BIM von A bis Z etablieren, inklusive „Tuning“-Maßnahmen

Der Einfluss von Künstlicher Intelligenz auf die BIM-Methode

Die Kombination aus Künstlicher Intelligenz (KI) und BIM transformiert die Bauindustrie durch die Automatisierung von Planungsprozessen, die Verbesserung der Datenanalyse und die Optimierung des Baumanagements. KI ermöglicht es, aus den umfangreichen Datenmengen, die BIM-Modelle liefern, tiefgreifende Einsichten zu gewinnen und präzise Vorhersagen zu treffen. Dies führt zu einer effizienteren Projektumsetzung und höheren Bauqualität – so die Theorie. In der Praxis ist der Einsatz bisher noch sehr begrenzt, sodass die „traditionsbewusste“ Bau- und Immobilienbranche erst durch den überfälligen Einsatz der BIM-Methode die Effekte der KI wirklich umsetzen kann. Im Folgenden sind beispielhaft Anwendungsfälle aufgeführt:

Datenanalyse und -management: Durch den Einsatz von KI in BIM können große Datenmengen, die während der Planungs-, Bau- und Betriebsphasen eines Gebäudes anfallen, effizient analysiert und verwaltet werden. Dies ermöglicht es, Muster zu erkennen, Vorhersagen zu treffen und fundierte Entscheidungen schneller zu beschließen.

Vorhersagemodelle: KI kann dazu beitragen, die Kosten, den Zeitplan und den Ressourcenbedarf für Bauprojekte genauer vorherzusagen. Durch die Analyse historischer Daten und aktueller Trends können KI-Modelle zukünftige Herausforderungen und Chancen identifizieren und so Risiken minimieren sowie die Planungssicherheit erhöhen.

Automatisierte Planungsprozesse: KI-Algorithmen können genutzt werden, um Entwurfs- und Planungsprozesse zu automatisieren. Sie können unzählige Designoptionen generieren und bewerten, um die optimalen Lösungen basierend auf vordefinierten Kriterien wie Kosten, Nachhaltigkeit und Ästhetik zu finden.

Trotz des erheblichen Potenzials erfordert die Integration von KI in BIM eine sorgfältige Planung und Implementierung. Datenschutz, Ethik und die Notwendigkeit kontinuierlicher Weiterbildung sind wichtige Aspekte, die angegangen werden müssen. Darüber hinaus ist die Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen und Technologien eine fortwährende Herausforderung.

Von BIM zu Smart Building

Bereits in Artikel 3 dieser Serie wurde die Nachhaltigkeit der Digitalisierung von Gebäuden im Kontext der BIM-Methode betrachtet. Nachhaltigkeit ist insbesondere auch für Smart Buildings ein zentraler Treiber, der immer mehr Smart Buildings in Deutschland und Europa entstehen lässt.

Definition Smart Buildings

Der Begriff Smart ist noch nicht abschließend definiert, sodass unter dem Begriff verschiedene Konzepte verstanden werden. Klar ist jedoch, dass ein Smart Building über eine bloße Gebäudeautomation (GA) hinausgeht. Zwar stellt die GA einen zentralen Datenlieferant für Smart Buildings dar, ein Smart Building kombiniert diese Daten jedoch mit weiteren Daten (z. B. Sensorik, Applikationen oder IoT-Devices), dem Verhalten der Menschen und verarbeitet diese Daten in einem cloudbasierten Gebäudebetriebssystem. Auf Grundlage dieser Daten kann sich das Smart Building immer weiter optimieren und stellt die Bedürfnisse der Nutzenden (z. B. Wohlfühltemperaturen oder Beleuchtung) in den Vordergrund.

Smart Buildings befinden sich damit in ihrer Zielsetzung in einem Spannungsfeld zwischen Steigerung der Nutzerzufriedenheit, Optimierung der ökologischen Nachhaltigkeit sowie Steigerung der Wirtschaftlichkeit für das FM sowie für Mieter und Eigentümer. Hierfür ist ein großer Datenbestand notwendig, der den kompletten Lebenszyklus von Smart Buildings abbildet und eine tatsächliche Single Source of Truth (SSoT) schafft. Für diese SSoT ist es notwendig, dass nicht nur Daten aus dem Betrieb des Gebäudes gespeichert, analysiert und genutzt werden, sondern diese auch in den Planungs- und Ausführungsprozess für neue Gebäude sowie Umbauten zurückgeführt werden. Insbesondere auch die Verknüpfung der Daten aus dem Betrieb mit dem digitalen Bauwerksmodell stellt einen wesentlichen Erfolgsfaktor dar.

BIM als Grundlage für Smart Buildings

Um das digitale Bauwerksmodell zu erstellen, ist die Anwendung der BIM-Methodik notwendig. Wichtig ist vor allem, dass die Attribute der Räume im Gebäude gepflegt sind, wie Nutzungsart des Raumes (z. B. Büro, Besprechungsräume) oder Flächen (z. B. nach DIN 277 oder gif). Erst mit diesen Informationen können Smart Buildings Daten optimal verarbeiten, da bspw. für Büroflächen andere Anforderungen gelten als für Besprechungsräume. Des Weiteren ist es notwendig, dass die Objekte im digitalen Bauwerksmodell exakt verortet sind, da ein entscheidender Unterschied bei der Datenerfassung der Sensorik oder der IoT-Devices in Abhängigkeit der Verortung besteht. Ein CO₂-Sensor misst beispielsweise andere Werte im Bereich der Zwischendecke, als wenn er in die Raumbediengeräte eingebaut oder am Fenster verortet ist.

Darüber hinaus ermöglicht das digitale Bauwerksmodell auf Grundlage der BIM-Methode die Visualisierung von Daten. Immer mehr Unternehmen – und auch Start-Ups – nutzen die visuelle und geometrische Darstellung des digitalen Bauwerksmodells um Daten zu visualisieren. Hierdurch werden die Beteiligten, z. B. das Facility Management, in die Lage versetzt Anomalien oder Veränderung intuitiv und effizient zu erfassen. Hierfür ist es jedoch notwendig, dass alle relevanten geometrischen und technischen Daten über den gesamten Lebenszyklus und insbesondere auch an der Schnittstelle Planung und Ausführung zu Nutzung vollumfänglich ausgetauscht werden, wie es in dem vierten Artikel dieser Serie beschrieben wurde.

Beton-3D-Druck

Der Beton-3D-Druck verändert derzeit die Abläufe auf Baustellen. Insbesondere als Antwort auf den Fachkräftemangel wird der Beton-3D-Druck als eine Chance gesehen. Aktuell befindet sich das Verfahren jedoch noch am Anfang, sodass Prozesse gestaltet und Austauschformate erarbeitet werden müssen. Insbesondere die TGA muss diesen Prozess aktiv mitgestalten, da die Veränderungen durch den Beton-3D-Druck auch Einfluss auf Durchbrüche, Aussparungen und weitere Grundlagen für die TGA haben.

Grundlagen des 3D-Druck

3D-Betondruck ist ein Unterbegriff der additiven Fertigung. Unter additiver Fertigung wird hierbei ein Prozess verstanden, der Schicht für Schicht aus 3D-Modelldaten durch das Verbinden von Materialien Bauteile herstellt [1]. Im 3D-Druck bedeutet das, dass der Beton schichtweise so aufgetragen wird, dass eine dreidimensionale Struktur entsteht. Dies erfolgt in der Regel als Extrusionsverfahren. Im Extrusionsverfahren wird der Beton schichtweise aus dem Druckerkopf gedrückt. Wenn eine Lage (Layer) fertiggestellt ist, wird auf dieser die nächste Lage aufgebracht. Der Einsatz erfolgt in Deutschland vor allem für Ein- oder mehrgeschossige Gebäude sowie für vorgefertigte Elemente. Bild 1 zeigt ein Beispiel für den Beton-3D-Druck (Sportheim des SC Capelle von Steinhoff Architekten).

Der 3D-Drucker bewegt hierbei in einem dreiachsigen Rahmen. Durch das Druckverfahren können vor allem besondere Formen, z. B. geschwungene Wände oder runde Ecken hergestellt werden. Das Ziel besteht so zukünftig darin, dass das Gebäude direkt aus der Planung gedruckt werden soll (sog. Design-to-Print), ohne dass noch weitere Zeichnungen und Pläne für die Fertigung erstellt werden müssen. Ein Vorteil liegt hierbei darin, dass aufgrund der Automatisierung des Druckvorgangs neue Möglichkeiten für Baustellenpersonal entstehen. Demgegenüber ist es jedoch notwendig, sowohl Planende als auch Ausführende gut ausgebildet und die BIM-Methode durchgängig angewendet wird.

BIM-Methode als Grundlage für 3D-Druck

Für den 3D-Druck wurden spezielle Exportformate entwickelt. Die Additive Manufacturing File (AMF) kann Geometrien, Farbe, Texturen und Materialeigenschaften verarbeiten und als direkten Input für den Drucker genutzt werden. Daneben ermöglicht die 3D-Manufacturing-File (3MF) eine direkte Kommunikation zwischen Drucker und Software. Das Slice-Exportformate (SLC) exportiert die Geometrien der Schichten in x,y-Ebene. Dementsprechend ist es notwendig, das richtige Exportformat zu wählen, um einen spezifischen Export zu ermöglichen.

Insbesondere die vorhandenen Austauschformate stellen aktuell jedoch noch eine Herausforderung für die durchgängige Umsetzung des 3D-Drucks dar. Nicht zuletzt deshalb, weil sich der 3D-Druck aus relativ kleinteiligen Druckeinheiten entwickelt hat, existieren in aktuellen BIM-Austauschformaten, allen voran IFC, zwar Möglichkeiten der Datenübergabe an die Slicing-Software, diese werden aber durch die Softwaresysteme nicht implementiert. Das bedeutet in der Praxis, dass noch ein hoher manueller Aufwand notwendig ist, in dem alle Schichten einzeln nachgebildet werden müssen. Insbesondere für Aussparungen für die TGA sind hierbei zusätzliche Arbeitsschritte möglich, wenn keine manuelle Nachbearbeitung der Aussparungen auf der Baustelle erfolgen soll.

Ein Forschungsprojekt der TU Dresden hat im Jahr 2021 die BIM-Softwareprodukte auf den möglichen Austausch von Daten für 3D-Druckformate analysiert. Hierbei hat sich gezeigt, dass Programme, wie „Revit“, „Allplan“, „ArchiCAD“ derzeit keine Exportfunktionen für die 3D-Druckformate AMF, 3MF oder SLC bieten. Plugins, wie Rhinoceros oder Grasshopper3D, bieten jedoch Möglichkeiten zum Export von 3D-Druckformaten [2].

Virtual und Augmented Reality sowie Metaverse

Das Metaverse beschreibt eine neue Kommunikationsform und wird von einigen bereits als ein neues Internet in 3D angesehen [3]. Im Rahmen des Metaverse werden auch erweiterte Realitäten (extended Realities, XR) eingesetzt, wie Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR). Die Zusammenhänge sind in Bild 2 dargestellt.

Das Metaverse soll es den fachlich Beteiligten zukünftig erlauben in einer kollaborativen, immersiven Umgebung zu planen, auszuführen und zu betreiben. Neben der Interaktion im Rahmen von Planungsbesprechungen, können weitere Anwendungsfälle, wie der Verkauf von Immobilien, die gemeinsame Planung am Modell, Sicherheitsschulungen für Baustellenpersonal oder Datenvisualisierung Anwendungsfälle für das Metaverse sein. Auch die Lehre im Metaverse bildet Potenzial für die Ausbildung zukünftiger Fachkräfte im Bereich des Hochbaus und der TGA.

Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, dass orts- und zeitunabhängig agiert werden kann, die Kommunikation erfolgt mithilfe von Avataren. Durch die Kombination mit AR oder VR können damit Standpunkte und Ansichten visuell besser dargestellt und nachvollzogen werden. Ziel ist es, dass die Avatare auch im Raum verortet werden können und beispielsweise durch die Bauleitung bei Bedarf virtuell mit ins Gebäude genommen werden können.

Aktuell stehen wir am Beginn der Entwicklung, erste Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass das Verständnis durch den Einsatz immersiver Technologien, wie AR, VR oder dem Metaverse deutlich gesteigert werden können [4]. Erste Umfragen in der Branche zeigen bei den fachlich Beteiligten jedoch auch eine gewisse Zurückhaltung im Bereich des Metaverse und der tatsächlichen Anwendung in der Praxis [5]. Dies liegt insbesondere in der Unkenntnis über die Potenziale begründet sowie in der mangelnden Definition von Anwendungsfällen.

Integration von Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft

Die Bauindustrie steht vor der Herausforderung, Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft effektiv zu integrieren (vgl. hierzu auch den dritten Artikel dieser Serie). Ein Schlüsselaspekt dabei ist der Mangel an einer einheitlichen Datenbasis für die ganzheitliche Bewertung von Nachhaltigkeitsaspekten. Die BIM-Methode bietet einen Lösungsansatz, indem sie die Datenevolution vorantreibt und eine detaillierte Erfassung und Analyse von nachhaltigkeitsrelevanten Daten unterstützt und somit ermöglicht.

Kurzer Überblick:

Fehlende Datenbank: Derzeit fehlt es an einer zentralen Datenbank, die umfassend Nachhaltigkeitsdaten zusammenführt. Dies erschwert die nachhaltige Einbindung von Daten und somit eine holistische Entscheidungsfindung.

BIM als Teil der Lösung: BIM kann eine dynamische und kontinuierlich aktualisierte Datenbasis schaffen, die eine umfassende Bewertung und Optimierung der Nachhaltigkeit ermöglicht.

Kreislaufwirtschaft: Die Praxiserfahrung in der Kreislaufwirtschaft ist begrenzt. BIM erleichtert die Erfassung und Nutzung von Daten über Materialzusammensetzungen und Recyclingfähigkeit.

ESG-Richtlinien (Environmental, Social, Governance): Um die Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, sollten Bauvorhaben den ESG-Richtlinien entsprechen. BIM unterstützt die Einhaltung dieser Richtlinien durch transparente und nachvollziehbare Daten über die Umwelt-, Sozial- und Governance-Leistungen eines Projekts.

Um die Vorteile von BIM voll auszuschöpfen und den ESG-Richtlinien gerecht zu werden, sind folgende Schritte erforderlich:

Entwicklung von Standards für die Datenerfassung in BIM, um eine konsistente und vergleichbare Datenbasis zu gewährleisten.

Förderung von Kooperationen zwischen allen Beteiligten, um den Datenaustausch und die Nutzung im Sinne der Kreislaufwirtschaft und ESG-Konformität zu verbessern.

Bildung und Training zur Steigerung des Bewusstseins und der Fähigkeiten im Umgang mit BIM-Tools und ESG-Richtlinien.

Die Integration von BIM in die Bau- und Immobilienbranche bietet ein großes Potenzial, um Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft effektiv umzusetzen und den ESG-Richtlinien zu entsprechen. Eine strategische Datennutzung und -entwicklung ist der Schlüssel, um die ökologischen, sozialen und Governance-Herausforderungen in der Bau- und Immobilienbranche zu meistern.

Fazit und Ausblick

In dieser Artikelserie haben wir die Vielfalt und Tiefe der BIM-Methode beleuchtet, von den Grundlagen bis hin zu den zukünftigen Entwicklungen, die die Bau- und Immobilienbranche prägen werden. BIM hat sich als unverzichtbares Werkzeug etabliert, das weit über die bloße Modellierung hinausgeht und das Potenzial hat, die Art und Weise, wie wir bauen, planen und Gebäude bewirtschaften sowie verwerten, grundlegend zu verändern.

Die Integration von KI, die Entstehung von Smart Buildings, die Fortschritte im Beton-3D-Druck und die Möglichkeiten, die durch Virtual und Augmented Reality sowie das Metaverse eröffnet werden, sind beispielhafte Entwicklungen, die zeigen, wie dynamisch sich die Branche entwickelt. Noch wichtiger ist, dass die Integration von Nachhaltigkeits- und Kreislaufwirtschaftsprinzipien, unterstützt durch BIM und im Einklang mit ESG-Richtlinien, die Bau- und Immobilienbranche in eine umweltfreundlichere und sozial verantwortlichere Zukunft führen wird.

Ein wesentliches Hindernis ist jedoch die Qualität der Datenmodelle. Viele in der Bauindustrie generierte Modelle sind derzeit noch unzureichend für eine direkte Interpretation für die in diesem Artikel aufgeführten Themen. Häufig werden Daten in Formaten erstellt, die nicht maschinenlesbar sind, wie z.B. nicht interpretierbare Pläne. Dies begrenzt die Möglichkeit, die vollen Potenziale von der BIM-Methodik auszuschöpfen. Daher appellieren wir an die Bauindustrie, den Fokus auf die Entwicklung valider, maschinenlesbarer Datenmodelle zu legen. Dies wird nicht nur die Anwendung von KI optimieren, sondern auch die Effizienz, Genauigkeit und Nachhaltigkeit von Bauprojekten signifikant verbessern.

Während wir in die Zukunft blicken, bleibt klar, dass BIM und die damit verbundenen Technologien das Rückgrat einer sich wandelnden Bau- und Immobilienbranche bilden werden. Die Förderung des Dialogs zwischen Wissenschaft, Praxis und Technologieanbietern sowie die kontinuierliche Erforschung und Entwicklung sind unerlässlich, um die Potenziale von BIM vollständig auszuschöpfen. Die Reise von BIM „von A bis Z“ ist weit davon entfernt, abgeschlossen zu sein; vielmehr stehen wir erst am Anfang eines Weges, der grenzenlose Möglichkeiten bietet, die Bau- und Immobilienbranche zum Besseren zu verändern.

Literatur