Text: Prof. Dr. Jürgen Griebsch, Marco Busse, Tobias Häfele

BIM und Industrie 4.0 – zwei Stichwörter, die die Effizienz der deutschen Wirtschaft mittels modernster digitaler Techniken fördern sollen. Wie kann sich die Bauwirtschaft an dieser Entwicklung beteiligen? Unter welchen Bedingungen können digitale Techniken in der Planungsphase und in der Ausführungsphase den Bauprozess als Ganzes unterstützen? Professor Peter Böttcher von der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) entwickelten gemeinsam mit französischen und deutschen Unternehmen eine Pilotanwendung, die aufzeigt, wie eine internetbasierte Kommunikation zwischen den Bau-Beteiligten funktionieren kann. Wesentliches Merkmal ist, dass jede Firma ein einfaches Werkzeug zur Produktionsplanung hat und die Möglichkeit, an einem offenen und durchgängigen Kommunikationsprozess teilzunehmen, der ihren Bedürfnissen entspricht.

Trotz intensiver Forschung findet die Digitalisierung in der Praxis des Bauwesens in Deutschland derzeit noch kaum Anwendung. Anders als die standortgebundene Produktionsindustrie sind die Bau-Beteiligten volkswirtschaftlich dezentral strukturiert und somit ein Sonderfall in der deutschen Wirtschaft. Die Bau-Beteiligten sind Planer wie z. B.  Architekten, Tragwerksplaner, Haustechniker, Vermesser, Geotechniker, Ausführende wie Baufirmen und Handwerker. Dazu kommt die Gruppe der Aufsicht wie Genehmigungsbehörden, Denkmalschutz und Stadtentwicklung. Betriebswirtschaftlich haben die Unternehmen in  allen drei Gruppen eines gemeinsam: Der Auftrag steht im Mittelpunkt des Handelns der Unternehmung. Da die einzelnen Gewerke vertraglich oftmals nicht miteinander verbunden sind und jeder Auftrag nur ein einzelner Bestandteil des Bauwerkes ist, führt dies häufig zu Konflikten mit dem zentralen Planungs- und Ausführungsansatz des Bauherren oder Bauplaners. Dieser Konflikt zeigt sich immer wieder in den hohen Streitanteilen vor Gerichten. Ansätze mit Projektsteuerern oder das Bauen zu garantierten Festpreisen oder mithilfe von Pauschalverträgen haben punktuell Verbesserungen erreicht, sie haben aber den grundsätzlichen Konflikt nicht gelöst.

VITRUV 21:

Bauabläufe im virtuellen Raum

Grundlage für eine digitale Ausführungsphase mit Planung und Steuerung der Produktion sind ein digitales Bauwerksmodell und ein Web-Dienst, mit dem das digitale Bauwerksmodell verwaltet werden kann. Der Web-Dienst läuft in einem handelsüblichen Browser (z. B. Chrome), der über das Internet geöffnet wird. Im Zentrum der Planung und Steuerung der Produktion eines Bauwerkes steht der Bauleiter. Seine wesentliche Aufgabe ist die konzeptionelle Planung des Bauwerkes. Hierzu muss er es in Bauabschnitte unterteilen und die zeitliche und logische Reihenfolge der Bauabschnitte festlegen. Alle weiteren Aufgaben bauen auf diesem Konzept auf. Professor Peter Böttcher (htw saar) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) haben in Zusammenarbeit mit deutschen und französischen Unternehmen diesen Planungsprozess analysiert und einen Web-Dienst (Compass) entwickelt, in dem der Bauleiter ein Bauwerk im 3-D-Modell bauen kann und somit die zeitliche und logische Reihenfolge der Bauabschnitte festlegt. Über dieses 3-D-Modell kann der Bauleiter auf die Objekte des Bauwerkes zugreifen. Objekte sind Bauelemente, Bauteile, Bau-abschnitte, das gesamte Bauwerk. Stammt die Zeichnung von einer objektorientierten CAD-Anwendung, z. B. Revit, eines Architekten oder Tragwerkplaners, kann die Struktur sehr fein sein. Wurde die Zeichnung mit einer einfachen objektorientierten CAD-Anwendung, z. B. SketchUp, durch den Bauleiter selbst erstellt, wird die Struktur eher gröber sein. Für die Steuerung der Produktion reicht eine grobe Struktur in Bauteilen und Bauabschnitten aus.

Der Arbeitsprozess mit Compass beginnt für den Bauleiter mit der Planung des Bauprozesses. In dieser Planung baut er das Bauwerk auf der Basis der Bauteile oder Bauabschnitte. In diesem Bauprozess kann er sofort die notwendigen Einrichtungselemente wie Kran, Gerüst,  Lagerplätze etc. zuordnen. Zu diesen Objekten können Regeln und Eigenschaften eingepflegt werden, wie Abstand zum Bauwerk, Lastkurve oder Sicherheitshinweise. Über frei wählbare Zusatzprogramme (Plugin oder Add-on) kann z. B. eine Gefährdungsbeurteilung für den Bauabschnitt oder das Bauteil erstellt werden. Ein Plugin oder Add-on ist ein Programm, das über eine definierte Schnittstelle in den Web-Dienst Compass eingebunden werden kann. Die „Plugins“ können von unterschiedlichsten Softwareherstellern bereitgestellt werden und sind die  eigentlichen Zugewinne für den Bauleiter. Ein Plugin hat über definierte Schnittstellen (BIM-Logik) Zugriff auf die Objekte in Compass und kann zusätzliche Eigenschaften erfassen und bearbeiten, z. B. Mengenermittlung, Erfassung der Arbeitsstunden, Qualitätsanforderungen oder auch Behinderungen im Ablauf der Bauabschnitte.

Das wäre die lokale Arbeitsweise des Bauleiters. Die globale Arbeitsweise ist die Zusammenarbeit mit einem Bau-Dienstleister, wie z. B. für Schalung, Steine oder Fertigteile. Der Schalungsbauer z. B. hat ebenfalls die Grundversion von Compass. Über ein Schalungs-Plugin kann die Baufirma Daten des Bauwerks an den Schalungsdienstleister versenden oder auf seinem Rechner freigeben. Der Schalungsdienstleister hat Compass mit  einem Plugin, das die Daten einlesen und die Schalungsplanung durchführen kann. Die Rückgabe der Schalungspläne erfolgt über Datenfreigabe oder versenden. Die beiden Plugins „Baufirma“ und „Dienstleister“ ermöglichen die Kommunikation zwischen den beiden Bau-Beteiligten. Das Bauteil (Objekt) Stahlbetontreppe hat durch diesen Planungsvorgang  zusätzliche Eigenschaften gewonnen, z. B. Schalplatten, Verbindungselemente, Abstützungen etc. Der Bauleiter kann die fertige Schalungsplanung als 3-D-Objekt in seinen Bauprozess einbinden. Da dieses 3-D-Objekt Schalung den Fertigungsplänen des Schalungsherstellers entspricht, hat es die gleichen Abmessungen wie die Originalschalung auf der Baustelle. Im 3-D-Modell oder besser in einer virtuellen Realität mit einer Okulus-Brille kann jetzt das Zusammenspiel der unterschiedlichen Bauteile geprüft werden, besonders das Zusammenspiel verschiedener Bauteile, wie z. B. Mauerwerk-Deckenelemente oder Mauerwerk-Dachstuhl. Gerade die Bau-Dienstleister können über die Plugins, die sie den Baufirmen zur Verfügung stellen, ihre Dienstleistungen optimal auf die Baufirmen ausrichten und benötigen nicht jedes Mal eine Oberfläche zur Erfassung und Verwaltung der Geometriedaten des Bauwerks.

BIM und Industrie 4.0

Building Information Modelling oder „Bearbeitung digitaler Gebäudedaten“ steht für den Austausch von Gebäudedaten zwischen den einzelnen Bau-Beteiligten.  Die Zielsetzung des Austausches kann sehr unterschiedlich sein. Ein sehr stark diskutiertes Ziel ist die Vergleichbarkeit von Plänen Architektur, Tragwerk, Haustechnik. Auch der Austausch von Daten im Produktionsprozess ist BIM. Für diesen Austausch müssen die Prozesse  offengelegt und die Datenformate gemäß dem Standard des Internets strukturiert und geöffnet werden. Industrie 4.0 steht für die digitale Entwicklung der Produktionsplanung und -steuerung in der deutschen Wirtschaft. Mit dem Bauwerksbrowser VITRUV21 kann sich insbesondere die klein- und mittelständische Bauwirtschaft in die Diskussion um Industrie 4.0 sehr gut einbringen.

Ein dezentrales System benötigt einen Rahmen. Die Schnittstellen, die Datenformate müssen entwickelt und verwaltet werden. Das Zusammenspiel muss überprüft und gesteuert werden. Diese Verwaltungsaufgaben können die forschenden Hochschulen in Zusammenarbeit mit den Verbänden übernehmen. Damit wäre auch gewährleistet, dass das System offen und kostengünstig bleibt, insbesondere im Sinne der kleinen Baufirmen und Handwerksbetriebe.