BIM von A bis Z: Verknüpfung zwischen BIM und Nachhaltigkeit

Die Bau- und Immobilienbranche ist für 37 % der weltweiten CO₂-Emissionen (37 %) verantwortlich. Darüber hinaus werden 53,9 % der Abfälle, die in Deutschland anfal-len, durch den Bausektor versursacht [1].

Hieran hat die TGA einen entscheidenden Anteil. In der Kostengruppe 400 nach der DIN 276 ergeben sich ebenfalls große Potenziale zur Optimierung der Nachhaltigkeit. Zum einen spielen soziale Faktoren, wie der Komfort innerhalb von Gebäuden sowie ökonomische Faktoren aufgrund der hohen Kostenanteile der TGA eine entscheidende Rolle. Auf der anderen Seite zeigen Auswertungen, dass insbesondere durch Massenanteile und Umweltwirkungen in den Kostengruppen 430 (Lüftung, über 60 % des Anteils) und Kostengruppe 420 (Wärme, über 20 % des Anteils) die ökologische Nachhaltigkeit von Gebäuden beeinflusst wird.

Grundlagen der Nachhaltigkeit

Die Definition von Nachhaltigkeit, die wir heute kennen, wurde erstmals mit dem Brundtland-Bericht 1987 veröffentlicht. Nach dem Brundtland-Bericht ist Handeln dann nachhaltig, wenn die Wahl- und Gestaltungsmöglichkeiten zukünftiger Generationen im Vergleich nicht eingeschränkt werden. Auf der UN-Konferenz 1992 in Rio de Janeiro etablierte sich dann die Aufteilung in

Ökologische Nachhaltigkeit, z. B. Umwelteinwirkungen, Materialien, Energie, Wasserverbrauch und Biodiversität,

Ökonomische Nachhaltigkeit, z. B. Werterhalte und Baufolgekosten, Umnutzung oder Flexibilität) sowie

Soziokulturelle Nachhaltigkeit, z. B. Gesundheit, Komfort und Wohlbefinden, Sicherheit, Barrierefreiheit und Brandschutz.

Diese Definition wird auch im nachhaltigen Bauen angewendet, was sich nicht zuletzt im Leitfaden für nachhaltiges Bauen zeigt. Der Begriff der Nachhaltigkeit wird fortlaufend über

gesetzliche und förderrechtliche Vorgaben, z. B. die Energy Performance Buildings Directive (EPBD) oder das GebäudeEnergieGesetz (GEG) sowie

Zertifizierungsprogramme, z. B. der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen, (DGNB), dem Klassifizierungssystem Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) oder das Qualitätssiegel Nachhaltiges Gebäude (QNG)

für das nachhaltige Planen, Bauen und Betreiben spezifiziert. Insbesondere für Neubauten und damit verbundene Förderungen stellt der Nachhaltigkeitsbegriff inzwischen einen zentralen Faktor dar.

Verknüpfung von BIM und Nachhaltigkeit

Die verschiedenen Aspekte der Nachhaltigkeit werden durch die Anwendung der BIM-Methode im Planungs- und Bauprozess beeinflusst. Ökologische Aspekte können beispielsweise durch die BIM-basierte Gebäudeökobilanz berücksichtigt werden. Soziokulturelle Faktoren können über Simulationen mithilfe von digitalen Gebäudemodellen einbezogen werden. Ökonomische Aspekte werden über eine BIM-basierte Berechnung der Lebenszykluskosten optimiert. Auch die Verknüpfung der verschiedenen Nachhaltigkeitsdimensionen, zum Beispiel Ökologie und Ökonomie in digitalen Materialpässen. In der Anwendung der BIM-Methode wird versucht diese Aspekte in Form von BIM-Anwendungsfällen (siehe vorherigen Artikel aus der Reihe) in den Planungs- und Bauprozess zu implementieren. Die Verknüpfung der Nachhaltigkeit mit BIM-Anwendungsfällen ist in Bild 1 dargestellt.

Hierbei können die BIM-Anwendungsfälle entlang des Lebenszyklus unterteilt werden. Aktuell liegt ein Fokus auf der Planung von Gebäuden, insbesondere im Bereich der Entwurfs- und Ausführungsphase (z. B. durch Bemessungen oder Auswertungen), jedoch ist es notwendig, dass lebenszyklusübergreifend gedacht wird. Das bedeutet auch, dass eine Übernahme der Daten in Ausführung und Betrieb sowie schließlich in die Verwertung zwingend erforderlich ist.

Anwendungsfälle

Nachfolgend werden die Anwendungsfälle aus dem Bereich BIM und Nachhaltigkeit dargestellt, die derzeit in der Forschung und Praxis die größte Beachtung erfahren. Hierbei handelt es sich um den digitalen Materialpass, BIM-basierte Gebäudeökobilanzen, Simulationen und Lebenszykluskosten.

Digitaler Materialpass

Zirkularität bedeutet, dass sich die verschiedenen Stakeholder mit dem Erhalt, der Aufwertung und der Aktivierung des Gebäudebestands auseinandersetzen und versuchen, die Materialien, die bereits in Gebäuden verbaut sind, bei Abriss und Neubau wiederzuverwenden. Hierdurch soll der Abbau und Verbrauch natürlicher Ressourcen reduziert werden. In der Praxis stellt sich dies vor allem bei Technischen Anlagen als Herausforderung dar, da ausgebaute Anlagen nicht in Neubauten verbaut werden können (z. B. Lüftungskanäle mit entsprechenden Dimensionen und Anforderungen an Hygiene oder Wärmeerzeugungsanlagen, die nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik entsprechen). Dennoch können die bereits in Gebäuden verbauten Materialien eine wesentliche Ressource für den Bau neuer Anlagen darstellen. Das Konzept des zirkulären Bauens ist in Bild 2 dargestellt.

Grundlage für die optimale Nutzung des digitalen Materialpasses ist eine Datenbank, in der alle wesentlichen Daten der verbauten Materialien eines Bauwerkes gespeichert werden. Hierfür können mithilfe von Massen und Mengen oder entsprechend ausgearbeiteten IFC-Dateien die Informationen aus dem digitalen Bauwerksmodell in die spezialisierten Softwareprodukte (z. B. Madaster, Concular oder EPEA) übertragen werden.

Für TGA-Modelle bedeutet dies insbesondere, dass Materialien, Mengen und Stückzahlen als Attribute, in Kombination aus den geometrisch abgeleiteten Mengen und Massen gepflegt werden müssen. Einige Produkthersteller bieten bereits digitale Materialpässe an, häufig sind jedoch noch händische Eingaben notwendig. Deshalb ist es notwendig, bereits zu Beginn Informationen über die vom Bauherrn gewünschte Software einzuholen, um im weiteren Projektverlauf eine optimale Überführung in die Software zu ermöglichen.

BIM-basierte Gebäudeökobilanzen

Mithilfe von Gebäudeökobilanzen sollen die Umwelteinwirkungen und der Ressourcenverbrauch über den gesamten Lebenszyklus von Gebäuden bilanziert werden. Die Grundlagen für die Bilanzierung finden sich in der DIN EN 15804 und der DIN EN 15978-10.

Derzeit werden insbesondere die Komponenten der TGA nicht ausreichend bilanziert (z. B. in DGNB oder BNB). Das führt dazu, dass die Ökobilanzen von Luftleitungen und dazugehörige Komponenten, Komponenten der Wärmeerzeugung, Einbaukomponenten (wie Kabel oder Sensorik) oder weitere Einbauten der TGA nur abgeschätzt werden. Dies erfolgt regelmäßig mir prozentualen Anteilen der Kostengruppe 300 (Hochbau) und somit lediglich eine grobe Schätzung, deren Validität hinterfragt werden sollte.

Vor diesem Hintergrund beginnt die Berechnung der Ökobilanzen mithilfe von BIM-Modellen zunehmend an Bedeutung. Hierdurch können automatisierte Prozesse erreicht werden. Hierfür existieren verschiedene Workflows, zum Beispiel über Massen- und Mengenexport, geometrischer IFC-Import in Software für Ökobilanzen, Verknüpfung mit Datenbanken, Plugins für Softwareprodukte oder mithilfe von angereicherten BIM-Objekten. Beispiele für derartige Workflows werden bereits dokumentiert ([2], [3], [4]) finden jedoch keine breite Anwendung.

Es existieren verschiedene Tools zur Ökobilanzierung, die entweder als Plugins für gängige BIM-Software oder als eigene Lösungen funktionieren [5]. Je nach Produkt handelt es sich hierbei um Open Source Software, Pay per Use Modelle oder Software-as-a-Service Modelle, bei denen monatliche Abonnements abgeschlossen werden.

Simulationen

Mithilfe BIM-basierter Simulationen können Optimierungen für den gesamten Lebenszyklus erreicht werden, z. B. durch modellbasiertes Energiemanagement. Darüber hinaus kann der Bauablauf simuliert werden, wodurch Kollisionen und Probleme frühzeitig identifiziert werden können, um Zeit, Kosten und Materialverschwendung zu reduzieren bzw. zu vermeiden.

Insbesondere für die TGA ergeben sich durch modellbasierte Simulationen Optimierungspotenziale. Hierbei stellt der Zeitpunkt der Simulation einen relevanten Aspekt dar, der von den TGA-Planenden berücksichtigt und mit den anderen Beteiligten genau abgestimmt werden muss. Denn es besteht eine Beziehung zwischen

der Validität der Eingaben (je später die Eingabe, desto sicherer die Planung und bei zu früher Simulation können falsche Ergebnisse entstehen) und

den Einflussmöglichkeiten auf Grundlage der Simulationsergebnisse (je später die Simulation durchgeführt wird, desto schwerer werden möglicherweise notwendige Änderungen umsetzbar).

Dennoch sollten verschiedene Anwendungsfälle in Betracht gezogen werden, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Einen häufig umgesetzter Anwendungsfall stellt das Building Energy Modeling (BEM) dar, mit dessen Hilfe bereits in frühen Phasen Optionen der Energieeffizienz und des Komforts verglichen werden können. Einen weiteren Anwendungsfall bilden Komfortsimulationen.

Lebenszykluskosten

Auch im Hinblick auf die Lebenszykluskosten entstehen Optimierungspotenziale. Denn – nicht zuletzt aufgrund des lebenszyklusübergreifenden Ansatzes von BIM – können Planung, Ausführung, Nutzung und Verwertung ganzheitlich gedacht werden. Insbesondere im Hinblick auf die TGA, die über den Lebenszyklus einen Anteil von 35 bis 45 % einnimmt [6], sind Optimierungspotenziale durch BIM zu nutzen.

Hierbei existieren ebenfalls wieder verschiedene Möglichkeiten zur Verknüpfung von BIM und Lebenszykluskosten. Entweder kann spezifische Berechnungssoftware genutzt werden oder eine Berechnung innerhalb des Modells erfolgen. Insbesondere bei Einbeziehung der Lebensdauer von TGA-Komponenten (Pflege von Attributen an den TGA-Objekten) können verschiedene Alternativen im Hinblick auf die Lebenszykluskosten miteinander verglichen werden.

Grundlagen für die Integration

Für die optimale Umsetzung von BIM und Nachhaltigkeit ist es notwendig alle relevanten Daten in den Modellen zu pflegen. Hierfür stehen auch Datenbanken zur Verfügung, die mit den Modellen verknüpft werden können. Nachfolgend werden die Anforderungen an Daten beschrieben.

Anforderungen an Daten – Integration in AIA

Um die einzelnen BIM-Anwendungsfälle, die zuvor beschrieben wurden, umzusetzen sind verschiedene Informationen in den Modellen relevant. Für die TGA sind folgende Daten und Informationen für die zuvor fokussierten BIM-Anwendungsfälle im nachhaltigen Bauen relevant, die in Tabelle 1 dargestellt werden.

Diese Daten und Informationen sind entsprechend auch in den Auftraggeber-Informations-Anforderungen (vgl. Teil 1 dieser Serie) zu definieren. Darüber hinaus ist in den AIA und dem BAP zu definieren, welche Daten wann und in welcher Form benötigt werden. Auch die Schnittstellen (bspw. IFC, native Formate) sind klar zu definieren. Hierfür sind auch klare und definierte Prozesse mit entsprechenden Data Drops (vgl. Teil 2 dieser Serie) zu definieren. Jede Rolle (Architektur, Ausführende, Facility Management) müssen ebenfalls zusammenarbeiten und die relevanten Daten liefern.

Darüber hinaus müssen die Erkenntnisse aus vorherigen Projekten (z. B. zu Data Drops) in die projektspezifischen AIA einfließen. Es müssen außerdem konkrete Modellierungshinweise und Empfehlungen ausgesprochen werden. Zum Beispiel macht es für die Berechnungen und Simulationen einen wesentlichen Unterschied, ob Außenwände monolithisch oder schichtweise modelliert werden.

Datenbanken

Zur Berechnung stehen verschiedene Datenbanken zur Verfügung, in denen Daten und Informationen zu Bauteilen und Materialien abgerufen werden können. Die Datenbanken haben unterschiedliche Zielsetzungen und können bei der Erstellung von Simulationen, Ökobilanzen oder Lebenszykluskostenberechnungen unterstützen. Die nachfolgende Tabelle 2 stellt relevante deutsche Datenbanken dar.

Darüber hinaus existieren weitere, internationale Datenbanken, wie die Energy & Environmental Building Alliance (EEBA). Diese Datenbanken können mit den digitalen Gebäudemodellen verknüpft werden, um BIM-basierte Analysen durchzuführen.

IFC als Austauschformat

Das Industry Foundation Classes (IFC) Format spielt eine zentrale Rolle in der Integration von BIM und nachhaltigem Bauen. Es handelt sich um ein offenes, standardisiertes Datenmodell, das entwickelt wurde, um den Austausch und die Interoperabilität von Bauwerksdaten zwischen verschiedenen Softwareanwendungen zu ermöglichen. Diese Eigenschaft macht, gemäß heutigem Standard, IFC zu einem unverzichtbaren Werkzeug im Kontext von BIM, insbesondere wenn es um die nachhaltige Bewertung von Gebäuden geht. Mit der Einführung der neuesten IFC4x3 Add2-Version, wurde ein wichtiger Schritt in Richtung einer noch detaillierteren und spezifischeren Erfassung von Umweltdaten unternommen. Es finden sich derzeit die folgenden Property Sets (Sammlung von Properties) im Format wieder:

Pset_EnvironmentalEmissions (neu in IFC 4x3): Eigenschaftssatz für die Anwendung von Energieemissionen, die von Anlagen und physikalischen Elementen erzeugt werden.

Pset_EnvironmentalImpactIndicators: Indikatoren für die Umweltauswirkungen bezogen auf eine „funktionelle Einheit“.

Pset_EnvironmentalImpactValues: Werte der Umweltauswirkungen.

Während sich das erste PSet auf die Energieemissionen bezieht, dienen die anderen beiden PSets zur Bewertung der Umweltauswirkungen. Dabei werden insgesamt 17 Indikatoren betrachtet und können objektspezifisch integriert werden. Es muss dabei unterschieden werden, dass die Umweltauswirkungen sich lediglich auf eine Phase oder einen Zyklus beziehen (Property: LifeCyclePhase) und diese beiden PSets mit den Massen und Mengen multipliziert werden, um projektspezifische Ergebnisse zu erzielen.

Fazit und Ausblick

Die Ausführungen zeigen, dass die mit der BIM-Methode erstellen Datenmodelle bei der Nachhaltigkeit von Gebäuden einen entscheidenden Beitrag leisten können. Nichtsdestotrotz wird BIM für die ökologische Betrachtung von Bauwerken derzeit noch viel zu wenig in der Praxis angewendet. Deswegen ist es notwendig, weiter in die Umsetzung zu investieren und Modelle so aufzubereiten, dass diese als Grundlage für die nachhaltige Betrachtung von Bauwerken dienen. Das IFC-Format dient derzeit als standardisiertes Kommunikationsinstrument. Festzuhalten bleibt, dass bereits erste Schritte zur standardisierten Erfassung der notwendigen Daten unternommen wurden, diese aber keineswegs ausreichen und noch einige Entwicklungen in diesem Bereich zu erwarten sind (siehe bspw. VDI 2552-11.4).

Insbesondere für den Bereich der TGA gilt es hier weiter aufzuholen, da im Bereich des Hochbaus erste Projekte bereits umgesetzt werden. Insbesondere die Verwendung von Schätzwerten muss zukünftig vermieden werden, da sowohl in der Ausführung als auch in der Nutzung sowie der Verwertung der Anteil der TGA einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele darstellt.

Literaturverzeichnis

Das Literaturverzeichnis  finden Sie online unter: www.t1p.de/tab-3-24-BIM sowie über den QR-Code.