Thema: Erstellung einer 4D-Visualisierungskomponente für die Bauablaufplanung

und Evaluierung am Beispiel eines Bürogebäudes

Bearbeiter: Jan Hurlin

Aufgabenstellung: Bei der Planung von Bauvorhaben wird es immer wichtiger,

die zeitabhängigen Aspekte eines Bauablaufs adäquat zu berücksichtigen. Ne- den klassischen 2D-Plänen und den inzwischen ebenfalls etablierten 3D-Bauwerksmodellen muss als vierte Dimension auch die Zeit berücksichtigt wer-

Im Rahmen dieser Bachelor-Arbeit soll aus gegebenen zweidimensionalen Pla- eines Bauprojekts ein dreidimensionales Bauwerksmodell erstellt

werden. Verwendet werden soll dafür die Modellierungs-Software Google Sketch-Up. Als Bauprojekt wird die Peri Baubetriebsübung 2009 verwendet. Neben dem

reinen Bauwerkskörper sollen dabei auch die benötigten Baustellen-Ressourcen

(Krane, Schalungen, Lagerplätze) modelliert werden. Um den Bauablauf darzustel- muss jedes Objekt des 3D-Modells zusätzlich mit Zeitinformationen versehen

werden (d.h. von wann bis wann ein Objekt sichtbar sein soll). Da Google Sketch-Up von Hause aus keine Zeitangaben unterstützt, müssen zusätzliche Werkzeuge

in SketchUp programmiert werden. Verwendet werden soll dazu die in SketchUp

integrierte Programmiersprache Ruby. Es sind Funktionen vorzusehen, um einem

Objekt einen Darstellungszeitraum zuweisen zu können und um über einen Schie- den aktuellen Bauzustand darzustellen.

Anforderungen:

5. AVI-Datei der Bauablauf-Animation erstellen

Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  

  Titelseite  I

  Aufgabenstellung  II

  Inhaltsverzeichnis  III

  Abbildungsverzeichnis  V

Tabellenverzeichnis VI   

  Abkürzungsverzeichnis  VII

1.  Einleitung  1

2.  Theoretische Grundlagen  3

2.1.  Begriff Projekt und Aufgaben der Baubetriebsplanung  3

2.2.  Bauablauf- und Terminplanung  5

2.2.1.  Ablaufplanung eines Projekts  5

2.2.2.  Vorgänge und Meilensteine  6

2.2.3.  Abhängigkeitsbeziehungen  7

2.2.4.  Gantt-Diagramm  8

2.3.  Baustelleneinrichtung  9

2.4.  3D-Modellierungssoftware, 4D-Software und Rendering  10

2.5.  Google SketchUp  14

2.5.1.  Einsatzgebiete  14

2.5.2.  Funktionsumfang  15

2.5.3.  Erweiterbarkeit  18

2.6.  Programmiersprache Ruby  19

2.6.1.  Einführung  19

2.6.2.  Sprachgrundlagen  20

2.6.3.  Die SketchUp Ruby API  24

2.7.  HTML und die Programmiersprache JavaScript  26

2.7.1.  HTML  26

2.7.2.  JavaScript  28

2.7.3.  JSON  29

2.8.  CSV-Dateiformat  30

2.9.  Programmablaufplan  30

III

Inhaltsverzeichnis

3.  Die virtuelle Baustelle  32

3.1.  Einführung  32

3.2.  Dimensionierung des Erdbaubetriebs  32

3.3.  Rohbau Zeitkomponenten  35

3.4.  Berechnen der Ausbauzeitkomponenten  36

3.5.  Umsetzung in das 3D-Modell  39

4.  Implementierung  47

4.1.  Einführung  47

4.2.  Werkzeug zur Eingabe von Zeitkomponenten  48

4.3.  Import einer CSV-Datei  51

4.4.  Export einer CSV-Datei  52

4.5.  Animationsschieberegler  53

4.5.1.  Einführung  53

4.5.2.  Öffnen des Animationssteuerungsfensters  54

4.5.3.  Verwendung des Animationsschiebereglers  59

4.6.  Video erstellen  61

5.  Evaluierung  64

6.  Zusammenfassung und Ausblick  68

  Literaturverzeichnis  IX

Anhang XV   

A.  Quelltext der 4D-Komponente (Ruby-Datei)  XXV

B.  Quelltext der 4D-Komponente (Html-Datei) XXXVIII  

C.  Quelltext der 4D-Komponente (JavaScript-Datei) XLIV  

IV

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildungsverzeichnis  

2.1.  Abhängigkeitsbeziehungen Proporowitz (2008): S.166  7

2.2.  Ablauf einer Bauleistung Proporowitz (2008): S.188  9

2.3.  Stufen der Visualisierungspipeline Schumann und Müller (1999)  13

2.4.  Bsp. Google Earth Fernmeldeturm Google (2011b)  14

2.5.  Google 3D Galerie Google (2011a)  15

2.6.  Benutzeroberfläche SketchUp Ridder (2010): S.67  16

2.7.  Google SketchUp Ruby API, verwendete Klassen  24

2.8.  Hierarchie der Elemente einer Webseite Powers (2007): S.220  28

2.9.  Programmablauf  31

3.1.  Strukturplan Rohbau  35

3.2.  Strukturplan Ausbau  36

3.3.  Grundrissplan und senkrecht dazu der Schnittplan  39

3.4.  Unterkünfte für die Mitarbeiter  41

3.5.  Bewehrung und Abfallcontainer  42

3.6.  Bewehrung und Abfallcontainer  43

3.7.  Großgeräte und Ausbauarbeiten  46

4.1.  Symbolleiste der 4D-Visualisierungskomponente  47

4.2.  Zeitkomponenten eingeben  49

4.3.  Zeitkomponenten eingeben (Programmablaufplan)  50

4.4.  Import einer CSV-Datei (Programmablaufplan)  51

4.5.  Export einer CSV-Datei (Programmablaufplan)  53

4.6.  Das Animationssteuerungsfenster  55

4.7.  Gekürzter DO-MBaum der HTML-Datei  56

4.8.  Animationssteuerungsfenster öffnen (Programmablaufplan)  58

4.9.  4D-Visualisierungskomponente Animation starten (Programmab-  

  laufplan)  60

4.10.  Video erstellen (Programmablaufplan)  63

5.1.  Sehr vereinfachte Darstellung von Kran, Gerüst, Gebäude  66

5.2.  Komplexeres Modell  67

V

  Tabellenverzeichnis  

  Tabellenverzeichnis  

2.1.  Überblick über die meist verbreiteten Terminplanungsprogramme  

  Tulke (2010): S.29  6

2.2.  Überblick über 3D- bzw. 4D-Software und Rendersoftware Wittwer  

  (2009): S.14  12

2.3.  Beispiel einer durch Trennzeichen separierten Tabelle  30

3.1.  Gruppen der virtuellen Baustelle  42

3.2.  Stahlmatten  43

3.3.  Schalelemente  44

3.4.  weitere Gruppen der virtuelle Baustelle  45

4.1.  Beispiel-CSV-Datei, an MS Project angepasst  52

5.1.  Betrachtungszeitpunkte  64

VI

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

2D . . . . . . . . . . zweidimensional

3D . . . . . . . . . . dreidimensional

4D . . . . . . . . . . vierdimensional

API . . . . . . . . . Application Programming Interface

BE . . . . . . . . . . Baustelleneinrichtung

CAD . . . . . . . . Computer-Aided Design

CSV . . . . . . . . Comma-Seperated Values

DOM . . . . . . . . Document Object Model

HTML . . . . . . . Hypertext Markup Language

LV . . . . . . . . . . Leistungsverzeichnis

PSP . . . . . . . . Projektstrukturplan

SU . . . . . . . . . . SketchUp

TDK . . . . . . . . Turmdrehkran

VII

1. Einleitung

1. Einleitung

Bauprojekte sollen effektiv und effizient durchgeführt werden. Effektivität bezeichnet das Verhältnis vom erreichten Ziel zum definierten Ziel. Sie ist ein Maß für Wirksamkeit und Qualität der Zielerreichung und zwar unabhängig vom Aufwand. Effizienz ist ein Maß für die Wirtschaftlichkeit und betrifft die Nutzen-Kosten-Relation.

Gute Planungsunterlagen schaffen die Voraussetzungen für effektives und effizientes Arbeiten auf Baustellen. Sie erleichtern es, die richtigen Dinge zu tun, d. h. sich auf die Vorgänge konzentrieren, die Priorität haben. Denn die falschen Dinge effizient zu tun ist Verschwendung. In vielen Fällen der Bauwirtschaft entspricht Effizienz der Wirtschaftlichkeit, also dem Verhältnis von Input zu Output, Leistung zu Kosten bzw. erzieltem Ergebnis zu eingesetzten Mitteln. Ziel des Planungsprozesses ist die Optimierung des Bauplanes, um die richtigen Dinge auch richtig tun zu können [Drucker (1971)].

Ziel der Baufortschrittsplanung ist es, vor Projektbeginn den komplexen Bauablauf gedanklich so intensiv zu durchdringen, dass nicht durchführbare oder unwirtschaftliche Soll-Vorgaben frühzeitig erkannt und vermieden werden. Qualitativ hochwertige Bauwerke sollen effektiv und effizient hergestellt werden. Deshalb müssen Bauprozesse für jedes Projekt individuell aufgrund der Variationsvielfalt von Detaillösungen neu betrachtet und durchdacht werden. Das betrifft insbesondere die Erstellung von Terminplänen. Hier kann die 4D-Visualisierung hilfreich eingesetzt werden, um die Koordination und Information zu allen Daten und Abhängigkeiten der einzelnen Arbeitsvorgänge stimmig und transparent zu gestalten und zu überprüfen.

Herkömmliche CAD-Software ermöglicht meist keine 4D-Visualisierung. Das ist für die Bewältigung der Komplexität von Ausführungsprozessen von Nachteil.

1

1. Einleitung

Ausführungsterminpläne können mehrere tausend Vorgänge umfassen. In den Terminplänen wird dokumentiert, wie das jeweilige Projekt durchzuführen ist. Informationen, warum ein erarbeiteter Ablauf genau so auszuführen ist, werden in der Regel nicht erfasst. Die Terminpläne selbst entziehen sich dabei weitestgehend einer methodisch abgesicherten Überprüfung. Zeitfenster für Vorgänge werden vielfach absolut gesetzt und nicht durch Abhängigkeitsbeziehungen relativ gehalten. Ein mit Vorgängen über Relationen verknüpfter Terminplan lässt sich visualisieren [Franz (2007): Hunt und Enge, S.33].

Daher soll die Modellierungssoftware Google SketchUp um 4D-Werkzeuge erweitert werden. Diese beinhalten Zeitzuweisungswerkzeuge, einen Animationsschieberegler und einen Videogenerator. Das 4D-Modell soll in der Lage sein, den Ablauf einer Bauausführung in Raum und Zeit zweckmäßig und anschaulich darzustellen.

Ziel der Arbeit ist es die 3D-Modellierungssoftware SketchUp durch einen Programmzusatz dahingehend zu erweitern, dass es möglich ist, ein 3D-Gebäudemodell mit Zeitangaben zu versehen. Die Einsatztauglichkeit dieser 4D-Modellierungssoftware wird anhand eines Beispiel-Bauwerks überprüft.

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2. Theoretische Grundlagen

2. Theoretische Grundlagen

2.1. Begriff Projekt und Aufgaben der Baubetriebsplanung

Ein Bauvorhaben ist ein Projekt. Um ein Projekt allgemein zu beschreiben, liefert Schwarze dazu folgendende Definition: „Ein Projekt ist ein zeitlich, räumlich und sachlich begrenztes komplexes Arbeitsvorhaben, bei dem durch den Einsatz von Verbrauchsgütern (Material, Energie usw.) Nutzungsgütern (z.B. Maschinen), und Arbeitskräften eine bestimmte Zielsetzung zu erreichen ist“ [Schwarze (2010): S.13].

Merkmale eines Projekts sind:

2. Theoretische Grundlagen

Es ergibt sich durch die Einzigartigkeit ein besonders hoher organisatorischer Aufwand zur effektiven Bearbeitung und Planung eines Projektes. Die Baubetriebsplanung beinhaltet planende und analytische Arbeiten, die vor und während der Bautätigkeit notwendig sind, um die Bauprozesse vorzubereiten und zu unterstützen. Sie hat das Ziel, die Einflussgrößen Termin, Qualität und Kosten einzuhalten.

„Zu den einzelnen Aufgaben der Baubetriebsplanung gehören u. a.:

• Analyse und Dokumentation des Vertrags im Vorfeld,

Damit eine Ablaufplanung ausdrucksstark erstellt werden kann, muss das Gesamtprojekt zunächst in Teilprojekte bzw. Teilaufgaben untergliedert werden. Anhand dieser Untergliederungspunkte kann eine Projektstrukturierung vorgenommen werden. Im Zuge der Projektstrukturierung wird ein Projektstrukturplan (PSP) erstellt. Der PSP dient dazu, die Komplexität des Gesamtprojekts zu überblicken und Planungsoptimierungen vorzunehmen [Berner u. a. (2008): S.45].

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2. Theoretische Grundlagen

2.2. Bauablauf- und Terminplanung

2.2.1. Ablaufplanung eines Projekts

Die Ablaufplanung organisiert Vorgangsdauern so, dass der Baufortschritt gesichert ist. Mit Hilfe der Ablaufplanung werden Vorgangsreihenfolgen festgelegt. Durch Zuordnen von konkreten Ablaufzeitkomponenten zu den jeweiligen Vorgängen kann der Planer einen Terminplan erstellen. Die Planung von Terminen wird auch als Terminmanagement bezeichnet [Kochendörfer u. a. (2010)]. Dabei wird die terminliche Planung aus der Sicht des Auftraggebers vorgegeben und der Auftragnehmer plant alle nötigen Abläufe in einem „gesteckten“ Zeitrahmen. Um den Rahmen festzulegen, gibt der Auftraggeber dem Auftragnehmer sogenannte Meilensteine vor. Es werden Meilensteinpläne, Rahmenterminpläne und Generalterminpläne von Seiten des Auftraggebers erstellt. Mit dem Rahmenterminplans werden Ausschreibungen an potentielle Auftragnehmer herausgegeben. Der Auftragnehmer hat damit die Möglichkeit, einen Grobterminplan für die geplante Baumaßnahme zu erstellen. Diesen sendet er dem Bauherrn zurück. Auf Grundlage des Grobterminplans erstellt der Bauherr einen Generalterminplan und vergibt den Auftrag an den Bauunternehmer. Nach Vertragsabschluss ist die erste Planungsebene abgeschlossen.

Die Bauausführung wird mit Steuerungsterminplänen geplant. Der Bauunternehmer bezeichnet die Steuerungsterminpläne als Koordinationspläne. Durch das Erstellen dieser Pläne ist die zweite Planungsebene abgeschlossen. In der dritten Planungsebene werden Detailterminpläne erstellt. Diese stellen einen getrennten Ablauf für Bauausführung und Bauplanung dar. Bei größeren Bauvorhaben kann in Ausbau, Technikmontage und Rohbau unterteilt werden. Falls eine weitere Untergliederung der Vorgänge nötig wird, kann der Ausbau z.B. in Fassadenarbeiten etc. eingeteilt werden [Berner u. a. (2008)].

Bei komplexeren Bauvorhaben ergibt sich schnell eine große Anzahl an Vorgängen, welches einen hohen Planungsaufwand mit sich bringt. Die Herangehensweise zu Erstellung eines Terminplans erfolgt entweder über die heuristische oder die mathematisch-analytische Methode. Wenn ein Balkenplan anhand einer Vorgangsliste mit Zeitkomponenten von Hand gezeichnet wird, wird dies heuristische Methode genannt. Ein Balkenplan wird aus Start- und Enddaten einzelner Bauvorgänge erstellt. Ein Balkenplan wird auch als Gantt-Diagramm bezeichnet, dies

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2. Theoretische Grundlagen

ist eine Darstellungsform. Die heuristische Methode kann Ungenauigkeiten enthalten und stellt deshalb keine eindeutige Lösung dar. Mit mathematisch-analytischen Verfahren der Netzplantechnik werden eindeutige Lösungen erreicht. Eine Abhilfe durch Computer erleichtert das Planen bei einer Vielzahl von Vorgängen beachtlich. CAD-Programme und MS Excel sind bei der Erstellung nur Hilfslösungen [Kochendörfer u. a. (2010)], da sie u.a. keine umfangreichen Kalenderfunktionen haben. Dazu gibt es spezielle Terminplanungssoftware, siehe Tabelle 2.1

Tabelle 2.1.: Überblick über die meist verbreiteten Terminplanungsprogramme [Tulke (2010): S.29]

2.2.2. Vorgänge und Meilensteine

Für das Erstellen eines Terminplanes sind die Begriffe: Vorgang, Ereignis und Vorgangsdauer wichtige Grundlagen. Die bei einem Vorgang benötigten Anfangs- und Endzeitpunkte sind Ereignisse (engl. events). Ein Ereignis ist ein Ablaufelement. Es verursacht keinen eigenen Zeitverbrauch, sondern ist ein Zustand [DIN69000 (2009): S.6]. Ist dieser Zustand von besonderer Bedeutung für den Baufortschritt des Bauprojekts, so wird er als Meilenstein bezeichnet. Ein Meilenstein ist z. B. der Baubeginn und andere Vertragstermine. Vorgänge beinhaltet z.B. Planungszeiträume, Ein- und Ausschalfristen, etc. "‘Ein Vorgang ist definiert als ein zielgerichtetes und Zeit erforderndes Geschehen mit definiertem Anfang und Ende" [Proporowitz (2008): S.162]. Je nach Sinn und Zweck der Vorgänge werden diese für den Terminplan ausgewählt. Der Detailgrad ist maßgeblich von dem Verwendungszweck des Terminplans abhängig. Wird ein Rahmenterminplan gewünscht, wird in Quartal oder Monat eingeteilt. Bei einem Grobterminplan wird die Zeiteinheit Woche und bei dem Detailterminplan die Zeiteinheit Tag üblicherweise verwendet. Die Vorgangsdauer ist von der Art der Tätigkeit des Vorgangs abhängig. Sie wird bei z. B. Schalungsarbeiten in [m =h], bei Betonierarbeiten in [m ^! =h] oder Bewehrungsar-

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2. Theoretische Grundlagen

werden soll, darf nicht einfach auf die Positionen eines Leistungsverzeichnisses zurückgegriffen werden. Die Leistungsverzeichnisse (LV) sind für die Preisermittlung erstellt worden und enthalten keine Ablaufstruktur für Vorgänge. Deshalb muss das Arbeitsverzeichnis für die Grundlage des Terminplans verwendet und zu einer Vorgangsliste mit Vorgangsdauern und Reihenfolgebeziehnungen erstellt werden [Proporowitz (2008)].

2.2.3. Abhängigkeitsbeziehungen

Damit Beziehungen von Vorgängen in der Vorgangsliste eingebracht werden können, muss vorher klargestellt werden, welche Anordnungsbeziehung (AOB) zwischen zwei Vorgängen vorliegt. Dabei wird unterschieden zwischen Bauarbeiten, die sofort aufeinander folgen, die komplett oder teilweise parallel durchgeführt oder nach einer gewissen Wartezeit durchgeführt werden können. Die AOB werden auch als Reihenfolgebeziehungen oder Abhängigkeitsbeziehungen bezeichnet. Diese Abhängigkeitsbeziehungen sind in Abb. 2.1 dargestellt.

Werden mehrere Vorgänge durch Linien, die Anordnungsbeziehungen darstellen, zu einem Netz verbunden, ergibt sich ein Vorgangsknotennetz. Um einen Netzplan in Form eines Vorgangsknotennetzes zu erhalten, müssen die Vorgänge aus dem Projektstrukturplan zu Teilnetzen und in einem weiteren Schritt zu einem Gesamtnetzplan unter Berücksichtigung der AOB verknüpft werden. Der Netzplan ist

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2. Theoretische Grundlagen

eine sehr genau Darstellungsform. Er ist aber meistens für „Außenstehende“ unverständlich [Proporowitz (2008): S.165].

2.2.4. Gantt-Diagramm

Eine anschaulichere Darstellungsform von Terminen und Abläufen ist der Balkenplan. Anhand der Vorgangsliste kann auch ein Balkenplan erstellt werden. Der Balkenplan wird auch als Gantt-Diagramm bezeichnet. Ein Gantt-Diagramm ist eine weitverbreitete Darstellungsform von Terminplänen. Diese Darstellungsform bietet eine einfache Lesbarkeit, ist leicht verständlich und ist eine zeitproportionale Darstellung. Jeder Vorgang wird durch einen Balken visualisiert, dabei entspricht die Länge des Balkens der Vorgangsdauer. Vorgänge können durch Verknüpfungspfeile in Abhängigkeit gesetzt werden.

In einem Balkenplan können auch Zusatzinformationen zu Ressourcen (Personal, Geräte) dargestellt werden. Ein Ganttdiagramm eignet sich für die Terminüberwachung. Wenn eine Arbeit fertig gestellt ist wird diese schraffiert oder farbig dargestellt. Zum Ablesen des Leistungsfortschritts einer Arbeit, wird eine senkrechte Statuslinie zum Stichtag auf der Zeitachse gezogen. Alle Vorgänge, die bis zum Stichtag noch keine farbigen oder schraffierten Balken haben, sind in Terminverzug. Liegen Vorgangsbalken rechts von der Statuslinie, so sind diese dem „Soll“ voraus [Proporowitz (2008): S.165].

Außerdem ist der Balkenplan ein Instrument des Baustellencontrollings. In der Bauausführungsphase ist frühzeitiges Feststellen von Abweichungen vom Bausoll von großem Interesse der Planenden, da der Normalfall einer Bauleistung gegenüber dem Idealfall stark durch Störungen beeinflusst wird, wie in Abb. 2.2 zu sehen.

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2. Theoretische Grundlagen

2.3. Baustelleneinrichtung

Die technische Ausrüstung, die nötigen Transport-, Lager- und Produktionsstätten bilden zusammen die Baustelleneinrichtung (BE) [Schach und Otto (2008): S.1]. In der Arbeitsvorbereitung eines Bauprojekts muss die Baustelleneinrichtung mitberücksichtigt sein. Die BE wird in ihrer zeitlichen und räumlichen Positionierung bestimmt, organisiert und geplant. Die Baustelleneinrichtungsplanung wird maßgeblich durch baustellenspezifische und allgemeine Einflussfaktoren beeinflusst, welche berücksichtigt werden müssen.

Unter den allgemeinen Einflussfaktoren werden gesetzliche Auflagen, technische Details, organisatorische Gesichtspunkte, Einschränkungen durch Technik der Baumaschinen, Arbeitssicherheit sowie Kosten- und Wettereinfluss verstanden. Die baustellenspezifischen Gesichtspunkte umfassen den vorgegebenen Zeitrahmen durch den Bauherrn, Minimierung der Baukosten, betriebsbedingte und gebäudespezifische Gesichtspunkte und geologische Faktoren, sowie den Gebäudestandort.

Aus den allgemeinen und baustellenspezifischen Einflüssen ergeben sich Zusammenhänge der Baustelleneinrichtungsplanung. Schacht und Otto (2008) gliedern

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2. Theoretische Grundlagen

die zu berücksichtigenden Elemente einer Baustelleneinrichtung in sechs Obergruppen:

• Baugrubensicherung und Grundwasserhaltung

• Große Baumaschinen für Erdbau, Rohbau etc.

Die Obergruppe Großgeräte lässt sich nach Abmessung und Leistung differenziert untergliedern in Turmdrehkrane (TDK), Fahrzeugkrane, Autobetonpumpen, Bagger und Radlader, Spezialtiefbaugeräte, Aufbereitungs- und Mischanlagen sowie Teleskopstapler. Der Einsatz von Großgeräten ist immer unter wirtschalftlichen Aspekten zu betrachten, da diese Maschinen teuer sind und ein Stillstand durch falsche Einsatzplanung oder falsche Dimensionierung wirtschaftliche Verluste verursacht. Mit Einsatzplanung ist der richtige Standort und mit Dimensionierung der Modelltyp, die Ausführung und Größe (abhängig von technischen Leistungsmerkmalen) gemeint.

Wenn ein falscher Standort bzw. ein falscher Einsatz von Großgeräten stattfindet, besteht für die am Bau beteiligten Mitarbeiter ggf. das Risiko, verletzt zu werden. [Schach und Otto (2008): S.4-8]. Um die Projekte und ihre Baustelleneinrichtung zu planen, werden Pläne angefertigt, um die Palung festzuhalten und Details abzulesen.

2.4. 3D-Modellierungssoftware, 4D-Software und Rendering

Um Pläne für Gebäude und deren Baustelleneinrichtung zu erstellen, bietet sich CAD an. Mit CAD (Computer-Aided Design) ist die elektronische Erstellung von Konstruktionsplänen gemeint. CAD ist in der Regel ein zeichenorientiertes Vorgehen für zweidimensionale Linien und nicht für dreidimensionale Objekte [Tul-

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2. Theoretische Grundlagen

ke (2010): S.218]. Als der Computer in den Planungsbüros benutzt wurde, ist damit auch das computerunterstützte Konstruieren (CAD) eingeführt worden. Zu physikalischen FEM-Berechnungen ist es Baufirmen durch CAD möglich, planerische Tätigkeiten schneller durchzuführen. Mit CAD kann sauber konstruiert werden und schneller Planungsänderungen eingearbeitet werden als auf dem Papier. Somit können Baufirmen schnell Planungsalternativen für ein Projekt erstellen [Tulke (2010): S.1]. CAD-Software wird nicht nur im Bauwesen, sondern auch in vielen anderen technischen Bereichen, wie z. B. im Maschinenbau eingesetzt. Ein Anbieter ist Autodesk. Mit Autodesk AutoCAD ist es dem Benutzer möglich, DFX- und DWG-Pläne zu erstellen. DFX und DWG ist das Dateiformat, indem CAD-Pläne gespeichert werden. Darauf aufbauend gibt es auch AutoCAD 3D, welches vom Flächen- zum Volumenmodell übergeht und dem Anwender die Möglichkeit bietet, zusätzlich zu der Geometrie material- und körperspezifische Eigenschaften (wie Gewicht, Wichte, etc.) einzugeben und einzuplanen. Wenn ein Unternehmen eine gewisse Größe erreicht hat, ist es notwendig, die Planung und Darstellung durch CAD-Systeme zu unterstützen. Bei einer Einzelvergabe von Gewerken ist im Vorfeld zu prüfen, welche Baustelleneinrichtung zu einem optimalen Ablauf führt. Der Großunternehmer hingegen kann die Baustelleneinrichtung anders planen, da ihm mehr Mittel zur Verfügung stehen. Ein räumliches Modell eines Bauwerks zu verschiedenen Zeitpunkten (Bauablaufsimulation) gibt Auskunft über eine sinnvolle Platzierung, Produktionsabläufe und Logistikmengen [Kochendörfer u. a. (2010): S.261]. Um einen Überblick über 3D- bzw. 4D-Programme, sowie Renderprogramme und deren Funktionsschwerpunkt zu geben, siehe Tabelle 2.2:

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2. Theoretische Grundlagen

Tabelle 2.2.: Überblick über 3D- bzw. 4D-Software und Rendersoftware [Wittwer (2009): S.14]

Die Firma Autodesk hat neben 3ds Max und Maya noch andere kommerzielle Produkte auf dem Markt, wie Autodesk Revit Structure zum 3D-Modellieren und Autodesk Naviswork zum Visualisieren. Eine wissenschaftlich-technische Visualisierung ist eine Veranschaulichung von Zusammenhängen einer gegebenen Datenmenge, in visueller Form, um eine effektive Auswertung sicherzustellen [Schumann und Müller (1999)]. Mit Hilfe der Visualisierung wird versucht, dem Betrachter einen deutlicheren Einblick und die Fähigkeit zu vermitteln, die Dinge besser zu erfassen, zu begreifen und zu beurteilen. Dieser Vorgang wird als Visualisierungsprozess be-

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2. Theoretische Grundlagen

zeichnet. Er hat zum Ziel, abstrakte Daten in Form von Bildern zu verdeutlichen. Es kann sich bei den Daten aber auch um Daten geometrischer Natur handeln, bei denen es vorteilhaft ist, sie zu visualisieren. Die Erstellung dieser Bilder wird in mehreren Schritten durchgeführt, welche in der Visualisierungspipeline enthalten sind. Diese ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die Datenaufbereitung (Filtering) ermöglicht eine Daten-zu-Daten-Abbildung, die anhand der erhobenen Daten (Rohdaten) geschieht. Um diese Rohdaten zusammenzustellen, müssen Operationen zur Vervollständigung oder Reduzierung einer Datenmenge erfolgen. Fehlende Daten müssen unter Umständen hinzugefügt werden. Bei zu großer Komplexität hingegen müssen unnötige Daten entfernt werden. Wenn die aufbereiteten Daten nach dem Filtern, d. h. nach Ausführen der oben genannten Operationen zur Verfügung stehen, kann der nachfolgende Schritt der Visualisierungspipeline, das Mapping, beginnen. Wenn nicht-geometrische Daten vorliegen, werden diese in geometrische Daten umgewandelt, d. h. es wird eine Daten-zu-Geometrie-Abbildung erstellt. Dabei werden nicht nur Datenwerte auf geometrische Primitive (z.B. ein Pixel der Bildschirmoberfläche) sondern auch deren zugehörigen Attribute (z.B. Farbe) übertragen. Die letzte Maßnahme vor dem Erhalt des Bildes ist die Bildgenerierung (Rendering), bei der die Geometriedaten in Bilddaten abgebildet werden. Die daraus gewonnenen Bilddaten können in verschiedener Darstellungsform auftreten, wie realitätsnahe Bilder, abstrahierende Bilder, „mentale Bilder“ oder Animationen. Bei Animationen werden Bilder kontinuierlich über die Zeit verändert. Caetano bezeichnet das Erstellen von einem 3D-Modell, das Inszenieren, das Beleuchten und das Rendern als 3D-Architektur-Visualisierung [Caetano (2008)].

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2. Theoretische Grundlagen

2.5. Google SketchUp

2.5.1. Einsatzgebiete

SketchUp ist ein kostenloses, von Google entwickeltes Programm, in dem 3D-Modelle erstellen werden können. Die Idee, die hinter Google SketchUp (SU) steckt, ist einfach und dadurch schnell in 3D zu modellieren, damit die Welt, die uns umgibt, in ihrer Vielfalt der Dinge virtuell nachmodelliert werden kann [Chopra (2010)]. Natürlich können auch fiktive Dinge erstellt werden. Der Phantasie sind an dieser Stelle keine Grenzen gesetzt. 3D-Gebäudemodelle können mit den bestehenden Satellitenbildern aus Google Earth in SU importiert werden und dort als Texturen verwendet werden, wenn keine anderen Texturen zum Gestalten vorhanden sind. Als aktuellste Möglichkeit bietet Google Street View sogar die Möglichkeit, bestehende Gebäude von der seitlichen Straßenansicht zu betrachten. Um die nachmodellierten 3D-Modelle von Gebäuden zusammenzutragen, bietet Google Earth die Möglichkeit, 3D-Gebäudemodelle auf Google Server hochzuladen (durch Exportieren aus SU). Sie können an den mit GPS-Koordinaten versehenen Standorten in der virtuellen Welt platziert werden. Damit werden sie für jeden sichtbar, der in Google Earth nachschauen will. Ein Beispiel zur Ansichtsmöglichkeit in Google Earth ist in Abbildung 2.4. zu sehen. Dort sind der Fernmeldeturm und Gebäude in Dortmund nachmodelliert worden. Google Earth speichert die

3D-Modelle aus Google SketchUp, nur dass in diesem Programm nicht modelliert

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2. Theoretische Grundlagen

werden kann. Eine andere Alternative, ein erstelltes Modell zu verbreiten, ist es in die 3D-Galerie (3D-Warehouse) hochzuladen. Dort befinden sich viele Gegenstände, z. B. Werkzeuge, Autos oder Pflanzen etc., welche in unterschiedlicher Form und Größe, sowie Farbausführung (styles) zu finden sind, siehe dazu Abb. 2.5. Um einen internationalen Austausch dieser Modelle zu ermöglichen, kann z. B. ein

Amerikaner die Maßeinheit auf Zoll umstellen. Die Frage kommt auf, was Google sich davon erhofft, die Programme und die Archivierung der Modelle kostenlos anzubieten. Der Buchautor Aidan Chopra (2010) antwortet auf diese Frage, dass Google versucht, damit Informationen zu organisieren und nicht zu erstellen [Chopra (2010)]. In erster Linie ist SU ganz und gar nicht auf Photorealismus ausgelegt. SU basiert auf nonphotorealistic rendering (NPR). Unter NPR wird im Wesentlichen die Technik verstanden, die Dinge handgemalt aussehen zu lassen [Chopra (2010)].

2.5.2. Funktionsumfang

Damit in SketchUp modelliert werden kann, muss der Anwender die Benutzeroberfläche kennenlernen und sich damit vertraut machen. Der Benutzer kann anhand der Programmleiste feststellen, dass er sich in Google SketchUp befindet und wie die aktuelle Datei heißt, in der er sich befindet. In der Menüleiste findet er grundlegende Menüpunkte, wie Datei, Bearbeiten, Ansicht, Kamera, Zeichnen, Tool, Fenster, Plug-Ins und Hilfe. Die Funktionen werden dem Benutzer über die Symbolleis-

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