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Building Lifecycle Management: Integrale Planung, Produktdatenmodellierung und Virtual Engineering

Building Information Modeling BIM ist mittlerweile in aller Munde. Doch während die ganzheitliche, computergestützte Planungsmethode auf Basis von semantischen 3D-Modellen beispielsweise in Großbritannien oder den USA bereits zum Standard geworden ist, ist die Akzeptanz hierzulande noch zögerlich. Als Leiterin des Fachgebiets Building Lifecycle Management des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschäftigt sich Prof. Dr. Petra von Both mit der Konzeption, Entwicklung und Anwendung computergestützter Methoden und Werkzeuge zur Realisierung eines integrierten Building Lifecycle Managements, das bedeutet, einer bauwerks- bzw. systemumfassenden, kooperativen Planungsmethodik. Die Entwickung und Anwendung intelligenter Bauwerksmodelle (BIM) stellt hierzu einen wichtigen Baustein dar.

Bildrechte alle: KIT, Building Lifecycle Management

Der Mehrwert von BIM basiert auf der prozessbegleitenden Einbindung und Nutzung fachübergreifender Informationen in einem intelligenten, virtuellen Bauwerksmodell. Die Basis zur Integration dieser Prozesse ist ein konsistentes, durchgängiges und validierbares virtuelles Gebäudemodell, das über die verschiedenen Phasen der Planung, Erstellung und Nutzung des Bauwerks weiter angereichert wird. Über ein solches Building Information Model (BIM) können die verschiedenen räumlichen Strukturen, Bauteile und Räume eines Gebäudes mit ihren unterschiedlichen Aspekten (z.B. Geometrie, verwendete Materialien, Kosten etc.) und Fachinformationen (Statik, Bauphysik etc.) über den gesamten Lebenszyklus abgebildet, vernetzt und verwaltet werden.

Ist auch die Praxis zurzeit noch weit entfernt von einem durchgängigen virtuellen, modellbasiertem Planungs- und Bauprozess, so existieren bereits erste CAD-basierte Ansätze für integrierte Teilprozesse, wie z.B. die Kopplung von CAD mit Statik- oder Haustechnik-Software (Stufe 3), die CAD-AVA-Kopplung (Stufe 4) oder eine CAD- und Ablauf-Kopplung (sogenannte 4D-Systeme). Durch die Weiterführung dieses Ansatzes mittels der Einbindung weiterer Aspekte wie Prozessmanagement und Ökobilanzierung lassen sich zukünftig große Potenziale im Bereich des Lifecycle-Managements erschließen. Die folgende Abbildung verdeutlicht diesen Evolutionsprozess:

BIM-Mehrwert durch Integration

Um alle über den Lebenszyklus erforderlichen Software-Tools und Fachapplikationen vernetzen und effizient an das virtuelle Gebäudemodell anbinden zu können, ist es wichtig, die formale Beschreibung dieser Bauwerksmodelle zu standardisieren. Die IFC (Industry Foundation Classes) der Building-SMART Initiative – ein weltweiter Zusammenschluss führender AEC Softwarehersteller und -nutzer – haben sich hier bereits als leistungsfähiger, herstellerneutraler Standard zur Beschreibung von bauteilorientierten Bauwerksmodellen erwiesen. Aufgrund seiner offenen und flexiblen Struktur bietet das IFC Schema zudem die Basis zur Erweiterung. Die Einbindung von Aspekten der Ökobilanzierung und Nachhaltigkeit, des lebenszyklusbezogenen Kostenmanagements (sogenanntes LCC Lifecycle Costing) sowie die Kopplung von Objekt- und Prozessdaten stellen derzeit Inhalte aktueller Forschungsaktivitäten dar.

Prinzip des IFC-Modells

Auf Werkzeugseite (CAD) können bereits heute Zusatzinformationen zum Bauteil, wie beispielsweise Produktklassifikationen oder Infos zur Materialität relativ einfach und mit geringem Aufwand über die Einbindung von Katalogen oder Materialbibliotheken realisiert werden. Einige BIM-Systeme stellen hierzu sogenannte Assistenten mit vorbemusterten Bauteilen zur Verfügung. Der Geometriekern des CAD-BIM-Systems ermöglicht sodann eine Ermittlung der modelbasierten Mengen, wobei nach System durch die Einbindung sogenannter Berechnungsformeln sogar normbasierte Mengen nach VOB automatisiert ermittelt werden können.

Eine Ökobilanz (engl. Life Cycle Assessment LCA) nach DIN EN ISO 14040/44 ist die systematische Analyse der Umweltwirkungen von Produkten, Verfahren oder Dienstleistungen entlang des gesamten Lebenszyklus. Hierbei werden sämtliche Energie und Stroffströme sowie Wirkungen auf die Umwelt berücksichtigt, die während der Herstellung, Betriebsphase und der Entsorgung bzw. dem Rückbau und den damit verbundenen Sekundärprozessen (z.B. Herstellung von Betriebs- oder Herstellungsstoffen) verbraucht werden bzw. entstehen: In der sogenannten Sachbilanz werden Daten zu allen eingehenden und ausgehenden Material- und Stoffströmen erfasst. Grundlage hierzu stellen die sogenannten EPD, ökologische Produktdeklarationen der einzelnen Bauteile bzw. verwendeten Materialen dar. In der darauf folgenden Wirkungsabschätzung (engl. Life Cycle Impact Assessment – LCIA) werden die hieraus resultierenden Umwelt- und Gesundheitswirkungen sowie die Ressourcenverfügbarkeit errechnet.

Einsatz von Ökobilanzierungswerkzeugen

Heute verfügbare LCA Werkzeuge erfordern eine sehr detaillierte Eingabe der Bilanz- und Gebäudedaten sowie konkrete Material- und Mengeninformationen. Der Aufwand zur Durchführung ist vergleichsweise hoch, für ein Einfamilienhaus kann die Bilanzierung bis zu zwei Werktage in Anspruch nehmen. So findet die LCA zumeist erst am Ende der Planung Anwendung. Je später jedoch Öko-Aspekte Berücksichtigung finden, desto weniger kann von einem nachhaltigen planungsbegleitenden Ansatz gesprochen werden. Optimierungen sind meist nur noch erschwert möglich, Planungsänderung sind mit einem hohen Aufwand verbunden. Ziel ist es somit, einen effizienteren Einsatz von Ökobilanzierungswerkzeugen als planungsbegleitendes Optimierungswerkzeug zu ermöglichen, das bereits in frühen Planungsphasen mit generalisierten Materialangaben (verallgemeinerten Produktkategorien) arbeiten kann und durch geeignete Schnittstellen zu BIM-Systemen Quantitäten und Materialkenndaten direkt und ohne größeren Aufwand importieren kann.

Ebenen der Gebäudemodellierung im LCA Kontext

Wichtig ist es, die Schnittstellen von BIM und den einzelnen Bilanzierungswerkzeugen stetig zu verbessern, da heutige Schnittstellen die geeigneten Fachinformationen noch nicht in ausreichendem Maße bereitstellen können. Daher spielt auch die Qualitätssicherung der Daten, gerade bei der Schnittstellenübergabe, eine wichtige Rolle. Voraussetzung für die Prozessverbesserung wäre allerdings auch, dass bereits im BIM-System die entsprechenden Öko-Basisdaten modelliert werden. Die oben erläuterte Methodik der Bauteil- und Materialkataloge könnte dabei durch eine einfache Erweiterung um beispielsweise Öko-Produktinformationen (vgl. EPDs ecological product declaration) angewandt werden. Allerdings bleibt dieser Schritt auf Seiten der BIM-Anbieter bisher leider aus, so dass dieser Aspekt zunächst der Forschung vorbehalten bleiben wird, um in Pilotprojekten deren Benefit aufzeigen zu können. 

(Text Prof. Dr. Petra von Both)

Weitere Informationen finden Sie hier

 

Vortrag von Prof. Dr. Petra von Both, Leiterin des Fachgebiets Building Lifecycle Management des Karlsruher Institut für Technologie KIT, im Rahmen der fünfteiligen Veranstaltungsreihe „Die Zukunft des Bauens“, veranstaltet von DETAIL research und der Forschungsinitiative Zukunft Bau des BMUB und BBSR am 20. Februar in Berlin zum Thema "Höhere Effizienz und Recyclingfähigkeit dank neuer Materialkombinationen"

Zur Person
Prof. Dr.-Ing. Petra von Both ist Leiterin des Fachgebiets Building Lifecycle Management des Karlsruher Institut für Technologie KIT. Sie vertritt die Arbeitskreise Architektur- und Bauinformatik im BIM Beirat des BMVBS und war als Beraterin des Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung BBR im Bereich BIM tätig. Nach dem Studium der Architektur war Petra von Both als Mitarbeiterin bei Bilfinger+Berger tätig, bevor sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Industrielle Bauproduktion (Fritz Haller, Niklaus Kohler) für diverse Forschungsprojekte verantwortlich war. Im Jahr 2004 promovierte sie zum Thema „Ein systemisches Projektmodell für eine kooperative?Planung komplexer Unikate“. Nach ihrer Promotion war sie bis 2008 für die Nemetschek AG als Leiterin der Stabsabteilung Corporate Strategic Development tätig, fungierte als strategische Beraterin des Vorstands und Leiterin des Nemetschek Forschungsteams. 2008 wurde ihr die Professur am KIT übertragen. Sie ist Autorin zahlreicher Buchpublikationen und Fachtexte.

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