KI & Co. erobern den Bau- und TGA-Bereich

BIMobject

Neue Technologien beeinflussen zunehmend auch den Bau- und TGA-Bereich. Was kommt auf uns zu, was ändert sich und wie sollte man sich schon heute auf Entwicklungen von morgen vorbereiten?

Kompakt zusammengefasst
■ Zahlreiche Technologietrends werden auch den Bau- und TGA-Bereich dauerhaft verändern, bieten zahlreiche neue Chancen, können aber auch neue Herausforderungen oder Probleme schaffen. Treiber ist übergreifend die digitale Transformation.
■ Während Digitale Fertigung, 3D-Druck und Baurobotik den Bauprozess neu ausrichten, sind es im Planungsprozess und im Gebäudebetrieb Building Information Modeling, digitale Zwillinge und Künstliche Intelligenz.
 

Neben Digitalisierung und Elektrifizierung, dem Cloud Computing oder dem Building Information Modeling (BIM) beeinflussen zunehmend auch weitere Technologietrends wie Künstliche Intelligenz, Big Data, das Internet der Dinge (IoT) oder die Robotik den Bausektor. Was bedeutet dies für die Praxis, welche Chancen und Möglichkeiten sowie Herausforderungen entstehen dadurch?

Digitalisierung und Industrie 4.0

Marktforschungsunternehmen haben für die kommenden Jahre mehrere Techniktrends ausgemacht. An erster Stelle steht die digitale Transformation. Werden Informationen und Prozesse über alle Bauphasen hinweg konsequent digital erfasst, zentral gespeichert und miteinander vernetzt, lassen sich Arbeitsabläufe optimieren, die Produktivität steigern, Medienbrüche, Redundanzen und Fehlerquellen minimieren.

Bitkom

Ein wichtiger Digitalisierungs-Baustein ist der Einsatz mobiler Hard- und Software (Mobile Computing). Damit können Informationen genau dort eingegeben, abgerufen oder modifiziert werden, wo sie gerade anfallen oder benötigt werden. Wer Vor-Ort-Daten unmittelbar digital erfasst und zuordnet, kann Angebote zeitnah erstellen, Anfragen schneller beantworten oder Leistungen früher abrechnen.

Die Digitalisierung von Prozessen ist auch eine wichtige Voraussetzung für die „Baustelle 4.0“, dem auf den Baubereich übertragenen Pendant zur vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0: Menschen, Maschinen und Produkte sind direkt miteinander vernetzt). Die digitale Baustelle macht Unternehmen flexibler, verbessert und optimiert Planungs-, Bau- und Montageabläufe. Wichtige Bausteine sind unter anderem digitale Zwillinge mit denen Bauvorhaben optimiert werden, smarte Bauprodukte, welche die Bestellung, Logistik, Montage und Baufortschrittskontrolle vereinfachen oder selbstlernende Systeme (z. B. Bauroboter), die flexibel auf sich ändernde Situationen reagieren können.

Autodesk

Cloud Computing und SaaS

Auch in der Bereitstellung von Hard- und Software oder Serviceleistungen per Internet, dem Cloud Computing und Software as a Service (SaaS), steckt noch viel Potenzial. Die Cloud ermöglicht eine flexible stationäre oder mobile Nutzung von Programmen, Daten oder Dienstleistungen – im Büro, im Homeoffice, unterwegs, beim Kunden oder auf der Baustelle. Ein Datenabgleich zwischen Mobil- und Bürorechner ist ebenso wenig erforderlich, wie regelmäßige Software-Updates.

Mittel- bis langfristig wird die Cloud den PC als Aufbewahrungsort für Programme und Daten ablösen. Sie ist ein Bindeglied zwischen mobilen und stationären Rechnern und ermöglicht über Desktop-PCs oder Mobilgeräte einen Zugriff auf den letzten Datenstand. Unternehmen, die bereits Cloud- und SaaS-Lösungen eingesetzt haben, konnten während der Pandemie flexibler auf Kontaktbeschränkungen reagieren. Cloud-Dienste sind zudem eine zwingende Voraussetzung für die kollaborative BIM-Planung über entsprechende Projektplattformen.

IoT und Smart Home

Populäre IoT-Anwendungen (Internet of Things = Internet der Dinge) sind die Online-Sendungsverfolgung, im Baubereich das Werkzeug-Tracking oder das Flottenmanagement. Mit IoT-Sensoren ausgestattete Maschinen und Geräte können auf Basis erfasster Tätigkeitsprofile, Auslastungs-, Abnutzungs- und Ruhezeit-Daten optimal eingesetzt, Instandhaltungs- und Wartungszyklen optimiert werden (siehe: Wenn das Smartphone mit der TGA spricht).

Schüco International KG

Das Internet der Dinge verknüpft smarte, reale Objekte mit einer digitalen Entsprechung im Internet. Damit lassen sich beispielsweise Räume oder Gebäude fernüberwachen und fernsteuern (Smart Home): Sensoren erfassen das Umfeld und geben per Datenleitung oder Funk digitale Signale direkt oder über eine Steuerzentrale an Aktoren (Antriebe, Schalter etc.) weiter, die daraufhin eine programmierte Aktion ausführen, wie etwa das Herunterfahren des Sonnenschutzes. Gebäudetechnische Bauteile, wie Antriebe, Generatoren oder Pumpen etc. melden ihren aktuellen Status, kontrollieren ihre Wartungsintervalle und melden Defekte. Per Fernzugriff können sie zudem kontrolliert und konfiguriert werden.

Smart City und Smart Grid

Smarte Gebäude sind Teil der Smart City. Dieser Begriff steht für Konzepte, mit denen Städte effizienter, technologisch fortschrittlicher, nachhaltiger, sozialer und lebenswerter werden sollen. Die smarte Stadt ist mit Sensoren versehen, deren Messdaten online verfügbar sind, was eine permanente Interaktion zwischen Stadtbewohnern und den sie umgebenden smarten Objekten ermöglicht. Dadurch lassen sich unterschiedliche Bereiche optimieren, etwa die Taktzeiten öffentlicher Verkehrsmittel, die Versorgung mit elektrischer Energie oder die Entsorgung von Müll.

Sogenannte „Smart Grids“ verbinden die Gebäudetechnik auch von benachbarten Gebäuden und städtischen Quartieren, sodass in Verbindung mit intelligenten „Smart-Meter“-Messsystemen Energieströme aufeinander abgestimmt und optimiert werden können. Erzeugen beispielsweise Photovoltaik-Anlagen auf oder an einem Gebäude hier nicht nutzbaren Strom, so lässt sich dieser an Batteriespeicher benachbarter Gebäude weiterleiten, wo zum Bespiel Elektroautos oder Elektroräder gerade ihre Akkus aufladen.

Graphisoft Building Systems

BuildingPoint Schweiz // Trimble / Tekla

BIM und digitale Zwillinge

Die modellorientierte Planungsmethode BIM reduziert Fehlerquellen und verbessert Planungs- und Ausführungsqualitäten – dank automatisierten Kollisionsprüfungen, Kosten-, Massen / Mengen- und Stücklistenberechnungen, Ausschreibungen, Dokumentationen etc. Werden alle relevanten Informationen sukzessive in das BIM-Modell des digitalen Zwillings eingepflegt, lassen sich entsprechende Prozesse optimieren. So können beispielsweise Bau- und Montageabläufe oder die Gebäudenutzung simuliert werden, um diese energetisch, bauphysikalisch oder akustisch zu optimieren (siehe: TGA: Prädestiniert für die digitale Planung).

Der Einsatz virtueller oder erweiterter Realitäten (VR, AR, MR: Virtual Reality, Augmented Reality und Mixed Reality) in der Akquisitions-, Entwurfs- und Planungsphase ermöglicht interaktive Präsentationen, die Projekte anschaulich machen, Entscheidungsprozesse verkürzen sowie Missverständnisse und Fehler vermeiden. In Realbilder eingeblendete digitale Informationen ermöglichen virtuelle Baubesprechungen oder eine Vorab-Ansicht der Ausbauplanung für den im Rohbau stehenden Bauherren. Zu den weiteren Einsatzgebieten zählen die Planung und Unterstützung von Montageabläufen oder Inspektionen (siehe: Planen im Cyberspace).

Peri / Allplan

Digitale Fertigung und 3D-Druck

Werden 3D- oder BIM-Planungsdaten für die digitale Fertigung über CNC-Maschinen, Bearbeitungszentren (BAZ) oder 3D-Drucker genutzt, lassen sich nicht nur Prozesse beschleunigen. Die digitale Fertigung ermöglicht neben einer präziseren Vorfertigung und Montage auch eine neue Formensprache, neuartige Produkte und Herstellungsmethoden. Prototypen oder Kleinserien individueller Objekte lassen sich ebenso drucken, wie nicht mehr lieferbare Ersatzteile, komplexe Bauteile oder komplette Häuser.

Mit neu entwickelten Druckmedien, wie etwa Stein-, Holz- oder Betonwerkstoffen, teilweise mit Eisen-, Glasfaser- oder Textilarmierung oder der Beimischung recycelter Materialien, etabliert sich die additive Fertigung (auch Generative Fertigung, Rapid Prototyping oder 3D-Druck genannt) zunehmend auch im Baubereich. So sind spezielle, großformatige Portalkran-Drucker inzwischen in der Lage, auch mehrstöckige Gebäude an Ort und Stelle zu fertigen.

Leica Geosystems / Hexagon

Baurobotik

Ob bei der Produktion von Baustoffen, der Bewehrung von Betonbauteilen, der Montage von Schalelementen, Holzständer- oder Fachwerkkonstruktionen – Roboter sind in der Bauindustrie längst im Einsatz. Auch auf die Baustelle drängen sie inzwischen – in Form von Abriss-, Aufmaß-, Mauer- und Bohrrobotern, die auf der Grundlage von 3D CAD- oder BIM-Daten Arbeiten ausführen, entweder autonom oder per Fernbedienung unterstützt.

Bohrroboter beispielsweise orientieren sich selbständig im Raum und bohren Löcher für Montage- und Installationsarbeiten, was körperlich anstrengende Überkopf-Arbeiten erübrigt (siehe: BIM auf der Baustelle).

Um noch komplexere Tätigkeiten autark ausführen und unvorhergesehene Situationen auf der Baustelle meistern zu können, müssen Roboter über mehrere Sensoren verfügen und lernfähig sein. Aktuelle Laufroboter etwa können vorgegebene Wegstrecken auf der Baustelle selbstständig ablaufen und dabei den Bestand per 3D-Laserscan erfassen, den Baufortschritt und Soll-/Ist-Stände fotografisch dokumentieren.

Autodesk

DJI

Künstliche Intelligenz

Die Künstliche Intelligenz (KI) gehört zu den Schlüsseltechnologien und hält in immer mehr Lebensbereiche Einzug. Sie ermöglicht smarte Programme, Produkte oder Dienstleistungen, die aus Abläufen Rückschlüsse ziehen und das dabei Erlernte kreativ anwenden können. Damit lassen sich beispielsweise Funktionsabläufe optimieren, Ereignisse aus bisher gewonnenen Daten vorhersagen oder Aufgaben von automatischen Maschinen und Robotern autonom erledigen.

Praktische Anwendungen im Baubereich sind KI-gestützte Prozesse zur Optimierung von Gebäudeentwürfen, automatisierte Prüfungen und Kontrollen von BIM-Modellen auf Normenkonformität und Kollisionen oder das Management von Baustellen. Im Rahmen der Bau- und Montageablaufplanung kann KI unter Berücksichtigung von Erfahrungen aus vorangegangenen Projekten, Mängel- und Bautagesberichten oder Logistikdaten dabei helfen, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen und Bau- oder Montageprozesse zu optimieren.

KI-gestützte Projektmanagementsoftware ist in der Lage, erste Anzeichen für Kostenüberschreitungen, Behinderungen oder Verzögerungen des Projektablaufs frühzeitig zu erkennen und Ressourcen effizienter einzusetzen. Smarte Drohnen können „verstehen“, was sie sehen und beispielsweise Bauschäden melden.

Big Data

Als Datenbasis für KI-Prozesse dienen große Datenmengen (Big Data), anhand derer KI-Systeme ihre Algorithmen, etwa zur Mustererkennung, trainieren und optimieren können. Je größer die Datenbasis ist, desto zuverlässiger sind KI-basierende Systeme. Baustellen sind wertvolle Datenquellen, die gespeist werden von (BIM)-Planungs- und Ausschreibungsdaten, Stücklisten, Fotos, Mängellisten, Aufmaß-, 3D-Scanner-, Sensordaten etc.

Werden diese Informationen in der richtigen Kombination verknüpft und nach unterschiedlichen Kriterien ausgewertet, können sie neben der Bauausführung auch den Gebäudebetrieb optimieren. Die Sammlung, Dokumentation, Verknüpfung und Auswertung der Daten eröffnet neue Möglichkeiten, beispielsweise zur Verbesserung von Bau- und Montageprozessen, der Vermeidung von Baumängeln oder der Steigerung von Planungs- und Ausführungsqualitäten. Big Data eröffnet Planern und Handwerkern ebenso die Möglichkeit, ihre Leistungen kritisch zu beleuchten und im Hinblick auf künftige Projekte zu optimieren.

BUND

Chancen und Herausforderungen

Obigen Technologietrends stehen globale Entwicklungen gegenüber, wie Klimawandel, Umweltverschmutzung, endliche Energie-/Rohstoffressourcen und damit eine wachsende Notwendigkeit zur Kreislaufwirtschaft. Hinzu kommen gesellschaftliche Herausforderungen wie das Bevölkerungswachstum, die Urbanisierung, Individualisierung oder Gentrifizierung.

Deutsche Telekom AG

Für einige dieser Entwicklungen können diese Technologietrends ein Teil der Lösung sein. Manchmal sind sie aber auch ein Teil des Problems. So kosten beispielsweise die Datenhaltung, Verarbeitung und Bereitstellung großer Datenmengen über das Internet und damit zusammenhängende technische Systeme sehr viel Strom. Auch das vermeintlich energiesparende Smart Home kann beispielsweise durch immer mehr vernetze, smarte Objekte und deren erhöhtem Strombedarf letztlich zu Strommehrverbrauch führen (Rebound-Effekt).

IT-Technologien bergen zudem Sicherheitsrisiken – etwa im Hinblick auf den Datenschutz, die informationelle Selbstbestimmung oder die Datensicherheit. Kritiker warnen vor Datenmissbrauch und dem blinden Vertrauen in die Ergebnisse von intransparenten Datenanalysen im Zusammenhang mit KI und Big Data.

Weil immer mehr stationäre und mobile Computer oder smarte Geräte miteinander vernetzt werden, werden sie zu leichten Zielen für Cyberangriffe. IT-Sicherheitsmaßnahmen werden in den kommenden Jahren deshalb immer wichtiger, mehr Aufwand und Kosten verursachen. Technisch umsetzen lassen sich die genannten Technologietrends in der regeln nur, wenn Hochgeschwindigkeits-Datennentze, wie die 5G-Mobilfunktechnik flächendeckend verfügbar sind, die große Datenmengen ausreichend schnell und sicher übertragen können. Marian Behaneck