GeoBIM Nya metoder för riskhantering och framtagning av geomodell i 3D Mats Svensson, Tyréns AB / TRUST mats.svensson@tyrens.se Inledning / Bakgrund BIM är här nu! Även inom geotekniken. Och det är hög tid att vi sluter den digitala kedjan hela vägen från fält till förvaltning av geotekniska och geologiska data. Sedan en tid kallar vi konceptet GeoBIM. Vad det egentligen handlar om är att vi nu har system, rutiner och verktyg för att hålla ordning och reda på alla de undersökningsdata som vi samlar in i form av provtagningar och egenskapsbestämningar. Det innebär att vi nu också på ett mycket smidigare sätt än tidigare kan utnyttja dessa data för att ta fram osäkerhetsmodeller, göra 3D-visualiseringar av undermarksmiljön, göra volymberäkningar osv. Med GeoBIM har vi fått tillgång till nya verktyg och vi kan samarbeta med andra tekniska discipliner på ett enklare sätt än tidigare, och vi kan kommunicera de geotekniska och de geologiska förhållandena på ett mycket mer pedagogiskt sätt än tidigare, vilket bla är av stort värde för myndigheter som Mark- och Miljödomstolen. GeoBIM-konceptet utvecklas inom FoU-projektet TRUST (www.trust-geoinfra.se). Denna artikel beskriver innehållet i GeoBIM-konceptet och vilka möjligheter det erbjuder, samt vilka de redan identifierade och de förväntade utmaningarna är. Geotekniska data de sex stegen En geoteknisk undersökning syftar alltid till att i någon form beskriva hur de geotekniska förhållandena är under markytan, både i form av en lagermodell och i form av de olika lagrens geotekniska egenskaper. Vi kallar det oftast för att man tar fram en geomodell. De geotekniska resultaten används sedan i projekteringsprocessen på många olika sätt beräkningar, modelleringar, osv. Vägen för geotekniska data genom ett projekt kan delas upp i de olika stegen; Lagring av data, Modellering, Projektering, Visualisering och Arkivering. Status och karakteristika för de olika stegen beskrivs nedan. Datainsamling Geotekniska data samlas in genom olika typer av undersökningar i fält, oftast med en sk borrbandvagn, men också med olika geofysiska undersökningsmetoder eller undersökningar i borrhål. Prover som har tagits upp i fält kan sedan analyseras mer noggrant i geotekniskt laboratorium. I vissa fall finns det också tillgång till tidigare utförda undersökningar. Vissa av dessa data samlas in i ett och samma dataformat, men de allra flesta dataformaten är instrumentberoende och skiljer sig mer eller mindre från varandra. Lagring av data När data direkt från fält har kvalitetsgranskats ska den lagras i någon form av databas. För traditionella geotekniska data görs det normalt i ett sk Geoarkiv (Autograf/GS Presentation). Här kan dock inte andra typer av georelaterade data lagras, tex geofysiska data, kärnborrningsdata, tidsseriemätningar.
I ett stort infrastrukturprojekt där det förkommer en stor mängd olika undersökningsmetoder finns det idag ingen databas som kan hantera alla dessa olika datatyper. Modellering Data ur Geoarkivet används sedan för att i väldigt olika former tolka fram en geomodell. I sin enklaste form innebär det att ett rakt streck dras mellan nivån för tolkat berg i två undersökningspunkter, på en utskriven pappersritning. I en mer avancerad form görs det av en algoritm i en digital 3D-modell där alla undersökningsdata kan tändas och släckas och modellen kan roteras etc. Det finns idag ingen programvara som kan läsa in alla de undersökningsmetoder som idag används. Projektering När geomodellen är bestämd (detaljeringsgrad och osäkerhetsgrad varierar beroende på var i projektets tidplan man befinner sig) ska den användas som del av beslutsunderlaget för en mängd olika frågor i den vidare projekteringen var ska linjedragningen för vägen eller järnvägen göras, profilnivå, hur grundläggs bron etc. I detta skede är det till stor nytta om framtagen geomodell och även de enskilda undersökningsresultaten enkelt kan kommunicera med de sk projekteringsverktyg som används av väg- och järnvägsprojketörer (Civil 3D, Microstation, NovaPoint). Det är i denna del av uppdragsprocessen som den mest optimala placeringen av aktuell anläggning i förhållande till den aktuella geomodellen görs. Idag är det vanligaste verktyget för att ta fram geomodellerna projekteringsverktygen (se ovan), vilket inte är det optimala. Bättre och mer tidseffektiva och ämnesspecifika programvaror finns för att ta fram geomodellerna. Detta kräver dock att framtagna modeller enkelt kan exporteras till projekteringsverktygen. Visualisering Det är många olika aktörer som behöver kunna ta del av geoteknisk information. För att uppnå maximal förståelse och användning av både undersökningsdata och tolkad geomodell är visualisering av dessa i 3D ett starkt verktyg. Eftersom olika aktörer har olika behov och också olika förmåga att ta till sig den georelaterade informationen är det viktigt att informationen kommuniceras på rätt sätt beroende på respektive aktör. Olika aktörer har behov av visualisering vid olika tidpunkter, vilket innebär att god visualisering av geodata och modell är viktig under hela projekttiden, se figur 1. Figur 1 Schematisk figur över de sex olika steg inom vilka geotekniska och geologiska data används i olika form. Visualisering är särskilt viktig under hela projekttiden för att optimera förståelsen för geodata för olika aktörer.
Arkivering Innan en anläggning eller en byggnad är byggd kan den utredas och projekteras under lång tid. 20 år för en infrastrukturprocess är inte ovanligt. I dagsläget dimensioneras anläggningarna för 100-120 års livstid. Det innebär att projektet i olika form lever i 100-150 år, och under den tiden ska det med all säkerhet underhållas, byggas om, breddas osv. Mycket resurser kan då sparas om tidigare utförda undersökningar finns arkiverade på ett väl organiserat sätt. Exempel på resurser som sparas är nya seismiska undersökningar om i tidigare skede insamlade data finns tillgängliga och kan utnyttjas för omprocessering med nya programvaror, nya provtagningspunkter kan undvikas om CPT-data finns tillgängliga i annat format än pdf, o dyl. Ett sådant nationellt arkiv-system saknas idag. En viktig faktor är att hela tiden känna till osäkerheten, både på ursprungliga data och i de efterföljande tolkningarna. Ett vanligt exempel är hur väl bestämd, oftast angiven i +/- antal meter, modellen för bergöverytan är. En jämförelse mellan möjligheterna med GeoBIM-konceptet jämfört med de verktyg som används idag i de olika stegen visas i Tabell 1. Lagring Finns för ca 25 metoder av 150 möjliga. 8 metoder används i praktiken. Modellering Kan göras med data från ett fåtal metoder tillsammans. Projektering Ytor tas fram, med relativt stor insats. Eenskapsmodeller saknas helt. Idag GeoBIM Anm X X X - Skr, Vim, HfA, Jb, CPT, Tr, Kv, Vinge Visualisering Metod-resultat: Metod-resultat: x Prototyper för Modeller: x enstaka metoder. Modeller: Hyfsat Arkivering Finns för de 8 vanligaste metoderna. Används enbart av Stockholm stad i deras eget system (mkt bra). SGI har system (BGA) men det används ej alls av branschen. Tabell 1 Möjligheter med GeoBIM-konceptet jämfört med de verktyg som idag används.
GeoBIM I samtliga av de fem olika skedena som beskrivs ovan finns har GeoBIM-projektet identifierat förbättringsmöjligheter. Den mest effektiva förbättringen har konstaterats vara att skapa en databas som kan hantera ALLA georelaterade data som används för ingenjörsmässiga tillämpningar. Med alla data samlade i en och samma databas förenklas alla de övriga skedena också. I GeoBIM-projektet har en helt ny databas för geotekniska data utvecklats. GeoBIM-databasen är kärnan i hela det geotekniska GeoBIM-konceptet, se figur 2 och 3 nedan. GeoBIM-databasen lagrar data i ett format som kommunicerar med alla de programvaror som normalt används i projekteringen av ett anläggnings- eller husprojekt. Figur 2 GeoBIM-konceptet Figur 3 Schematisk bild av GeoBIM-databasen. Det viktigaste med databasen är att den kan samla ALLA de geotekniska och geologiska data som används, i en och samma databas, i ett gemensamt dataformat. Det innebär en kraftigt förbättrad möjlighet att enkelt och kvalitetssäkert samtolka olika georelaterade data för att ta fram den mest relevanta geomodellen. I praktiken väljs en aktuell datamängd ut i GeoBIM-databasen, tex 8 Jb-
sonderingar, 11 markradar-profiler, 5 resisitivitets-profiler och 49 geologiska hällkarteringar, alla koordinatsatta, för vilka en fil direkt importerbar i det valda modelleringsverktyget skapas, se figur 4. Figur 4 Gränssnitt för import och export av data till/från GeoBIM-databasen. Förbättrad kvalitetssäkring För att de data som läggs in i en databas ska vara så kvalitetssäkrade som möjligt krävs en väldefinierad importfunktion. I GeoBIM-databasen har det lösts genom specifika rutiner för varje datatyp som läggs in. I dessa rutiner kontrolleras bla att formen på data är korrekt, koordinatsystem finns angivet, en ansvarig för data finns angiven etc. Denna information är särskilt viktig för spårbarheten av data genom hela processen. Förbättrad riskanalys med osäkerhetsmodell I alla tolkningar och bestämningar av georelaterade egenskaper ligger det en osäkerhet. Oftast saknas det en modell för hur stor denna osäkerhet är. Kontraktsmässigt hanteras osäkerheterna oftast genom att reservera sk riskpengar i kalkylen. Inte sällan är riskpengarna en ansenlig del av den totala budgeten. Hos beställare finns det därför en stor önskan om att få kontroll över osäkerheterna, dvs att få fram en modell som kan beskriva hur stora osäkerheterna är. Då kan risken hanteras och en riskfördelning av projektets olika parter kan göras redan i upphandlingen. Ambitionen är att inom GeoBIM-projektets tidsramar, avslut under 2016, ta fram en rutin för att alla data som läggs in i GeoBIM-databasen ska åtföljas av någon form av osäkerhetsmått. När denna information är på plats ges det mycket stora möjligheter att göra statistiska och sannolikhetsbaserade modeller för hur bra de följande tolkningarna är. Inom projektet utvecklar doktorand Anders Prästings, Jord- och Bergmekanik på KTH, metoder för att med Baysiansk statistik beskriva osäkerheterna i de tolkade parametrarna och modellerna. Ett exempel på en typ av osäkerhetsmodell framtagen för bergets överyta på en delsträcka av Förbifart Stockholm visas i Figur 4.
Figur 5 Osäkerhetsmodell framtagen för en delsträcka av Förbifart Stockholm. (Figur: Karin W, Golder och Olle B, TRV) Exempel på användning av GeoBIM GeoBIM-konceptet har successivt utvecklats i några av de projekt där Tyréns har ansvar för geoprojekteringen, tex Varbergstunneln och ESS-projektet i Lund. Nedan anges några tydliga fördelar med georelaterad BIM i några olika skeden. Varbegrstunneln projektering I projekteringsskedet för en ny järnvägstunnel handlar det om att placera linjeföringen så optimalt som möjligt både i plan och i profil, tillsammans med optimal tunnelsektion. Vid ett projekteringsmöte lyftes frågan om hur stor bergtäckningen var, dvs avståndet mellan tunneltak och bergets överyta, längs sträckan. Tack vare den goda ordningen på all data samlad i GeoBIM-databasen och den enkla kommunikationen mellan de olika modellerings- och projekteringsverktygen kunde frågan besvaras inom tidsramen för pågående möte, se figur 6.
Figur 6 Bergtäckningen projicerad i form av sk iso-linjer, 1-4 m, för ett avsnitt av Varbergstunneln framtagen i projekteringsskedet. ESS - byggskedet I byggskedet får man svaret på hur bra de modeller som togs fram i projekteringen är. I ESS-projektet i Lund togs en modell över bergets överyta fram via ett stort antal Jb-sonderingar och kärnborrningar med S-Geobor och programvaran MicroMine. I byggskedet har ett stort antal pålar slagits. För reglering av kostnad för pållängder och för att successivt förbättra bergmodellen gjordes en jämförelse mellan pållängder och tolkad bergmodell, se figur 7. Jämförelsen kunde enkelt visualiseras och beräknas i modellerings- och projekteringsverktygen tack vare de goda kommunikationsmöjligheterna med data organiserade i GeoBIM-databasen som kärna, trots många olika aktörer inblandade. Figur 7 Exempel på jämförelse mellan bergmodell framtagen vid projektering och pålstopp i byggskedet. Implementering och kvarvarande frågeställningar Ostlänken, OLP4 GeoBIM-konceptet kommer att implementeras full ut i Ostlänken, delen OLP4, under 2016. Den förväntade utmaningen är att få alla rutiner för kvalitetssäkring på plats och att byta till ett nytt arbetssätt, att knyta den digitala kedjan från fält till förvaltning, att hitta de vardagliga rutinerna i det georelaterade hantverket. I inledningsskedet består, utöver enstaka tidigare undersökningar, inledningsvis det nya undersökningsmaterialet av geofysiska undersökningar, Jb-sonderingar och geologiska berghällskateringar, vilket är tre olika datatyper. Redan där får vi alltså en test på hur väl det går att samla dessa olika datatyper i en och samma GeoBIM-databas. Under 2016 får vi svaret. Kvarvarande frågeställningar Inom GeoBIM-projektet är visionen att den utvecklade GeoBIM-databasen ska kunna bli en nationell databas för alla geoteknikrelaterade data. En frågeställning som då måste klargöras är vem som äger och tar ansvar för de data som tillgängliggörs. Lyckas vi med det kan den kontinuerligt uppdaterade
databasen spara samhället stora resurser i form av färre antal alternativt mer optimalt placerade undersökningspunkter i kommande projekt. Den andra viktiga punkten att klargöra och beskriva kvalitén på de data som läggs in i databasen. För att data ska kunna användas för kraftfulla osäkerhetsmodeller o dyl är det av största vikt att en bra rutin för kvalitetsbedömning av inlagda data tas fram. Sammanfattning: GeoBIM-konceptet möjliggör genom GeoBIM-databasen: Gemensam lagring av ALLA georelaterade undersökningsdata som förekommer inom byggoch anläggningsprojekt Geotekniska data lagras kvalitetssäkrat och möjliggör arkivering och tillgänglighet i ett LCCperspektiv Resurssparande med ordning och reda på data uppnås optimalt undersökningsprogram och dubblerade undersökningar undviks Möjlighet till visualisering av undersökningsdata och geomodell i 3D på ett lättillgängligt och pedagogiskt sätt gör att nya och viktiga aktörer får tillgång och förståelse för undermarksförhållandena ett helt nytt KOMMUNIKATIONSVERKTYG För mer info se www.trust-geoinfra.se.