GEOBIM - EN KOMMUNIKATIONSMODELL VID UNDERMARKSBYGGANDE Pär Hagberg

1 GEOBIM - EN KOMMUNIKATIONSMODELL VID UNDERMARKSBYGGANDE Pär Hagberg Sammanfattning Artikeln beskriver hur BIM (ByggnasInformationsModellering) kan appliceras inom geotekniken. Vi kallar detta GeoBIM. GeoBIM ska ge alla aktörer i ett anläggningsprojekt röntgensyn för att blicka ner under markytan. BIM är på stark frammarsch inom byggbranschen i hela världen. Undermarksbyggandet är inget undantag även om resan här precis har startat. Bland fördelarna med att använda GeoBIM märks speciellt: Förbättrade tolkningar och avvikelseuppskattningar. Förbättrad kommunikation mellan geotekniker men även mot övriga professionella aktörer och kanske till och med mot lekmän. Bättre förutsättningar för att ha kontroll på de enorma inhomogena datamängderna i stora infrastrukturprojekt. Förfinade beräkningsmetoder baserade på en mer fullständig markmodell i samverkan med strukturmodellen. Inom TRUST-projektet drivs utveckling av en BIM-modell för geotekniska ändamål en GeoBIM. TRUST-projektet (TRansparent Underground STructure), som finansieras av bl. a. FORMAS, Trafikverket och Sven Tyréns stiftelse, syftar med sina 75 Mkr till att skapa bättre förutsättningar för undermarksbyggandet i Sverige. GeoBIM hanteras inom delprojekt 4.1 i TRUST och syftar till att bli informations- och kommunikationsnavet i framtidens undermarksprojekt. Vision för TRUST 4.1: TRUST 4.1 ska bidra till ett hållbart samhällsbyggande och robusta undermarksanläggningar genom en effektiv informationshantering och en optimering av undersökningsbehovet. GeoBIM har redan börjat användas i en del större anläggningsprojekt som ESS i Lund och i Varbergstunneln. Skalbarheten gör att även mindre projekt lämpar sig väl för GeoBIM. Artikeln ger en introduktion till GeoBIM och förhoppningsvis inspiration till att använda metoden andra projekt.

2 Summary The article describes how BIM (Building Information Modelling) can be applied to the geotechnical field. We call this GeoBIM. GeoBIM provides all stakeholders in a construction project with "X-ray vision" to look below the surface of the ground. BIM is gaining ground in the construction industry worldwide. The underground construction is no exception although the journey here has just started. Among the advantages of using GeoBIM is particularly noticeable: Improved interpretations and risk analyses. Improved communication between geotechnical engineers but also towards other professional players and maybe even to laymen. Provide possibilities for keeping track of the enormous datasets in large infrastructure projects. Refined assessment methods based on a more complete soil model in conjunction with the structural model. The development of a BIM model for geotechnical purposes - a GeoBIM is a central part of the TRUST project. TRUST (TRansparent Underground STructure), which is funded by Formas, the Swedish Transport Administration - Trafikverket and Sven Tyréns Stiftelse among others. With its 75 million SEK it aims at creating better conditions for underground construction in Sweden. GeoBIM is handled within the subproject 4.1 of TRUST and aims at being the information and communications hub of every major underground project. Vision for TRUST 4.1: TRUST 4.1 will contribute to sustainable community development and robust underground facilities through an efficient information management and optimization of investigation needs. GeoBIM are beeing used in a number of major construction projects in Sweden. ESS in Lund and Varbergstunneln are two examples. Scalability means that even small projects are well suited for GeoBIM. The article provides an introduction to GeoBIM and hopefully sufficient basis for decisions to consider the use of the method in other projects.

3 1 INLEDNING En gemensam visuell modell förbättrar projektkommunikationen Traditionellt tolkas data från geotekniska undersökningar i två dimensioner, på planritningar, sektioner och längdsnitt där undersökningarnas resultat finns inritade på diagram eller punktform. Vidare presenteras ofta resultat från olika typer av mätningar på olika planritningar. Detta innebär att den tolkande geoteknikern själv tvingas ställa samman de olika delarna till en tänkt 3Dmodell. I ett team av geotekniker och geologer kommer det att finnas lika många tänkta 3D-modeller som det finns tolkande personer. En gemensam visuell 3D-modell underlättar kommunikationen och förbättrar sannolikt den slutliga tolkningen. I modellen har man kontroll på avvikelserna Det enda man kan vara säker på är att den tolkade modellen inte överensstämmer till 100% med verkligheten. Men hur stor är avvikelsen? Och på vilka kriterier baseras sannolikheterna? För att optimalt kunna utnyttja de undersökande resurserna krävs en metodisk och standardiserad hantering av alla osäkerheter som är inblandade innan man når det tolkade resultatet. Med en systematisk kalibrering mot verkligheten kan metoden ständigt förbättras. Modellen ska leva genom hela byggnadsverkets livslängd En tolkning utförs vid en viss tidpunkt, för ett visst syfte baserat på ett urval av mätvärden. Till denna läggs den tolkande geoteknikerns erfarenheter och kunskaper. Självklart ska informationen om alla mätningar samt de olika tolkningarna sparas för en anläggnings framtida förvaltning. Mätvärdena och modell bör också kompletteras med de verkliga förhållanden som framkommer vid själva uppförandet av anläggningen. T.ex. är detta nu aktuellt i projektet Hallandsås. 2 VAD ÄR BIM? 2.1 En metod såväl som en virtuell modell Metoden ByggnadsInformationsModellering förkortas BIM. Det digitala resultatet av metoden blir en ByggnasdInformationModell, även den förkortas BIM. BIM är alltså inget specifikt datorprogram utan en metod som innebär att man genomför byggprocessen virtuellt, på låtsas, i en digital miljö parallellt med den fysiska byggprocessen. Genom att använda BIM kan vi med den digitala tekniken ha kontroll på stora informationsmängder och återanvända informationen genom byggprocessens olika steg. I BIM betraktas

4 informationen kring byggnadsverket som lika värdefull som själva det fysiska byggnadsverket. 2.2 Definition av BIM Chuck Eastman, Ph.D, Georgia Tech College, Architecture and Computing har definierat BIM som följer: "Building information modelling (BIM) integrates all of the geometric model information, the functional requirements and capabilities, and piece behavior information into a single interrelated description of a building project over its life cycle. It also includes process information dealing with construction schedules and fabrication processes" Fritt översatt: "Byggnadsinformationsmodellering (BIM) samlar all geometrisk och funktionell information tillsammans med den detaljerade egenskapsinformationen för alla objekt som ingår i ett projekt under hela dess livscykel. Den innehåller även processinformation som beskriver hur olika delar produceras och sätts samman. " Viktiga beståndsdelar i definitionen pekar på att det är en virtuell modell av verkligheten som även innefattar hur de olika delarna hänger samman i tid och rum. BIM-processen tillför BIM-modellen information om de olika delarnas funktion och egenskaper samt hur de produceras och underhålls. BIM-processen sträcker sig över hela byggnadsverkets livslängd. För att BIM ska vara uppfyllt brukar vi ta fasta på sex kriterier: 1. Modellen ska byggas upp som Objektsorienterad, d.v.s. modellens ingående delar ska representera objekt. 2. Egenskaper ska finnas kopplade till objekten. T.ex. kan en VA-ledning ha fysisk längd, diameter och kanske en kostnad per längdmeter. 3. Relationer ska kunna finnas mellan objekten. T.ex. ska en VA-ledning kunna vara kopplad till en brunn eller ett fönster kopplat till en vägg. 4. Det ska finnas möjlighet att producera olika informationsvyer ur modellen. Exempel på vyer är en VA-karta, en VA underhållsplan eller en VA driftsbudget. 5. Modellen ska lagras i en öppen databas. Detta innebär att datamodellen ska vara beskriven så att alla aktörer fritt kan hämta och lämna information till modellen. 6. Modellen ska användas i ett livscykelperspektiv.

5 För närvarande uppnår inte branschen i något fall den fullständiga BIMmodellen. 2.3 Exempel på BIM för husbyggnad Typexemplet för en BIM-modell kan illustreras med följande skiss: Fig. 2.1 Typexempel för en BIM-modell för husbyggnad med fönster placerad i vägg. Skissen visar en grafisk vy (kriterie 4) ur modellen. Den är modellerad med objekten fönster och vägg (kriterie 1). Aktuell instans av fönstret vet att den är bunden till aktuell instans av väggen (kriterie 3). Flyttas väggen hänger fönstret med. Fönster och vägg har egenskapsdata i form av material, kostnad och för fönstret tillverkare (kriterie 2). Modellen lagras på IFC-formatet som är ett öppet dokumenterat standardformat (kriterie 5). Fönstrets ID med tillverkarkarens underhållsinstruktioner och fysisk placering finns lagrade i en förvaltningsdatabas (kriterie 6).

6 2.4 BIM ur ett geotekniskt perspektiv Hur skulle detta kunna exemplifieras ur ett undermarksperspektiv? Fig. 2.2 Exempel på en BIM-modell för tunnelprojekt med objekten borrhål samt tunnelstomme. Överlagrat syns den digitala stadsmodellen. Modellen visar GeoBIM-modellen som en grafisk vy (kriterie 4) med objekten mätningar (kriterie 1), tolkat resultat samt en tänkbar variant på hur tunneln skulle kunna byggas. Dessutom överlagras den befintliga bebyggelsen ovan mark. Mätningarna har egenskapsdata i form av mätvärden för skjuvmotstånd och vattenflöden. Den tolkade jordartsmodellen har egenskaper i form av jordmaterial (kriterie 2). Tolkningen har en relation till mätningarna (kriterie 3). Mätvärdena lagras i en öppen datamodell enligt GeoBIM (kriterie 5). 2.5 BIM förenar överjordingar och underjordingar Såväl tunnelentreprenören, husbyggaren och vägbyggaren är ytterst beroende av geoteknikernas mätningar och tolkningar av hur underjorden ser ut. Trots detta är geoteknikprocessen till stora delar åtskild från resterande projekteringsprocess. En visuell GeoBIM-modell lägger grunden till en

7 förbättrad kommunikation mellan geotekniker och övriga projektörer. Den mänskliga kommunikationen förbättras genom att man har en gemensam bild att diskutera kring. Den digitala kommunikationen förbättras genom att överjordingarnas BIM-modeller kan samverka med underjordingarnas GeoBIM. Kopplas t.ex. den tolkade markmodellen med den överbyggda strukturmodellen kan beräkningsresultatet optimeras och det blir lättare att kontrollera olika varianter för konstruktionen. 2.6 Varför BIM? BIM är utan tvekan en av de viktigaste faktorerna för att göra byggprocessen mer kostnadseffektiv. Den defensiva sidan av BIM riktar in sig på att förbättra den befintliga processen. Minska antalet fel och kapa kostnader. Ännu mer intressant är kanske den offensiva sidan av BIM som syftar till att ta fram nya lösningar och helt nya processer. BIM-processen tidigarelägger den projekterande arbetsinsatsen i projektet, d.v.s. det krävs en större initial arbetsinsats för att planera processen och iordningsställa BIM-modellen. Den traditionella projekteringsprocessen har däremot sin största arbetsinsats inför varje leverans. Det som styr hur BIM-processen läggs upp är vilka så kallade BIM-nyttor projektet avser att utvinna. Vanliga BIM-nyttor är t.ex. Modellsamordning och kollisionskontroll Modellbaserad mängdavtagning och kalkylering Modellbaserad tidsplanering Maskinstyrning BIM-modellens objektsindelning och objektens attributdata avgör vilka BIMnyttor som kan utvinnas. Det är alltså viktigt att bestämma och planera detta tidigt i ett projekt. 3 TRUST-PROJEKTET 3.1 TRUST 4.1 Forskningsprojektet TRUST (TRansparent Underground STructure, http://trust-geoinfra.se) finansieras bl.a. av Sven Tyréns stiftelse, Trafikverket och Formas. Delprojektet TRUST 4.1 innehåller GeoBIM som utgör ett informationsnav kring vilket hela projektet kretsar. Ambitionen är att skapa en underjordisk modell som hanterar de utmaningar som beskrivits ovan. Här gäller det att ta av skygglapparna, arbeta tvärfackligt för att 2016 kunna leverera en metod och modell till stöd för tolkning och kommunikation! Nu, en bit in i projektet, ser vi hur korsbefruktningen mellan BIM som tankesätt och geoteknikska metoder ger nya lösningar på väg mot delprojektets vision:

8 TRUST 4.1 ska bidra till ett hållbart samhällsbyggande och robusta undermarksanläggningar genom en effektiv informationshantering och en optimering av undersökningsbehovet. 3.2 TRUST 4.1 huvuddelar och mål Huvuddelarna i TRUST 4.1 är: Utveckling av ett verktyg för multivariatanalys av geologisk data. Konfigurering av en databas för organisering av geologisk data. Konfigurering av visualiseringsverktyg för tolkning av geologiska modeller i 2D och 3D. GeoBIM inklusive verktyget för multivariatanalys ska: Bidra till ett effektivare informationsutbyte i hela samhällsbyggnadsprocessen. Ge bättre möjlighet till riskvärdering i infrastrukturprojekt. Vara användarvänligt. Vara kompatibelt med SGIs Geoteknisk Sektorsportal. Medföra ordning och reda i de geotekniska datamängderna. Vara flexibelt med avseende på komplettering med nya undersökningsmetoder. 3.3 Vad innebär TRUST 4.1? Hantering av komplex information TRUST 4.1 har fokus på hanteringen av den komplexa informationen som utgör grunden för den geologiska modellen, vilka i sin tur är en tolkning av den fysiska undergrunden. Geologisk information kan med fördel hanteras som en geografisk objektsmodell i 3D. På detta vis kan geomodellen samverka med de övriga teknikområdenas projekteringsmodeller och utgöra en gemensam BIM (byggnadsinformationsmodell). Samordning mellan teknikfack I den samordnade modellen kan man kombinera geologiska, geotekniska och hydrogeologiska undersökningsresultat tillsammans med t.ex. mark- och konstruktionsmodeller. Kommunikation och visualisering Genom att visualisera geologiska modeller tillsammans med traditionell GISinformation uppstår många möjligheter till en effektivare och mer kvalitetssäkrad exploateringsprocess. Visualiseringsverktygen konfigureras för att användas för tolkning av geologiska modeller och för kommunikationsändamål, både för ingenjörerna i ett infrastrukturprojekt men också för kommunikation med allmänheten.

9 Multivariatanalys Till modellen utvecklas och kopplas också ett verktyg baserat på multivariantanalys. Detta verktyg möjliggör förbättrade riskanalyser samt bättre beslutsprocesser när man ska ta ställning till behovet av ytterligare geotekniska undersökningar. Multivariatanalysverktyget innehållande bl.a. validering och kvalitetssäkring av all data. 4 GEOBIM GENOM HELA PROCESSEN Nedan beskrivs schematiskt den process där undermarksinformation hanteras: Fig. 4.1 Processen för hantering av undermarksinformation. Parallellt med de olika processtegen löper stödprocesser i form av rationell informationshantering och en ändamålsenlig visualisering. 4.1 Insamling av data Det finns hundratals olika metoder för att samla in data i fält. Nya metoder tillkommer och den insamlade informationen kan ha lite olika format beroende på vilka maskiner och programvaror som används. Internationellt kan dataformaten se olika ut för likartade metoder. 4.2 Bearbetning av data Vid bearbetning översätts de uppmätta storheterna till de önskvärda geotekniska parametrar som är relevanta för tolkning och beräkning. T.ex. antalet varv till skjuvmotstånd, resistivitet till vatteninnehåll eller en borrkärna till jord- eller bergart. Detta sker i de diskreta punkter där värdena uppmätts. Målet med datamodellen för bearbetad data är att kunna samla data från alla metoder i en homogen struktur. 4.3 Modellering Vid modelleringen tolkas mätvärdena i de diskreta punkterna till en fullständig geometrisk jordarts- eller bergmodell. Man använder geoteknisk och geologisk kunskap för att fylla i luckorna mellan de diskkreta punkter där förhållandena är kända. I detta steg är man som mest beroende av kunskapen hos duktiga geotekniker och geologer. Här finns en av de största fördelarna med GeoBIM, tolkningen kan baseras på en visuell modell som kan innehålla all insamlad data och tolkningsteamet kan interagera med varandra via den gemensamma modellen.

10 4.4 Användning av data Den tolkade modellen har många användningsområden. Den utgör förutsättningarna för hur det slutliga byggnadsverket ska utformas. I de flesta projekt bestäms utformningen utifrån funktionella krav och sedan anpassas konstruktionen till de geotekniska förhållandena. I vissa fall optimeras utformningen med de geotekniska förhållandena som en av förutsättningarna från början. Detta förfarande underlättas av en GeoBIMmodell. Modellen är naturligtvis central för konstruktionsberäkningar samt för produktionsplaneringen. Masshanteringen bygger på en korrekt tolkad markmodell. Avvikelsser i markmodellen mot verkligheten är den största risken när det gäller att kalkylera kostnader i större anläggningsprojekt. 4.5 Arkivering och förvaltning Den bearbetade informationen såväl som de olika tolkningarna bör arkiveras för att kunna återanvändas i förvaltningen av anläggningen. I bästa fall kan de tolkade modellerna kompletteras med relationsdata, d.v.s. den sanning som uppdagas vid själva byggandet av anläggningen. 4.6 Inventering av befintlig data I en framtid blir det förhoppningsvis vanligare att projekt arkiverar även geoteknisk information som relationsdata. Detta kommer att sluta processen till en cirkel. Innan man genomför fältmätningar inventeras tidigare genomförda mätningar och tolkade modeller för att med dessa som grund planera och genomföra eventuella nya insatser.

11 5 INFORMATIONSHANTERING 5.1 Datamodellen för bearbetad data En homogen datamodell är förutsättning för en effektiv tolkningsprocess. Fig. 5.1 Informationsutbyte utan en homogen datamodell för bearbetad data. Förfarandet medför n*m bearbetningar för n st mätmetoder och m st tolkningar eller visualiseringar. Fig. 5.2 Informationsutbyte med en homogen datamodell för bearbetad data. Förfarandet medför n+m bearbetningar för n st mätmetoder och m st tolkningar eller visualiseringar. Förutom att den homogena datamodellen minskar antalet gränssnitt ger den även en struktur att hålla reda på de osäkerheter som ligger till grund för multivariatanalysen som ska förbättra riskuppskattningen.

12 5.2 Verktyg för gränssnitt Inom TRUST tar vi till datamodellen fram gränssnitt för att föra in och ta ut data. Gränssnitten kan beskrivas som digitala bryggor, alltså små dataprogram, som automatiskt sköter överföringen. Huvudverktyget för att bygga gränssnitten är programvaran FME från Safe Software. FME är det dominerande verktyget för bearbetning av GIS-data. Med en öppen datamodell och en grundbeskrivning av hur FME kan användas hoppas vi att många fler aktörer även utanför TRUST kan tillverka egna gränssnitt för sina tillämpningar. 5.3 Verktyg för tolkning Ett av verktygen för att tolka de bearbetade värdena till en modell är Micromine från företaget med samma namn. Viktiga kriterier för ett tolkningsverktyg är ett tydligt visuellt gränssnitt men också stor flexibilitet att bygga 3D-modeller. Man vill kunna välja vika delar i modellen som ska genereras med automatik men sedan även kunna påverka dessa manuellt. Man vill helt enkelt ha möjligheten att lägga in sina erfarenheter i modellen. Modelleringsverktyget ska kunna visualisera mätvärdena såväl som det modellerade (interpolerade) resultatet. Verktyget måste också ha en exportmöjlighet för att ta den tolkade modellen till nästa steg i processen. Ett vanligt format som de flesta projekteringsprogram (CAD-program) kan ta emot är DXF. 5.4 Verktyg för projektering För anläggningsprojektering dominerar programvaror från Bentley (Microstation) och Autodesk (Civil 3D). Bägge dessa programvaror har möjliget att hantera markmodeller och utföra t.ex. massberäkningar. Inom husprojektering hanterar man sällan markmodellen i de dominerande modelleringsverktygen från Autodesk (Revit) eller Tekla. Beräkningsprogram för statiska beräkningar som t.ex. FEM-design från Strusoft har till viss del integrerat markmodellen med strukturmodellen. 6 VISUALISERING AV INFORMATIONEN 6.1 Interaktiviteten är viktig Visualiseringen löper parallellt med hela processen. Mätvärden, tolkning såväl som det projekterade byggnadsverket ska kunna visualiseras tillsammans. Det bör också vara lätt för användaren att tända och släcka olika objekt i modellen för att själv kunna avgöra vilken information som ska visas. Utöver att tända och släcka objekt finns ingen ambition att manipulera data genom visualiseringsgränssnittet. Eftersom visualiseringen visar en kompakt

13 modell under mark är transparens en annan viktig parameter för att kunna ge röntgensyn. Via de visuella objekten bör man enkelt kunna komma åt attributdata i olika former. Man ska kunna peka på ett objekt i modellen och få fram underliggande information. 6.2 Dataspelen visar vägen Varken de vanliga projekteringsverktygen eller tolkningsverktygen uppfyller visualiseringskraven på ett bra sätt. Dessutom är de svåranvända för en generalist. Programvarulicenserna är relativt dyra, speciellt om programvaran endast ska användas för visualisering. På Tyréns tittar vi istället på möjligheten att använda spelmotorer som grund för visualisering av GeoBIM-modellen. Spelmotorer används som grund av alla tillverkare av dataspel. Alla de tusentals dataspel som finns i handeln är utvecklade på en handfull spelmotorer. Spelmotorerna är utvecklade för att kunna hantera stora datamängder med snabb grafik, de har öppna programmeringsgränssnitt för att lätt kunna integreras och interaktiviteten är välutvecklad och intuitiv. I spelmotorerna finns färdiga lösningar för modellpublicering och interaktion on-line och stöd för den senaste hårdvaran i form av 3D-kärmar och VR-hjälmar. Fig. 6.1 Mätningar, anläggning och bergmodell visualiserade i TyrEngine som bygger på en vanlig spelmotor. 7 GEOBIM I AKTUELLA PROJEKT 7.1 ESS European Spallation Source Norr om Lund projekteras och byggs världens modernaste neutronkälla. Det är en forskningsanläggning som kommer att användas inom bl.a. materialforskning. Det är ett sameuropeiskt projekt som finansieras av ett

14 flertal stater. Konstruktionen består av en 600 m lång accelerator som accelererar en protonstråle mot ett mål varvid neutroner slungas ut och beskjuter själva materialproven. Tekniken ställer extrema krav på minimala sättningar och därför har geotekniken fått extra stor betydelse. En GeoBIM-modell har upprättats för att lättare kunna kommunicera olika överväganden och konsekvenser ur ett geotekniskt perspektiv. Modellen används även som input till projekteringsmodellerna för markprojektering. 7.2 Varbergstunneln Projektet syftar till att gräva ner järnvägen som idag passerer Varberg. Till skillnad från ESS-projektet har Varbergstunneln stor påverkan på befintlig bebyggelse. Projektet sträcker sig också över ett större område vilket medför större datamängder. Förutom underlag till projekteringen finns här ett behov av att ha kontroll på hur projektet påverkar befintlig bebyggelse och dokumentation av förhållanden vid olika tidpunkter. GeoBIM gör det möjligt att ha kontroll på stora datamängder och även lägga på en tidsparameter för att dokumentera mätvärden över tid. 8 VISION, VAR STÅR BRANSCHEN OM 5 ÅR? I framtiden hoppas vi att markmodellen ingår som en självklar del i BIM. Vi har programvaror som obehindrat läser neutrala standardformat för geoteknisk data såväl som projekteringsdata. Det finns allmänt accepterade leveransspecifikationer för vad olika processteg ska producera för data. De nya juridiska dokumenten och avtalen som tagits fram gemensamt av branschen stöder BIM-processen och reglerar ansvaret i modellerna. Eftersom den nya tekniken medför ett effektivare byggande kommer det att finnas nya affärsmodeller som låter alla aktörer ta del av den genererade vinsten. Fler generalister och tekniköverbryggare kommer att agera i processen tillsammans med specialister. Tydligare modeller gör att kommunikationen flyter obehindrat i tid och rum. Visionen är alltså inte enbart teknisk utan innebär även ett förändrat beteende, ny juridik samt nya affärsmodeller.