Eine neue Generation von Gebäudeanalyse-Algorithmen

Um das zu verstehen, muss man wissen, dass wir heute mit zwei Algorithmen arbeiten – einer, der AutoCAD-Architecture-Modelle analysiert, und einer, der auf Revit-Modelle spezialisiert ist.  Beide werden aktiv gepflegt und weiterentwickelt, wobei der Algorithmus für Revit der neuere, modernere ist, der einfach mehr kann.  Beispielsweise ist es hiermit möglich, IFC-Architekturen in Verknüpfungen zu analysieren, was in BIM-Prozessen eine vorteilhafte Trennung von Zuständigkeiten ermöglicht. Diese Möglichkeit  wünschen sich zunehmend auch unsere AutoCAD-Kunden als Ersatz für eine Umwandlung der IFC in AutoCAD-Architecture-Modelle. Da das Bessere des Guten Feind ist und es selten etwas gibt, was sich nicht noch weiter verbessern ließe, haben wir uns entschieden, einen neuen Algorithmus zu entwickeln, der die beiden Bestehenden ablösen wird und der es uns ermöglicht, alle gewünschten Szenarien abzudecken. Die Gedanken, die wir uns dazu gemacht haben, was es verändert und was es besser macht, möchten wir Ihnen in diesem Artikel näherbringen.

IFC-LINK VS. NATIVE ARCHITEKTUR-MODELLIERUNG
Sicher haben Sie in vielen Vorträgen zu open BIM und IFC schon gehört, dass IFC ein Transportformat für Gebäudemodelle ist, das verschiedenste Aufgaben übernehmen kann, nur eine eben nicht: Modelle verlustfrei von einem Autorensystem zu einem anderen zu übertragen. Das ist  vergleichbar mit einem PDF-Dokument. Das eignet sich perfekt dazu, Inhalte zu transportieren, nicht aber um ein Microsoft-Word-Dokument sauber auf LaTeX oder Adobe Illustrator zu übertragen.

Versucht man also aus einer Architektur-Applikation, wie zum Beispiel ArchiCAD, per IFC zu einem nativen Revit- oder AutoCAD-Architecture-Modell zu kommen, kann dies aufgrund der unterschiedlichen Modellierungsmöglichkeiten nur sehr eingeschränkt funktionieren. 

Wider besseren Wissens haben wir in der Vergangenheit diesen Weg gewählt, um IFC-Modelle auch unter AutoCAD analysieren zu können. Wir haben aus IFC-Wänden, Fenstern und Türen „richtige“ AutoCAD-Architecture- Wände, -Fenster und -Türen generiert. Die darstellerische Genauigkeit hat dabei stets nur zweite Priorität genossen, schließlich ging es vor allem um die Ermittlung von Gebäudelasten. Ein weiterer Grund für diese Vorgehensweise war die noch überschaubar gute Qualität der im Feld existierenden IFC-Dateien. Nach dem Import hatten die Modelle zum Teil so große Defizite, dass sie manuell korrigiert werden mussten – und das geht halt nur, wenn man über den Import ein „richtiges“, bzw. natives Modell generiert.

Aus heutiger Sicht passen diese Argumente nicht zu den Anforderungen an Agilität und Verbindlichkeit kollaborativer Planungsprozesse. Der TGA-Fachplaner kann und möchte sich nicht mit der Korrektur von fehlerhaft modellierten/exportierten Gebäuden auseinandersetzen, zumal je nach BIM-Prozess ein regelmäßiger Abgleich der Modelle gefordert wird, was zu regelmäßigen Korrekturvorgängen führen würde. Ein weiterer Knackpunkt hier ist die Verkehrung der Verantwortlichkeiten. Der TGA-Fachplaner übernimmt mit der Veränderung des Modells eine Aufgabe in einem Bereich, in dem eigentlich nur der Architekt Autorenbefugnisse haben sollte. Die Ergebnisse seiner Leistung kann er zudem auch nie wieder in den BIM-Prozess zurückgeben – sie sind also verloren. Last but not least ist die Konvertierung in native Modelle immer auch mit einem zusätzlichen Interpretationsschritt verbunden. Dabei kann durchaus die geometrische Korrektheit der Bauteile, zugunsten ihrer Editierbarkeit, verloren gehen.

All dies hat uns schon unter Revit bei der Entscheidung geholfen, verknüpfte IFC-Modelle vor den Importierten zu präferieren, da für den Anwendungsfall Gebäudeanalyse geometrische Korrektheit wichtiger ist als parametrische Editierbarkeit der Modelle. Unter AutoCAD gehen wir nun denselben Weg. Statt das Modell mit Wänden, Fenstern und Türen „nachzubauen“, erzeugen wir mittels der AutoCAD 3D-Modellierung ein exaktes Abbild des Architekturmodells. Diesen Schritt sind wir bereits mit der Version 21 zusätzlich zur bekannten Variante gegangen, allerdings noch ohne dieses „exakte Modell“ analysieren zu können. Es dient bis hierhin „nur“ als Referenz für die weitere TGA-Modellierung von Technikzentralen, Luftkanal- und Rohrleitungssystemen (s. Abb. 1).

Hier greift unsere nächste Generation der Gebäudeanalyse. Der neue Algorithmus ist unabhängig vom zugrunde liegenden Datenmodell. Er kann für alle Modelle verwendet werden, solange diese semantisch korrekte Flächen im 3-dimensionalen Raum liefern. Vereinfachend ausgedrückt muss der Algorithmus nur zwei Dinge wissen: Wo ist die Fläche und was ist die Fläche: Gehört sie zu einer Wand, einem Fenster, einem Boden oder zu einer Raumdefinition? Viel mehr braucht es nicht!

NUR NEUER ODER AUCH BESSER?
Nicht alles, was neu ist, ist auch automatisch besser. Da fällt sicher jedem das eine oder andere Beispiel ein. Wenn man ehrlich ist, lässt sich diese Frage manchmal auch gar nicht zweifelsfrei beantworten. Neues kann Vor-, aber auch Nachteile haben. Es kommt also darauf an, was überwiegt. Wir haben uns die Entscheidung, aufwändig einen neuen Algorithmus zu entwickeln, nicht leicht gemacht und versucht, schon vorher die Vor- und Nachteile auszuloten. Um Ihnen hier die Entscheidung nachvollziehbar darstellen zum können, müssen wir noch kurz den eigentlichen Unterschied herausstellen. Wenn man sich eine zentrale Problemstellung mit folgender Frage vor Augen führt: „Welche Wandaufbauten und welche Räume befindet sich hinter dieser Wandfläche?“, dann wird diese Fragestellung von den Algorithmen so angegangen:

Während unsere bisherige Analyse punktuell durch Wandflächen schaut, um zu sehen, was darin und dahinter ist, sammelt die neue Implementierung alle zur untersuchten Wand parallelen Flächen (andere Räume, Bauteilschichten, ...) und ermittelt durch Schnittbildung mit allen diesen Flächen eine Menge potenziell unterschiedlicher Aufbauten (s. Abb. 2).

Der neue Algorithmus ist damit zuverlässiger in der Analyse, da keine Flächen verfehlt werden können und kein Unterschied im Bauteilaufbau unerkannt bleibt. Allerdings ist dieses Verfahren deutlich aufwändiger und „leidet“ mehr bei vorhandenen aber möglicherweise unnötigen Details. Es benötigt also, neben einer geeigneten Datenbasis, auch intelligente Optimierungsmechanismen, um nicht durch lange Analysezeiten und kleinteilige Ergebnisse Akzeptanz einzubüßen. 

Ein weiterer Pluspunkt des neuen Verfahrens ist die Möglichkeit, direkt mit den vom Architekten vorgesehenen Raumdefinitionen zu arbeiten – unabhängig von deren Komplexität. Es ist also nicht nötig Räume zu importieren oder neu zu definieren und ggf. mit den Nachteilen bzw. Ungenauigkeiten der Raumdefinitionen im Zielsystem zu leben. Auch Ärger mit „nicht perfekt geschlossenen Wandkonturen“ und ähnlichen kleinen Unstimmigkeiten im Architekturmodell gehören hiermit der Vergangenheit an.

WELCHE ANFORDERUNGEN STELLEN WIR AN DIE GEBÄUDEMODELLE
Die Anforderungen an ein zu analysierendes Gebäudemodell sind zunächst mal immer dieselben, unabhängig davon, ob man sich im Kontext der nativen Modellierung, also „closed BIM“ bewegt, oder das Modell per Transportformat, also IFC erhält.
Bei IFC hat halt der Weg zu diesem Modell noch einen Handlungspunkt mehr: Das korrekte Einstellen der Exportoptionen in der Architektursoftware. Fangen wir mit den allgemeinen Anforderungen an ein Modell an:

• Das Modell muss definierte Räume haben. Räume sind die Ausgangsbasis jeder Analyse. Demzufolge ist es für eine Gesamtbetrachtung zwingend notwendig, dass alle Gebäudebereiche mit Räumen „gefüllt“ werden. In frühen Phasen der Planung reicht es vollkommen aus, große Bereiche bzw. Zonen als „Räume“ zu definieren. Eine kleinteiligere Betrachtung ist erst dann nötig, wenn wirkliche Raumlasten benötigt werden. 
• Im Modell müssen größere Schächte als solche gekennzeichnet werden. Nicht jeder Schlitz in der Wand oder die ausgesparte Mauerlücke für die Entwässerungsleitung muss gekennzeichnet werden, wohl aber der Aufzugsschacht oder der große Schacht für die Luftkanäle. Ein Grund dafür ist die einfachere Erkennung von „außen“: Ist hinter einer Raumfläche kein anderer Raum und kein Schacht, dann ist da wohl „außen“. Das kann bei fehlenden Schachtkennzeichnungen zu Fehleinschätzungen führen. Ein weiterer Grund ist natürlich die thermische Berücksichtigung dieser nicht konditionierten Bereiche. Das Kennzeichnen der Schächte ist eine Aufgabe, die in der Regel nicht vom Architekten vorgenommen wird. Daher bieten wir auf jeder Plattform Werkzeuge an, mit denen Sie als Fachplaner die Definitionen durchführen können. Diese Definitionen sind so gestaltet, dass sie auch nach einer Aktualisierung des Gebäudemodells noch ihre Gültigkeit behalten. Vorausgesetzt der Schacht existiert noch ungefähr an dieser Stelle.
• Eine korrekte Klassifizierung der Bauteile ist wichtig für die Verständlichkeit und Verarbeitbarkeit der Analyseergebnisse. Es ist zwar nicht nötig, dass eine Wand oder ein Fenster ­„richtige“, also native architektonische Entitäten im Zielsystem sind, es muss nur maschinell lesbar „dran stehen“, was die Bauteile darstellen. Denn für die Gebäudeanalyse ist eine Glasfläche von einer Betonfläche zunächst nur schwer unterscheidbar. Sie stellt lediglich fest, dass der „Wandaufbau“ an der Stelle des Fensters anders ist als im Rest der Wand. 
• Die grafische Detaillierung für die Analyse sollte sinnvoll gewählt sein. Modellierte Dachziegel, Fasen an Betonkanten oder die Absturzsicherung an Außenfenstern sind Beispiele für schöne Details im Gebäudemodell, die aber für die Gebäudeanalyse wenig sinnvoll sind. Innenausbauten, wie zum Beispiel Fußleisten, Schalter und Dosen dürfen auch nicht in die Analyse einfließen. Raumgrenzen sollten nicht jede Mauernische und Fliesenfuge abbilden, sondern nur so viele Einzelflächen haben, wie wirklich nötig sind. Modellierte Tür- und Fenster­griffe sowie Rahmendetails stören hingegen die Analyse nicht, da sie nicht dafür herangezogen werden.

Neben diesen allgemeine Anforderungen ist bei der Nutzung von IFC zusätzlich noch auf ein paar weitere Dinge zu achten. 
Ob Sie für den Export IFC 2x3 oder IFC 4 verwenden, spielt eine untergeordnete Rolle. Die für unseren Anwendungsfall benötigten Formatspezifikationen sind mit IFC 2x3 bereits alle abgedeckt. Wichtiger sind folgende Punkte:

• Es sollte das richtige „MVD“ (Model View Definition) verwendet werden. Im MVD wird festgelegt, was in der IFC enthalten sein soll und wie es beschrieben wird. Im Falle von IFC 2x3 ist es das „Coordination View“ und im Falle der IFC 4 das „Reference View“.
• Öffnungen (Fenster/Türen) müssen über „Openings“ in Wände verwiesen werden. 
• Die Raumgrenzen müssen enthalten sein. Dabei ist es wichtig, die „first level boundaries“ – also die simplen Raumgrenzen (sechs Flächen im simplen Rechteckraum) – zu exportieren.
• Theoretisch kann IFC4 auch „second level boundaries“ – also Raumgrenzen bereits aufgeteilt auf benachbarte Räume – transportieren. Dies wird in aller Regel von den Autorenumgebungen nur sehr unzulänglich umgesetzt, daher berechnet unser Algorithmus diese Informationen in jedem Fall eigenständig.
• Die korrekte Umsetzbarkeit der Bauteiltypen zu den zugehörigen IFC-Klassen muss gewährleistet sein. Sind beispielweise Raumgrenzen als IfcRelSpaceBoundary, Wände als IfcWall und „Löcher“ für Fenster und Türen als ­IfcOpeningElement exportiert worden?
• Folgende grafische Beschreibungstypen (Representation Type) für Bauteile und Räume werden unterstützt:        SolidModels (SweptSolid, Brep, CSG, Clipping) und ­SurfaceModel (Tesselation). Das sind die gängigen Typen, mit denen sich alles Wesentliche abbilden lässt.
• Abgestimmte Projektkoordinaten. Weniger wichtig für die erste Analyse, aber umso wichtiger für Koordinationsaufgaben im weiteren Projektverlauf. Legen sie sich auf ein Koordinatensystem fest. Also ein „Nullpunkt“ und eine Ausrichtung des Gebäudemodells. 

Bei den gängigen professionellen Architekturprogrammen ist dies alles in der Regel auf „Knopfdruck“ machbar, wenn auch vielleicht nicht beim ersten Versuch.
Eine Abstimmungsphase, in der die verschiedenen Exportoptionen probiert und verglichen werden, sollte immer eingeplant werden.

KÖNNEN GEBÄUDEMODELLE NOCH MEHR (SINNVOLLE) DATEN MITBRINGEN?
Die Gebäudegeometrie und Ihre Topologie (angrenzende Räume, Schächte) sind die wichtigsten Daten, die es aus einem architektonischen Gebäudemodell zu extrahieren gilt. Darüber hinaus kann ein Modell – gerne auch anwachsend im Planungsfortschritt – weitere Informationen tragen, die direkt in die Lastanalysen einfließen können. Unter anderem:

• Materialinformationen. Der genaue Aufbau von Wänden, Decken und Dächern kann direkt im Modell mitgeliefert werden. Im Idealfall ist der Aufbau wirklich modelliert. Das heißt, die einzelnen Bauteilschichten liegen mit Ihren konkreten Schichtstärken vor. Auf diese Weise lassen sich auch schwierige Situationen wie zum Beispiel eine Teilverklinkerung sauber erkennen.
• Geländedaten. Von der einfachen Eingabe einer Geländehöhe bis hin zu vollständig modellierten Geländetopologien wird die Information genutzt, um die Gebäudeteile zu ermitteln, die außen ans Erdreich grenzen.
• Sollzustände, also Daten, wie die mit dem Bauherren vereinbarten Solltemperaturen für Heizen und Kühlen, aber auch eine geforderte Luftkonditionierung können an den Zonen oder Räumen des Modells verankert werden. 
• Lasten, also beispielsweise Personen-, Licht- oder Maschinenlasten, können über konkrete Daten oder – je nach Plattform – Raumprofile hinterlegt werden.

Sind diese Informationen nicht im Modell hinterlegt, werden Sie in LINEAR Building mit einfachen Mitteln erfasst. Die so erfassten Daten haben auch nach Aktualisierungen des Gebäudemodells weiter Bestand und müssen nicht immer wieder neu erfasst werden.
Sie können jedoch jederzeit durch Daten aus dem Modell ergänzt, bzw. überschrieben werden, sobald dieses verlässliche Informationen liefert.

ANWENDUNGSFÄLLE HEUTE UND MORGEN
Zum Zeitpunkt des Erscheinens diese Artikels ist der neue Algorithmus noch nicht zur produktiven Nutzung freigegeben. Wir müssen ihn noch mit Modellen aus dem Planungsalltag zur Produktreife bringen. Wer von Ihnen dazu – vor allem mit Modellen aus realen Projekten – beitragen möchte, ist herzlich eingeladen, sich unter  preview@~@linear.de zu melden.

Der erste Anwendungsfall wird der IFC-Link für die AutoCAD-Anwender sein. Im nächsten Schritt werden wir auch die bekannte Analyse der AutoCAD-Architecture-Modelle auf den neuen Algorithmus umstellen. Diese Modelle bleiben noch immer die erste Wahl für Projekte, die ohne (gute) 3D-Modelle vom Architekten auskommen müssen und bei denen sich der Fachplaner schnell ein einfaches Analysemodell mit den Werkzeugen des Gebäudemanagers erstellt.

Im letzten Schritt planen wir, die neuen Ideen und Möglichkeiten mit den Besonderheiten der Revit-basierten Gebäudeanalyse zu verschmelzen, um auf allen Plattformen die höchsten Qualitätsansprüche erfüllen zu können.

Neben den offensichtlichen Vorteilen, die unser neuer Algorithmus per se schon mitbringt, erlaubt die plattformübergreifende Nutzung uns also perspektivisch, Erweiterungen und Kundenwünsche in einem Arbeitsgang für alle Anwender umzusetzen und bereitzustellen.

Javier Castell Codesal