Digitalisierung der Baubranche

Maschinen und Roboter werden den Handwerker gewiss nicht ersetzen, weder in naher noch in ferner Zukunft. Doch der gesamte Bauprozess und jedes einzelne Gewerk profitiert nachhaltig von den neuen Werkzeugen zur digitalen Kollaboration. Wie kein anderer deutscher Wirtschaftszweig wird die Baubranche von kleinen und mittelständischen Unternehmen getragen. Jedes einzelne Bauprojekt ist ein Gemeinschaftsprojekt vieler Firmen sowie unterschiedlicher Interessengruppen.

Bauherr, Planer, ausführende Unternehmer bis hin zu den späteren Nutzern haben sehr unterschiedliche – in Teilen auch gegensätzliche – Ansprüche an das Bauprojekt. Alle Projektpartner müssen mit dem Gesamtergebnis zufrieden sein. Hier erschließt und vereint die digitale Kooperation besonders viele Potentiale.

Gut geplant ist halb gebaut

Auch Planungsprozesse gewinnen mittels digitaler Hilfsmittel an Konsistenz, Genauigkeit und Informationsdichte. Nicht umsonst sind CAD-Programme aus keinem Planungsbüro mehr wegzudenken. Wenn das computergestützte Design nun nicht mehr nur innerhalb der Planungsabteilungen kursiert, sondern ein digitales Modell die Ansprüche aller am Projekt beteiligten Personengruppen vereint und abbildet, dann spricht man von „Building Information Modeling“, kurz BIM. Ein digitales Modell, das Architekten, Fachplaner, Bauherren und Baubehörden vernetzt und im Idealfall sogar Lagerbestände und Preise der Baustoff Zulieferer in Echtzeit einbindet und sich auf die Nutzungsansprüche der zukünftigen Liegenschaftsverwaltung hin optimiert.

Von den großen Verbänden der Planungs- und Bauwirtschaft wurde die planen­bauen 4.0 GmbH mit dem Ziel gegründet, die Digitalisierung der Bauwirtschaft in Deutschland voranzutreiben. planen­bauen 4.0 defniert BIM so:

„Building Information Modeling bezeichnet eine kooperative Arbeitsmethodik, mit der auf der Grundlage digitaler Modelle eines Bauwerks die für seinen Lebenszyklus relevanten Informationen und Daten konsistent erfasst, verwaltet und in einer transparenten Kommunikation zwischen den Beteiligten ausgetauscht oder für die weitere Bearbeitung übergeben werden.“

3D, 4D, 5D, 6D, 7D – Wie viele Dimensionen hat ein digitales Modell?

Was ein digitales Gebäudemodell alles darstellen und simulieren kann, wird letztlich nur von der Leistungsfähigkeit der Software begrenzt und von der Frage, wie sinnvoll es für das jeweilige Bauprojekt ist, noch weitere Aspekte als die geometrische Gebäudestruktur abzubilden. Welche Aspekte könnten dies überhaupt sein?

Die ersten drei Dimensionen sind klar, sie geben den Bezugsrahmen für das räumliche Modell vor. Mit der vierten Dimension wird die Zeit ins Modell integriert. Hierdurch kann der gesamte Bauablauf mit seinen einzelnen Phasen und Fertigstellungsterminen bereits am Computer geplant und visualisiert werden. Montage und Logistikabläufe werden bereits im Modell optimiert. Geometrische wie zeitliche Konflikte während der gewerkübergreifenden Ausführung können im Vorfeld erkannt und verhindert werden.

Die fünfte Dimension berücksichtigt Kosten und Ressourcen. Nicht nur die Menge und zeitlich optimale Anlieferung der Baustoffe sind im Modell zu sehen, sondern auch Personaleinsatz und Maschinennutzung können hier über alle Bauabschnitte hinweg detailliert geplant und optimiert werden.

Die sechste Dimension geht bereits über das eigentliche Bauprojekt hinaus: Sie simuliert den gesamten Lebenszyklus des Gebäudes mit seiner energetischen Gebäudeoptimierung bis hin zu den Kosten für Abriss und Entsorgung bzw. Optimierungsmöglichkeiten bei der Wiederverwertung.

Schlussendlich ist noch eine siebte Dimension simulierbar, die der Gebäudenutzung bzw. des Facility Managements. Hiermit lassen sich viele neue Optimierungspotentiale für die Bewirtschaftung des Gebäudes und Instandhaltung aufdecken. So können beispielsweise die Laufwege des Personals oder die zu reinigenden Flächen berechnet und in optimale Relation zu anderen Dimensionen des Modells gebracht werden. Denn nicht immer ist z.B. die Optimierung der Baukosten die wirtschaftlich sinnvollste Lösung, wenn man die Gesamtnutzungskosten des Gebäudes in Betracht zieht.

Zumindest was die ersten fünf Dimensionen angeht, gibt es mittlerweile gute Softwarelösungen zur Modellierung. Hiermit kann der gesamte Bauprozess bis zur Fertigstellung simuliert werden. Und die aktuellen Großbauprojekte in Deutschland zeigen immer wieder, dass besonders die Dimensionen Zeit und Kosten regelmäßig den ursprünglichen Planungsrahmen sprengen, wenn er wohlgemerkt noch ohne BIM erstellt wurde.

Die Unternehmensberatung McKinsey stellte in ihrer Analyse „Imagining construction’s digital future“ fest, dass weltweit bei allen Großbauprojekten bis zu 20 % mehr Zeit und bis zu 80 % mehr Kosten als ursprünglich geplant anfallen. Mit 5D-BIM ließen sich speziell diese beiden Faktoren deutlich besser beherrschen. McKinsey hält die Einführung von 5D-BIM für eine Planungsmethode, die das Potential hat, die globale Bauwirtschaft disruptiv zu verändern.

Wann kommt BIM?

BIM ist bereits da. Wir befinden uns mitten im Entstehungsprozess. Weil BIM mehr ist als anspruchsvolle Cloudsoftware – nämlich eine neue Methode zur umfassenden Kollaboration und Planung – erfordert sie Umdenken und Hinzulernen bei allen Beteiligten. Es geht nicht darum, lediglich eine neue Software bedienen zu können, sondern darum, den Bauprozess als Ganzen zu beherrschen und die Ansprüche der mitbeteiligten Projektpartner besser zu verstehen.

Das Ausland ist teilweise schon sehr weit fortgeschritten bei der Implementierung von BIM. In den USA existiert bereits eine feste Richtlinie, welche BIM-Standards für öffentliche Ausschreibungen eingehalten werden müssen. Der NBS International BIM Report 2016 vergleicht die BIM-Adaption von den Ländern Großbritannien, Tschechische Republik, Kanada, Japan und Dänemark untereinander. In allen untersuchten Ländern existieren staatliche Bemühungen, BIM flächendeckend in der Baubranche zu verankern.

Auch in Deutschland gibt es mit dem „Stufenplan Digitales Planen und Bauen“, herausgegeben vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, einen Plan. Das BMVI sieht zur Implementierung von BIM drei Stufen vor. Außerdem definiert der Stufenplan das Leistungsniveau 1, welches ab Stufe 2 in Pilotprojekten und ab Stufe 3 bundesweit bei Vergabeprojekten des BMVI eingefordert wird.

Der Stufenplan gilt in erster Linie für den Infrastrukturbau und den infrastrukturbezogenen Hochbau. Wir befinden uns mittlerweile am Übergang von der ersten zur zweiten Stufe. In der dritten Stufe, die ab 2020 gilt, soll BIM im Zuständigkeitsbereich des BMVI bei neu zu planenden Projekten regelmäßig und zwingend angewandt werden.

In verschiedenen Pilotprojekten wird derzeit die Implementierung von BIM im Hoch­ und Tiefbau getestet. Für das bisher größte dieser Projekte, dem Bau des Eisenbahntunnels Rastatt, findet sich im Internet ein Informationsvideo der Deutschen Bahn [1]. Es veranschaulicht die Anwendung von 5D-BIM und dessen Vorteile am konkreten Beispiel.

BIM für die Gebäudetechnik

Durch den Einsatz von BIM gewinnt die Planungsphase weiter an Bedeutung. Bisher wurde das Raummodell des Architekten von den zeitlich nachgelagerten Fachmodellen separat ergänzt. Aus einem BIM-Modell kann dagegen zukünftig ein großer Teil der Fachmodelle abgeleitet werden, allerdings unter der Voraussetzung, dass das BIM-Modell schon in den Planungsanfängen ordentlich mit Daten gefüttert wurde, damit es die notwendige Informationsdichte besitzt. Was bedeutet das für den Einfluss des gebäudetechnischen Fachplaners? Nimmt sein Einfluss auf das fertige Modell ab oder zu?

In der Tat lassen sich aus einem BIM-Modell viele Daten per Knopfdruck extrahieren, die für die Branche der Technischen Gebäudeausrüster (TGA) zentral sind. Dazu zählen die Heizlast­ und die Kühllastberechnung, der Energienachweis nach EnEV oder sogar die komplette thermische Gebäudesimulation. Hierfür erstellte der TGA­-Ingenieur bisher ein Fachmodell in Referenz zum Raummodell des Architekten. BIM vereint diese Modelle zu einem einzigen. Es parallelisiert damit die Arbeit der beiden Planer. Wo bisher linear gearbeitet wurde und die strenge Regel galt: „Erst der Architekt, dann die Fachplaner“, dort begegnen sich nun die Projektpartner auf Augenhöhe.

Die TGA­-Planung erhält durch BIM die Chance, sehr viel früher in den Planungsprozess miteinbezogen zu werden. Hierdurch vergrößert die TGA ihren Einfluss auf die Gebäudeplanung deutlich. Der Aufwand der Energieberatung verringert sich zwar, weil hier das Raummodell bereits viele Daten enthält und beispielsweise eine Doppelerfassung der Gebäudehülle vermieden werden kann. Der TGA-Planer bringt aber auch im Gegenzug alle Objekte seines Gewerks in das Modell ein.

Denn im Unterschied zu einem herkömmlichen CAD-Modell besitzt das BIM-Modell „intelligente“ Objekte und nicht nur Striche. Diese Objekte haben neben ihren geometrischen Maßen also auch ihre je spezifischen Objekteigenschaften. Ein Volumenstromregler besitzt als BIM-Objekt beispielsweise auch funktionale Daten zu Luftmenge oder Druckverlust. Diese Daten werden in das Gesamtmodell eingebunden, wodurch man die Auswirkungen von Änderungen einzelner Objekte auf das Gesamtmodell direkt visuell nachvollziehen kann.

Die herkömmliche TGA-Planung erstellt separat als Netzplan das Lüftungsnetz oder eines der anderen haustechnischen Versorgungsnetze. All diese Netzpläne können nun in das BIM-Modell integriert werden. Die TGA-Objekte interagieren dort über die jeweiligen Netzpläne hinaus mit den Eigenschaften der übrigen Objekte. So können Kollisionskontrollen über das gesamte Modell hin stattfinden und zwar geometrisch, funktional und zeitlich.

Herausforderungen im Übergang von Planung zu Montage

Neben den vielen Chancen, die ein digitales Gebäudemodell für die Planung und den Bau eines Gebäudes in Zukunft bietet, gilt es aber noch einige Herausforderungen für die praktische Handhabung zu meistern.

Es gibt derer viele, aber gerade für die Gebäudetechnik, mit den vielen Komponenten und später gewünschten Informationen für das „as-built“-Modell, ist der Übergang von der Planungs­ in die Montagephase sehr entscheidend. Durch die fehlende Normierung in der Klassifikation der Bauteile und der mangelnden Vereinheitlichung der Merkmale eines Bauteils können Planungen, wenn Sie in einem anderen IT-Programm oder einer anderen Version durchgeführt wurden, häufig nicht weiter verwendet werden.

Das Gleiche gilt auch für die Übergabe der Informationen im IFC-Format. Die vorhandenen Daten können zwar gelesen werden – es kann aber in den Programmen mit den dort „intelligenten“ Bauteilen nicht weiter gearbeitet werden. Schon die Änderung von Materialeigenschaften bedeutet enormen Aufwand, da im Programm die entsprechenden Familien ausgetauscht werden müssen. Dies wird natürlich besonders relevant, wenn im Programm Umplanungen erfolgen müssen oder wenn im Modell die tatsächlich installierten Bauteile und Wege „as built“ dargestellt werden sollen.

In der Praxis führt dies teilweise noch einmal zu einem ähnlichen Aufwand für die ausführenden Unternehmen, wie in der ursprünglichen Planungsphase.

Damit die Effizienz des Gesamtprozesses also nicht leidet, müssen dringend gemeinsame Standards geschaffen werden, die es den Prozessbeteiligten dann auch erlauben, „verlustfrei“ zu arbeiten.

Dazu kooperieren derzeit Planer, Hersteller und ausführende Unternehmen im Arbeitskreis BIM des BTGA, um diese Zuarbeit für die nationalen und internationalen Normungsgremien zu liefern. Hier ist allerdings noch mehr Engagement aller Beteiligten notwendig, um auch kurzfristig sinnvolle Lösungen zu erarbeiten. Weitere Informationen und Kontaktmöglichkeiten des Arbeitskreises BIM sind auf www.btga.de unter „Technische Ausschüsse“ zu finden.

Fazit

Durch BIM verlagert sich innerhalb des Bauprozesses der Zeit- und Kostenaufwand deutlich von der Ausführungsphase in die Planungsphase. Der Planungsaufwand durch das objektbasierte BIM-Modell wird zwar erhöht, dafür sind spätere Änderungen am Modell schnell übernommen, weil die geänderten Objekte ihre geänderten Eigenschaften automatisch in das Modell einfließen lassen. Ab einschließlich der Ausführungsplanung verringert sich der Aufwand und beschleunigt sich der Bau. Für den Bauherrn und den Generalunternehmer bringt die zeitliche Vorverlagerung der Aufwände erheblich mehr Planungssicherheit, Berechenbarkeit und Kontrolle über das Gesamtprojekt. Die ausführenden Unternehmen profitieren von einer besseren Baustellenkoordination und zeitnaher Materiallogistik.

Allerdings setzen diese theoretischen Zielvorgaben für die Aufwandsverlagerung mit BIM voraus, dass die oben angesprochenen derzeitigen Probleme beim Übergang von der Planungsphase zu eigentlichen Montage beseitigt werden. Hierfür ist eine weitere Vereinheitlichung auf digitaler Objektebene zwingend erforderlich. Als strategisches Fernziel sollte in der Planung mit BIM das Modell als „digitaler Zwilling“ des Bauprojekts angesteuert werden. Bis zu einer vollständigen Übereinstimmung von Modell und Bauprojekt ist es aber noch ein weiter Weg. Wichtige Schritte dorthin sind jedoch bereits unternommen.

Quellen