Mit BIM zur präzisen Bestandsmodellierung

Ein großer Teil der deutschen Schieneninfrastruktur ist weit über 100 Jahre alt. Selbst die letzten Instandsetzungen liegen teilweise viele Jahrzehnte zurück. Vor diesem Hintergrund ist klar: Das über 30.000 km lange Netz bedarf in zahlreichen Abschnitten und Bauwerken einer Erneuerung. Das Bauen im Bahnbestand ist jedoch regelmäßig mit erheblichen plane­rischen Herausforderungen verbunden. Eine davon besteht in der Bestandsmodellierung von Tunnelbauwerken. Der luftseitig erfassbare Informationsgehalt weicht hier sehr stark von der bergseitig verfügbaren Datenlage ab. Zwei aktuelle Tunnelbauprojekte – die Erneuerung des Schellenstein Tunnels bei Olsberg und des Gudenhagener Tunnels bei Brilon – verdeutlichen diese Problematik. In beiden Fällen ist Krebs+Kiefer von der DB InfraGO AG als Generalplaner beauftragt sowie für die BIM-Gesamtkoordination verantwortlich.

Typische Ausgangslage bei historischen Tunnelbauwerken

Beide Bauwerke stehen exemplarisch für zahlreiche Kunstbauten des deutschen Schienennetzes. Der in den Jahren 1870/71 erbaute Schellenstein Tunnel liegt auf der zweigleisigen Strecke 2550 zwischen Aachen Hauptbahnhof und Kassel Hauptbahnhof und unterquert die Anhöhe „Im Hagen“ (485,5 m NHN) auf einer Länge von 247 m. Eine Instandsetzung des Tunnels und seiner Portale erfolgte 1988/89. Der 280 m lange, einglei­sige Gudenhagener Tunnel von 1901 ist wiederum Teil der Strecke 2961 – Paderborn Hauptbahnhof – Brilon Wald. Er unterquert den Ausläufer des „Hängeberges“ (547 m NHN). Beide Tunnelbauwerke wurden in bergmännischer Bauweise hergestellt und weisen ein Hufeisenprofil auf. Der schlechte bauliche Zustand macht eine Erneuerung erforderlich. Projektstart für die Planungen war jeweils Dezember 2023.

Bestandsmodellierung: 800 Millionen Punkte vs. 25 Bohrungen

Wie bei vielen öffentlichen Infrastrukturprojekten erfolgt auch bei der Erneuerung der beiden Tunnel die Planung mit BIM. Einen zentralen Anwendungsfall gleich zu Beginn des Projekts bildet die Bestandsmodellierung. Wie für derart alte Bauwerke charakteristisch, liegen nur eine Handvoll Unterlagen aus der Bauzeit oder von kleineren Instandsetzungsmaßnahmen vor. Dabei handelt es sich, dem Alter entsprechend, um händisch erstellte Zeichnungen, die inzwischen gescannt wurden. Das vorhandene Planmaterial gibt also nur wenig Aufschluss über die tatsächliche Beschaffenheit der Bauwerke. Im Zentrum der Bestandsmodellierung steht daher die Erfassung der beiden Tunnelbauwerke mittels 3D-Vermessung sowie zusätzlicher Erkundungsmaßnahmen.

Innen- bzw. luftseitig kommt hierbei ein 3D-Laserscanner zum Einsatz, der durch den jeweiligen Tunnel gefahren wird. Die dabei erzeugte Punktwolke erfasst dementsprechend nur die sichtbare Innenseite des Bauwerks sowie die Tunnelportale und Einschnittsböschungen. Mit jeweils ca. 800 Millionen Punkten und einer Datengröße von 14 GB ist die Datenlage an dieser Stelle überaus exakt. Demgegenüber steht bergseitig eine Baugrunderkundung mit 25 Bohrungen gegenüber, aus denen fünf Erkundungsquerschnitte der Tunnelwand je fünf Erkundungsbohrungen hervorgehen – ein enormes Missverhältnis, das für die anwendungsfallorientierte Bestandsmodellierung eine große Rolle spielt.

Da sich die Erstellung von Bestandsmodellen stets am Projektziel orientieren sollte, ist es nicht zielführend, die vielen Millionen Punkte auf der Luftseite tatsächlich zu verarbeiten, während die Bergseite lediglich mit 25 Punkten abgebildet wird. Das hieraus resultierende Volumenmodell der bestehenden Tunnelinnenschale würde eine interpolierte Interpretation des bergseitigen Verlaufs der Innenschale erfordern. Der tatsächliche Verlauf der Hinterkante der Innenschale zwischen den Erkundungsquerschnitten ist hierbei jedoch unbekannt. Damit wäre in diesem Fall die augenscheinliche Genauigkeit auf der Bergseite der Innenschale lediglich vorgetäuscht.

Aus diesem Grund wählten Krebs+Kiefer für die Erstellung der Bestandsmodelle eine Vereinfachung. Dabei werden Schnitte im Bereich der Erkundungsquerschnitte aus dem 3D-Laserscan extrahiert. Diese dienen über die fünf Bereiche jeweils hälftig bis zum nachfolgenden Erkundungsquerschnitt als Datengrundlage. Daraus resultiert zwar eine Abweichung vom tatsächlichen Laserscan über den gesamten Tunnelverlauf, doch spiegelt die Datendichte so auf der Innenseite einen vergleichbaren Informationsgehalt wie auf der Bergseite wider.

Vom Laserscan zum BIM-Bestandsmodell

Um ein solches, dem Projektziel angemessenes Bestandsmodell zu erstellen, wurde im ersten Schritt die Position der Bohrungsquerschnitte entlang der Streckenachse ermittelt. An diesen Stellen übertrugen Krebs+Kiefer die entsprechenden Querschnitte aus der Punktwolke per Live-Übertragung aus „Scalypso mobile“ nach „ALLPLAN“.

Hierzu galt es im Vorfeld erst noch die enorme Größe der Vermessungsdaten zu bewältigen, weshalb die Punktwolke in komprimierter Form in „Scalypso“ geladen wurde, um dort die Übertragungsquerschnitte zu definieren. „Mit der Kombination von ‚ALLPLAN‘ und ‚Scalypso‘ ist eine Umsetzung des BIM-Anwendungsfalls 020 – Bestandsmodellierung – für komplexe Bauwerke wie Tunnel in einer wirtschaftlichen Bearbeitungsdauer sehr gut umsetzbar“, sagt Michael Sklorz, Prokurist bei Krebs+Kiefer.

Zur besseren Bearbeitung wurde die Arbeitsebene in „ALLPLAN“ auf den jeweils zu bearbeitenden Querschnitt definiert (Lage parallel zur Lage der Querschnitte). Aus der Kombination von Bohrungsquerschnitt (Tunnelwanddicke) und Punktwolkenquerschnitt (Tunnelinnenseite) ließ sich nun der eigentliche Tunnelquerschnitt erzeugen. Da die Fundamente der Tunnelinnenschale weder im Detail erkundet noch per Laserscan erfasst werden können, wurden sie mithilfe von Zeichnungen aus dem Baujahr modelliert. Um aus den erstellten 2D-Querschnitten ein 3D-Objekt zu generieren, wurden diese entlang der Tunnelachse von Erkundungsquerschnitt zu Erkundungsquerschnitt extrudiert, wobei sich immer zwei Querschnitte quasi „entgegenkommen“ und in der Mitte zwischen zwei Erkundungsquerschnitten treffen.

Die Modellierung der Tunnelportale erfolgte auf Basis der Bestandspläne und der Vermessungsdaten. Zur Qualitätssicherung wurde das erstellte Bestandsmodell noch einmal via „CloudCompare“ mit einem aus der Punktwolke erzeugten Oberflächenmodell abgeglichen. Eine Farbcodierung gibt dabei Aufschluss über eventuelle Abweichungen.

BIM-Einsatz im weiteren Projektverlauf

Auch über die Bestandsmodellierung hinaus wird BIM im weiteren Projektverlauf konsequent eingesetzt. So kommt die Software u. a. bei der Modellierung der Varianten für die Ersatzneubauten der Tunnel zum Einsatz.  Beim Anwendungsfall „Visualisierung“ profitieren die Ingenieure zudem von einer weiteren praktischen Schnittstelle in „ALLPLAN“: Durch den Twinmotion Direct Link lassen sich nicht nur die Modelle problemlos in die Visualisierungs-Software überführen – auch Änderungen in der Modellierung werden in Echtzeit in „Twinmotion“ synchron visualisiert. Neben hochauflösenden Renderings ermöglicht das Programm außerdem eine VR-Begehung der erstellten Modelle.