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GEMEINSAMES PILOTPROJEKT VON AFRY UND ESRI / 13 Feb 2020

Neue Möglichkeiten in der Umweltplanung durch BIM und GIS Interoperabilität

Im Rahmen einer Kooperation von AFRY und Esri wurden verschiedene Anwendungsfälle in der gemeinsamen BIM/GIS Bearbeitung anhand eines realen Plan-/Bauvorhabens identifiziert und umgesetzt.

Das Projekt umfasste die Objektplanung für Schallschutzwände mit Nebenanlagen an einer Bahnlinie, realisiert in einem BIM-Modell sowie die landschaftspflegerische Begleitplanung, die mit GIS umgesetzt wurde.

Neben der Anreicherung des BIM-Modells der Objektplanung durch die Integration der GIS-Umgebungsdaten wurden besonders die neuen Möglichkeiten einer BIM-Planung zur Optimierung innerhalb der Umweltplanung untersucht.

Die Welten von CAD und GIS innerhalb der Infrastrukturplanung

Das wesentliche Merkmal der Objektplanung ist das Entwerfen kleinmaßstäblicher Konstruktionen mittels eines geeigneten CAD Systems.

Die Umweltplanung umfasst eine Vielzahl von Planungsaufgaben mit dem Ziel den Zustand der Umwelt zu verbessern, zu erhalten oder wiederherzustellen. Sie reicht von der Raum-, Regional- und Stadtplanung über verschiedenste Fachplanungen bis zur Landschaftsplanung. Umweltplanung besteht u.a. in der Zusammenschau und Analyse einer Vielzahl von räumlichen Aspekten auf unterschiedlichen Maßstabsebenen. Daher ist der Einsatz von GIS in diesem Bereich sehr weit verbreitet.

Zur Kompensation und Minimierung der Auswirkungen eines Bauvorhabens auf die Umwelt, wird die Objektplanung durch den Landschaftspflegerischen Begleitplan (LBP) ergänzt. Dazu gehören neben der Erfassung und Bewertung ökologischer und sozialer Aspekte auch die Analyse des Eingriffs durch den Bau, die Anlage und den Betrieb des Vorhabens. Auf dieser Grundlage werden Maßnahmen zum Schutz, der Gestaltung und des Ausgleichs geplant.

An diesem Punkt des iterativen Planungsprozesses treffen CAD und GIS fast unausweichlich aufeinander.

Klassische Bearbeitung mit CAD und GIS

Abbildung 1 klassischer Workflow

Eine Kernaufgabe des LBP zur Erfüllung der rechtlichen Vorgaben der Eingriffsregelung und Kompensationsverordnung ist die Berechnung der Eingriffs-/Ausgleichsbilanz. Es handelt sich hierbei um eine flächenscharfe Gegenüberstellung der Eingriffe auf den Biotopbestand auf der einen und den geplanten Maßnahmen auf der anderen Seite. Die GIS basierte Berechnung erfordert auf Bestands- sowie Planungsseite das Vorliegen einer Flächengeometrie für die räumliche Verschneidung. Für die klassische (ohne BIM) CAD-Planung besteht keine Verbindlichkeit, die Konstruktionen als Objekte mit einer Flächengeometrie zu erzeugen. Dies und fehlende Standards, etwa für die Layer-Belegung, erfordert von den Umweltplaner zunächst eine manuelle Aufbereitung der Geometrie der CAD Daten sowie deren Anreicherung mit relevanten Sachinformationen.

Aktuelle Vorteile der BIM und GIS Interoperabilität für die Umweltplanung?

Abbildung 2 - BIM-Koordinationsmodell der Objektplanung (schematisch und als 3D Visualisierung)

Die BIM-Methode vernetzt die Planung auf Objektebene, dazu erarbeiten die verschiedenen Fachdisziplinen ein gemeinsames Koordinationsmodell, den virtuellen Zwilling. Das Ziel besteht darin, den gesamten Lebenszyklus des Objektes und dessen Planungsprozess von der Bedarfsplanung bis zum Rückbau abzubilden und resultierende Aufgaben (Kostenermittlung, Wartung etc.) zu bearbeiten. Dies verändert die Anforderungen an die Umsetzung der Planung im CAD grundlegend. 

Abbildung 3 - Workflow im Pilotprojekt

Es ist nicht mehr ausreichend, die Konstruktion als reine CAD-Zeichnung zu erstellen, vielmehr müssen die Bauwerke als digitale 3D-Objekt aufbereitet und mit Attributen angereichert werden.

Diese Nähe zur GIS-Philosophie eröffnet der GIS basierten Umweltplanung schon heute die Möglichkeit, die für die Bilanz erforderlichen, Eingriffsflächen automatisiert aus BIM-Daten zu erzeugen. Im Pilotprojekt wurde dies erfolgreich umgesetzt.

Abbildung 4 - ETL-Prozess zur automatisierten Ableitung der Eingriffsflächen (ArcGIS-Model)

Der ETL-Prozess zur automatisierten Aufbereitung der Planungsdaten zu Eingriffsflächen wurde vollständig mit ArcGIS (inkl. 3D und Interoperability-Erweiterung) realisiert. Die Zuweisung der Planungsobjekte zu einem Eingriffstyp (bau- oder anlagebedingt) musste dabei nur einmalig vorgenommen werden. Eine Wiederholung bei Planungsänderung war danach voll automatisch möglich. Hierin besteht der wesentliche Unterschied zur klassischen Aufbereitung. Neben der damit verbundenen Zeitersparnis liegt ein weiterer Vorteil darin, dass Missverständnisse bei Übernahme der Planung vermieden werden.

Anstelle der Verwendung von DXF und DWG Daten zum Austausch der Planung zwischen beiden Systemen, wurden jetzt exakt jene BIM-Dateien (IFC und Revit) verwendet, welche auch das Koordinationsmodell bilden. Ein gesonderter Export für die Umweltplanung und das damit verbundene Fehlerrisiko entfällt.

Die resultierenden GIS-Daten werden weiterhin als 2D-Daten erzeugt und weiterverarbeitet. Dennoch sprechen wir jetzt von 2.5D GIS, da die 3D-BIM-Grundlagen in GIS auch direkt für weitere Analysen Verwendung finden.

Im Pilotprojekt ergab sich die Anforderung, die Auswirkungen für die streng geschützte Zauneidechse durch geeignete Maßnahmen zu minimieren. Neben der Vergrämung aus dem Eingriffsbereich mussten Ersatzlebensräume geschaffen werden. Die entsprechenden Flächen müssen, neben weiteren Faktoren auch weitestgehend unverschattet sein, insbesondere in den Morgenstunden. Nur dann nimmt die Zauneidechse diese als Lebensraum an. Bei der Suche nach geeigneten Ausgleichsflächen für die Zauneidechse kam daher die Verschattungsfunktion von ArcGIS Online zum Einsatz.

Abbildung 5 - Verschattungsanalyse mit ArcGIS Online

Wie könnte die Zukunft für Umweltplanung mit BIM-GIS aussehen?

Abbildung 6 - Workflow in einem BIM-GIS Gesamtmodell

Damit BIM die Gesamtplanung wirklich komplett abbildet, muss auch die Maßnahmenplanung integriert werden. Dazu muss der BIM-Objektkatalog um diese Eigenschaft erweitert werden. Ein Teil der geplanten Maßnahmen bezieht sich direkt auf die Bauwerke (z.B. Böschungen). Ein anderer Teil sind vollständig neue Flächen (z.B. Ausgleichsmaßnahmen) sowie zusätzliche Objekte (z.B. Schutzzäune). Daraus ergibt sich die Anforderung, dass die technische Objektplanung für die Umweltplaner editierbar wird, indem diese berechtigt werden, dort die Eigenschaft [Maßnahme] zu bearbeiten. Dies betriff einen Großteil der Fachmodelle der Objektplanung (Verkehrsanlagen, Konstruktiver Ingenieurbau etc.). Zusätzlich erstellen die Umweltplaner auch eigene Objekte für das Koordinationsmodell. Damit bildet GIS als Autorensystem die Basis für umweltrelevante Fachmodelle innerhalb des BIM, die idealerweise nicht mehr Datei- sondern Cloudbasiert verwaltet werden. Erweitert man den BIM-Objektkatalog noch um die Eigenschaft [Eingriffstyp] wäre die Landschaftspflegerische Begleitplanung vollständig in einem 3D BIM-GIS-Gesamtmodell integriert und Teil des Objekt-Lebenszyklus sowie von Weiterentwicklungen Richtung 4D, 5D usw. Als mögliche zusätzliche Option für die Zukunft ist die Integration von schalltechnischen Untersuchungen zu sehen.

Gemeinsam mit Esri arbeitet AFRY an diesen Lösungen.

Abbildung 7 - BIM-GIS Koordinationsmodell von Objekt- und Umweltplanung

Kontaktinformationen

Matthias Kunz
Umweltplanung / GIS Köln