wissenschaftl. Mitarbeiter).
Um auch einen kurzen Einblick zu geben, welche Tätigkeiten bzw. sonstigen Arbeitsgruppen es bei BuildingSMART gibt, hier eine kurze Vorstellung des jungen Austrian Chapters (gegründet 2018) der buildingSMART mit Herrn Alfred Waschl als Geschäftsführer.

Aus dem Ziel der Standardisierung/Digitalisierung von Planen, Bauen und Betreiben haben sich folgende Working Groups zu folgenden Themen bei buildingSMART Austria (bSAT) herauskristallisiert:
• Baubetrieb und Bauwirtschaft – BIM-Regelwerke, Kostenermittlung, Bauzeitplanung
• Digitale Baueinreichung – Modellprüfung im Kontext behördlicher Anforderungen
• Gebäudetechnik – Ergänzung der IFC-Datenstrukturen im Kontext nationaler TGA-Anforderungen
• Klassifikation und Übersetzung - Übersetzung der IFC-Datenstrukturen im Kontext nationaler Anforderungen
• Material und Produkt – Entwicklung von Mechanismen zur Übertragung generischer Baustoffe und spezifischer Produkte auf Grundlage der IFC-Datenstruktur
• Infrastruktur – Mitwirkung bei der Entwicklung der IFC-Datenstrukturen im Kontext nationaler Infrastrukturprojekt-Anforderungen
• Softwarevorlagen – gemeinsame Entwicklung zueinander auf die Anforderungen von openBIM-Projekte abgestimmter Softwarekonfigurationen
• BIM im Betrieb - Entwicklung von Mechanismen zur Übertragung von IFC-basierten Digitalen Modellen in den Bauwerksbetrieb
• Ausbildung und Zertifizierung – Entwicklung einer einheitlichen, mehrstufigen, modularen BIM-Ausbildung auf Grundlage von PCert

Die working Groups sind sehr aktiv und kooperieren intensiv mit den internationalen Aktivitäten. Einige der bSAT - WorkingGroups werden durch umfassende Forschungsprojekte bedient, wodurch eine Verbindung aus Praxis und Wissenschaft hergestellt wird.

Die Workshops werden zumeist als Webinar durchgeführt und erfreuen sich in der buildingSMART Austria großer Beliebtheit. Dadurch wurde es möglich die Arbeit in den bSAT – Working Groups erheblich zu professionalisieren und die Qualität für die Zusammenarbeit auf internationaler Ebenen entsprechend sicherzustellen.

Im Rahmen dieser Aktivitäten ist es gelungen, etliche der großen öffentlichen Auftraggeber in Österreich auf einen einheitlichen Standard bei der Ausschreibung, Vergabe und Durchführung von Digitalen Bauprojekten abzustimmen. Dies umfasst die Leistungsbilder für typische Zusatzqualifikationen, die Strukturen und Inhalte von BIM-Regelwerken (AIA und BAP) sowie Spezifikationen zur Bestandserfassung- und Modellierung. Aufgrund dieser einheitlichen Vorgaben ist es für Auftragnehmer in der Planung und Ausführung deutlich einfacher Projekte zu kalkulieren und durchzuführen da Vorgaben der Auftraggeber verständlich, kalkulierbar und zueinander vergleichbar sind. Dies ist ein wesentlicher Schritt in der Einführung der Digitalisierung von Planen, Bauen und Betreiben.

Historie und Motivation

Zu Beginn der IFC4precast Initiative gab es eine Machbarkeitsstudie (2016) und umfangreiche Untersuchungen, welches Format für einen neuen Industriestandard geeignet wäre. Aus der Machbarkeitsstudie wurde der Schluss gezogen, dass IFC4 das richtige Format ist. Folgende Argumente sprechen dafür:
• Die Fertigteilindustrie fordert eine professionelle BIM-Integration aller beteiligten Software-Systeme
• Aktuelle Schnittstellen sind in ihren Möglichkeiten begrenzt;
o z.B. keine 3D-Modellbeschreibung, keine eindeutigen IDs für Objekte usw.
• Die Möglichkeit der Segmentierung in IFC 4.0 ermöglicht es, auch Fertigteile abzubilden
• Geeignete Entitäten in der IFC 4.0-Definition zum Teil bereits vorhanden
• Gute Dokumentationstools verfügbar
• Breite Unterstützung durch standardisierte Viewer
• Sehr gute Unterstützung durch BuildingSMART im nationalen und internationalen Vertrieb und Marketing
• Starke Projektgruppe mit Marktführern im Bereich CAD-, MES- und ERP-Systemen

Im Rahmen von quartalsweisen, persönlichen Treffen der Gruppe, begleitet von regelmäßigen Telefonkonferenzen, wurde in den letzten Jahren bzw. Monaten kontinuierlich und intensiv an der Definition und Konzeption des Modellaustausches gearbeitet.

Ziele

Von Anfang an gab es klare Zielvorgaben innerhalb der Gruppe, die folgenermaßen definiert wurden:
• Bildung einer universellen Basis zur Prozessoptimierung
und Informationsverteilung im Precast Bereich
• BIM Gedanken verstärkt in den Precast Bereich bringen
• CAD- und PPS-Systeme noch enger mit der Produktion koppeln
• Austausch über den internationalen Standard IFC, hebt die Precast Branche auf eine höhere, professionellere Stufe im Bereich des Datenaustauschmodells
• Eindeutige Nachvollziehbarkeit über das Gebäudemodell und den Gebäudezyklus
• IFC Mehrwerte gegenüber bestehenden Schnittstellen nützen
• BIM Collaboration Format soll auch die bidirektionale Kommunikation unter den BIM Precast-Systemen ermöglichen
• Kleine Projektkerngruppe, die eine agile Entwicklung der Schnittstelle ermöglicht
• Geringe Projektverwaltungskosten
• Keine zusätzlichen Projektleiter/Assistenten
• Vorsitz wechselt unter den Projektteilnehmern und inkludiert Protokollführung und Ausrichtung der Workshops
• Professionelle Beratung und Unterstützung im Bereich IFC durch Fa. AEC3 bzw. Institut IABI
Umsetzung
Betrachtet man die unterschiedlichen Austauschszenarien im Fertigteilumfeld, erkennt man, dass es für jedes Szenario unterschiedliche Anforderungen bezüglich des Informationsgehaltes gibt.
Insbesondere der Austausch zwischen CAD und MES (Leitsystem, Produktion) stellt die komplexeste Variante dar (siehe Abb. 1) und hat sehr hohe Anforderungen an Geometrie, Projekt- und Elementstruktur sowie die semantischen Daten. Dieses Austauschszenario (Exchange Requirement) zwischen CAD und MES, ist auch der zentrale Teil in der ersten Phase der IFC4precast Initiative.

Gemäß den Vorgaben von buildingSMART, gibt es unterschiedlichen Prozessschritte, die durchlaufen werden müssen, um am Ende einen international anerkannten Standard definieren zu können (siehe Abb. 2).

IFC4precast ist aktuell bereits im Schritt „Candidate Standard“ in der „Approval“ Phase. Am Weg dorthin gab es im Wesentlichen zwei große Meilensteine:
Erstellung des Information Delivery Manual (IDM)
Die Anforderungen zum Datenaustausch werden allgemein in den IDM-Beschreibungen zusammengefasst.
Sie beschreiben grundlegend den Umfang und die Spezifikationen der Informationen, die eine bestimmte Rolle (Anwender) zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. Arbeitsprozess in einem BIM-Projekt zur Verfügung stellen muss.
Definition der Model View Definition (MVD)
MVD steht für Model View Definition (deutsch Modellansichtsdefinition) und wird benutzt, um eine Teilmenge des IFC-Datenmodells (Klassen, Relationen, Merkmalsätze, etc.) zu definieren, die nötig ist, um bestimmte fachspezifische Austauschanforderungen (englisch Exchange Requirements) zu erfüllen. Es wurde entwickelt, um bei einem Datenaustausch zwischen BIM-Softwareanwendungen nicht das ganze Modell, sondern nur die Teilmenge auszutauschen, die in dem Prozess, in dem der Datenaustausch stattfindet, auch benötigt wird – in unserem Fall liegt der Fokus der IFC4precast MVD nur auf den Fertigteilbereich. MVDs beziehen sich immer auf eine bestimmte IFC-Version (z.B. IFC2x3 oder IFC4).
Die entsprechenden Arbeitsergebnisse wurden im Rahmen von Expert Panel Meetings international präsentiert und diskutiert. Auf Basis der Rückmeldungen aus diesen Meetings wurden die Konzepte bzw. Ergebnisse entsprechend angepasst.
Struktur
Abbildung 3 zeigt die Entitäten und Beziehungen zwischen den Objekten aus Sicht des Fertigteilanwenders. Es wird am Beispiel der Elektrodose (rechts unten) auch ersichtlich, dass alle Komponenten und Modellteilbereiche bis zum Gebäudemodell rückverfolgbar sind, identifizierbar über eindeutige ID’s.
Abbildung 4 zeigt die Hauptstruktur (als UML Diagramm) des Objektmodells, auf dem IFC4precast basiert.

Mit dieser Objektstruktur lassen sich alle bekannten Aufbauarten von Fertigteilen definieren. Das Beispiel in Abb. 5 zeigt eine Wand mit Innenisolierung – man erkennt die mögliche Aufteilung in unterschiedliche Teile (Parts), Lagen (Layern), Oberflächen und Materialien.

Konzepte für den Austausch

Zusammen mit Modell- und Austauschdefinitionen wurden Informationen zu spezifischen Konzepten zusammengefasst. Die Informationseinheiten, zwischen denen wir unterscheiden können, sind die folgenden:
1. Identification / Identifizierung
2. Geometry / Geometrie
3. Placement / Platzierung
4. Material
5. Type information / Typ Information
6. General semantic information (Properties) / Eigenschaften

In den folgenden Abschnitten werden die Konzepte ausführlich erläutert.
Identification / Identifizierung
Der Zweck dieser Definition besteht darin, dem entsprechenden Funktionsteil eine vom Menschen lesbare Identifikation zu geben, d. H. Name und Beschreibung der bestimmten Objektinstanz. Auf diese Weise kann jedes Objekt in einem Projekt durch manuelle Prüfung von einem Objekt des gleichen Typs unterschieden werden.
Geometry / Geometrie
Aufgrund spezifischer geometrischer Informationsanforderungen für die automatische Herstellung von Fertigteilen müssen verschiedene Arten von Elementen unter Berücksichtigung dieser Anforderungen geliefert werden. Beispielsweise erfordern Biegemaschinen für Bewehrungsstäbe, dass die Geometrie als eine Reihe von linearen Segmenten und Biegeradien sowie ein Durchmesser des Stabs geliefert wird. Andererseits wird ein Teil eines Fertigteils am besten mit einem Begrenzungsflächenmodell (b-rep) beschrieben, damit lassen sich Volumenberechnungen und Kollisionserkennung durchführen.
Placement / Platzierung
Die Hauptanforderung zum Platzieren verschiedener Elemente in Fertigteilstrukturen besteht darin, dass diese relativ zu ihrem übergeordneten Element sind. Dies bedeutet, dass sich eine Steckdosenplatzierung auf das übergeordnete Fertigteilelement bezieht, in das sie eingebaut ist. Infolgedessen bewegt sich die Steckdose mit ihrem Elternteil.
Material
Dabei geht es um die Zuordnung eines einzelnen Materials zu Teilen des Fertigteilmodells.
Type information / Typ Information
Für einen nahtlosen Austausch müssen Informationstypen definiert werden. Die MVD sollte eine klare Taxonomie von Elementen mit speziellen Definitionen aufweisen. Dient als Basis für Kommunikation und Eindeutigkeit.
Properties / Eigenschaften
Decken spezifische semantische Informationen bestimmter Arten ab. Austauschanforderungen für bestimmte Felder werden in jedem Austausch individuell festgelegt.
Ein klassisches Beispiel – das thermische Trennelement
Das thermische Trennelement wird normalerweise am Rand eines Elements mit aus dem Element herausragenden Bewehrungsstäben platziert (Anwendung häufig bei Balkonen).
Es handelt sich bei diesem Einbauteil um eine spezielle Art der Isolierung mit zusätzlichen Bewehrungsstäben, die integraler Bestandteil des Einbauteils sind. Das Isolierteil hat üblicherweise eine quaderförmige Form, während die Verstärkungsstäbe eine zylindrische Form haben und üblicherweise nicht gebogen sind. In bestehenden, branchenüblichen Schnittstellen war es bisher nicht möglich das genaue Modell entsprechend zu übergeben, um in der Produktion alle Details berücksichtigen zu können. Bei IFC4precast sieht der Aufbau in dem Fall folgenermaßen aus:

Das IFC Objekt „ComplexObject“ repräsentiert das thermische Trennelement, dieses wird aufgeteilt in Bewehrung und Isolierung, jedes dieser IFC Objekte beinhaltet auch eine ausführliche Beschreibung der Geometrie und der spezifischen Attribute. Damit kann das Modell ohne Verluste an die nachfolgenden Softwaresysteme übertragen werden.

Benefits

Der Mehrwert für den Anwender von IFC4precast ist vielfältig, auch gegeben durch die Veränderung der Prozesse und Arbeitsweisen. Obwohl die volle Tragweite für den Anwender noch nicht abschätzbar ist, kann man folgende Mehrwerte heute schon prognostizieren bzw. real sehen:
- Höherer Informationsgehalt und dadurch besseres Verständnis der Daten
- Modellbasierte Kommunikation und Visualisierung verhindert Missverständnisse und Fehler in Produktion
- Verlustfreie Übertragung von Informationen zwischen CAD, MES und ERP
- Visuelle Interpretation im Vergleich zum Plan
- Bessere Kollisionserkennung
- Darstellung und Analyse in 3D unter Verwendung von Viewern
- Kostenlose IFC-Viewer ohne branchenspezifische Sonderlösung
- Interdisziplinärer Datenaustausch (z.B. mit Kunden, BIM + Datenaustausch, Prüfingenieure)
- Weniger unterschiedliche Interpretationsmöglichkeiten durch Klarheit der 3D-Daten gegenüber 2D-Plänen
- Technische Verbesserung (GUID, Bewehrung in 3D, Schaler-Interpretationen, …)
- Werksunabhängige Planung der Produktion
- Flexibleres Arbeiten
- Smart Factory mittels 3D-Daten, dadurch auch mehr Möglichkeiten direkt in der Anlage
- Technologien wie VR (virtual reality) oder AR (augmented reality) erfordern 3D-Objekte
- Schalungserkennung, durch Analyse der 3D Element-Geometrie
- Erleichterte Fehlersuche

Aktueller Stand & Ausblick

In der letzten Phase bis zur finalen Standardisierung gilt es aktuell noch die Dokumentation abzuschließen und alle notwendigen Informationen IFC schemakonform zur Verfügung zu stellen. Erste Erfolgserlebnisse gab es aber bereits im Frühjahr 2019, die ersten Deckenelemente bei einem Fertigteilhersteller (aus Deutschland) auf Basis von IFC4precast wurden produziert.
Spätestens 2020 soll der Standardisierungsprozess für den Datenaustausch zwischen CAD und MES Systemen in der Fertigteilindustrie abgeschlossen sein. Ab diesen Zeitpunkt können sich Softwareunternehmen für IFC4precast zertifizieren lassen – dafür wird es ein spezielles Zertifizierungsprogramm, unter dem Dach der buildingSMART geben.

Parallel arbeitet die IFC4precast Gruppe bereits an neuen Themen, wie zum Beispiel an einem System für den herstellerübergreifenden Austausch von Artikel-Daten, Stichwort „PRADAP“.
PRADAP (Precast Article Data Access Protocol) ist ein neues Konzept, um eine Synchronisierung der Artikeldaten herstellerübergreifend zu ermöglichen, ohne die bestehenden Einbauteilkataloge aufgeben zu müssen. Es wird in PRADAP nicht eine zentrale Datenbank angestrebt, die alles andere ersetzt, sondern es wird ein leichtgewichtiges, einfach zu implementierendes Kommunikationsverfahren vorgestellt, das die bestehenden Artikelkataloge miteinander verknüpft. Für dieses Projekt arbeitet man bereits mit einigen Einbauteilherstellern zusammen.
Auch an einem weiteren Austauschszenario zwischen ERP und CAD, MES wird bereits gearbeitet, es gilt dabei auch die kaufmännischen Daten beim Austausch in Betracht zu ziehen.


Contact

www.ifc4precast.de
www.ifc4precast.com
BuildingSMART International: https://www.buildingsmart.org/
BuildingSMART Germany: https://www.buildingsmart.de/
BuildingSMART Austria: https://www.buildingsmart.co.at/


CPi worldwide sind Fachzeitschriften für die Beton- und Betonfertigteilindustrie, die in 10 verschiedenen Sprachausgaben in mehr als 170 Ländern veröffentlicht werden. Mit ihrer praxisnahen redaktionellen Berichterstattung über Forschung, Produktion und Anwendung richten sich diese Fachzeitschriften gezielt an die Entscheidungsträger der Beton- und Betonfertigteilindustrie.

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