Was ist „Building Information Modeling“?

Mit digitaler Technologie vom virtuellen Modell zum realen Bauwerk

Bauvorhaben sind eine komplexe Aufgabe, die eine Vielzahl an Details berücksichtigen muss. Um Zeitpläne, Kosten und Risiken einfacher und präziser ermitteln zu können, sollen virtuelle Bauwerksmodelle helfen. Beim Building Information Modeling (BIM) fließen sämtliche Informationen in eine synchronisierte Datenbasis – als umfassende Grundlage für den tatsächlichen Bau.

Digital planen, virtuell konstruieren, real umsetzen

Effizienteres Bauen – mit digitaler Technologie?

Digitale Hilfsmittel für mehr Ressourcenschonung in der Baubranche

Kein anderer Industriesektor ist so ressourcenintensiv wie die Baubranche, kein anderer Industriezweig verursacht mehr Abfälle. In einigen Zahlen ausgedrückt sah etwa die Bilanz der deutschen Baubranche von 2020 wie folgt aus:

Es wurden 35,5 Mio. Tonnen Zement produziert, dazu mussten 51 Mio. Tonnen Rohstoffe und rund 30 Terawattstunden Energie aufgewendet werden.
Ein Großteil dieses Zements – nämlich 30,1 Mio. Tonnen – wurde zur Herstellung von Mörtel und Beton genutzt.
Insgesamt wurden 55,3 Mio. Kubikmeter Transportbeton bestellt.
Die Treibhausgasemissionen, die allein durch die beim Hochbau verwendeten Baustoffe entstanden, lagen bei rund 45 Mio. Tonnen CO2-Äquivalenten. Zum Vergleich: Die CO2-Emissionen aller privaten Haushalte lagen 2020 bei rund 207 Mio. Tonnen.

Building Information Modeling – eine Definition
„Building Information Modeling bezeichnet eine kooperative Arbeitsmethodik, mit der auf der Grundlage digitaler Modelle eines Bauwerks die für seinen Lebenszyklus relevanten Informationen und Daten konsistent erfasst, verwaltet und in einer transparenten Kommunikation zwischen den Beteiligten ausgetauscht oder für die weitere Bearbeitung übergeben werden.“

aus:

Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur: Stufenplan Digitales Planen und Bauen. Einführung moderner, IT-gestützter Prozesse und Technologien bei Planung, Bau und Betrieb von Bauwerken.

Gleichzeitig wird bislang nur ein Bruchteil der benötigten Ressourcen aus Recycling-Baustoffen gewonnen, während jährlich etwa 230 Mio. Tonnen an Bau- und Abbruchabfällen entstehen. All das hat Auswirkungen auf Klima und Umwelt.

Da es ohne Frage weiterhin einen großen Baubedarf geben wird – zum Beispiel, um fehlenden Wohnraum zu schaffen oder für Neubau und Instandhaltung der Verkehrsinfrastruktur –, braucht es Lösungsansätze für mehr Effizienz. Urban Mining etwa zielt darauf ab, die im Bestand gebundenen Ressourcen besser zu nutzen und den Verbrauch an Rohstoffen zu reduzieren.

Das Konzept des Building Information Modeling (BIM) setzt hingegen schon in der Planungsphase an. Auf der Grundlage einer umfassenden Datenbasis sollen Bauprojekte effizienter und transparenter geplant und im Anschluss schneller und ressourcenschonender umgesetzt werden. Der digitale Ansatz macht es möglich, von Beginn an alle Projektbeteiligten einzubinden, um beispielsweise rückbaufreundliche Konstruktionen zu erarbeiten.

Worum geht es beim Building Information Modeling?

Nachhaltige Nutzung von Bauwerksinformationen über den gesamten Lebenszyklus

Die BIM-Methode soll gewährleisten, dass sämtliche Bauwerksinformationen von allen Projektbeteiligten genutzt werden können – und zwar über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes hinweg. Dieser reicht von der Entwicklung über die Planung, die Realisierung und den Betrieb bis zu einem möglichen Umbau oder Rückbau. Alle Daten, die während der verschiedenen Phasen erhoben werden, sollen den Beteiligten zur Verfügung gestellt werden.

Im Vergleich zu gängigen IT-Modellen nutzt BIM aber nicht nur eine sehr viel umfangreichere Datenbasis. Anstelle von Zeichnungen, Tabellen oder sonstigen Dokumenten fließen diese Informationen direkt in ein dreidimensionales Computermodell. Damit können alle Daten visualisiert werden. Faktoren wie Zeit, Kosten oder Aspekte des Betriebs lassen sich ebenfalls integrieren.

Digital Twin – der Digitale Zwilling
Eine einheitliche Definition, was ein Digitaler Zwilling ist, gibt es nicht. Das hängt vor allem mit verschiedenen branchenabhängigen Schwerpunkten zusammen. Allerdings lässt sich aus wissenschaftlichen Publikationen ein Konsens bezüglich der grundlegenden Elemente entnehmen. Der Digitale Zwilling besteht aus

dem Objekt in der realen Welt,
dem virtuellen Modell im digitalen Raum sowie
den Daten- und Informationsinteraktionskanälen zwischen realem Objekt und virtuellem Abbild.

Über integrierte Schnittstellen fungiert er als Brücke zwischen dem realen Objekt und seiner virtuellen Repräsentanz.

Diese Daten bilden die Grundlage für einen Digitalen Zwilling (siehe Infokasten), der in seinen Eigenschaften wie Geometrie, Attribute etc. ein virtuelles Abbild des betreffenden Bauwerks darstellt. Auf diese Weise lassen sich alle Lebenszyklusphasen eines Gebäudes im digitalen Raum simulieren – etwa um Planungs- und Bauprozesse kontinuierlich überprüfen zu können.

Richtlinien und Normen

Damit das Potenzial des BIM-Konzepts voll ausgeschöpft werden kann, braucht es für alle Nutzer dieselben Voraussetzungen. Das heißt, es sind einheitliche Standards notwendig, an denen sich alle Projektbeteiligten orientieren können. Dazu kooperiert BIM Deutschland, das Zentrum für die Digitalisierung des Bauwesens vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) und das Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (BMWSB) mit verschiedenen Standardisierungsinstitutionen.

Beteiligt an der DIN Normungsroadmap BIM sind unter anderem das Deutsche Institut für Normung (DIN), der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) und buildingSMART Deutschland e. V. Daneben besteht eine Zusammenarbeit mit internationalen Gremien wie buildingSMART International, dem Europäischen Komitee für Normung (CEN) und der Internationalen Organisation für Normung (ISO).

Umsetzung von Handlungsempfehlungen

Eine Roadmap zum BIM soll dabei helfen, die strategische Ausrichtung der Normung und Standardisierung für den Bereich Building Information Modeling festzulegen. Zu diesem Zweck enthält sie Handlungsempfehlungen, die sich um verschiedene Themenbereiche drehen:

die umfassende Digitalisierung von Attributen und Merkmalen in Baunormen
das Erstellen einer herstellerneutralen, elektronischen Bauteilobjektdatenbank auf Basis von openBIM-Modellen (also für offene Datenformate)
die Gestaltung von Inhalten in maschinenlesbarer und -ausführbarer Form
die Berücksichtigung von BIM-Anwendungsfällen, um die praktische Relevanz von entwickelten Normen gewährleisten zu können

Die Umsetzung der von den Experten erarbeiteten Handlungsempfehlungen ist im Herbst 2022 gestartet und findet sich etwa im Norm-Entwurf für die DIN 18290 „Verlinkter BIM-Datenaustausch von Bauwerksmodellen mit weiteren Fachmodellen“ wieder.

ISO Norm 23247
Eine auf die spezifischen Anforderungen von digitalen Zwillingen für BIM zugeschnittene Norm oder Richtlinie gibt es derzeit in dieser Form noch nicht. Die ISO 23247 „Automation systems and integration – Digital twin framework“ bezieht sich jedoch vor allem auf digitale Zwillinge in der Herstellung. Sie bietet eine mögliche Normierung für den grundlegenden technischen Aufbau – einschließlich der Voraussetzungen.

Auch die aufgeführten Funktionen wie „Real-time control“ oder „In-loop planning and validation“ sind für das BIM interessant. Das gilt ebenso für die von der ISO Norm vorausgesetzte enge Verbindung zwischen digitalem Zwilling und realem Objekt. Der Digital Twin ist damit eher eine Simulation als eine bloße Visualisierung.

Tatsächlich besteht für das Themenfeld bereits eine Reihe weiterer DIN-Normen und VDI-Richtlinien, die vor der Roadmap BIM entwickelt wurden. Dazu gehört unter anderem die VDI-Richtlinie VDI 2552, in der schon seit einigen Jahren zum Beispiel die Grundlagen, die wesentlichen Begriffe sowie die Vorgaben für

die modellbasierte Mengenermittlung zur Kostenplanung, Terminplanung, Vergabe und Abrechnung (Blatt 3),
die Anforderungen an den Datenaustausch (Blatt 4),
das Datenmanagement (Blatt 5),
den Betrieb (Blatt 6, bisher erst als Entwurf) sowie
die Prozesse

festgehalten sind. Die VDI 2552 befasst sich allerdings auch mit den Strukturen für die Beschreibung von BIM-Anwendungsfällen und den vielfältigen Informationsaustauschanforderungen. Eine ausführliche Auflistung der für das BIM relevanten Normen und Richtlinien mit Kurzbeschreibungen der Inhalte findet sich bei buildingSMART Deutschland e. V. (Stand: September 2023).

Chancen & Herausforderungen beim BIM

Building Information Modeling für mehr Ressourceneffizienz

Die steigende Nachfrage nach nachhaltigen Bauwerken einerseits, die Notwendigkeit zu mehr Ressourceneffizienz in der Branche andererseits: Es gibt ausreichend Gründe, die BIM-Methode flächendeckend in der Baubranche anzuwenden. Zumal „mehr Effizienz“ immer auch „mehr Kosteneffizienz“ bedeutet.

Dass es für einen weitreichenderen Einsatz von BIM jedoch eine Initiative der Regierung braucht, hat ebenfalls seine Gründe, und diese hängen nicht allein mit fehlender Normierung und Standardisierung zusammen. Die Herausforderung, so das VDI Zentrum Ressourceneffizienz, liegt bereits darin, „alle Projektbeteiligten (angefangen bei den Auftraggebenden) für eine frühzeitige Integration von Nachhaltigkeitsaspekten zu sensibilisieren […]“.

Denn die damit verbundenen Anforderungen müssen in der Planungsphase in Form von konkreten Anwendungsfällen bereits definiert werden – etwa wie die „Modellbasierte Men

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Neue Herangehensweise bei Planung und Umsetzung

Zudem erfordert das BIM eine veränderte Herangehensweise an Planungsprozesse, angefangen bei der Erstellung und Analyse von Datenmodellen durch alle am Projekt beteiligten Fachplaner. Denn das Arbeiten mit BIM ist in erster Linie ein kollaborativer Ansatz, bei dem die digitale Zusammenarbeit in einer gemeinsamen Datenumgebung im Mittelpunkt steht.

Nicht zuletzt deshalb sind standardisierte Rahmenbedingungen für den Einsatz der dazu notwendigen Technologie so wichtig – wie etwa offene Datenformate, die den Zugriff und die Verarbeitung der zahlreichen Informationen für alle Beteiligten ermöglichen. Es muss gewährleistet sein, dass Formate und Systeme kompatibel sind.

Das gilt umso mehr, als der BIM-Prozess über die klassische Planung hinausgeht und sich die Zusammenarbeit auf alle weiteren Phasen des Bauwerkslebenszyklus erstrecken. Deshalb ist eine regelmäßige Aufbereitung der Informationen erforderlich, genauso wie genaue vertragliche Regelungen und Rollenverteilungen für eine Projekt-Kooperation.

Die Auftraggeberinformationsanforderungen (AIA)

Im Rahmen der sogenannten Auftraggeberinformationsanforderungen – kurz: AIA – definieren die Auftraggeber eines Bauprojekts, welche Anforderungen von Seiten der Auftragnehmer bei der Leistungserbringung unter Anwendung von BIM einzuhalten sind. Sie sollen klären, welche Leistungen zu welchem Zeitpunkt von welchem Auftragnehmer benötigt werden. Weil die AIA bereits Bestandteil der Ausschreibung sind, haben sie Einfluss auf das gesamte Projekt – entsprechend präzise sollten sie formuliert werden.

Enthalten sein müssen die geplanten BIM-Anwendungsfälle, die vom Auftraggeber bereitgestellten digitalen Unterlagen und die Anforderungen an die digitalen Liefergegenstände. Um sicherzustellen, dass der Auftraggeber wirklich die erforderlichen Informationen erhält, können aber durchaus Hinweise auf Technologien und Bibliotheken aufgenommen werden. Das erleichtert es dem Auftragnehmer, die geforderten digitalen Liefergegenstände mit den geforderten Strukturen, Inhalten und Datenformaten zu liefern.

Vorgaben zu den Werkzeugen, mit denen der Auftragnehmer die BIM-Leistungen erbringen soll, sind nicht Bestandteil der AIA. Die konkreten Angaben dazu, wie die AIA-Vorgaben erreicht werden sollen, stehen stattdessen im sogenannten BIM-Abwicklungsplan (BAP).

Sollen mehrere Vergaben für dasselbe Projekt an unterschiedliche Auftragnehmer erteilt werden, müssen für jede Leistung und jede Vergabe projekt- und vergabespezifische AIA formuliert werden, einschließlich spezifischer Anwendungsfälle.

Das Potenzial des Building Information Modeling

Dennoch stecken in der BIM-Methode viele Vorteile, um Nachhaltigkeitsaspekte besser in Bauprojekte zu integrieren und gleichzeitig (kosten-)effizientere Umsetzungen zu erreichen. Das Potenzial von BIM liegt in den verschiedenen Anwendungsfällen, unter anderem in

der modellbasierten Ökobilanzierung und Lebenszykluskostenberechnung,
dem Monitoring von Umweltauswirkungen (Energiebedarf, Wasserverbrauch, Emissionen etc.) beim Modellieren sowie beim Betrieb (mit dem Ziel von Verbrauchsreduktionen),
positiven Auswirkungen auf den Entwurfsprozess im Sinne der Nachhaltigkeit, weil sich verschiedene Varianten im Rahmen von Simulationen unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte erstellen lassen,
der Dokumentation der eingesetzten Baustoffe als Grundlage für einen zukünftigen Rück-/Abbau sowie die Wiederverwertung dieser Baustoffe,
der Nutzung des virtuellen Modells für Nachhaltigkeitszertifizierungen.

Hinzu kommt, dass das BIM-Konzept für nahezu alle Arten an Bauprojekten angewendet werden kann – nicht allein für den Hochbau. Das Ministerium für Verkehr des Landes Baden-Württemberg plant die Nutzung von BIM für den Infrastrukturbau, also etwa im Straßenbau. Ab 2025 soll die Straßenbauverwaltung Baden-Württemberg (SBV BW) für alle neu zu planenden Bundesmaßnahmen die BIM-Methode verwenden, ab 2027 wird sie dann auf alle Landesmaßnahmen ausgeweitet.

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Building Information Modeling in der Praxis

Pilotprojekte und Umsetzungen mit der BIM-Methode

Erste Regierungsinitiativen für den Einsatz von BIM gehen bereits auf das Jahr 2013 zurück, mit der erklärten Zielsetzung, eine Strategie für mehr Effizienz, Kosten- und Terminsicherheit bei Großbauprojekten zu entwickeln. Die Vorbereitungsphase startete 2015, es folgte eine erweiterte Pilotphase von 2017 bis 2020 einschließlich der wissenschaftlichen Begleitung.

Die im Rahmen der Pilotphase durchgeführten Projekte betrafen sowohl die Schiene (Tunnel Rastatt und Brücke Filstal) als auch den Straßenbau (Brücke Petersdorfer See und Brücke Auenbachtal). Trotz unterschiedlicher Schwerpunkte, Leistungsphasen und Abwicklungspläne zeichnete die Auswertung dieser Pilotprojekte ein insgesamt positives Bild. Fehlende Standards für offene Datenaustauschformate oder unzureichende Objektbibliotheken gehörten zu Rahmenbedingungen, die im Zuge von Normierungsprozessen nach und nach verbessert werden sollen.

Weitere BIM-Projektbeispiele

Tatsächlich kommen BIM-Methoden inzwischen auch außerhalb von Pilotprojekten des Bundes zum Einsatz. Sie zeigen, dass der kooperative, digitale Ansatz für Neubauprojekte und Umnutzungen gleichermaßen geeignet sein kann. Ein wesentlicher Vorteil bei der Arbeit mit den virtuellen Modellen besteht unter anderem darin, die Ressourceneffizienz von verschiedenen Varianten direkt gegenüberstellen zu können.

Diese Möglichkeit wurde etwa in Nürnberg genutzt, um ein ehemaliges Versandzentrum („The Q“) zu revitalisieren. Aus dem denkmalgeschützten Bestandsgebäude soll bis 2024 ein Quartier mit gemischten Funktionen entstehen. Die Alternative eines Neubaus konnte dabei schon im Vorfeld ausgeschlossen werden, da sie im Vergleich zur Umnutzung erheblich mehr CO2-Emissionen verursacht hätte.

The Cradle, Düsseldorf

Im Düsseldorfer Medienhafen entsteht mit „The Cradle“ ein sechsstöckiges Bürogebäude. Konzipiert ist es nach dem Cradle-to-Cradle-Prinzip (C2C). Ausgeführt wird es in einer Holzhybrid-Bauweise mit einer Bruttogeschossfläche von 7.200 m2. Um eine möglichst nachhaltige Durchführung des Projekts zu gewährleisten, setzte das planende Architekturbüro schon in den frühen Planungsphasen auf eine enge Kooperation mit anderen Projektpartnern.

Als Grundlage für die BIM-basierte interdisziplinäre Planung dienten verschiedene Programme und Schnittstellen für den Datenaustausch. Das entwickelte BIM-Modell ermöglichte die Integration des Kreislaufgedankens in die BIM-Planung, etwa durch bauphysikalische Berechnungen, umfassende Mengenermittlungen oder das Anlegen eines detaillierten Materialkatasters für eine langfristige Speicherung von Informationen bezüglich der verwendeten Baustoffe.

Im Falle eines zukünftigen Um- oder Rückbaus können über diese Datenbank die Materialrestwerte, Rückbauoptionen sowie die Möglichkeiten für ein Recyceln und Trennen der Baustoffe bereitgestellt werden. Eine Verknüpfung zu weiteren Datenbanken erlaubt sogar Analysen zur Materialgesundheit und zu ökologischen Auswirkungen. Das BIM-Modell lieferte damit schon in der Planungsphase die Grundlage für spätere Lebenszyklusphasen des Gebäudes.

Das Potenzial ist da – es muss nur genutzt werden (können)

BIM bietet eine Reihe an Möglichkeiten, um die Planung und Umsetzung von Bauprojekten nachhaltiger zu gestalten. Genauso hilft die digitale Methode dabei, Effizienz und Kosten insgesamt zu optimieren – über den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks hinweg.

Auch wenn die Rahmenbedingungen aktuell noch nicht vollständig ausgereift sind und wichtige Normen und Standards erst noch entwickelt werden müssen, sind die Optionen schon jetzt sehr umfangreich. Der digitale Ansatz erlaubt zudem durch den Einsatz entsprechender Tools eine Automatisierung diverser Planungsprozesse (etwa bei Berechnungen oder dem Vergleich von Varianten) und trägt auch so zu einer effizienteren Arbeitsweise mit weniger Zeit- und Kostenaufwand bei.

Mindestens genauso wichtig wie die Technologie ist allerdings der Faktor Mensch: Eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz des BIM-Konzepts ist die enge, interdisziplinäre Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten. Sie ist die Grundlage für einen erfolgreichen Projektabschluss nach BIM-Maßstäben.

Quellen:
Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV): Digitales Planen, Bauen, Infrastrukturmanagement. Einführung und Einsatz von Building Information Modeling (BIM)
https://bmdv.bund.de/DE/Themen/Digitales/Building-Information-Modeling/BIM/building-information-modeling.html

BMDV: Umsetzung des Stufenplans Digitales Planen und Bauen. Erster Fortschrittsbericht
https://bmdv.bund.de/SharedDocs/DE/Publikationen/DG/bim-umsetzung-stufenplan-erster-fortschrittsbe.pdf?__blob=publicationFile

BMDV: Stufenplan Digitales Planen und Bauen. Einführung moderner, IT-gestützter Prozesse und Technologien bei Planung, Bau und Betrieb von Bauwerken
https://bmdv.bund.de/SharedDocs/DE/Publikationen/DG/stufenplan-digitales-bauen.pdf?__blob=publicationFile

BIM Deutschland – Zentrum für die Digitalisierung des Bauwesens: BIM-Pilot- und Forschungsprojekte
https://www.bimdeutschland.de/bim-wissen/auf-dem-weg-zu-bim/bim-pilot-und-forschungsprojekte

VDI Zentrum Ressourceneffizienz: Ressourceneffizienz durch Building Information Modeling. Anforderungen und Potenziale
https://www.ressource-deutschland.de/fileadmin/user_upload/1_Themen/h_Publikationen/Broschueren/VDI_ZRE_Broschuere_Ressourceneffizienz_durch_BIM.pdf

VDI Zentrum Ressourceneffizienz: Ressourcenverbrauch im Bauwesen
https://www.ressource-deutschland.de/themen/bauwesen/ressourcenverbrauch-im-bauwesen/

Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg: Building Information Modeling (BIM)
https://vm.baden-wuerttemberg.de/de/mobilitaet-verkehr/strasse/building-information-modeling-bim

Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg: BIM-Leitfaden für das Straßenwesen in Baden-Württemberg
https://vm.baden-wuerttemberg.de/fileadmin/redaktion/m-mvi/intern/Dateien/PDF/PM_Anhang/210416_ANLAGE_BIM-Leitfaden.pdf

Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. (VDE): Der Digitale Zwilling in der Netz- und Elektrizitätswirtschaft
https://www.vde.com/resource/blob/2257516/cce234dea484fc0b1943774391752d8a/vde-studie-digitaler-zwilling-data.pdf

Deutsches Institut für Normung e. V. (DIN): Normungsroadmap BIM
https://www.din.de/resource/blob/801340/ac23712d9d160d27695afc678d100b44/normungsroadmap-bim-data.pdf

buildingSMART Deutschland: Normen und Richtlinien
https://www.buildingsmart.de/normen-und-richtlinien

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