Die aktuellen Diskussionen über das Heizungsgesetz haben es einer breiten Öffentlichkeit verdeutlicht: Das Ziel 2045 (Deutschland) für einen klimaneutralen Gebäudebestand ist gesetzt. [1] Den allgemeinen Rechtsrahmen gibt die nochmals verschärfte europäische Gebäuderichtlinie „Energy Performance of Buildings Directive“ (EPBD) vor. Diese Richtlinie müssen die EU-Mitgliedstaaten umsetzen.
Im Jahr 2021 entfielen rund 37 Prozent der energie- und prozessbedingten CO₂-Emissionen und über 34 Prozent des weltweiten Energiebedarfs auf den Gebäude- und Bausektor. [2] Lediglich durch energetische Maßnahmen, etwa den Einbau energieeffizienter LED-Beleuchtungen, Fenster oder Dämmsysteme sind die ambitionierten Nachhaltigkeitsziele im Gebäudesektor nicht zu erreichen. Es werden vielmehr intelligente Gebäude benötigt: Smart Buildings.
Ökonomie und Nutzen im Blick
Smart Buildings sind intelligente Gebäude, die mit Kommunikations-, Automations- und Informationssystemen ausgestattet sind. Das Ziel ist, sowohl den Gebäudebetrieb aus ökonomischer Sicht zu optimieren als auch den Komfort für Nutzer und Nutzerinnen zu erhöhen.
Gebäude sind schon in herkömmlicher Bauweise komplexe Konglomerate unterschiedlichster Gewerke und Komponenten. Die Technologie in Smart Buildings umfasst zudem vernetzte Sensoren, Aktoren und Software mit Algorithmen und ggfs. künstlicher Intelligenz. Ähnliche Komponenten kennen wir bereits aus Industrie 4.0. Mit der Technologie soll es zum Beispiel möglich sein [3, Auszug aus Artikel 14 und 15]:
(a) den Energieverbrauch kontinuierlich zu überwachen, zu protokollieren, zu analysieren und dessen Anpassung zu ermöglichen;
(b) Benchmarks in Bezug auf die Energieeffizienz des Gebäudes aufzustellen, Effizienzverluste von gebäudetechnischen Systemen zu erkennen und die für die Einrichtungen oder das gebäudetechnische Management zuständige Person über mögliche Verbesserungen der Energieeffizienz zu informieren; und
(c) die Kommunikation zwischen miteinander verbundenen gebäudetechnischen Systemen und anderen Anwendungen innerhalb des Gebäudes zu ermöglichen und gemeinsam mit anderen Typen gebäudetechnischer Systeme betrieben zu werden, auch bei unterschiedlichen herstellereigenen Technologien, Geräten und Herstellern.
Ein Gebäude automatisieren
Aus technischer Sicht sind die genannten Herausforderungen im Gebäudesektor lösbar. Von den verschiedenen Branchenvertretern der Gebäudeautomatisierung und -steuerung werden heute schon intelligente Systeme angeboten. Mit diesen Systemen ist ein Gebäudebetreiber in der Lage, die verschiedenen gebäudetechnischen Anlagen, wie die Heizungs-, Belüftungs- und Beleuchtungsanlage, zu steuern und auch autonom operieren zu lassen. Die Systeme können auch die Luftqualität und Luftfeuchtigkeit messen und anpassen, um das Raumklima zu optimieren und den Energieverbrauch zu reduzieren. Nutzer und Nutzerin können mit Hilfe dieser Systeme den Energieverbrauch kontinuierlich überwachen und den Energiebedarf der gebäudetechnischen Systeme anpassen. Darüber hinaus sind Gebäudeautomationssysteme in der Lage, die Stromversorgung zu optimieren und den Energieverbrauch des Gebäudes an die Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen wie einer Photovoltaikanlage anzupassen. Smart Buildings können im nächsten Schritt Teil eines intelligenten Stromnetzes (Smart Grid) werden und überschüssige Energie an andere Smart Buildings bereitstellen bzw. benötigte Energie im Netz abfragen und falls nötig speichern (Abb. 01).
Abb. 01 Systemaufbau eines Smart Building - Auszug aus einer Photovoltaik-Anlage (PV). Quelle Jens Elsebach, Lucas Koch und Marc Wohlfart
Ideal schwer zu erreichen
Im Umfeld von Smart Building fehlt es an geeignetem Personal, um die komplexen Systeme zu planen, zu installieren, einzustellen und zu warten. Das vorhandene Personal sollte wiederum mit zielgruppenspezifischen, aktuellen und verlässlichen Informationen versorgt werden. Gefragt sind hier besonders die übergeordneten Systembeschreibungen der für das jeweilige Projekt individuell zusammengestellten Komponenten und Anlagen. Im Sinne eines Lean Information Gedanken sollte die richtige Information, für die richtige Person, zur richtigen Zeit, am richtigen Ort, in der richtigen Informationstiefe für alle Beteiligten bis zu den Bewohnern zur Verfügung stehen. Von diesem Informationsideal ist die Gebäudewirtschaft in weiten Teilen der Praxis jedoch immer noch weit entfernt. Mit Building Information Modeling (BIM) gibt es dafür aber einen vielversprechenden Lösungsansatz.
Eine Datenbasis für alle Phasen
Building Information Modeling (BIM) ist der führende ganzheitliche Ansatz der Bauindustrie zur Bauwerksdatenmodellierung. Beginnend mit der frühen Planungsphase eines Bauwerks können lebenszyklusübergreifend alle relevanten Informationen in einer gemeinsamen Datenbasis gepflegt und synchronisiert werden. BIM ist dabei nicht nur eine Methode, dreidimensional zu modellieren, sondern kann weitere Dimensionen umfassen. Dazu zählen eine Bauzeit- und Kostenanalyse oder die relevanten Informationen der Nutzungsphase im Facility Management. Eine maßgebliche Grundlage von BIM stellen die BIM-Objekte dar.
Idealerweise stammen die BIM-Objekte direkt von den Herstellern der Bauwerkskomponenten. Vereinfacht gesagt, handelt es sich bei BIM-Objekten um digitale Zwillinge der Bauwerkskomponenten, mit denen herstellerseitig alle relevanten Informationen für das digitale Gebäudemodell bereitgestellt werden können (Abb. 02). Zunehmend bieten die verschiedenen Hersteller in den BIM-Objekten auch Permalinks auf die eigenen Informationsportale für technische Informationen.
Trotz propagierter Interoperabilität stellt sich in der Praxis auch in diesem Bereich des Informationsmanagements die Frage nach der Bereitstellung und Standardisierung der Daten. Leider passiert es immer wieder, dass Fachleute für die Planung „veraltete“ oder nicht für den lokalen Markt freigegebene BIM-Objekte in ihren Gebäudemodellen verwenden. Schlimmstenfalls werden Komponenten eingeplant, die vom Hersteller überhaupt nicht mehr angeboten oder technisch unterstützt werden. Auch die Lokalisierung der Produkte für unterschiedliche Märkte ist komplex. Lösungen bieten synchronisierte Hersteller-Apps, die direkt und digital auf die aktuellen Produktkataloge der Hersteller zugreifen.
Abb. 02 Beispiel für BIM-Komponenten in einem Smart-Building. Quelle Jens Elsebach, Lucas Koch und Marc Wohlfart
Vielfältige digitale Vernetzung
Die Implementierung von Building Information Modeling kann eine wichtige Grundlage für ein Smart Building darstellen. Denn die Informationen über das Gebäude werden in einem digitalen Format gespeichert und damit ermöglicht, dass diese Daten von den verschiedenen intelligenten Systemen genutzt werden können. BIM erlaubt die Erstellung eines digitalen Zwillings von einem Gebäude: Eine virtuelle Darstellung eines physischen Objekts oder Systems, die alle relevanten Informationen enthält. Solche Darstellungen können etwa eine 3D-Visualisierung, verwendete Baumaterialien, eingebaute technische Systeme, (Echtzeit-) Energieverbrauchsdaten oder auch Wartungsprotokolle sein.
Wie beschrieben, ist jedoch die Kompatibilität und der Informationsaustausch zwischen verschiedenen Akteuren eine der Herausforderungen. Um das volle Potenzial von BIM und Smart-Building-Lösungen auszuschöpfen, müssen verschiedene Komponenten nahtlos zusammenarbeiten. Dies erfordert eine standardisierte Datenstruktur und den Einsatz offener Schnittstellen, um die Interoperabilität zu gewährleisten. Im Bereich von BIM gibt es diese Ansätze, zum Beispiel mit openBIM und dem IFC-Datenaustauschformat. [4, 5] Dennoch existieren Hürden, bis der Informationsaustausch auch außerhalb der nativen Anwendungen einzelner Softwarehersteller funktioniert; mehr dazu in unseren Forschungsansätzen (Masterprojekt 01 und 02).
Die passenden Informationen
Die Dokumentation von Gebäuden ist eine komplexe Aufgabe, die viele Herausforderungen hat:
- die baubegleitende Planung
- die besonderen Bedingungen der Unikatfertigung
- der häufige Wechsel der Projektbeteiligten insbesondere zwischen Planungs-, Bau- und Nutzungsphase
- die projektspezifischen Informationsinteressen, die einer transparenten Dokumentation entgegenstehen können
- die fehlende Standardisierung / Vorgaben und Fähigkeiten der Beteiligten
Einen Überblick über die Systeme, deren Schnittstellen und Anforderungen an die Informationen zeigt Abbildung 03.
Abb. 03 Übergeordnete Beschreibung eines Systems verschiedener Komponenten. Quelle Jens Elsebach, Lucas Koch und Marc Wohlfart.
Insgesamt führen die Herausforderungen zu einem instabilen Dokumentationsprozess mit wechselhaften Ergebnissen. Auch in der tekom wird die übergeordnete Gebäudedokumentation meist als exotisches Projektthema betrachtet.
Dabei sind Gebäude allein durch die notwendigen Investitionen und die lange Lebensdauer Objekte, denen sich aus Sicht der Autoren eine professionelle Technische Redaktion widmen sollte. Gerade bei der komponentenübergreifenden Beschreibung von Systemen und Anlagen gibt es viele Informationsfälle, deren Beschreibung sich lohnen sollte. In der Gebäudedokumentation werden etablierte Prinzipien wie zum Beispiel Modularisierung, Single Sourcing und Wiederverwendung, die wir aus der modernen Technischen Redaktion kennen, noch nicht zielführend genug eingesetzt.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Smart Buildings haben erhöhte Anforderungen an die Gebäudedokumentation und erfordern das Know-how einer modernen Technischen Redaktion, erweitert um Detailkenntnisse in BIM und vernetzter Gebäudetechnik, analog der Vernetzung des Internet of Things. Diese Ziele verfolgt die TH Aschaffenburg in Forschung und Lehre.
Lernen mit Modellcharakter
Um die notwendigen Kompetenzen zur Erstellung eines BIM und die Beschreibung mit Informationen aus einem Redaktionssystem in der Lehre zur vermitteln, wurde an der TH Aschaffenburg das Lehrmodul „Digital Twin – der digitale Zwilling in der technischen Kommunikation“ im Studiengang Multimediale Kommunikation und Dokumentation (MKD) eingeführt. Das Konzept der Smart Buildings mit verknüpften und redaktionell bearbeiteten Informationen soll hier für die Studierenden im dritten Fachsemester praktisch erlebbar werden.
Jeder Studierende erstellt als Semesterarbeit ein eigenes Gebäude als BIM. Mit einem Redaktionssystem (CCMS) erarbeiten die Studierenden dann Informationsmodule, die über ein Content-Delivery-Portal veröffentlicht und mit dem BIM verknüpft werden. Zum Semesterende werden die verschiedenen Gebäude zu einer gemeinsamen Stadt, der Digital Twin City zusammengestellt. Verschiedene Informationsbereitstellungen werden simuliert, etwa über QR-Codes oder AR-Anwendungen. In Abbildung 04 sind die zugewiesenen leeren Grundstücke zu Semesterbeginn und eine Visualisierung der Digital Twin City zum Semesterende (Wintersemester 2022/2023) dargestellt.
Abb. 04 Lehrmodul "Digitaler Twin - der digitale Zwilling in der technischen Kommunikation". Quelle Jens Elsebach, Lucas Koch und Marc Wohlfart
Smart Buildings in der Forschung
Seit 2016 bietet die Hochschule den projektorientierten Masterstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen an. Den Kern dieses Masterstudiums bildet ein praxisorientiertes Forschungsprojekt über mindestens drei Semester. Aktuell widmen sich zwei Masteranden – Co-Autoren des vorliegenden Artikels – den Themenfeldern. Die Projekte werden unter Masterprojekt 01 (Lucas Koch) und Masterprojekt 02 (Marc Wohlfart) vorgestellt.
Bauen und mitgestalten
Beide Masterprojekte werden mit Daten eines Gebäudes umgesetzt, das gerade realisiert wird. Bauherr ist ein Praxispartner. Über die gewonnenen Erkenntnisse und Best Practices im Bereich BIM in Kombination mit Technischer Redaktion soll in weiteren Veröffentlichungen berichtet werden. Wir laden interessierte Experten und Expertinnen sowie Unternehmen herzlich dazu ein, sich an diesen und kommenden Projekten zu beteiligen und gemeinsam die Zukunft der Gebäudedokumentation mitzugestalten.
Masterprojekt 01 |
Das Masterprojekt beschäftigt sich mit der bereits geschilderten Thematik mit Blick auf die Einsatzmöglichkeiten und den daraus resultierenden Mehrwerten von Smart Buildings. Der Aspekt der Einsparpotenziale, speziell bei Energie und Ressourcen, steht im Mittelpunkt vieler Debatten. Nicht zuletzt deshalb, weil die Aktualität der Thematik den Bedarf an intelligenten Systemen zur Steuerung enorm hat ansteigen lassen. Im Kern beschäftigt sich das Projekt mit der Entwicklung einer Nutzeranwendung, die genau die geschilderten Anforderungen erfüllen soll. Mit der Anwendung sollen Nutzer und Nutzerin Informationen und Daten zum Energieverbrauch des Gebäudes abrufen können. Die Erkenntnisse aus der praktischen Umsetzung des Masterprojektes liefern dann Ansätze, wie solche Gebäudesysteme operieren. Außerdem können daraus resultierend neue Arbeitsstrukturen und Workflows für die Praxis bestimmt werden. Theoretisches Fundament sind die EU-Richtlinien, die den Rechtsrahmen der Nutzeranwendung beschreiben. Im Vordergrund der praktischen Umsetzung stehen die Technologien BIM und IoT. In der Umsetzung sollen beide Technologien dem Nutzenden die Möglichkeit liefern, mittels Sensordaten aus den IoT-Geräten den Energieverbrauch aller gebäudetechnischen Systeme einzusehen. Die Kombination beider Technologien soll zum einen zur gegenseitigen Verstärkung der Technologien führen, und zum anderen sollen die Einsatzmöglichkeiten für Industrie und Endverbraucher verdeutlicht werden. Der digitale Zwilling nutzt dabei Echtzeitdaten aus den IoT-Geräten, um den realen Zustand des Gebäudes näher abzubilden. Innerhalb der Anwendung hat man dann die Möglichkeit, auf Raum- und Stockwerkebene Daten auszulesen. Dies verbessert das Verständnis über den Gebäudebetrieb und macht Möglichkeiten zum Einsparen deutlich. |
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Masterprojekt 02 |
Nutzung von 3D-Methoden in der Industrie in internen und externen Kontexten – Evaluation von 3D-Planungs-/Konstruktions- und Visualisierungsmethoden im Lebenszyklus Wie können digitale 3D-Tools helfen, mit möglichst vielen potenziellen Stakeholdern mit minimalem Verlust und hoher Interoperabilität Informationen auszutauschen? Welche Rolle spielt dabei BIM und wie kann effizientes Datenmanagement gewährleistet werden? In diesem Masterprojekt werden verschiedene Tools und Workflows beleuchtet, die sich in den unterschiedlichen Phasen eines Gebäudelebenszyklus anwenden lassen. Diese ermöglichen beispielsweise die Simulation von Energieverbräuchen, die Visualisierung und das XR Scouting (Erkundung des Bauplatzes mit x-Reality Anwendungen in verschiedenen Bauphasen) oder einen holistischen Ansatz im Gebäudemanagement mit digitalen Zwillingen. Ein wesentliches Kriterium der Analyse dieser Tools ist die Interoperabilität und die Fähigkeit zur Zusammenarbeit an einem Datenmodell. Die Grundlage für einen digitalen Zwilling eines Gebäudes sind eingebaute Herstellermodelle, die kompatibel zu BIM sind. Einige Hersteller sind vorbildlich und stellen Modelle und Dokumentationen bereit oder bieten sogar Plug-ins für die Modellierungsprogramme an, um alle Informationen direkt im Modell zu integrieren. Ein Problem ist allerdings die Interoperabilität – Herstellermodelle sind teils nur im nativen Dateiformat spezifischer Modellierungsprogramme verfügbar. Sobald man ein digitales Gebäudemodell mit allen relevanten Herstellermodellen erstellt hat, kommt oft die nächste Herausforderung: Wie kann dieses Modell auf einen Server übertragen werden, um in Echtzeit die Daten der tatsächlichen Geräte auszulesen und anzuzeigen? Je nach Modellierungssoftware muss man für eine entsprechende Datenqualität entweder im Ökosystem eines Softwareherstellers bleiben. Alternativ versucht man es mit offenen und interoperablen Schnittstellen wie IFC, die jedoch von jedem Softwarehersteller tendenziell auf seine eigene Art und Weise behandelt werden können. Letztlich sollen BIM-Daten mithilfe einer ausgewählten Plattform in einer ganzheitlichen Lebenszyklusbetrachtung genutzt werden: So sollen im Gebäudebetrieb Informationen auslesbar sein, Wartungsbedarf analysierbar und entsprechende Maßnahmen verteilt werden können. Um eine realistische Evaluation durchführen zu können, werden reale Gebäudedaten in den Workflow integriert. |
Links und Literatur
[1] BMWSB (zum Thema nachhaltiges Bauen): https://www.bmwsb.bund.de/Webs/BMWSB/DE/themen/bauen/bauwesen/nachhaltiges-bauen/nachhaltiges-bauen-node.html
[2] United Nations Environment Programme (2022): 2022 Global Status Report for Buildings and Construction: Towards a Zero‑emission, Efficient and Resilient Buildings and Construction Sector. Nairobi.
[3] Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) (EU) 2018/844): https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri= CELEX%3A02010L0031-20210101
[4] DIN EN ISO 16739-1:2021-11: Industry Foundation Classes (IFC) Industry Foundation Classes (IFC) für den Datenaustausch in der Bauwirtschaft und im Anlagenmanagement – Teil 1: Datenschema (ISO 16739-1:2018).
[5] DIN EN ISO 16739-1:2023-04 – Entwurf: Industry Foundation Classes (IFC) für den Datenaustausch in der Bauwirtschaft und im Anlagenmanagement – Teil 1: Datenschema (ISO/DIS 16739-1:2023).
