Parametrische Modellierung mit benutzerspezifischen Daten

Viele unserer Kunden haben in den letzten Jahren die Vorteile der 3D-Modellierung erkannt und nutzen diese Modelle aktiv in der weiteren Datenverarbeitung. Bisher lag der Fokus hauptsächlich auf der Gebäudegeometrie. Mittlerweile erreichen uns immer mehr Anfragen zur Erfassung von benutzerspezifischen Daten, z. B. technische Gebäudeausstattung, abwassertechnische Anlagen, unterirdische Versorgungskanäle, etc. Die Informationen in den Modellen werden immer vielfältiger und detaillierter und erfordern von den Modellierern zunehmend Fachwissen und modellierungstechnische Kniffe und Fertigkeiten. Unser aktueller Anwenderbericht ist aus dem Bereich der Abwassertechnik. Die Weiterentwicklung der 3D-Modelle mit ihren Vor- und Nachteilen sowie verschiedene Fragen zur Modellierung werden nachfolgend an diesem Projekt erklärt, analysiert und betrachtet.

Aufgabe und Datengrundlage

Die Scandaten eines Pumpwerkes wurden zu einem komplexen und sehr detaillierten Bestandsmodell verarbeitet. Das Pumpwerk besteht aus drei Bauwerksebenen mit verschiedenen Abwassertechnischen Anlagen, Elektrotechnik, Sanitär und Belüftungs-/Klimatechnik. Das 3D-Modell soll im Nachgang für Umbauplanungen verwendet werden. Im Mittelpunkt der weiteren Betrachtungen stehen die Elemente der Abwassertechnik.

Ansicht Punktwolke (kleines Bild) und Modell (großes Bild) des PumpwerkesAnsicht Punktwolke (kleines Bild) und Modell (großes Bild) des Pumpwerkes

 

Die Scandaten wurden mit einem terrestrischen Laserscanner erfasst und registriert übergeben. Mit der Software Autodesk Revit wurden die georeferenzierten Punktwolken anschließend parametrisch modelliert.

Draufsicht PunktwolkeDraufsicht Punktwolke

 

Modelliert wurde nach dem Prinzip vom „Großen ins Kleine“. Beginnend mit den Elementen „Bau“ wurde das Pumpwerk „step by step“ verfeinert und mit Fach-Informationen gefüllt.

Elemente „Bau“, Kompletter ModellausschnittElemente „Bau“, Kompletter Modellausschnitt

 

Klassische/direkte oder parametrische Modellierung

Eine große Rolle bei der Projektabwicklung spielt die Überlegung, welche Art der Modellierung angewendet werden soll. Konnte noch vor einigen Jahren nur die reine Geometrie (Klassische und/oder direkte Modellierung) modelliert werden, ist es heute möglich, Parameter und Abhängigkeiten zu vergeben und zu definieren (Parametrische Modellierung). In der Praxis gibt es meist kein Entweder-Oder-Prinzip. Die wirtschaftlichsten Ergebnisse entstehen durch die kluge Kombination von beiden Modellierungsarten.

Klassische und/oder direkte Modellierung

Bei dieser Modellierungsart steht die reine Geometrie im Fokus. Über Kanten-, Flächen- und Volumenmodelle werden die Objekte abgebildet. Durch Veränderungen der Grundgeometrie (z. B. über Skalieren, Dehnen, Rotieren, etc.) werden die Objekte realitätsnah und ohne Abhängigkeiten zueinander erfasst. In der Praxis ist diese Art der Modellierung bei komplexen Objekten oder Störkantenmodellen sehr beliebt und findet häufig Anwendung, da sehr schnell und unkompliziert „as-built” modelliert werden kann.

Parametrische Modellierung

Bei der parametrischen Modellierung werden die Objekte zusätzlich zu den Parametern der reinen Geometrie mit Attributen (z. B. Material, Dimension, Farbe) und Abhängigkeiten untereinander definiert. Die Steuerung der Objekte erfolgt somit ausschließlich über Parameter. Fenster stehen in Beziehung zu Wänden, Geländer in Beziehung zu Treppen und Armaturen in Beziehung zu Rohren. Eine Veränderung der Hauptelemente hat eine Veränderung der Unterelemente zur Folge. Im Gegensatz zur direkten Modellierung setzt die Erstellung parametrischer Elemente gutes 3D-Modellierungswissen voraus und bedarf etwas Erfahrung und Übung. Die Generierung eines parametrischen Objektes kann anhand eines Revit-Familienelements (Flansch) sehr gut verdeutlicht werden.

Erstellung eines parametrischen Objektes in Autodesk RevitErstellung eines parametrischen Objektes in Autodesk Revit

 

Beginnend mit einer Skizze werden anschließend die geometrischen Parameter hinzugefügt (z. B. Höhe, Breite, Radius, Rotation). Durch die Vergabe von unzähligen weiteren Attributen können die so erzeugten Objekte zu einem einzigartigen Modellelement verfeinert werden (z. B. Farbe, Material, Herstellungsnummer, Einbaujahr, etc.). Bei Platzierung dieses Beispielelementes auf eine Rohrleitung werden Abhängigkeiten erstellt. Durch diese Assoziativitäten können z. B. gesamte Rohrleitungssysteme inklusive der Armaturen verschoben werden.

Modellierung von Armaturen

Eine anspruchsvolle Aufgabe war es, die verschiedenen Armaturen und Rohrleitungen „as-built” zu modellieren. Die zum Teil sehr engen Aneinanderreihungen verschiedenster Bauteile sind mit den programmseitigen Armatur-Bibliotheken von Autodesk Revit nur bedingt abbildbar. Ohne Veränderung und/oder Erweiterung der Standard-Elemente konnte fast keine Armatur mit einem vorhandenen Bibliothekselement erfasst werden.

Diese individuellen Anpassungen kosten viel Zeit. Aus diesem Grund ist es wichtig, vorab zu klären, wie relevant die 100%ige realitätsgetreue Darstellung für die weitere Datenverarbeitung ist. Sinnvolle Generalisierungsansätze sind hier sehr hilfreich und zielführend (siehe nachfolgendes Beispiel).

Punktwolke, Modell mit generalisierten Armaturen, Direkter Vergleich von Modell und PunktwolkePunktwolke, Modell mit generalisierten Armaturen, Direkter Vergleich von Modell und Punktwolke

 

Modellierung und Genauigkeit

Unsere Kunden möchten, dass ihre Anlagen realitätsgetreu im Modell abgebildet werden. Bei der Frage nach der Modellgenauigkeit erhält man in der Praxis oft die Antwort: „So genau wie möglich!“ …aber ist das wirklich immer sinnvoll?

In unserem Projekt gab es einige Beispiele, die diese Genauigkeitsansprüche von verschiedenen Seiten betrachten und widerspiegeln, dass „So genau wie möglich!“ nicht in jedem Fall die beste Entscheidung ist. Eine gute Beratung vorab verändert oft diese Aussage. Die Genauigkeitsanforderungen stehen anschließend in einem ausgewogenen Verhältnis zu Aufwand und Nutzen.

Projektbeispiel 1: Durchhängung von Rohrleitungen (parametrische Modellierung)

Besonders bei alten Bestandsanlagen und Rohrleitungen werden Durchhängungen in den Leitungssträngen festgestellt. Sollen oder müssen diese modelliert werden? Ist die Information für den Kunden wichtig? Meist zerstört man mit einer verformungsgerechten Darstellung die geschlossenen Leitungssysteme, da mit Teilstücken die Realität abgebildet werden muss.

Geschlossenes und unterbrochenes LeitungssystemGeschlossenes und unterbrochenes Leitungssystem

 

Projektbeispiel 2: Bogenstücke und Krümmungen mit kleinen Radien

Parametrisches Modellieren bedeutet immer, nach mathematischen Grundregeln und Routinen der Software zu modellieren. Kann ein Bogen mathematisch nicht erstellt werden, ist es nur mit Tricks und Kniffen möglich, diese zu platzieren. Meist wird dadurch das parametrisch durchgängige Rohrsystem unterbrochen bzw. getrennt. Oft werden in der Praxis kreative Einbaulösungen gefunden, die sich mit den softwareseitigen Werkzeugen nur bedingt darstellen lassen. Hier ist ein ausgewogener Grad an Generalisierung gefragt und erforderlich.

Unterschiedliche Modellierungsverfahren am Beispiel einer Rohrkrümmung

In Abb. 1 wurde die Rohrkrümmung klassisch modelliert (Sweep-Funktion). Die Abbildung entspricht exakt der geometrischen Realität. Diese Art der Modellierung steht aber in keiner Beziehung/Abhängigkeit zu den parametrischen anschließenden Rohrelementen. Eine spätere Änderung am Rohrsystem (z. B. Änderung der Dimension) bedarf einer Anpassung der klassischen Modellierung (Zeit!).

In Abb. 2 wurden die parametrischen Bauteile der Software Autodesk Revit verwendet und so manipuliert, dass die Abbildung nahezu der Realität entspricht. Auf Grund der mathematischen Grundregeln bei der Rohrerzeugung musste das geschlossene Leitungssystem unterbrochen werden. Verbindende Zwischenstücke wurden gelöscht und die Elemente mussten ineinander verschoben werden. Diese Darstellung sieht zwar optisch nicht besonders schön aus, ist aber mit parametrischen Elementen erzeugt. Änderungen des Rohrsystems werden von allen Elementen übernommen.

In Abb. 3 ist die gesamte Krümmung mit den Bauteilen aus Autodesk Revit modelliert. Das Rohrsystem ist geschlossen und funktioniert. Es kann so für Analysen und hydraulische Berechnungen verwendet werden. Die Abbildung entspricht aber nicht der Realität.

Welche Darstellung ist nun für den Kunden die Richtige? Alle drei haben ihre Berechtigung und sind weder richtig noch falsch. Je nach Modellverwendung werden in der Praxis die Darstellungsform und Modellierungsart variieren.

Modellierung und Informationsdichte

Mit welchen Informationen und in welchem Detaillierungsgrad benötigt der Kunde sein Modell? Werden zusätzlich zum „Bau“ und zu den „abwassertechnischen Elementen“ noch Elektrotechnik, Sanitär und Belüftungs-/Klimatechnik benötigt? All diese Informationen könnten der Punktwolke entnommen und modelliert werden – aber benötigt der Kunde diese Informationen? Häufig werden die Modelle durch nicht benötigte Daten aufgebläht und in ihrer Performance zäh und unbeweglich. Die Projektabwicklung sollte vorab immer unter den kostenrelevanten Aspekten Informationsdichte, Datengrößen und Weiterverarbeitung betrachtet werden.

Modellierung und Fachwissen

Bei der Modellierung von fachspezifischen Anlagen wird der CAD-Bearbeiter vor besondere Herausforderungen gestellt. Oft muss sich bereits vorab ein bestimmtes Grundwissen angeeignet werden, um die Modellierung annähernd fachgerecht durchführen zu können.

In der Praxis kommen verschiedene Medien zusammen (z. B. Trinkwasser, Kühlung, Heizung, Elektrotechnik, etc.). Inwieweit muss der Modellierer fachübergreifendes Wissen anwenden? Unsere Erfahrungen haben gezeigt, dass es ratsam ist, die bereitgestellten Modelle durch die entsprechenden Fachleute spezifizieren bzw. verifizieren zu lassen.

Mit der parametrischen Modellierung können die Bauteile eindeutig beschrieben und erfasst werden. Als Nichtfachmann sind diese Bestimmungen und Definitionen sehr schwierig, was am nachfolgenden Beispiel gut erkennbar ist.

Verschiedene ArmaturenVerschiedene Armaturen

 

Die Definition eines Absperrschiebers ist noch relativ einfach, aber die Zuordnung der verschiedenen Typen und Bauklassen erfordert bereits Fachwissen.

Die Autodesk Revit Bibliotheken bieten eine Vielzahl von Rohrzubehör. Absperrschieber, Ventile und viele andere Formteile gibt es in unterschiedlichster Art und Form.

Den nachfolgend angeführten Rückspülfilter gibt es z. B. in zahlreichen Variationen, immer in Abhängigkeit von Material, Funktion, Druckstufe, Dimension, Hersteller, etc. Aber die Entscheidung, welcher Typ – unter allen fachlichen Aspekten – der 100% Richtige in der Verwendung ist, ist sehr schwer. In der Praxis kann der Modellierer den Scandaten nur die Störkanten entnehmen. Freudig, ein passendes Element gefunden zu haben, stimmt nun in erster Linie die geometrische Ausdehnung, aber was ist mit den Parametern (Attributen)?Verschiedene Varianten der Armatur eines Rückspülfilters mit ParameternVerschiedene Varianten der Armatur eines Rückspülfilters mit Parametern

 

Eine Anpassung/Löschung von unsicheren Parametern wäre möglich, ist aber ebenfalls mit viel Zeitaufwand verbunden und steht meist in keinem Verhältnis zur eigentlichen Modellaussage. Ohne die Unterstützung von Fachleuten, die Kommunikation vorab und die nachfolgende fachliche Anpassung und Korrektur bei der Weiterverarbeitung könnten Fehlinterpretationen der Modelle entstehen.

Export von 3D–Modellen

Durch die Weiterentwicklung der Schnittstellen für den Export können – zusätzlich zu den Geometriedaten – auch die Attribute und Klassifizierungen übergeben werden. Die Modelle werden im Nachgang von verschiedenen Fachbereichen verwendet, geteilt und als verbindlich betrachtet. Der Endnutzer hat häufig mit dem Modellierer nie über den Datensatz gesprochen. Den Modellen werden so zum Teil Informationen entnommen, die der Modellierer gar nicht 100%ig liefern kann.

Ohne eine transparente Kommunikation und ohne die klare Definition von Modellierungsstandards könnten Informationen verloren gehen bzw. nicht richtig eingeordnet werden.

Fazit

Eine gute Beratung, Kommunikation und eine Transparenz in der Projektabwicklung sind die Bausteine für eine erfolgreiche Modellierung. Unter den Faktoren Zeit, Geld, Aufwand und Nutzen sollte das Konzept erstellt und durchgeführt werden.

Besprechen Sie mit Ihren Kunden vorab möglichst viele der vorangegangenen Punkte und sichern Sie sich damit einen reibungslosen Projektablauf.ISO-Ansicht ModellausschnittISO-Ansicht Modellausschnitt

 

Laserscanning Europe – Ihr Partner in Sachen in Modellierung

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