Mit digitalen Werkzeugen reale Brände vermeiden

31.12.2018 | Veröffentlicht in Ausgabe 01-2019 | Druckvorschau

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BIM und die Digitalisierung beeinflussen immer stärker auch den Brandschutz.
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1 BIM und die Digitalisierung beeinflussen immer stärker auch den Brandschutz.

BIM, das Internet der Dinge, die Digitalisierung und andere IT-Trends werden den vorbeugenden Brandschutz verändern. Welche Möglichkeiten bieten die neuen Technologien für Planer, Ausführende oder Hersteller und was sind die Herausforderungen?

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Die Digitalisierung des Brandschutzes hat zahlreiche Auswirkungen auf die die Bereiche Planung, Ausführung, Instandhaltung und Wartung.
Sie rationalisiert Prozesse, vereinfacht Arbeitsabläufe, macht sie weniger fehleranfällig, eröffnet aber auch neue Möglichkeiten.
Neben BIM verbessern IT-Trends wie das Internet der Dinge, Big Data oder die Künstliche Intelligenz die Gebäudesicherheit.
Probleme in den Bereichen Datensicherheit und Datenschutz bremsen allerdings die Digitalisierung.
Weitere Hürden sind der Mangel an Systemintegration und -kompatibilität sowie die Bereitschaft planender und ausführender Unternehmen, sich mit den neuen Techniken auseinandersetzen und zu qualifizieren.

Mit der digitalen oder 4. industriellen Revolution einhergehende Veränderungen wirken sich immer stärker auch auf die Planung, Ausführung, Instandhaltung und Wartung brandschutztechnischer Anlagen aus. Zu den zahlreichen neuen Einflussfaktoren auf den baulichen und anlagentechnischen Brandschutz gehören insbesondere die modellorientierte Planung und die BIM-Planungsmethode. Darüber hinaus werden künftig auch das Internet der Dinge, Big Data, die Künstliche Intelligenz und weitere aktuelle IT-Trends den Brandschutz erheblich verändern.

BIM im Brandschutz

Eine Vielzahl von Möglichkeiten für den vorbeugenden Brandschutz eröffnet die modell- und lebenszyklusorientierte BIM-Projektplanung. BIM-Modelle enthalten nicht nur topologische Informationen, an welchen Stellen brandschutzrelevante Bauteile wie Wände, Decken, Türen oder Fenster eingebaut sind. An diesen Bauteilen hängen auch alle Informationen in Form von Bauteilattributen zu den Abmessungen, zum Bauteilaufbau, zum Material, zur Feuerwiderstandsklasse, zur Öffnungsrichtung von Brandschutztüren, zu Feststellanlagen, Brandabschottungen etc. sowie zu umgebenden Bauteilen.

Werden in das BIM-Modell digitale Entsprechungen konkreter realer Bauprodukte – so genannte BIM-Objekte – eingebaut (TGA 04-2016: Mit digitalen Pendants rationeller planen, Webcode 703937), vereinfacht das sowohl die Konstruktion, Auslegung, Berechnung, Simulation und Ausschreibung von Projekten als auch die Bestellung, Lieferung und Montage.

Auch für Bauprodukthersteller eröffnen BIM-Objekte neue Möglichkeiten im Marketing und Vertrieb. Werden die Bauteilattribute durch Montage-, Wartungs- und Instandhaltungsinformationen und -dokumente ergänzt, entsteht sukzessive eine umfassende Wissensdatenbank für die spätere Gebäudebewirtschaftung.

Der intensivere Austausch zwischen Architekt und Fachplanern und das regelmäßige Zusammenführen und Überprüfen der einzel-nen Fachmodelle auf mögliche Kollisionen oder Unstimmigkeiten macht die BIM-orientierte Brandschutzplanung zudem weniger fehleranfällig.

Durch Planungsänderungen bedingte Folgeänderungen für den Brandschutz werden schneller und deutlicher sichtbar. Ändern sich beispielsweise Brandabschnitte, wird der TGA-Planer im Rahmen festgelegter Koordinationsprozesse sofort darüber informiert, wo zusätzliche Abschottungen eingebaut werden müssen. Dadurch wird die Planung transparenter. Das hilft, Probleme auf der Baustelle, Verzögerungen und Folgekosten zu vermeiden.

BIM-Prüfungs- und Analysewerkzeuge, auch BIM-Modell-Checker oder BIM-Checker genannt (TGA 04-2018: Viewer, Checker und Projekträume, Webcode 813502), ermöglichen die Prüfung von 3D-Modellen und Bauteilen auf Plausibilität, Regelkonformität, mögliche Kollisionen und Konflikte: beispielsweise, ob Leitungen Brandwände durchdringen, ob die Anzahl der Wandnischen mit der Anzahl der Wandhydranten übereinstimmt, ob alle Wand-/Deckendurchbrüche Brandabschottungen aufweisen und so weiter.

Werden dabei Fehler entdeckt, können daraus resultierende Arbeitsaufträge über das BIM-Nachrichtenaustauschformat BCF (BIM Collaboration Format) an die jeweiligen Projektpartner übergeben werden, die diese in ihre Software einlesen und abarbeiten können. Auch die Planung notwendiger Schlitze und Durchbrüche wird dadurch einfacher und weniger fehleranfällig als bisher.

Neben visuellen Prüfungen auf geometrische Kollisionen sind mit entsprechenden Regelvorgaben auch automatisierte Kollisionsprüfungen möglich. Mithilfe von in den Modell-Checkern integrierten, individuell erweiterbaren logischen Analyseregeln und Klassifikationen lassen sich Projekte zudem auf beliebige, zuvor definierte Vorschriften oder Richtlinien (z. B. aus Bauordnungen, Arbeitsstättenrichtlinien, Brandschutzvorschriften etc.) automatisiert überprüfen. Das vereinfacht beispielsweise Behörden die Prüfung digitaler Bauanträge.

Ingenieurmethoden im Brandschutz, wie etwa rechnergestützte Brand-, Entrauchungs- und Evakuierungssimulationen, werden durch die modellorientierte BIM-Planung ebenfalls befördert. Sie ermöglichen Nachweise und Optimierungen des Brandschutzes, insbesondere bei Sonderbauten und individuellen Gestaltungskonzepten. Brandsimulations-Software ist in der Lage, das reale Verhalten von Bränden und die damit zusammenhängenden Phänomene zu prognostizieren, etwa die Temperaturentwicklung und die Rauchausbreitung.

Auf der Grundlage mathematisch-physikalischer Strömungsmodelle, so genannter CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics, TGA 02-2015: Potenzielle Gefahren im Vorfeld simulieren, Webcode 631638), lassen sich Brand- und Entrauchungsszenarien rechnergestützt simulieren. Unterstützung bieten Simulationsprogramme in der Entwurfsplanung, Brandursachenforschung und Brandfolgenermittlung sowie bei der Untersuchung von Brandphänomenen.

Mobile und Cloud Computing

Die digitale Erfassung und der Abgleich von Soll- und Ist-Daten direkt vor Ort ohne Medienbrüche ist ein weiterer Schritt in Richtung Digitalisierung. Mobile Apps zur Brandschutzdokumentation rationalisieren die Qualitätskontrolle und Dokumentation brandschutztechnischer Anlagen, Maßnahmen und Mängel, indem sie das bisherige, umständ-liche Hantieren mit Notizblock, Plan, Diktiergerät und Fotoapparat erübrigen. Stattdessen werden Vor-Ort-Daten direkt digital erfasst und sofort im Plan verortet.

Eingabemasken mit strukturierten Abfragen, Symbol-, Produkt- und Textdatenbanken beschleunigen den Dokumentationsprozess und sorgen dafür, dass Wichtiges nicht vergessen wird. Eine Mehrfacherfassung von Daten und dabei entstehende Fehler werden vermieden, Arbeitsabläufe werden rationalisiert. Aus den erfassten Daten lassen sich Berichte, Protokolle oder Reports generieren und per E-Mail versenden.

Parallel dazu entsteht eine Informationsdatenbank, die in der Bau- und Nutzungsphase wichtige Fragen beantworten kann: Wer muss noch welche Mängel bis wann beseitigen? Wann müssen welche Instandhaltungsarbeiten durchgeführt werden etc.? Die Daten können auch für die Beweissicherung, Gewährleistungsdokumentation, für Statistiken und zur Qualitätsverbesserung genutzt werden.

Wiederkehrende Instandhaltungsarbeiten, Nutzungsänderungen, Umzüge oder Systemwechsel setzen eine kontinuierliche Brandschutzdokumentation voraus, mit der Änderungen zeitnah erfasst und aktuelle Zustände allen Beteiligten verfügbar gemacht werden können. Cloudbasierte Dokumentationslösungen sind deshalb im Vorteil – sie minimieren den Aufwand und verbessern die Koordination und Kooperation aller Beteiligten sowie die Qualität von Brandschutzmaßnahmen.

Clouddienste – also die Online-Bereitstellung von Software, Dienstleistungen, Speicherplatz und Rechenleistung – ist auch dann gefragt, wenn komplexe Berechnungen, etwa im Rahmen von CFD-Simulationen, durchgeführt werden müssen. Dann lassen sich, alternativ zu Großrechnern, viele in der Cloud vernetzte Einzelrechner mit der Berechnung beauftragen. Cloud Computing ist auch eine Basistechnologie für die Vernetzung der realen Welt mit dem Internet (siehe unten).

Internet der Dinge im Brandschutz

Künftige Gebäude werden – stärker noch als heute – von digitaler Technik geprägt sein. Wohngebäude oder Sonderbauten werden zunehmend mit smarter Gebäudetechnik ausgestattet, deren Systemkomponenten miteinander vernetzt sind. Das Internet der Dinge (Internet of Things, kurz: IoT (TGA 08-2016: Wenn das Smartphone mit der TGA spricht, Webcode 724169), also die Verknüpfung physischer Objekte mit einer virtuellen Repräsentation im Internet, wird die Möglichkeiten insbesondere im anlagentechnischen Brandschutz erheblich erweitern.

Werden die dezentral erzeugten Sensordaten und Steuerimpulse über ein zentrales Gebäudemanagementsystem miteinander vernetzt, steigert das nicht nur den Komfort und die Sicherheit der Nutzer. Auch der Betrieb, die Wartung, Instandhaltung und der Einsatz von Sicherheitskräften wird optimiert.

Werden beispielsweise in der Planungsphase generierte Gebäudemodelle mit den Echtzeitdaten der vernetzten Sensoren und Geräte verknüpft, erhalten Betreiber ein stets aktuelles Abbild des digitalen Sicherheitsstatus ihrer Immobilie. Systembauteile, wie Feuerlöschanlagen, Feststellanlagen für Brandschutztüren oder Brandmelder, können ihre Wartungsintervalle selbstständig kontrollieren und Servicetechniker herbeirufen, die Kontrollen durchführen und Verschleißteile oder Verbrauchsmaterialien erneuern.

Liefern smarte, vernetzte Rauchmelder ihre Daten an das zentrale System, kann es daraus bei einem Brand erkennen, wo die Rauchentwicklung am stärksten ist und wo sich vermutlich der Brandherd befindet. Übermitteln vernetzte Videoüberwachungssysteme Bilder eines Brandfalls an mobile Endgeräte, erfahren Sicherheits- oder Rettungskräfte im Ernstfall frühzeitig, was sie vor Ort erwartet – und so weiter.

Mit Evakuierungs-, Einbruchmelde- und Zutrittskontrollsystemen sowie Videoüberwachungssystemen vernetzte Brandmeldeanlagen vereinfachen darüber hinaus auch den Betrieb und die Verwaltung der gesamten Gebäude-Sicherheitstechnik, steigern deren Effizienz und senken die Betriebskosten.

Künstliche Intelligenz und Big Data

Auch die Künstliche Intelligenz (KI) hat Innovationspotenzial im Brandschutzsektor. KI-basierende Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht festen Regeln folgen, sondern lernfähig sind und dadurch mit komplexen Aufgabenstellungen und Problemszenarien umgehen können. Diese Lernfähigkeit verdanken KI-gestützte Systeme verschiedenen Technologien, unter anderem der automatischen Mustererkennung, wissensbasierten Systemen oder künstlichen neuronalen Netzen.

Die KI-Einsatzmöglichkeiten im Baubereich reichen von der Texterkennung, Spracheingabe oder automatischen Übersetzung bis hin zu Gebäude-Leitsystemen, Energiemanagement-, Brandschutz- oder Sicherheitssystemen.

Selbstlernende Steuerungssysteme können beispielsweise die Gewohnheiten der Bewohner oder Nutzer registrieren, daraus ihre Schlüsse ziehen und darauf basierend das Zusammenspiel aller Gebäude- oder Sicherheitstechnik-Komponenten selbstständig optimieren. Smarte Video-Branderkennungssysteme melden Flammen oder Rauch in kritischen Umgebungen, wie Produktions- oder Lagerhallen, deutlich früher als herkömmliche Melder.

Das Zusammenführen und Auswerten großer, unstrukturierter Datenmengen aus unterschiedlichen Quellen (Big Data) ermöglicht nicht nur in der Forschung, in der medizinischen Diagnostik oder im Marketing neue Erkenntnisse und Möglichkeiten. Auch baunahe Bereiche wie intelligente Energieverbrauchssteuerungen (Smart Metering), fortschrittliche und nachhaltige Stadtkonzepte (Smart City), aber auch der Brandschutz profitieren von der Auswertung großer und komplexer Datenmengen.

Mithilfe von Big-Data-Analysen lassen sich beispielsweise konkrete Vorhersagen über künftige potenzielle Brandereignisse ableiten. Solche Wahrscheinlichkeitsberechnungen können die Einsatz-, Bedarfs- oder Standortpla-nung und damit den abwehrenden Brand-schutz optimieren. Als Datenquellen werden beispielsweise Brandstatistiken, Gebäudebestandsdaten, Geoinformationssysteme, Sensordaten, Wetterdaten und Bewohnerstatistiken hinzugezogen.

Augmented und Mixed Reality

Erweiterte Realitäten (engl. Augmented Reality, kurz AR, TGA 03-2018: Planen im Cyberspace, Webcode 808432) ergänzen Realbilder oder Live-Videos durch zusätzliche digitale Informationen – entweder mithilfe einer speziellen, transparenten AR-Brille oder über eine Smartphone- oder Tablet-App, die in das von der Kamera aufgenommene Realbild Zusatzinformationen einblendet. Das können erläuternde Texte, Grafiken, Videos oder virtuelle Objekte sein.

Die Industrie nutzt die AR-Technik für die Ausbildung, respektive Wartung und Instandhaltung technischer Anlagen. Dabei werden in das Live-Bild des Technikers passende Wartungshinweise, Video-Anleitungen oder Handbücher projiziert. Im Brandschutz werden AR-Apps eingesetzt, um zum Beispiel Installateuren oder Rettungskräften einen schnellen Überblick über alle Brandschutzeinrichtungen zu verschaffen.

Mit ARE (Augmented Reality Environment) bietet beispielsweise hhpberlin eine mobile AR-Lösung, mit der Brandschutzinformationen in Realbilder der Umgebung eingeblendet werden können. Möglichkeiten und Grenzen immersiver virtueller Umgebungen im Brandschutz werden auch im Rahmen wissenschaftlicher Studien an Hochschulen ausgelotet, etwa am Darmstädter Civil, Environmental and Safety Engineering Lab.

Einen Schritt weiter geht die Mixed Reality (MR). Diese Technik ermöglicht zusätzlich eine Interaktion mit den eingeblendeten digitalen Inhalten und zwischen mehreren Teilnehmern einer MR-Präsentation. Eingeblendete Objekte können beispielsweise in Farbe, Form und Material oder in ihrer Lage in Echtzeit verändert werden. Das Ergebnis kann von allen MR-Teilnehmern sofort begutachtet werden, womit Entscheidungen beschleunigt und die Möglichkeiten realer Baustellenbegehungen erweitert werden können.

Fazit: Digitalisierung mit Hürden

Die Digitalisierung im Brandschutz eröffnet zahlreiche Potenziale, birgt aber auch Herausforderungen. Eine Vielzahl an unterschiedlichen Kommunikations- und Sicherheitsstandards, unzureichend verschlüsselte Funkprotokolle und Steuerungs-Apps, veraltete Hardwarekomponenten mit überholten Sicherheitsstandards oder unsichere Internetzugänge verursachen noch immer erhebliche Datensicherheits- und Datenschutzprobleme.

Das bremst den IoT-Einsatz ebenso aus wie KI und Big Data. Weitere Hürden der Digitalisierung sind der Mangel an integrierten Systemen und Produkten. Auch Planer und Fachbetriebe stehen vor neuen Herausforderungen, denn die Vorteile der Digitalisierung zu nutzen sind nur jene in der Lage, die sich mit den neuen Techniken intensiv auseinandersetzen und entsprechend qualifizieren.Marian Behaneck

Literatur und Quellen

[1] FeuerTrutz Network (Hrsg.): Branchenbarometer Brandschutz 2018, Bedarf – Erwartungen – Prognosen. Köln 2018

[2] Geibig, O., Krönert, N.: Effizienz in der Brandschutzplanung – Hilti Button für Brandabschottungen. Berlin: Ernst & Sohn Verlag, BIM Building Information Modeling 2016

[3] Horn, M.: Brandfrühesterkennung durch Digitalisierung. Kissing: Weka-Media, Arbeitsschutz-Profi Aktuell, 2017

[4] Gesellchen, A.: Brandschutz 4.0 – Chancen und Risiken der Digitalisierung. Köln: FeuerTrutz Network, FeuerTrutz 5-2016

[5] Rüppel, U., Zwinger, U., Kreger, M., Schatz, K.: BIM für den Brandschutz, Teil 1 bis 3. Köln: FeuerTrutz Network, FeuerTrutz-Magazin, 6-2015, 1-2016, 2-2016, Download auf www.iib.tu-darmstadt.de (Suche: BIM Brandschutz)

[6] www.baunetzwissen.de Rubrik Brandschutz

[7] www.cfd-online.com Informationen zu CFD

[8] www.feuertrutz.de Verlag für Brandschutzpublikationen

[9] www.fire-simulation.at CFD-Grundlagen, Feldmodelle, Links

[10] www.iib.tu-darmstadt.de Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen, TU Darmstadt

[11] www.inuri.de Simulationsmethoden im Brandschutz und in der Gefahrenabwehr

[12] www.vfdb.de Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes

[13] www.vib-brandschutz.de Verein zur Förderung von Ingenieurmethoden im Brandschutz