Nowadays, digitalization supports and even improves more and more areas such as educa- tion and healthcare. Actually, areas like the building industry benefit from those advantages as well. Pencil drawings have been replaced by feature-rich 3D models with the help of computer-aided design (CAD) software. Moreover, models of buildings became increasingly “smarter” by appending additional information – which is widely known as Building Infor- mation Modeling (BIM). Yet, the most-used data modeling standard – Industry Foundation Classes (IFC) – has shortcomings regarding maintainablity and extensibility. Therefore, this thesis focuses on improving these aspects with the help of role-oriented modeling. A motivating introduction will mark the beginning by familiarizing the idea of BIM, proposing the methodology and the research questions for this thesis, and elaborating on the status quo. Afterwards, a deeper understanding of IFC and its core problems will set the basis for the development of a solution to the identified deficiencies. Prior to that, the basics in role-oriented modeling will be explained. Consequently, the developed role-oriented so- lution – namely Industry Foundation Classes with Roles (IFC-R) – will be introduced, followed by a comparison of IFC and IFC-R in order to prove its effects. This will be supported by an evaluation of the comparison, which leads to the conclusion of this thesis and a brief outlook for future research.:1. Introduction 2. Understanding Industry Foundation Classes (IFC) 2.1. Structure and Fundamental Concepts of IFC 2.1.1. Organization and Architecture of IFC 2.1.2. Examination of the Concepts 2.2. The Modeling Language EXPRESS 2.2.1. Building Blocks of EXPRESS 2.2.2. The Influence of EXPRESS on IFC 2.3. Analysis of Core Issues 2.3.1. Adding properties by means of property sets 2.3.2. Orthogonal classification utilizing object typing 3. Developing a Role-oriented Solution 3.1. Industry Foundation Classes with Roles (IFC-R) 3.1.1. Role-oriented Modeling with CROM 3.1.2. IFC-R:Models and Tools 3.2. Prototypical Implementation applying IFC-R 4. Comparing IFC and IFC-R 4.1. Definition of used Software Metrics 4.1.1. Identifying suitable measurement methods 4.1.2. The Use Case Points (UCP) method 4.1.3. Adapting the UCP method 4.1.4. Supporting Metrics 4.2. Evaluation of IFC and IFC-R 4.2.1. Gathering the supporting metrics 4.2.2. Applying the UCP method 4.3. Problems and Interim Conclusion 5. Conclusion and Outlook References Appendix A. Figures Appendix B. Code Listings

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

De nombreux bâtiments anciens sont à rénover pour diminuer leur consommation énergétique. Grâce à l'émergence d’outils numériques tels que la maquette numérique d'un bâtiment ou BIM (Building Information Modeling), des simulations énergétiques peuvent être réalisées. Or, pour la plupart des bâtiments, aucune information numérique n'est disponible. L'objectif de nos travaux est de développer une méthodologie pour générer des maquettes numériques de bâtiments existants à faible coût en limitant l'acquisition de données. Notre choix s'est porté sur l'utilisation de plan papier 2D scanné. Nous faisons l'hypothèse qu'un tel plan est presque toujours disponible pour un bâtiment même s’il n'est pas toujours à jour et que sa qualité influe sur celle de la reconstruction. La reconstruction automatique d'un BIM à partir d'une image se base sur la recherche et l'identification de 3 composantes: la géométrie (forme des éléments), la topologie (liens entre les éléments) et la sémantique (caractéristiques des éléments). Lors de cette phase, des ambiguïtés peuvent apparaître. Nous proposons un processus basé sur des interventions ponctuelles et guidées de l'utilisateur afin d'identifier les erreurs et proposer des choix de correction pour éviter leur propagation.Nous présentons la méthodologie développée pour proposer une reconstruction semi-automatique et une analyse des résultats obtenus sur une base de 90 plans. Les travaux ont ensuite porté sur une généralisation du processus afin d'en tester la robustesse, le passage à l'échelle et la gestion multi-niveaux. Le processus développé est flexible pour permettre l’ajout d'autres sources de données pour enrichir la maquette numérique. / Many buildings have to undergo major renovation to comply with regulations and environmental challenges. The BIM (Building Information Modeling) helps designers to make better-informed decisions, and results in more optimal energy-efficient designs. Such advanced design approaches require 3D digital models. However such models are not available for existing buildings. The aim of our work is to develop a method to generate 3D building models from existing buildings at low cost and in a reasonable time. We have chosen to work with 2D scanned plans. We assume that it is possible to find a paper plan for most buildings even if it is not always up-to-date and if the recognition quality is also dependent to the plan. The automatic reconstruction of a BIM from a paper plan is based on the extraction and identification of 3 main components: geometry (element shape), topology (links between elements) and semantics (object properties). During this process, some errors are generated which cannot be automatically corrected. This is why, we propose a novel approach based on punctual and guided human interventions to automatically identify and propose correction choices to the user to avoid error propagation.We describe the developed methodology to convert semi-automatically a 2D scanned plan into a BIM. A result analysis is done on 90 images. The following works is focused on the process genericity to test its robustness, the challenge of moving to scale and the multi-level management. The results highlight the pertinence of the error classification, identification and choices made to the user. The process is flexible in order to be completed by others data sources.

Die Bachelorarbeit untersucht die praktische Umsetzung des buildingSMART-Klassenkatalogs „BIM-Klassen der Verkehrswege“ in der Software card_1 und dessen Exportmöglichkeiten im IFC-Format. Es wird gezeigt, wie ein fiktives Anschauungsmodell einer Kreuzungsszene erstellt und mithilfe des Klassenkatalogs klassifiziert wird. Zusätzlich wurde eine Kommandozeilenanwendung entwickelt, die die mit card_1 erstellten IFC-Dateien validiert, um die korrekte Zuordnung der Klassifikationen zu überprüfen. Der Modellierungsprozess wurde in einem Modellierungshandbuch dokumentiert, das die verwendeten Methoden und Werkzeuge detailliert beschreibt. Die Ergebnisse zeigen, dass card_1 IFC-Exporte nach IFC 4 und IFC 4x1 unterstützt, jedoch nicht alle Objekte mit Geometrie versehen sind. Trotz der fehlenden Geometrie werden diese Objekte semantisch im IFC-Schema abgebildet.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung und Technik 2.1. BIM 2.1.1. Ansätze 2.1.2. BIM im Infrastrukturbau 2.2. Klassenkatalog „BIM-Klassen der Verkehrswege 2.0“ 2.2.1. Anforderungen 2.2.2. Vorgehensweise der Ausarbeitung 2.2.3. Inhalt und Struktur 2.3. IFC 2.3.1. Aufbau und Struktur 2.3.2. Versionen 2.3.3. Attributierungs- und Klassifizierungsmöglichkeiten 2.4. Modellierungssoftware card_1 2.4.1. Programmphilosophie 2.4.2. Neuer Straßenentwurf (NSE) und Fachobjektstruktur 3. Methodik 3.1. Modellierungshandbuch 3.2. Modellierung mit card_1 3.2.1. Wissensbeschaffung 3.2.2. Auswahl der Klassen 3.2.3. Datenbeschaffung 3.2.4. Modellierungsvorlage 3.2.5. Modellierung 3.2.6. Attributierung 3.2.7. Verwendete Klassen 3.2.8. IFC Export 3.3. Programmierung 4. Praktische Umsetzung 4.1. Klassifizierung und Attributierung in card_1 4.2. IFC-Exportmöglichkeiten von card_1 5. Entwicklung der Kommandozeilenapplikation 5.1. Anforderungen 5.2. Programmierung und Implementierung 5.2.1. Modellstruktur des card_1 IFC Modells 5.2.2. Genutzte Bibliotheken 5.2.3. Programmablauf 6. Ergebnisse 6.1. Anschauungsmodell in card_1 6.2. Anschauungsmodell in IFC 6.3. Herausforderungen und Limitationen 6.4. Kommandozeilenapplikation 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. card_1 7.2. card_1 Modell 7.3. Erweiterung der Kommandozeilenapplikation 7.4. Klassenkatalog 8. Fazit A. Anhang B. Verzeichnis der digitalen Anlagen / The bachelor thesis examines the practical implementation of the buildingSMART class catalog “BIM-Klassen der Verkehrswege” in the card_1 software and its export options to the IFC format. It is shown how a fictive model of an intersection scene is created and classified using the class catalog. In addition, a command line application was developed that validates the IFC files created with card_1 in order to check the correct assignment of the classifications. The modeling process was documented in a modeling guide that describes the methods and tools used in detail. The results show that card_1 supports IFC exports to IFC 4 and IFC 4x1, but not all objects are provided with geometry. Despite the lack of geometry, these objects are semantically mapped in the IFC schema.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung und Technik 2.1. BIM 2.1.1. Ansätze 2.1.2. BIM im Infrastrukturbau 2.2. Klassenkatalog „BIM-Klassen der Verkehrswege 2.0“ 2.2.1. Anforderungen 2.2.2. Vorgehensweise der Ausarbeitung 2.2.3. Inhalt und Struktur 2.3. IFC 2.3.1. Aufbau und Struktur 2.3.2. Versionen 2.3.3. Attributierungs- und Klassifizierungsmöglichkeiten 2.4. Modellierungssoftware card_1 2.4.1. Programmphilosophie 2.4.2. Neuer Straßenentwurf (NSE) und Fachobjektstruktur 3. Methodik 3.1. Modellierungshandbuch 3.2. Modellierung mit card_1 3.2.1. Wissensbeschaffung 3.2.2. Auswahl der Klassen 3.2.3. Datenbeschaffung 3.2.4. Modellierungsvorlage 3.2.5. Modellierung 3.2.6. Attributierung 3.2.7. Verwendete Klassen 3.2.8. IFC Export 3.3. Programmierung 4. Praktische Umsetzung 4.1. Klassifizierung und Attributierung in card_1 4.2. IFC-Exportmöglichkeiten von card_1 5. Entwicklung der Kommandozeilenapplikation 5.1. Anforderungen 5.2. Programmierung und Implementierung 5.2.1. Modellstruktur des card_1 IFC Modells 5.2.2. Genutzte Bibliotheken 5.2.3. Programmablauf 6. Ergebnisse 6.1. Anschauungsmodell in card_1 6.2. Anschauungsmodell in IFC 6.3. Herausforderungen und Limitationen 6.4. Kommandozeilenapplikation 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. card_1 7.2. card_1 Modell 7.3. Erweiterung der Kommandozeilenapplikation 7.4. Klassenkatalog 8. Fazit A. Anhang B. Verzeichnis der digitalen Anlagen