3D wird verbindlich: Brückenkonstruktion mit Revit

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Am 15. Dezember 2015 hat Bundesminister Alexander Dobrindt (BMVI) die Einführung eines Stufenplans der Building-Information-Modeling-Methode (BIM) bis 2020 verkündet. Das virtuelle Bauwerksmodell im Zentrum eines Prozesses enthält alle relevanten Informationen sowie die 3D-Geometrie.Die Ziele für den  Infrastrukturbereich sind dabei unter anderem eine effizientere Planung und Ausführung der Bauwerke. Diese „Modernisierungsoffensive“ soll die Bauwirtschaft befähigen, Projekte besser und verlässlicher kalkulieren und ausführen zu können. Fehlplanungen und Kostensteigerungen sollen vermieden oder reduziert werden, also die gleichen Ziele wie für den Hochbau im Allgemeinen.
Brücken werden derzeit in den allermeisten Planungsbüros in Deutschland noch in 2D geplant. Entsprechend den ministerialen Vorgaben muss hier also in absehbarer Zeit umgeschwenkt werden auf 3D-Bauwerksmodelle. Wie zeitnah die Umstellung sein wird, zeigen auch die aktuellen Anforderungen der Deutschen Bahn (DB), die bereits bis 2017 entsprechende Modelle einfordert.
Im Hochbau und in großen Teilen des Tief- und Ingenieurbaus bildet Revit seit einigen Jahren schon die Plattform für digitale Gebäude-/Bauwerksmodelle. Dennoch war die Frage der Firma Grontmij vor einem Jahr logisch und berechtigt, ob sich Revit auch für die Konstruktion von Brückenbauwerken eigne. Daraus resultierte eine Machbarkeitsstudie, die die Firma Contelos erfolgreich im April 2015 abschließen konnte.  

Die Anforderungen

Brücken folgen in der Regel dem Verlauf des Verkehrswegs, wirtschaftliche Aspekte sind den Entwurfsparametern und Randbedingungen untergeordnet. Entsprechend ergeben sich geometrisch komplexe Bauwerke. Eine der wichtigsten Bedingungen, die es im Blick auf die Modellierung zu erfüllen gilt, ist die Einhaltung von Längs- und Querneigung des Überbaus sowie der Widerlager (Unterbau).
Die Trasse gibt den Verlauf der Brücke im Grundriss wieder. Der Brückenquerschnitt richtet sich orthogonal zur Trasse aus. Die Gradiente wiederum bestimmt den Höhenverlauf und die Längsneigung der Brücke. Hinzu kommt in der Regel noch eine Querneigung, diese kann ein- oder zweiseitig sein (Einseit-Neigung und Dachformneigung). Eine weitere Besonderheit von Bauwerken wie wie Brücken oder Tunneln ist die vertikale Ausrichtung des Brücken- oder Tunnelquerschnitts. Er muss parallel zur Z-Achse verlaufen.

Anforderungen Unterbau

Der Unterbau, bestehend aus den Widerlagern, Fundamenten und Pfeilern, kann ähnlich komplexe geometrische Formen aufweisen wie der Überbau. Bei den Widerlagern sind beispielsweise die Auflagerbänke und Stirnwände parallel zur Unterkante des Überbaus zu konstruieren. Zur Entwässerung der Auflagerbank kann es weiterhin erforderlich sein, diese zusätzlich in Richtung der Hinterkante des Widerlagers zu neigen. Die Ausbildung der Flügelwände hängt unmittelbar mit dem Kreuzungswinkel von Brücke und überführtem Verkehrsweg sowie dem Geländeverlauf und der auszubildenden Böschung zusammen.
Die „Richtzeichnungen für Ingenieurbauten“ (RiZ-ING) beschreiben die für die Planung, Kalkulation und Ausführung von Bauwerken und ihrer Teile geltenden Bestimmungen. Aus diesen Richtzeichnungen ergeben sich für den Konstrukteur weitere einzuhaltende Bestimmungen. Die abgebildete Brücke der Firma Grontmij, die  in der Machbarkeitsstudie ausgewählt worden war, umfasst außerdem wechselnde Querschnitte und Bauweisen des Überbaus sowie geometrisch anspruchsvolle Pfeilerformen.

Die Umsetzung

Gelöst wurden diese Anforderungen durch Contelos mit Hilfe der adaptiven Familien in Revit. Bei dem Demo-Projekt erfolgte der Einsatz von Dynamo nur zur Unterstützung bei der Konstruktion der Trasse. Die in DWG-Form vorhandene Trassierung konnte mit Dynamo schnell für die Verwendung bei der „Spline-Methode“ von Contelos verwendbar gemacht werden. Die erlaubt es, in Kombination mit adaptiven Bauteilen eine beliebige Anzahl an Querschnitten lagerichtig auf einem Pfad (Trasse) zu platzieren und zu einem Sweep/einem Volumenelement zu verschmelzen.Lagerichtig heißt, dass an jedem Stationspunkt der Querschnitt, bezogen auf die Achse, orthogonal und, bezogen auf die Z-Achse, parallel ausgerichtet ist. Zudem verfügt jeder Querschnitt über Parameter für die Gradienten Höhe und den Fahrbahnaufbau. Auf diese Weise „hängt“ der Querschnitt an der Gradiente und die Ausbildung des Längsgefälles ist umsetzbar.

Elemente der Brückenkonstruktion.


Neben der „Spline-Methode“ kann zur Modellierung auch auf die Contelos-„Lofting-Methode“ (Verschmelzen) zurückgegriffen werden. Beide Varianten wurden im Laufe der Machbarkeitsuntersuchung vom Autor entwickelt. Der Querschnitt in Feldmitte, bestehend aus einem geschweißten Stahlkasten-Hohlträger mit  veränderlichem Querschnitt, wurde ebenfalls mit der Methode erstellt. Die Geometriekanten des Trägers können im Konstruktionsprozess zum Beispiel  als Pfad für die Aussteifung dienen. Revit bietet hier bereits Bordmittel für die Konstruktion an.
Das dargestellte Geländer folgt wie die Aussteifung dem Verlauf des Überbaus beziehungsweise dem der Kappen. Aufgrund der parametrischen Grundstruktur von Revit lassen sich passende Regel-Geländer in einer Bibliothek vorhalten und im Projekt einbauen. Der dazu notwendige 3D-Pfad kann sehr einfach mit der vom Autor entwickelten  „Dynamo-Intersection-Methode“ (DIM)  erzeugt werden. Das bedeutet, dass ein im Grundriss dargestellter Pfad für ein Geländer auf die Oberfläche der Kappe projiziert wird.
Gleichermaßen verwendbar für Über- und Unterbau sind die Freiform-Werkzeuge von Revit sowie die Möglichkeit, Oberflächen parametrisch aufzuteilen und mit entsprechenden Füll-Elementen/Bauteilfamilien auszustatten. Damit wurden im Beispiel unter anderem die  Kopfbolzendübel auf der gekrümmten Oberfläche des Stahlkasten-Hohlträgers modelliert. Form, Anordnung oder Layout-Regel sind dank der Parametrik ohne weiteres jederzeit änderbar.
Neben der Modellierung ist insbesondere die Dokumentation, die Planausgabe eines der wichtigsten Themen. Mit Hilfe der Kons­truktionsmethode von Contelos können Querschnitte des gekrümmten Überbaus im Projekt wie gewohnt erstellt werden. Dabei werden die Kanten genau an der Stelle des Schnittes vermasst. Dies ist mit „normalen“ Konstruktionsmethoden (noch) nicht möglich.

Die Vorteile

Bezogen auf ein Revit-3D-Modell gelten die gleichen allgemeinen Vorteile, wie man sie bereits seit Jahren kennt:

  • Ansicht- oder Schnittableitungen in beliebiger Anzahl und assoziativ
  • unterschiedliche Darstellungen des gleiches Bauteils je nach Anforderung/Leistungsphase, zum Beispiel Schalplandarstellung, Explosionsdarstellung
  • Vermeidung redundanter Dateneingaben
  • intelligente Beschriftungen
  • Im- und Export verschiedenster Formate
  • Mengen- und Massenauswertung aus dem Modell heraus
  • Arbeiten im Team am gleichen Projekt und natürlich: A Change anywhere is a change everywhere

Hervorheben muss man außerdem die IFC-Im- und Export-Fähigkeiten von Revit, da man in der Infrastruktur zunehmend auf die intelligentere Austauschmöglichkeit via Industry Foundation Classes (IFC) setzen wird.

Übernahme von Planungsdaten mit Dynamo.


Weiterhin lassen sich dank Dynamo die Planungsgrundlagen aus verschiedenen Software-Lösungen wie Civil 3D, PROVi oder CARD übernehmen. So können Stationspunkte direkt als Referenzpunkte in Revit erstellt und die Trasse sowie die Gradienten-Kurve als Spline erzeugt werden. Wie stark Dynamo genutzt wird, lässt sich beliebig skalieren. Fertige Skripte erleichtern auch hier dem Büro den Einstieg und lassen sich individuell an die Büroanforderungen anpassen.

Ausblick

„SmartSite“ (http://smartsite-project.de/index.php/aktuelles) oder „SAFE BIM“ (http://www.aufitgebaut.de/fileadmin/media/Projektwebsites/Auf-IT-gebaut_ALT/1._Preis_BauBW_Teizer.pdf) zeigen wichtige Entwicklungen in der Wertschöpfungskette Bau, in der das digitale Abbild des realen Bauwerks zentral ist.  Mit Hilfe der ersten Machbarkeitsstudie durch Contelos konnten weitere Kunden von den Vorteilen der parametrischen 3D-Modellierung mit Revit überzeugt werden. Sie alle haben mit Hilfe angepasster Projekt- und Familien-Templates sowie Dynamo-Skripten von Contelos den Weg zur normgerechten Brückenkonstruktion in Revit beschritten.
Individuelle Workshops und Trainings sind die Basis bei der Implementierung. Als Ansprechpartner stehen Jens Lützelberger und Oliver Langwich bereit. (anm)

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