Innovative Brückenprüfungen mit BIM und GAMMA AR für ein sichereres Infrastrukturmanagement
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Problem: Herkömmliche Brückenprüfungen führen häufig zu inkonsistenten und verstreuten Daten, was die Pflege lückenloser Aufzeichnungen und die Gewährleistung der Infrastruktursicherheit erschwert.
Auswirkungen: Diese Herausforderungen betreffen die über 137.000 Brücken Brasiliens sowie Brücken weltweit, wo Dokumentationslücken zu Wartungsverzögerungen, Sicherheitsrisiken und höheren Langzeitkosten führen können.
Lösung: Forschende an der Universidade Federal de Viçosa (UFV) entwickelten einen Arbeitsablauf, der BIM mit GAMMA AR kombiniert, um die Datenerfassung in Echtzeit und eine präzise Dokumentation vor Ort zu verbessern.
Ergebnisse: Die neue Methodik optimiert Prüfungen, erhöht die Datengenauigkeit und bietet ein zentralisiertes Modell für die Brückeninstandhaltung, das Sicherheit und Effizienz weltweit steigern kann.
Brückenprüfungen sind entscheidend für die Sicherheit und Langlebigkeit der Infrastruktur.
Leider weisen herkömmliche Methoden oft Mängel bei der Datenkonsistenz auf, was das Zusammenstellen und Pflegen lückenloser Aufzeichnungen erschwert.
In Brasilien mit seinen über 137.000 Brücken verdeutlicht dieses Problem den Bedarf an neuen Methoden.
Forschende an der Universidade Federal de Viçosa (UFV) erkannten dies und entwickelten einen innovativen Arbeitsablauf, der Mixed Reality (MR) und Building Information Modeling (BIM) vereint.
Ihr Ziel war es, die Dokumentationsgenauigkeit zu verbessern und visuelle Prüfungen zu straffen, um eine umfassendere Aufzeichnung des Brückenzustands im Zeitverlauf zu schaffen.
Das Team unter Leitung von Dr. Ana Carolina Pereira Martins, mit Mitforschenden wie Isabele Rocha Castellano und weiteren, arbeitete mit der brasilianischen Nationalen Behörde für Verkehrsinfrastruktur (DNIT) zusammen, um die Methodik zu erproben.
Der Fokus lag auf dem Viadukt Coimbra I, das aufgrund seiner Nähe zur UFV ausgewählt wurde.
Ziel der Studie war es, einen datenreichen, technologiegetriebenen Ansatz zu validieren, der die Prüfdokumentation und die Nachverfolgung von Brückenschäden über den Lebenszyklus des Bauwerks hinweg verbessern könnte.
Effizientere Brückendokumentation mit BIM und Mixed Reality
Standardmäßige visuelle Prüfmethoden können zu inkonsistenten Daten in verschiedenen Medienformaten führen und erschweren so die Aufzeichnungen zur Brückeninstandhaltung.
Der Ansatz des UFV-Teams kombiniert BIM und MR, um diese Dokumentationsprobleme zu lösen.
BIM dient als dynamisches digitales Modell des Bauwerks und erfasst die Geometrie und den Zustandsverlauf der Brücke, während MR digitale Informationen über physische Strukturen legt, um die Dokumentation in Echtzeit zu unterstützen.
Dieser Arbeitsablauf ermöglicht es Prüfern, mit einer datenreichen 3D-Darstellung der Brücke zu interagieren und strukturelle Details direkt vor Ort zu erfassen.
„Derzeit stützen sich Brückenprüfungen häufig auf Formulare, Berichte und Fotos, wodurch Daten über verschiedene Formate und Medien verstreut werden, was zu Verzögerungen und Ungenauigkeiten führt“, sagte Dr. Martins. „Durch die Integration von Mixed Reality mittels GAMMA AR wollten wir den Prozess optimieren – ihn nicht nur schneller und sicherer, sondern auch präziser bei der Erfassung und Dokumentation von Schäden machen.“
Methodische Schritte und technologische Integration
Die Prüfung des Viadukts Coimbra I bestätigte die neue Methodik und baute auf früheren Forschungen mit Punktwolkenmodellierung auf.
Die anfängliche Punktwolke, die ein hochauflösendes digitales Modell liefert, wurde in einer früheren Studie erstellt und diente als Grundlage für die weitere BIM-Integration.
- Erstellung des BIM-Modells: Mithilfe von Autodesk Revit erstellte das Team ein BIM-Modell und integrierte geometrische Daten aus UAV-Befliegungen (Unmanned Aerial Vehicle). Dieses digitale Modell ermöglichte es Prüfern, Brückendetails und Schäden systematisch für eine langfristige Nachverfolgung zu dokumentieren.
- Integration mit GAMMA AR: Das BIM-Modell wurde anschließend in GAMMA AR importiert, eine Augmented-Reality-Lösung, die digitale Modelle über Tablets oder Smartphones auf physische Strukturen legt und so die Datenerfassung vor Ort erleichtert. Dr. Castellano sagte: „Nach dem Test verschiedener Werkzeuge überzeugte GAMMA AR durch seine Fähigkeit, sich nahtlos in unseren BIM-Workflow einzufügen. Die Verwendung offener Dateiformate wie IFC und BCF machte es ideal für das von uns benötigte Maß an Interoperabilität. Es war die perfekte Lösung, um unsere Forschungsziele voranzubringen.“
- Erste Prüfung vor Ort und Modellausrichtung: Während der ersten Prüfung nutzte das Team GAMMA AR, um das BIM-Modell durch das Setzen von Referenzpunkten wie Pfeiler P8 am Viadukt auszurichten. Diese Ausrichtung ermöglichte es Prüfern, strukturelle Beobachtungen – darunter feine Risse und Betonabplatzungen (Oberflächenschäden und Materialabtrag) – direkt im digitalen Modell zu dokumentieren. „GAMMA AR half uns, die große Herausforderung der Prüfung schwer zugänglicher Bereiche zu meistern, indem wir Schäden aus der Ferne und sicher visualisieren und dokumentieren konnten“, erklärte Dr. Castellano.
- Schadensanalyse und Dokumentation: Nach der ersten Datenerhebung kehrte das Team ins Büro zurück, um die Ergebnisse zu prüfen und mithilfe von Revit und dem Plugin BCF Manager in das BIM-Modell zu integrieren. Die erfassten Daten, die in parametrischen Familien organisiert sind, dienen nun als digitales Archiv für den Zustandsverlauf der Brücke. Dr. Martins merkte an: „Die flächendeckende Einführung von AR in der Infrastruktur könnte die öffentliche Sicherheit erheblich verbessern, da sie häufigere und gründlichere Prüfungen ermöglicht. Sie verringert das Risiko für die Arbeiter, beschleunigt Wartungsentscheidungen und stellt sicher, dass Schäden frühzeitig erkannt werden, bevor sie eine Gefahr für die öffentliche Sicherheit darstellen.“
- Zweite Prüfung und Datenvalidierung: Die Folgeprüfung nutzte GAMMA AR, um zuvor erfasste Schadensdaten zu bestätigen, wobei das Messwerkzeug der App verwendet wurde, um das Ausmaß kleinerer struktureller Probleme zu beurteilen und die Lage der Schäden im BIM-Modell zu verifizieren. Dieser letzte Schritt validierte die Genauigkeit der dokumentierten Daten und untermauerte den Nutzen der integrierten MR-BIM-Methodik für die künftige Wartungsplanung.
Ergebnisse und Potenzial für einen breiten Einsatz
Durch die Zentralisierung der Dokumentation in einem mit MR angereicherten BIM-Modell verbesserte der Arbeitsablauf den Datenzugriff und behob Inkonsistenzen, die bei herkömmlichen Methoden üblich sind.
Der neue Arbeitsablauf minimierte die manuelle Dateneingabe und ermöglichte einen umfangreichen Datenaustausch in Echtzeit, was sowohl Genauigkeit als auch Effizienz optimierte.
- Höhere Dokumentationsgenauigkeit: Augmented Reality ermöglichte es Prüfern, Schäden direkt auf das BIM-Modell der Brücke zu legen, was präzise und konsistente Aufzeichnungen für die spätere Nutzung lieferte.
- Besserer Datenzugriff und höhere Effizienz: Durch die Echtzeitsynchronisation mit dem Büro straffte das Team die Arbeitsabläufe, reduzierte Fehler und verbesserte den Zugriff auf aktuelle Prüfberichte.
- Verbesserte Sicherheit: Die Möglichkeit, Prüfungen mit Tablets durchzuführen, verringerte den Bedarf an physischem Zugang zu schwierigen oder hoch gelegenen Bereichen und senkte so die Risiken für Prüfer, ohne Abstriche bei der Abdeckung zu machen.
Die Zukunft von BIM und MR im Infrastrukturmanagement
Diese Studie zeigt, dass die Kombination von BIM und AR über Werkzeuge wie GAMMA AR einen vielversprechenden Ansatz für Brückenprüfungen bietet – insbesondere für die Dokumentation struktureller Schäden über den Lebenszyklus einer Brücke hinweg.
Der Erfolg dieses Projekts weist auf breitere Anwendungen in Brasilien und darüber hinaus hin, mit einer möglichen Integration in Brückenmanagementsysteme (BMS) für einen einheitlichen und zentralisierten Ansatz bei der Infrastrukturinstandhaltung.
Unterstützt von DNIT und veröffentlicht in der Fachzeitschrift Automation in Construction (DOI: 10.1016/j.autcon.2024.105775), steht das Projekt zum Viadukt Coimbra I beispielhaft für ein skalierbares Modell eines technologiegetriebenen Infrastrukturmanagements.
Fortschritte bei MR-kompatiblen Geräten wie LiDAR-fähigen Tablets könnten BIM- und MR-Methoden zu einem weltweiten Standard machen und ein sichereres, zuverlässigeres und kosteneffizienteres Infrastrukturmanagement ermöglichen.
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¹ Quelle für Bilder 1–4: Martins, A.C.P., Castellano, I.R., César Júnior, K.M.L., Franco de Carvalho, J.M., Bellon, F.G., de Oliveira, D.S., & Ribeiro, J.C.L. (2024). „BIM-based mixed reality application for bridge inspection.“ Automation in Construction, Volume 168, Part A, 105775. Elsevier.