Nutzen- und Kostenanalyse der Building Information Modeling (BIM) Methode in der Planung von Bauleistungen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Formelverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung der Arbeit
1.2 Zielsetzung und Abgrenzung der Arbeit
1.3 Allgemeiner Aufbau

2 BIM – eine Begriffserklärung
2.1 Herleitung und Historie
2.2 Drei Sichtweisen auf BIM
2.2.1 BIM als Marketingbegriff
2.2.2 BIM und Standardisierungsbestrebung
2.2.3 BIM und Forschung & Lehre
2.3 Kategorien von BIM
2.4 Weitere Begriffe im Kontext von BIM
2.4.1 PDM – Product data management
2.4.2 PLM – Product Lifecycle Management
2.4.3 BLM – Building Lifecycle Management
2.4.4 Produktmodellserver
2.4.5 IFC – Industry Foundation Classes

3 Grundlagen & State of the Art
3.1 Einführung ins Building Information Modeling
3.2 Stand der Technik
3.2.1 Entwicklungsstand International
3.2.2 Entwicklungsstand in Deutschland
3.3 Probleme bei der Umsetzung von BIM
3.3.1 Ausbildung und Mitarbeiterfortbildung
3.3.2 Die Informationstechnologie
3.3.3 Vertragswesen und Prozessgrundlagen
3.3.4 Wirtschaftliche Hemmnisse
3.4 Standardisierung
3.5 Software
3.6 Produktmodelle und Ablaufsimulation in anderen Branchen

4 Nutzen von BIM
4.1 Vorteile von BIM im Vergleich zu traditioneller Planung
4.2 Nutzen-Analyse nach BARLISH und SULLIVAN
4.2.1 Literaturrecherche & Datengrundlage
4.2.2 Festlegung der Erfolgskriterien
4.2.3 Methodik der Untersuchung
4.2.4 Ergebnisse
4.2.5 Zusammenfassung & Diskussion
4.3 Nutzen-Analyse nach BRYDE, BROQUETAS und VOLM
4.3.1 Literaturrecherche & Datengrundlage
4.3.2 Festlegung der Erfolgskriterien
4.3.3 Methodik der Untersuchung
4.3.4 Ergebnisse
4.3.5 Zusammenfassung & Diskussion
4.4 Vergleich der Analysemethoden

5 Wirtschaftlichkeit & Kosten von BIM
5.1 Kosten einer BIM-Einführung
5.2 Vorstellung des Ansatzes nach OLATUNJI
5.2.1 Kosten- Faktoren für eine BIM-Einführung
5.2.2 Regressionsmodell
5.2.3 Beispielrechnung und Diskussion
5.3 Wirtschaftliche Bewertung neuer IT-Systeme
5.3.1 Schwierigkeiten der Bewertung
5.3.2 Auswirkungen und deren Verkettung
5.3.3 Bewertungsbasis und Möglichkeiten
5.4 ROI-Analyse eines BIM-Einsatzes nach GIEL/ISSA und OLBINA
5.4.1 Methodik und Beschreibung der Fallstudien
5.4.2 Ergebnisse und Diskussion
5.5 ROI-Analyse nach Autodesk (2007) für die Implementierung von BIM
5.5.1 Entstehung des ROI und Produktivitätsentwicklung
5.5.2 Berechnungsansatz und Beispiel
5.5.3 Bewertung und Diskussion

6 Schlussbetrachtung
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ergebnisse der Arbeit
6.3 Ausblick

Literaturverzeichnis

Konsultationsverzeichnis

Thesen

Kurzfassung der Diplomarbeit

Anlagenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kategorien der BIM-Anwendung

Abbildung 2: Konzept des Product Lifecycle Managements

Abbildung 3: Historie der IFC-Entwicklung

Abbildung 4: Produktivitätsindex der Bauindustrie im Vergleich

Abbildung 5: BIM in der technologischen Adaptionskurve

Abbildung 6: Zustimmungsverteilung 1

Abbildung 7: Zustimmungsverteilung 2

Abbildung 8: Zustimmungsverteilung 3

Abbildung 9: Zustimmungsverteilung 4

Abbildung 10: BIM Server als Plattform für simultanen Datenzugriff

Abbildung 11: Zustimmungsverteilung "wirtschaftliches Handeln" nach Zielgruppe

Abbildung 12: Investition in auswertige BIM-Berater oder Outsourcing-Firmen.

Abbildung 13: Wechsel zu "Automatischer Informationsaustausch"

Abbildung 14: Verhalten der Planungsproduktivität durch eine BIM-Einführung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Fall 1 - Rücklauffaktoren von Nicht-BIM vs. BIM

Tabelle 2: Fall 2 - Einsatzfaktoren von Nicht-BIM vs. BIM

Tabelle 3: Fall 3 - Rücklauffaktoren von Nicht-BIM vs. BIM

Tabelle 4: Fall 3 – Einsatzfaktoren von Nicht-BIM vs. BIM

Tabelle 5: Erfolgskriterien, basierend auf PMBOK Wissensgebieten

Tabelle 6: Positive und negative Nutzen der BIM-Anwendung an ausgewählten Fallstudien

Tabelle 7: Erfolgskriterien-Rangliste für einen BIM-Einsatz

Tabelle 8: Errechnung der Eingangsgrößen fürs Regressionsmodell

Formelverzeichnis

Formel 1: Regressionsmodell zu BIM-Implementierungskosten pro Nutzer

Formel 2: Beispielrechnung BIM-Einführungskosten pro Anwender

Formel 3: Berechnungsformel des 1-Jahres-ROI einer BIM-Einführung

Formel 4: 1-Jahres-ROI mit Beispielwerten

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Problemstellung der Arbeit

Der Baubranche hängt schon seit Längerem der Ruf an neue Technologien nur äußerst zurückhaltend aufzunehmen und stattdessen eher auf alten Strukturen zu verharren. Eine Betrachtung des Produktivitätsindex der letzten Jahrzehnte zeigt des Weiteren, dass sich die Leistungsfähigkeit in der Baubranche im Gegensatz zu anderen Branchen nur äußerst sparsam weiterentwickelt hat. Ungeachtet der Gründe für die vorgenannten Beobachtungen, wurde und wird viel Energie aufgebracht, um diesen Umstand zu ändern. Ein Schlagwort, das in diesem Zusammenhang sowohl in der Planung und Ausführung als auch in der Bewirtschaftung von Gebäuden zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist das Building Information Modeling (BIM). Viele erhoffen sich, mit der vollständigen Umsetzung dieser Methode eine Antwort auf diverse Fragestellungen der Baubranche gefunden zu haben. Eine Antwort, mit der man auch den immer weiter steigenden Anforderungen des Baugeschäfts begegnen kann. Während jedoch in manchen Bereichen der Baubranche die Euphorie groß ist und Rufe nach Innovation und für das Aufbrechen alter Strukturen laut werden, so gibt es auch einige skeptische und zweifelnde Stimmen. Aufgrund unterschiedlicher Interessenshintergründe der Beteiligten sowie, nicht zuletzt hervorgerufen durch verschiedenste und teils voneinander abweichende Definitionen des Begriffs BIM, existiert eine Vielzahl von Meinungen und Ansichten, die einen Überblick auf das Thema äußerst schwierig machen. Eine Folge dessen ist die Verunsicherung von Bau- und Planungsunternehmen in eine Einführung von BIM zu investieren. Neben der Frage, ob die Technologie schon ausgereift und die Zeit schon gekommen ist um diese einzusetzen, muss sich jedoch auch mit der Frage auseinandergesetzt werden, ob mit ihrem Einsatz ein wirtschaftlicher Nutzen für die individuellen eigenen Projekte und Zwecke im Unternehmen erzielt werden kann. Eine Beantwortung der Frage in welchen Bereichen eine BIM-Einführung Veränderungen fordert (z.B. Vertragswesen, Kommunikation, veränderte Arbeitsabläufe, Zuständigkeitsbereiche, etc.), ist dabei ebenso interessant, wie die Frage in welcher Form diese Veränderungen gezielt dargestellt und bewertet werden können. Für jeden neuen Anwender der Methode ist zudem interessant, welcher Aufwand mit der Implementierung von BIM verbunden ist und ob sich dieser monetär darstellen lässt.

1.2 Zielsetzung und Abgrenzung der Arbeit

Das Ziel dieser Diplomarbeit besteht darin, einen möglichst ganzheitlichen und objektiven Blick auf die Nutzen und Kosten sowie das Potential einer BIM-Anwendung, insbesondere in der Planung, zu geben. Die Untersuchung verschiedener Fallstudien und Analyseansätze dient dazu, Möglichkeiten der Evaluierung von BIM-Potentialen und -Kosten aufzuzeigen und Einblicke in Fallstudien zu geben, bei denen BIM bereits angewendet wurde. Während sich Kapitel 2 & 3 überwiegend mit den Grundlagen zur Methode und dem derzeitigen Entwicklungsstand auseinandersetzen, dienen Kapitel 4 & 5 der Beantwortung der eigentlichen Zielstellung: Die Bewertung des Nutzens und der Kosten, bzw. der Wirtschaftlichkeit eines BIM-Einsatzes. Für den gesamten Teil der Arbeit bleibt festzuhalten, dass unterschiedliche Ansichten und Meinungen aus verschiedenen Perspektiven der Baubranche und unterschiedlichen Ländern wiedergegeben werden. Dies ermöglicht einen facettenreichen Blick auf die Thematik BIM, der Anspruch alle Meinungen zu berücksichtigen, bzw. alle aufgeführten Meinungen im Gesamtkontext zu bewerten, kann jedoch nicht erfüllt werden.

1.3 Allgemeiner Aufbau

Als Überblick zu dieser Arbeit soll im Folgenden in aller Kürze auf die einzelnen Thementeile eingegangen und deren Inhalte in Relation zum Ziel der Arbeit gesetzt werden. Die im zweiten Kapitel gegebenen Begriffserklärungen dienen einem besseren Verständnis von Building Information Modeling und geben einen Einblick in die vielfältigen Sichtweisen der einzelnen Beteiligten und Akteure. Des Weiteren wird die in dieser Arbeit verwendete Sichtweise von BIM definiert und die unterschiedlichen Kategorien dieser Methode erläutert. Abschließend erfolgt die Erläuterung verschiedener Begrifflichkeiten, die ebenfalls eng mit der Thematik BIM verbunden sind.

Das dritte Kapitel gibt Einblicke in die Grundlagen von BIM und den derzeitigen Stand der Technik sowohl in Deutschland als auch International. Einblicke werden u.a. zur Standardisierung und marktüblicher Software gegeben. Darüber hinaus wird im Speziellen auf Probleme eingegangen, die derzeit in Deutschland die BIM-Einführung erschweren. Ein Blick in andere Branchen soll den Blick für mögliches Entwicklungspotential in der Baubranche öffnen.

Im nächsten Hauptteil wird auf den Nutzen von BIM eingegangen. Nachdem der potentielle Nutzen der Methode im Vergleich zur traditionellen Planung beschrieben wurde, werden in den Kapiteln 4.2 und 4.3 zwei Nutzen-Analyse-Verfahren vorgestellt und miteinander verglichen. Dabei liegt der Fokus insgesamt darauf, den Nutzen eines BIM-Einsatzes gezielt und aussagekräftig darzustellen.

Im letzten Kapitel des Theorieteils liegt der Fokus auf den Kosten und der Wirtschaftlichkeit von BIM-Implementierung und –Anwendung. Es geht darum, einen BIM-Einsatz hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit zu untersuchen und zu bewerten. Um auf diese Frage eine Antwort zu erhalten werden sowohl Quellen herangezogen, die grundlegende Aussagen über die anfallenden Kosten machen als auch solche, die sich mit der grundsätzlichen wirtschaftlichen Bewertung von IT-Systemen auseinandersetzen. Für die praktische Anwendung wird sowohl ein Ansatz zur Berechnung der Kosten einer BIM-Implementierung über ein Regressionsmodell vorgestellt (5.2) als auch ein Berechnungsansatz, mit dem über den ROI die Wirtschaftlichkeit einer BIM-Investition greifbar gemacht werden soll (siehe 5.5).

Im letzten Hauptteil der Arbeit finden eine kurze Zusammenfassung und eine Bündelung der erlangten Erkenntnisse und Ergebnisse mit Blick auf die Zielstellung statt. Der Ausblick richtet den Blick auf zukünftiges Forschungs-, und Entwicklungspotential hinsichtlich der behandelten Thematik.

2 BIM – eine Begriffserklärung

Der Begriff BIM wird in vielen Schreibweisen verwendet und ist mit verschiedenen Bedeutungen hinterlegt. Bisher hat sich keine Definition einheitlich durchsetzen können. Ist BIM nun ein Prozess, ein Konzept oder eine Arbeitsweise? ^[1] Die Vielzahl an Interpretationen und Auslegungen des Begriffs spiegelt die unterschiedlichen Blickwinkel der beteiligten Akteure, vom Planer über die Softwareindustrie bis zum einzelnen Handwerker, wieder. Eine Definition die sich immer mehr etabliert, ist „BIM als Methode der durchgängigen Planung, Ausführung und Bewirtschaftung auf der Basis von zumeist dreidimensionalen, bauteilorientierten Softwaresystemen über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes“. ^[2] Die Abkürzung BIM steht hier für Building Information Modeling ^[3]. Als virtuelles Gebäudemodell wird das durch diese Methode erzeugte, zumeist dreidimensionale Modell bezeichnet. Im Verlaufe dieser Arbeit werden diese vorgenannten Definitionen verwendet um eine Verwechslung auszuschließen.

Ungeachtet der eigenen, o.g. Festlegung für diese Arbeit sollen in Kapitel 2.2 einige andere Definitionen aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf BIM erläutert werden, um den Begriff und den Umfang der allgemein mit BIM in Verbindung gebrachten Thematik zu umreißen und besser zu verstehen. Des Weiteren soll in diesem Kapitel eine Auswahl an Begriffen erläutert werden, die eng mit BIM in Verbindung stehen und im weiteren Verlauf dieser Arbeit an verschiedenen Stellen zum Tragen kommen.

2.1 Herleitung und Historie

Die Anfänge der Entwicklung begannen mit dem Siegeszug der Computertechnologie ab den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Klassische Blaupausen wurden ersetzt durch zweidimensionale CAD-Systeme, man zeichnete objektbezogene Gebäudebeschreibungen. Durch die Fortschritte in der Computertechnologie waren bald auch 3D-Darstellungen möglich, die aber keine Verbesserung in den Arbeitsablauf brachten und sich somit anfangs gar einen schlechten Ruf verschafften. Man erkannte, dass 3D-Darstellungen erst an Wert gewannen, wenn es möglich war einzelne Bauteile im Hinblick auf ihre Funktion logisch miteinander zu verknüpfen und somit auch die Verbindung zwischen den Gewerken zu schließen – man brauchte eine parametrische Modellierung. ^[4] Obwohl die Mehrheit der Nutzer den Entitäten-basierten Ansatz mit 2D-Darstellung weiterhin nutzte, begann 1980 eine Entwicklung objektorientierter CAD-Systeme, die konsequent weitergeführt wurde, mit der Vision eine ungemein effizientere Planungsmethodik zu schaffen. Diese heute unter den Bezeichnungen Building Information Modeling (BIM), Virtual Building, Parametric Modeling oder Model-Based Design bekannten objektorientierten Softwaresysteme ermöglichen, verbunden mit semantischem Content bzw. Bauteilbibliotheken, eine bisher nie dagewesene informationstechnische Nutzung der Modell-Informationen.

2.2 Drei Sichtweisen auf BIM

2.2.1 BIM als Marketingbegriff

Auf BIM als Marketingbegriff stößt man überwiegend in Verbindung mit führenden Bausoftware-Firmen. Hier unterscheiden die Definitionen sich bereits innerhalb der einzelnen Software-Häuser. Während BIM für Nemetschek eine „integrierte Arbeitsweise der optimierten Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Gebäuden und Immobilien“ bedeutet, womit die Nutzung und der Prozess hervorgehoben werden, versteht Graphisoft BIM als „bauteilorientiertes Planen, das Speichern und Bereithalten digitaler und intelligenter Gebäudedaten in einer einzigen Datenbank, auf die alle Projektbeteiligten bei den unterschiedlichsten Aufgaben während des gesamten Planungs- und Bauprozesses zugreifen können. Kern und Basis der BIM-gestützten Planung ist ein virtuelles, digitales Abbild des geplanten Gebäudes, […] es enthält darüber hinaus als integrierte Datenbank alle relevanten Gebäudeinformationen – sowohl Geometriedaten als auch Objekteigenschaften.“ Graphisoft beschränkt sich hier nicht auf eine Beschreibung von BIM als Methode, sondern weist auch auf die Form und Wichtigkeit der eingehenden und vorhandenen Daten hin. Die Software-Firma Tekla beschreibt BIM als „Prozess, mithilfe dessen sich eine detaillierte Gebäudekonstruktion über den gesamten Gebäudelebenszyklus modellieren und kommunizieren lässt.“ Zusätzlich gebraucht Tekla den Begriff BIM unter der Bedeutung „Building Information Management“. ^[5] Bei Autodesk ist folgende Definition zu finden: „Building Information Modeling (BIM) ist ein intelligenter, modellbasierter Prozess, mit dem sich über den gesamten Lebenszyklus Bau- und Infrastrukturprojekte effizienter, kostengünstiger und umweltfreundlicher durchführen und verwalten lassen.“ Die Verbindung zwischen dem virtuellen Gebäudemodell und der Software wird von Autodesk mit folgenden Worten erläutert: „Bei BIM ist das Modell eine komplexe Datenbank, die sowohl geometrische Informationen (Zeichnungen, Ansichten, Pläne, usw.) als auch nicht grafische Daten enthält. Ändert ein Bearbeiter ein Modell-Element, so koordiniert die BIM-Software automatisch die Änderung in allen Sichten – in den Zeichnungen z.B. in den 2D-Ansichten, und in den informativen Sichten, wie z.B. dem Terminplan. Im Gegensatz zu reinen CAD-Anwendungen, die Software-Tools verwenden um digitale 2D und/oder 3D-Zeichnungen zu erzeugen, erleichtert BIM eine neue Art des Arbeitens: das Erstellen von Entwürfen mit intelligenten Objekten.“ In der Gesamtheit bleibt festzustellen, dass die Definitionen sich durch ihre Betrachtungsweise unterscheiden aber auch, dass es viele Gemeinsamkeiten im Verständnis gibt. Der Fokus liegt dabei auf der Wirkung von BIM auf den Arbeitsprozess, die Begleitung über den gesamten Lebenszyklus hinweg und die Vielschichtigkeit der erfassten Daten. ^[6]

2.2.2 BIM und Standardisierungsbestrebung

BIM aus der Sicht der Standardisierungsbestrebung wird im deutschsprachigen Raum überwiegend durch den Verein buildingSMART e.V. vorangetrieben. buildingSMART sieht in BIM die „zeitgemäße Arbeitsmethode für das Planen und Realisieren von Bauvorhaben“ ^[7]. Diese funktioniert durch die Vernetzung aller am Bau Beteiligten. Das übergeordnete Ziel ist die Verbesserung der Interoperabilität innerhalb des Building Information Modeling. Eine homogene Definition zu BIM ist aber auch hier schwierig, da sich im Hinblick auf Interoperabilität drei Strömungen herauskristallisieren: Entweder durch den konsequenten Einsatz eines standardisierten Datenmodells, durch Programmschnittstellen oder aber durch eine verstärkte Zusammenarbeit der Hersteller mit Unterstützung der jeweiligen proprietären Datenformate. ^[8] Grundsätzlich wird BIM dabei nicht nur CAD-zentrisch verstanden, sondern mehr noch im Hinblick auf die Bereitstellung eines integrierten Datenmodells zur Interaktion mit den verschiedenen am Prozess beteiligten Applikationen. ^[9]

2.2.3 BIM und Forschung & Lehre

Eine dritte Sichtweise ist die der Forschung und Lehre. Sie wird in Deutschland größtenteils von der Arbeitsgruppe Bauinformatik getragen. Diese setzt sich zusammen aus Lehr- und Forschungsinstituten deutschsprachiger Universitäten. Das übergeordnete Ziel liegt hier in der Unterstützung baulicher Planungs-, Ausführungs- und Betriebsprozesse, durch den Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnologien. Ebenfalls auf diesem Gebiet tätig, ist der Arbeitskreis Architekturinformatik. Dieser setzt sich hauptsächlich aus Instituten der Fachhochschulen zusammen und hat seinen thematischen Schwerpunkt eher in der Anwendung bereits bestehender innovativer IT in der Lehre. Die Arbeitsgruppe Bauinformatik formuliert ihren Forschungsauftrag folgendermaßen: „Die Bauinformatik befasst sich mit den bauingenieurspezifischen Grundlagen und Anwendungen der Computerwissenschaften. Dabei sind die moderne Informations- und Kommunikationstechnik einschließlich der Berechnungs- und Simulationsverfahren von zentraler Bedeutung. Die Forschung in der Bauinformatik wird maßgebend durch allgemeine Entwicklungen in der Hardware- und Softwaretechnologie beeinflusst. Sie ist vorrangig auf die Modelle und die Prozesse der Bauinformatik ausgerichtet. Neben den zahlreichen Forschungsvorhaben der einzelnen Institute wurde in den letzten Jahren insbesondere der Forschungsschwerpunkt „Objektorientiertes Modellieren in Planung und Konstruktion“ durch die deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert, an dem 12 Universitäten beteiligt waren. Ziel dieses Schwerpunktes war die Entwicklung der objektorientierten Modelltheorie und ihre Anwendung in verschiedenen Bereichen des Bauwesens. Dieser Schwerpunkt hat gezeigt, dass die objektorientierte Modellierung im Bauwesen ein geeigneter konzeptioneller Ansatz für einen durchgängigen Informationsfluss bei der rechnergestützten Bearbeitung von Bauvorhaben ist“. ^[10] Der Arbeitskreis setzt sich inzwischen intensiv mit dem Thema BIM auseinander. Neben den zahlreichen Forschungsaktivitäten der einzelnen Institute und Fakultäten werden universitätsübergeordnete BIM-Ausbildungskonzepte entwickelt. Der Münchner Prof. Dr.-Ing. André Borrmann beschreibt seinen Vertiefungszweig „Building Information Modeling“ folgendermaßen: „BIM beschreibt die durchgängig modellgestützte Planung eines Bauwerks, die Nutzung des entstehenden Modells für unterschiedlichste Analysen und Simulationen sowie seine durchgängige Verwendung im Rahmen der Bewirtschaftung. Diese Technologie etabliert sich zunehmend in der Praxis und es steht zu erwarten, dass es in den nächsten Jahren zu massiven Umwälzungen der bislang weitgehend 2D-basierten Baubranche kommt und damit eine ähnliche technologische Revolution eingeleitet wird, wie sie im Maschinenbau bereits Anfang der 1990er Jahre stattgefunden hat.“ ^[11] Die im Arbeitsreis Bauinformatik vertretenen Lehrstühle orientieren sich in ihrer Lehre an einer Handvoll methodischer Grundlagen, um den zukünftigen Ingenieuren und Architekten das nötige Handwerkszeug mit in das Berufsleben zu geben:

- Objektorientierte Modellierung zur Spezifikation eines virtuellen Gebäudemodells
- Geometrische Modellierung zur konsistenten und korrekten Beschreibung der Bauwerksgeometrie
- Semantische Modellierung um das Bauwerk selbst vollständig und konsistent zu charakterisieren
- Prozessmodellierung um eine systematische und korrekte Modellierung und Analyse der einzelnen Prozesse wie Planung, Betrieb, Rückbau etc. zu erreichen
- Kooperationsmodellierung durch den Einsatz innovativer Kooperations- und Kollaborationssysteme ^[12]

2.3 Kategorien von BIM

Um einen Überblick über die Anwendungsbreite und –tiefe von BIM zu geben, werden zwei Achsen definiert an denen sich der Gebrauch von BIM einordnen lässt. Die erste Achse beschreibt die Durchgängigkeit oder das Ausmaß einer BIM-Lösung in einem Projekt oder Bauvorhaben. Dieses Ausmaß kann von einer Insellösung eines einzelnen Planers bis zur durchgängigen Lösung über den Lebenszyklus im gesamten Projektteam reichen. Auf der zweiten Achse wird die Offenheit der BIM-Anwendungen gemessen. Angefangen bei einer geschlossen-proprietären Lösung reicht sie bis zu einer gänzlich offenen Lösung, bei der Software der unterschiedlichsten Hersteller über offene Schnittstellen eingebunden werden kann. Zwischen den beiden Achsen wird nun eine 2x2 Matrix dargestellt, um vier unterschiedliche BIM-Kategorien zu definieren. ^[13]

Abbildung 1: Kategorien der BIM-Anwendung ^[14]

1. Geschlossene BIM-Insel oder „little closed BIM“: Der Anwender (Planer, Bauunternehmer, Facility Manager, etc.) erstellt und bearbeitet sein eigenes virtuelles Gebäudemodell. Dieses wird jedoch weder mit anderen Projektbeteiligten geteilt, noch ihnen für irgendeine Art von Tätigkeit zur Verfügung gestellt. Das Softwareumfeld ist einheitlich-proprietär.
2. Offene BIM-Insel oder „little open BIM“: Wie bei 1. bearbeitet der Anwender sein eigenes virtuelles Modell, stellt jedoch die für seine eigene Disziplin erstellten Modelldaten allen Projektbeteiligten zur Verfügung. Das Austauschformat ist dabei neutral, das Softwareumfeld jedoch auch in diesem Fall einheitlich-proprietär.
3. Geschlossene BIM-Integration oder „big closed BIM“: Mehrere Anwender bearbeiten in mehreren Disziplinen virtuelle Gebäudemodelle anhand der BIM-Methode. Dies geschieht sowohl intern als auch in einem vertraglichen Projektrahmen, in welchem dann auch die internen Gebäudemodelle der einzelnen Disziplinen in einem allgemeinen Koordinierungsmodell vereinigt werden. Die Zusammenführung findet jedoch in einem Applikationsumfeld statt und auch das Softwareumfeld ist wie bei 1. Und 2. einheitlich-proprietär.
4. Offene BIM-Integration oder „big open BIM“: Mehrere Anwender arbeiten intern, aber auch disziplinübergreifend, innerhalb vertraglich koordinierter Zusammenarbeit an virtuellen Gebäudemodellen anhand der BIM Methode. Die mit verschiedenen Softwareapplikationen erstellbaren virtuellen Gebäudemodelle führen in der Regel zu einem heterogenen Software-Umfeld. Die Daten aus den einzelnen Disziplinen werden in einem einheitlichen, gemeinsamen Gebäudemodell zusammengeführt, wobei beim Datenaustausch mit den verschiedenen Beteiligten Konventionen zu beachten sind. Im Idealfall stünde den Beteiligten der verschiedenen Disziplinen dann ein zentrales Gebäudemodell zur Verfügung an dem z.B. auch Zugriffsrechte, Änderungsrechte etc. eingerichtet werden können. ^[15]

2.4 Weitere Begriffe im Kontext von BIM

2.4.1 PDM – Product data management

PDM-Systeme sind ein etabliertes Instrument, um Daten zu organisieren. Eingesetzt wird es vor allem in der stationären, produzierenden Industrie, wie z.B. im Flugzeug-, Automobil-, Schiffsbau-, und Anlagenbau. Für jede Informationstechnologie muss irgendeine Form des Datenmanagements zugrunde liegen, so auch beim Building Information Modeling. Im Folgenden soll ein Einblick in das Produktdatenmanagement der produzierenden Industrie vermittelt werden, um im weiteren Verlauf der Arbeit das Spektrum der Möglichkeiten für BIM aufzuzeigen. Beim PDM steht das Bauteil, repräsentiert durch einen Datencontainer mit einer eindeutigen Nummer, im Zentrum. Dieser Datencontainer enthält alle für das Bauteil relevanten Informationen: Dokumente, beschreibende Daten wie Material-, oder Artikelnummer, Werkstoff und viele weitere Merkmale. Anhand eines Beispiels aus dem Automobilbau kann die Struktur und der Aufbau eines PDM-Systems erläutert werden. Der Container der Felge eines Fahrzeugs stellt ein Bauteil dar, das mit den darunter liegenden Dokumenten hinsichtlich spezieller Anforderungen zur Steifigkeit, erster Designskizzen, Prüfberichte, etc. verknüpft ist. Insgesamt repräsentieren diese Teile die Bauteildatei, ganz im Gegenteil zur Baugruppendatei, die die Informationen über den Zusammenbau der einzelnen verschiedenen Bauteile beinhaltet. Bezogen auf das Beispiel gehören in die Baugruppendatei Geometriedaten zur Art der Verknüpfung zwischen Rad und Felge. Im Gesamtaufbau sind PDM-Systeme hierarchisch gegliedert in Projekt, Baugruppe, Bauteil und Dokument. Dokumente sind dabei i.A. dem Bauteil untergliedert, können aber auch ein Projekt beschreiben (z.B. Telefonliste). Der große Vorteil dieser Art der Datenorganisation liegt darin, dass alle für eine Komponente relevanten Informationen und Dokumente übersichtlich gegliedert und sofort verfügbar sind. Ein möglicherweise untergliedertes Stücklistenmanagement erlaubt so z.B. eine automatisierte, detaillierte Ausgabe von Material- und Bauteillisten in Verbindung zu den gesuchten, bzw. gruppierten Suchkriterien. Eine Integration von CAD-Systemen ermöglicht die direkte Einspeisung von CAD-Dokumenten in die PDM-Umgebung. Teile- und Artikelstrukturen werden hierbei direkt aus dem CAD-System übernommen. Für die Klassifizierung von Bauteilen werden in PDM-Systemen Sachmerkmalleisten verwendet. Über sogenannte Vererbung wird die Suche vom Groben ins Feine sowie eine Verschlagwortung ermöglicht. Bei neuer Klassifizierung beispielsweise eines Schaltknüppels, navigiert der Anwender vom Gesamtfahrzeug in den Innenraum und von dort zur Mittelkonsole, wo er sein Bauteil einordnen kann. Die hierarchisch über dem Schaltknüppel stehenden gemeinsamen Merkmale werden vererbt. Dies erleichtert die Suche nach Komponenten und ähnlichen Teilen erheblich. ^[16] PDM-Systeme bieten jedoch neben einer sicheren Verwaltung und Steuerung von Produktkonstruktionsdaten auch Vorteile auf anderen Ebenen. Durch automatische Einrichtung kann für jedes Produkt eine vollständige, genaue und detaillierte Prüfkette erfasst werden - bis hin zur Berücksichtigung der kleinsten Komponente, die in ihrer Produktentwicklungsorganisation erstellt wird. Die Verwaltung von Workflows fällt leichter, ebenso wie die Rationalisierung von Betriebsabläufen und die Förderung von Innovationen – kurzum, PDM bietet die Möglichkeit die allgemeine Effektivität zu steigern. ^[17]

2.4.2 PLM – Product Lifecycle Management

PLM ist ein integrierendes Konzept der Industrie, um Informationen zu einem Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg, IT-gestützt, an den relevanten Stellen im Unternehmen zur Verfügung zu stellen. Oder auch die konsequente Fortführung aller im Produktlebenszyklus entstehenden Daten, Prozesse, Ressourcen und Kompetenzen. ^[18] Dieser Abschnitt zum PLM dient als Grundlage für das Verständnis des nachfolgenden Building Lifecycle Managements. Als Integrationssystem wird beim PLM die Summe aller IT-Systeme bezeichnet, die bei der Umsetzung des PLM-Konzeptes Verwendung finden. Das Konzept ermöglicht eine Sicht auf alle produktbeschreibenden Daten und Informationen, wobei die informationsverarbeitenden Prozesse über den gesamten Lebenszyklus hinweg berücksichtigt werden. Die Aufgabe dieses Konzeptes ist es hierbei nicht die einzelnen bestehenden Systeme zu ergänzen, sondern das Ziel ist, sie als Teilkonzepte zu einer Gesamtlösung zu integrieren. Wie in folgender Grafik veranschaulicht, kann man PLM auch als Kernprozess in einem Unternehmen sehen, der die Aufgabe hat die Produkte mit ihren Entstehungsprozessen zu fokussieren. Das Enterprise Ressource Planning steht in diesem Ansatz für den auf die Produktion bezogenen Kernprozess, der die Schritte eines Produkts von der Absatz- und Produktionsplanung über den Einkauf, Vertrieb, Verkauf und die Auftragssteuerung bis hin zur Lieferung und des Rechnungswesens abbildet. Diese beiden Kernprozesse begegnen sich in der Fertigung und Montage und werden durch unterschiedliche Softwaresysteme, Methoden und Informationen gesamtheitlich gehalten, die die IT-Unterstützung realisieren. In folgender Abbildung ist dieser Ansatz grafisch veranschaulicht: ^[19]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Konzept des Product Lifecycle Managements ^[20]

Product Lifecycle Management steht dabei nicht in Konkurrenz zum Product Data Management, welches als essentielle Basis gilt, sondern wird erst durch dieses ermöglicht. Wird PLM wie hier beschrieben als Gesamtsicht, also unter Berücksichtigung einzelner IT-Systeme als Teilprozesse, gesehen, ist ein ständiger Wandel durch Weiterentwicklung und Anpassung der Software, bzw. Veränderungen im Unternehmensumfeld die Folge. PLM entwickelt sich im Unternehmen ständig weiter, eine endgültige PLM-Lösung wird es daher niemals geben. Umso wichtiger ist es für ein Unternehmen PLM als mitlaufende Aufgabe mit strategischer Bedeutung im Unternehmen zu verankern. ^[21] Fürs Verständnis soll im Folgenden noch einmal kurz auf die Unterschiede zwischen PDM und PLM eingegangen werden: Während der Schwerpunkt von PLM auf der Umgestaltung der Produktentwicklungs- und Fertigungsprozesse hinsichtlich der Produktlebenszyklen liegt, ist der Fokus von PDM auf die Verwaltung von Konstruktionsdaten hinsichtlich der Produktentwicklungsprozesse gerichtet. PDM ist damit eine konstruktionsorientierte Technologie zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit bestehender Produktentwicklungsprozesse, durch eine bessere Verwaltung der Produktkonstruktionsdaten und wirkt somit in erster Linie auf einzelne Prozesse und Abteilungen. PLM hingegen sollte als prozessorientierter, strategischer Ansatz verstanden werden, der sich anderer Technologien, so auch des PDM, bedient, damit Produktlebenszyklen verwaltet, Prozesse erneuert und die Produktion gesteigert werden kann. Dabei handelt es sich um eine ganzheitliche, auf das gesamte Unternehmen ausstrahlende Strategie. ^[22]

2.4.3 BLM – Building Lifecycle Management

Das BLM stellt die Übertragung des Product Lifecycle Managements auf das Bauwesen dar. Informationen über ein Bauwerk sollen über den Gebäudelebenszyklus so organisiert werden, dass an den relevanten Stellen die richtigen Informationen immer aktuell zur Verfügung gestellt werden können. Wenn Informationen für spätere Lebenszyklen des Gebäudes, wie z.B. Energieverbrauch oder Wartungszyklen in frühen Planungsphasen eingebunden werden, kann ein integriertes Datenmodell schon prozessbegleitend zur Validierung von Planungsentscheidungen dienen. Als übergeordnetes Planungsinstrument lässt sich BLM in die Bereiche Daten- und Prozessmanagement gliedern. Das Prozessmanagement beschreibt, steuert und verwaltet die Wechselwirkung zwischen Aktionen und Daten von Abläufen, während das Datenmanagement zum einen die Verwaltung der aus unterschiedlichen Software-Umgebungen stammenden Bauwerksdaten regelt, zum anderen aber auch die Verwaltung der Projektbeteiligten, der Kooperationsstrukturen und Projektinformationen vornimmt. Ein aufs Datenmanagement aufbauender Mechanismus verbessert die kollaborative Handhabung und Nutzung des Modells und dient somit direkt dem Informations- und Konfigurationsmanagement. Die methodische Basis der BLM-Strategie, um kooperativ sowie anforderungsbedingt zu planen und das Teammanagement und die Systemtechnik zu stützen, bildet die integrale Planung. Sie basiert im Gegensatz zu den auf Funktionssegmentierung basierenden Optimierungsansätzen der derzeitigen Planungspraxis auf ganzheitlichen systemischen Denkansätzen. Bereits Ende der 80er Jahre wurde der Begriff „Integrale Planung“ von Nikolaus Kohler und Rohland Strunz als Planungsphilosophie definiert, die eine Verwirklichung eines Bauvorhabens unter Berücksichtigung aller Aspekte moderner Bau- und Installationstechnik erlaubt. ^[23] Teamarbeit - es gibt auf organisatorischer Seite nicht mehr nur einen „integralen Planer“ sondern ein integral kooperativ planendes Team - sowie eine langfristige Betrachtung des Gebäudes stellen das Hauptanliegen der integralen Planung dar. Es liegt in der Natur der Sache, dass mit fortschreitendem Planungsverlauf die Beeinflussbarkeit der Planungsqualität rapide sinkt. Notwendige Planungsanpassungungen verursachen steigende Kosten, die nicht selten die Entscheidung zuungunsten der Planungsqualität ausfallen lässt. Um dem zu entgehen setzt die integrale Planung bei den frühen Planungsphasen an. In der sogenannten strategischen Planungsphase ist es noch möglich ganzheitliche Lösungsansätze zu entwickeln. Dabei wird eine frühzeitige Einbindung der benötigten Akteure und Kompetenzen fokussiert. Für dieses Vorgehen hat sich der Begriff der horizontalen Integration etabliert. ^[24] Spezielles Augenmerk bei der ganzheitlichen Optimierung und Abstimmung im horizontalen Stil wird auf die Ziel- und Anforderungsmodellierung gelegt. Als vertikale Integration wird die Einbindung ökologischer, ökonomischer, sozialer, technischer und funktionaler Fragestellungen über den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks bezeichnet. Integrale Planung kann verstanden werden als ein iterativer Prozess der Schritte Problemanalyse, Systemsynthese und Systemanalyse, der auf anforderungsgetriebenen Regelmechanismen beruht. ^[25]

2.4.4 Produktmodellserver

Der Produktmodellserver als weitere Möglichkeit des zentralen Datenmanagements stellt eine Alternative zur Verwendung von Dokumentenmanagement- oder PDM-Systemen dar. Bei PDM-Systemen werden alle digitalen 3D-Modelle als Dateien verwaltet. Ein Produktmodellserver hingegen fungiert als zentrale Datenbank, auf der Daten strukturiert abgelegt und mit Hilfe spezieller Zugriffsrechte bei Bedarf wieder abgerufen werden können. Für den Einsatz von BIM würde der gesamte Datentransfer über einen Server laufen, auf dem u.a. das zentrale Gebäudemodell liegt. Hierbei erlaubt der Produktmodellserver den direkten Zugriff auf feinstgranulare Daten wie z.B. einzelne Attribute eines Objekts. Die kleinste verwaltbare Einheit eines PDM-Systems ist jedoch auf eine Datei beschränkt, was nicht unerhebliche Auswirkungen auf die Flexibilität in der Bearbeitung der Systeme hat. Auch in der Art der Speicherung unterscheiden sich die beiden Systeme. Während im PDM-System (wie in Absatz 2.4.1 beschrieben) gewisse rationale Speichstrukturen und -hierarchien bestehen, wird auf einem Produktmodellserver eine objektorientierte Speicherung vorgenommen. Für die Beschreibung der Datenstruktur kam die Datenmodellierungssprache EXPRESS zum Einsatz, was dem Bauwesen insofern zugutekommt, da der weitverbreitete Standard IFC (siehe Abschnitt 2.4.5) mit Hilfe von EXPRESS modelliert wurde und das IFC-Format somit automatisch mit allen Produktmodell-Servern kompatibel ist. Auch die Arbeitsweise mit einem Produktmodellserver unterscheidet sich in einigen Punkten stark von der Umgangsweise mit PDM-Systemen. Im ersten Schritt muss der Anwender seine Daten in einem neutralen Format, wie z.B. IFC, abspeichern. Im nächsten Schritt wird dieses, meist komplette, Produkt-, bzw. 3D-Gebäudemodell inklusive detaillierter Informationen hinsichtlich einzelner Bauteile und den verwendeten Materialien, einem Check-in im Produktmodellserver unterzogen, bei dem die enthaltenen Daten ausgelesen und auf die zugrundeliegende Datenbank gespeichert werden. Diese Daten können ab diesem Zeitpunkt von weiteren Bearbeitern „ausgecheckt“ werden, indem dieser die Daten zurück in das neutrale Dateiformat schreiben lässt. Der große Vorteil besteht darin, dass der Bearbeiter nicht das gesamte Produktmodell auschecken muss, sondern sich auf die für ihn relevanten Teile beschränken kann – beispielsweise kann ein Tragwerksplaner entscheiden, auf die Produktmodellteile, die zur Gebäudeausrüstung gehören, zu verzichten. Dieses Vorgehen gründet dabei auf der sogenannten „optimistischen Nebenläufigkeitskontrolle“, welche besagt, dass Modelldivergenzen, die durch die parallele Bearbeitung an einem Modell entstehen, grundsätzlich zugelassen werden. Darin unterscheidet sich der Produktmodellserver deutlich vom PDM-System welches eine „pessimistische Nebenläufigkeitskontrolle“ praktiziert und eine gleichzeitige Bearbeitung ein und desselben Modells von vornherein durch Sperrung untersagt. Das grundsätzliche Zulassen von paralleler Bearbeitung birgt die Gefahr von Modelldivergenzen, sobald die bearbeiteten Modelle wieder zusammengeführt werden. Um die Konsistenz des Modells dennoch zu gewährleisten, muss zum Zeitpunkt des Check-ins eine manuelle Bereinigung der Divergenzen stattfinden – eine Kompromissfindung zwischen den Planern. Trotz dieses Umstandes wurde die optimistische Nebenläufigkeitskontrolle von einer Reihe von Wissenschaftlern aufgrund der typisch langen Transaktionen in der Bauplanung als deutlich besser eingestuft. Zusammengefasst bieten Produktmodellserver ein hohes Maß an Flexibilität und eine gute Qualität im Umgang mit den Daten. Der Umgang mit Dokumenten und die Unterstützung von Workflows ist hingegen eher mangelhaft.

2.4.5 IFC – Industry Foundation Classes

IFC ist ein für die Baubranche entwickelter herstellerneutraler Standard für den Austausch von Daten. Für das Building Information Modeling ist er besonders interessant, da sich mit ihm die fürs Gebäudemodell erforderlichen Daten gut erfassen und verarbeiten lassen. Seit Mitte der 90er Jahre werden die IFC auf Initiative der Industrie Allianz für Interoperability (IAI) entwickelt. Mit den IFC steht dem Anwender ein programmübergreifendes, „intelligentes“ Datenformat für die verschiedenen Planungs-, Bau-, und Bewirtschaftungsprozesse zur Verfügung. Dies geschieht indem alle am Bauwerk existierenden Bauteile als Objekte definiert und in Programmen, die diesen Standard unterstützen auch wieder als solche interpretiert werden. ^[26] Unabhängig vom derzeitigen Prozessschritt des Bauwesens, in dem sie eine Rolle spielen, beschreiben IFC alle Bestandteile und Eigenschaften eines Gebäudes als Objekte. Die IFC verfügen somit über die Eigenschaft und Kapazität sämtliche Aspekte eines Gebäudes zu beschreiben: Über Geometrie und Topologie bis hin zu Eigenschaften der einzelnen Bestandteile. Eine IFC-Datei besteht mit dem Header und dem Body aus zwei Teilen. Der Header speichert Metainformationen wie z.B. Informationen über den Ersteller, verwendete Software, etc., während sich im Body die eigentlichen Modelldaten befinden. IFC-Objekte, bzw. Objektgruppen, können beispielsweise sein: Raster, Objekte, Beziehungen zwischen Objekten und Organisationsstrukturen. ^[27] Die folgende Grafik gibt Auskunft über die Historie des Datenaustauschformats innerhalb der letzten Jahre:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Historie der IFC-Entwicklung ^[28]

3 Grundlagen & State of the Art

Building Information Modeling ist ein Schlagwort, mit dem in der Baubranche große Visionen verbunden sind. Vielfach verspricht man sich durch die konsequente Einführung von BIM eine Wirkung auf die Baubranche, die mit jener vergleichbar ist, wie sie durch die Einführung neuer Prozessmodellierungsmethoden in anderen Branchen zu beobachten war. Um die Hintergründe u.a. dieser Sachverhalte zu beleuchten und den derzeitigen Stand der Technik darzustellen, sollen die folgenden Kapitel dienen.

3.1 Einführung ins Building Information Modeling

Anhand des Produktivitätsindex, dem Verhältnis aus eingesetzter Leistung (Arbeitsstunden pro Kopf) und Ausbringungsmenge (erarbeitetes Auftragsvolumen), kann die Leistungsfähigkeit in der Baubranche bewertet werden. Dieser auch für andere Branchen errechenbare Wert gibt die Möglichkeit Branchen anhand ihrer Produktivität miteinander zu vergleichen, bzw. eine Bewertung der Index-Entwicklung vorzunehmen. Eine vom US Bureau of Labor Statistics veröffentlichte Grafik zeigt den Produktivitätsindex der Baubranche von 1964 bis 2003 im direkten Vergleich mit dem Produktivitätsindex der Industrie (mit Ausnahme der Landwirtschaft) (siehe Abbildung 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Produktivitätsindex der Bauindustrie im Vergleich ^[29]

Während die anderen Branchen in der Produktivität ein stetiges Wachstum von über 100% in 40 Jahren verzeichnen können, nimmt der Index der Bauindustrie sogar ab. Diese Werte entstammen der Wirtschaft der vereinigten Staaten von Amerika, können sich aber auch annähernd auf europäische Verhältnisse übertragen lassen, da die technologische Entwicklung der Branchen, mit kleinen Ausnahmen, vergleichbar ist. Mit einem Anteil von über 10% des europäischen Bruttoinlandproduktes ist die Baubranche ein wichtiger Wirtschaftszweig, für den die Frage nach den Gründen einer solchen Entwicklung durchaus gerechtfertigt ist und im allgemeinen Interesse liegt. Seit Jahren setzen sich deshalb weltweit unterschiedliche Studien mit diesem Thema auseinander. Für viele Gutachter liegt die Ursache in Informationsverlusten sowie in offensichtlicher Prozessverschwendung begründet, die ausgelöst wurde durch die starke Fragmentierung in der Baubranche. ^[30] Zudem werden neue, moderne Formen der Wissensverarbeitung in der Bauindustrie durch veraltete Prozessdurchführung und durch striktes Festhalten an dieser blockiert. ^[31] Informationsverluste entstehen u.a. dann, wenn Informationen zwischen den einzelnen Projektphasen wie Planung, Entwurf, Bauausführung und Instandhaltung/Wartung nicht übergeben oder wiederverwendet werden. Im Laufe eines Projektes werden die Informationsverluste immer größer und verheerender in ihrer Wirkung. An der letzten Schnittstelle zwischen Ausführung und Inbetriebnahme des Gebäudes gehen somit am meisten Informationen verloren, einer denkbar ungünstigen Stelle, da hier die Kundenzufriedenheit maßgebend für Nachfolgeprojekte wird. Nicht zu unterschätzen sind jedoch auch Informationsverluste innerhalb der Projektphasen, ausgelöst durch unzureichende Kommunikation und Austausch zwischen den einzelnen Projektbeteiligten und Disziplinen. Dies ist ein Problem, das in der Historie begründet liegt, weil sich bereits früh eine Spezialisierung der einzelnen Disziplinen ausprägte und bis heute erhalten blieb. Lokal optimierte Bereiche wie Architekturdesign, Baustatik, TGA, Ausbau, etc. konkurrieren auf Basis ihrer Spezialisierung und treiben somit die Fragmentierung nur noch weiter voran. Ersichtlich wird dieses Problem bei der Zusammenführung der in den einzelnen hochspezialisierten und segmentierten Sektoren gewonnenen Informationen. Durch die erzeugte dezentralisierte Industriestruktur wird die Zusammenführung und Integration der Daten zu einem ernstzunehmenden Problem oder sogar zur unmöglichen Aufgabe. Daher ist eine Wiederbeschaffung der Informationen unter hohen Kosten nötig – ein verlustreiches Geschäft. Durch die Fragmentierung können zwar kurzzeitig Vorteile erzielt werden, diese bleiben aber auch nur auf lange Sicht erhalten, wenn eine ganzheitliche Sichtweise verstanden und die Einbindung von Systemen zur Durchsetzung dieser eingeführt wird. Die Baubranche ist mittlerweile über den Punkt hinaus, an dem lokale Optimierung in Form von Spezialisierung, Diversifikation und Segmentierung schwerer wiegt als integrale Optimierung, wie Integration, Industrialisierung und Standardisierung. Eine Tendenz zur integralen Optimierung zeigen beispielsweise Vertragsformen wie Design-Build, Integrated Project Delivery und Design Team Agreement. In diesen Vertragsformen wird ein Arbeitsklima angestrebt, in dem Fachwissen und Teilbereiche projektspezifisch integriert werden können. Auch der steigende Termindruck, höhere Qualitätsanforderungen und die verschärfte Kostenorientierung, die derzeit in der Baubranche herrscht, drängen die Bauindustrie immer mehr in Richtung integraler Optimierung, weil ein optimierter Planungs- und Konstruktionsprozess gefordert wird. Auch die Forderung von Nachhaltigkeitsanalysen und der Ruf nach Entwürfen von Multifunktionsgebäuden verstärken diese Tendenzen. Eine Vorgehensweise, die mehr auf Industrialisierung ausgerichtet ist sowie eine integriertere Vorgehensweise in Kombination mit Lean Methods werden deshalb vermehrt gefordert. Um sowohl den Kundenanforderungen, als auch den dringend erforderlichen Produktivitätssteigerungen in der Bauindustrie zu begegnen, ist deshalb ein neues Denken erforderlich, das den Fokus auf Prozessintegration für integrale Projektoptimierung setzt, um dadurch Kosten- und Qualitätsvorteile zu erhalten. ^[32] Die fragmentierte Prozessbearbeitung im Bauwesen wird hierdurch zwar nicht gänzlich abgeschafft werden, allerdings winkt neben vielen anderen Vorteilen des interdisziplinären Ansatzes eine Erhöhung der Teamleistung. ^[33]

Building Information Modeling in seiner offenen integrierten Form bietet das Potential wichtige Schritte in der Prozessintegration zu gehen und unterstützt dabei die Lebenszyklus-Bewertung eines Bauvorhabens. Dies wird erreicht durch die Erstellung, Verdichtung und konsequente Wiederverwendung digitaler Informationen von allen Beteiligten in allen Disziplinen und während des gesamten Bauablaufs. Informationen können visualisiert werden und somit allen Projektbeteiligten die Aufgabenstellungen erleichtern. Dies kann in allen Bauzuständen mit sämtlichen zur Verfügung stehenden Informationen geschehen. Durch die BIM-Technologie, oder speziell mit dem digitalen Gebäudemodell, können Simulationen der Bauwerke, Interdependenzen der Bauwerke mit der Umgebung, Konstruktionsalternativen und Design-Varianten durchgeführt werden. Konflikte in Form von Kollisionen zwischen den Gewerken können frühzeitig erkannt und noch vor der Bauphase eliminiert oder behoben werden. Der Unterschied zur herkömmlichen Planung mit 3D-CAD-Systemen liegt in der Verwendung von zusätzlichen nicht-geometrischen Informationen im Gebäudemodell bis hin zu einzelnen Objekten. ^[34] Es ist ein virtuelles Abbild der realen Baustelle. 3D-Modellierung scheiterte lange Zeit u.a. daran, dass wie zuvor auch 2D-Pläne unter den an der Ausführung Beteiligten ausgetauscht wurden und somit die vielfachen Vorteile der Methode nicht auf der Baustelle ankamen. Dies liegt einerseits daran, dass auf der Baustelle nur robuste, faltbare Pläne und Anleitungen von Nutzen sind und zum anderen daran, dass nötige Rechtsverbindlichkeiten an digitalen Modellen wesentlich schwieriger herzustellen sind als mit papiernen Dokumenten. Die Ableitbarkeit von normgerechten Plänen direkt aus dem 3D-Modell ist daher ein Schlüssel von vielen für eine praxistaugliche Lösung. Ein weiterer wichtiger Punkt ist ein geeignetes Datenmanagement, um die große Menge an digitalen Informationen, die eine Baustelle umfasst, sinnvoll zu nutzen. Eine nähere Erläuterung von zur Verfügung stehenden Systemen kann dem Kapitel 2.4 entnommen werden. Datenmanagementsysteme ermöglichen die sichere Verwaltung aller Informationen über den gesamten Lebenszyklus hinweg, von der Planung bis zur Instandhaltung und Wartung. Auch die Schaffung organisatorischer Rahmenbedingungen ist essentiell. Zuständigkeiten und Zugänge müssen geklärt und auf die Arbeit am Modell übertragen werden. Die Frage nach dem Besitzer und Verwalter eines solchen Datenmanagement-Systems muss genauso geklärt werden wie die Frage nach der vertraglichen Bindung der Parteien untereinander. Da in der Bauindustrie nur ein Produkt pro Baustelle gefertigt wird (Unikatfertigung), muss der Aufwand zur Erstellung einer Simulation stark mit einem möglichen Produktivitätsgewinn abgewogen werden. Um diesen Prozess zu vereinfachen, ist der Einsatz einer Bausteinbibliothek mit einzelnen Modulen möglich, um auf deren Grundlage digitale Prozesssimulationen zur Betrachtung von Abläufen zu generieren. ^[35] Grundsätzlich liegt in der Nutzung von Konzepten zur digitalen Baustelle, von denen BIM eine Möglichkeit darstellt, ein erheblicher wirtschaftlicher Mehrwert der von Kennern der Branche auf bis zu 30% der Auftragssumme beziffert wird. ^[36] Es muss allerdings auch bemerkt werden, dass die Einführung von BIM als Teilbereich der digitalen Baustelle eine erhebliche Änderung in der Industrie herbeiführen wird. Die aus den geringen Gewinnmargen resultierende hohe Fehlerintensität führt dazu, dass sich die Bauindustrie hinsichtlich der BIM-Industrie keine Fehlstrategie erlauben kann. ^[37]

3.2 Stand der Technik

Die Einführung der Vision „BIM“ wird seit einiger Zeit intensiv verfolgt und mittlerweile bestehen sowohl ausreichend praktische Erfahrungen durch Pilotprojekte und Fallstudien, als auch die nötigen technischen Voraussetzungen, um BIM als Methode in neuen Bauvorhaben vertraglich einzufordern und in gesetzlichen Vorgaben zu verankern. Im internationalen Vergleich heben sich manche Länder, wie beispielsweise Norwegen, Finnland, Dänemark und die USA, als Vorreiter im Vorantreiben der neuen Planungsmethode von anderen ab. Eine Einführung von BIM erfordert das Durchlaufen von mehreren Phasen und dauert meist etliche Jahre. Im Allgemeinen werden dabei vier Phasen durchlaufen, die sich wie folgt definieren: Die erste Phase wird geprägt durch das Ansetzen von Machbarkeitsstudien. In diesen werden nachgestellte oder fiktive Bauvorhaben für die Identifizierung praktikabler BIM-Szenarien untersucht und reale Projekte im Rahmen originärer Forschungsaufgaben vorbereitet und geplant. In der zweiten Phase erfolgt die Erprobung in der Praxis, indem reale Bauprojekte, meist finanziell unterstützte und wissenschaftlich begleitete Pilotprojekte, umgesetzt werden. Dies geht häufig einher mit einer Begleitforschung. Die dritte Phase beschreibt die Strategie zur Entwicklung und schrittweisen Einführung von Richtlinien und Schulungskonzepten um die BIM-Methode für reale Bauvorhaben einzuführen. In der Praxis wird dies erreicht durch strategische Auswertung der ersten beiden Phasen. Die vierte und letzte Phase beinhaltet die Normierung. Regulative Grundsätze werden als normative Vorgabe oder als Empfehlung gesetzt, um Anreize für die breite Anwendung der Methode zu setzen. Ein wichtiges Ziel bei der Umsetzung ist es die Einstiegshürde zu meistern, die darin besteht eine kritische Masse von Unternehmen zu erreichen. ^[38] Diese in der Adaptionskurve für BIM-Anwendungen auch als Adaptionsgraben bezeichnete Schwelle ist in einigen Staaten (skandinavische Länder, USA, u.a.) bereits in den letzten Jahren überwunden worden (siehe Abbildung 5). Allgemein wird international ein jährlicher Zuwachs der BIM-Anwendungen von ca. 15% angenommen.^[39]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: BIM in der technologischen Adaptionskurve ^[40]

Die Vorreiter der neuen Technologie genießen den Vorteil eine Weiterentwicklung entsprechender BIM-Standards sowie die Software maßgeblich mit zu prägen. Nachzügler hingegen profitieren durch die Vorarbeit, wodurch sie manche Phasen deutlich schneller durchlaufen können. Zur breiten Einführung hat sich in manchen Ländern auch die Methode bewährt öffentliche Auftraggeber mit einzubeziehen und die Anwendung von BIM begleitend und aktiv einzufordern. Dies muss aber mit Rücksicht auf die nationale Baukultur geschehen, damit kleinen und mittleren Büros und Unternehmen kein Nachteil entsteht, sondern sie stattdessen gefördert werden. In vielen Ländern hat BIM schon einen festen Platz in der Planungskultur. Meist verlief der Weg dahin ähnlich, schnelle Erfolge sind dennoch nicht zu erwarten. ^[41] Fest steht jedoch, dass die Umstellung viele einzelne Aspekte umfasst, die von Land zu Land stark differieren können. Die international am häufigsten für BIM verwendeten Systeme sind Rewit und ArchiCAD. ^[42]

3.2.1 Entwicklungsstand International

Die skandinavischen Länder beschäftigten sich bereits zu einem sehr frühen Entwicklungsstand der BIM-Technologie mit der strategischen, staatlichen Förderung. Umfangreiche Machbarkeitsstudien, Pilotprojekte und die Weiterentwicklung offener BIM-Standards trieben die Akzeptanz und die Anwendung stetig voran. Das staatliche Bauamt Statsbygg in Norwegen fordert sogar schon seit 2010 die Verwendung von BIM bei neuen Bauvorhaben. Auch Finnland begann früh mit der strategischen Förderung. Bereits seit 2007 werden bei staatlichen Aufträgen die Bauwerksdaten im IFC-Format eingefordert. Zunächst auf Bauvorhaben mit einer Größe von mehr als 2 Mio. € fokussiert, wurde für die Planer eine umfangreiche Dokumentation erarbeitet, in der neben Anleitung und Hilfestellung auch der Ausblick auf die Schritte hin zu einem voll integrierten BIM-Ansatz geliefert wurde. Mittlerweile liegt eine vollständig aktualisierte Fassung der 2007 veröffentlichten BIM-Richtlinien vor. Die frühzeitige Förderung in Finnland zeigte u.a., dass durch frühzeitige Förderung neuartige Software-Werkzeuge entstehen können. Ein Beispiel liefert die kleine finnische Firma Solibri, die inzwischen ein Synonym für Qualitätskontrolle an Bauwerksmodellen geworden ist. In den USA und Dänemark verlief die Einführung von BIM ganz ähnlich wie in Norwegen und Finnland. In den USA war es das staatliche U.S. Army Corp of Engineers, das offene BIM-Richtlinien erließ. Umfragen aus dem Jahr 2007 ergaben eine Anwendungsbreite von 28%, bei Wiederholung der Umfrage im Jahr 2012 sogar von 71%. Diese Zahlen zeigen eine bereits sehr breite Akzeptanz und ein starkes Wachstum innerhalb von 5 Jahren. ^[43] In Dänemark gingen die Richtlinien von den Kammern aus, was zu einer höheren Akzeptanz in der Baubranche führte. ^[44] Singapur beschäftigte sich ebenfalls sehr früh mit der BIM-Thematik. Dabei wird das Bestreben mit umfangreichen Richtlinien sowie einer weitreichenden Unterstützung der Planer begleitet und von einem Expertenkomitee kontrolliert und gesteuert. Seit 2011 ist in Singapur der reguläre Betrieb von elektronischen Baugenehmigungen aufgenommen worden. Seit 2013 ist das System der Prüfung eingereichter Gebäudemodelle anhand der gültigen Vorschriften im Gange und wird regelmäßig auf weitere Bereiche, so 2014 auf Konstruktion und Technik, erweitert. Das Ziel besteht darin 2015 flächendeckend mit BIM zu arbeiten. Ähnlich zielorientiert geht Großbritannien die Aufgabe der BIM-Einführung an. Ein Standardisierungskomitee unterstützt durch die Herausgabe technischer Spezifikationen die Initiative, bis 2016 sämtliche öffentlichen Projekte mit BIM-Methoden zu realisieren. Das Ziel in Großbritannien ist nicht zuletzt eine grundlegende Modernisierung der gesamten Bauindustrie mit dem Ziel auch international an Wettbewerbsfähigkeit zu gewinnen. Weltweit lässt sich eine immer stärker werdende Nutzung von BIM im Infrastrukturbereich beobachten. Laut einer Studie wuchs der Anteil derer, die BIM in Infrastrukturprojekten nutzen innerhalb von 2 Jahren von 27% auf 46% an. ^[45]

3.2.2 Entwicklungsstand in Deutschland

Auch in Deutschland wird BIM bereits praktiziert, allerdings in der Regel nur dann, wenn sämtliche Planungsleistungen aus einer Hand kommen und eventuell sogar der Betrieb des Gebäudes mit übernommen wird. In die Planung investierte Zeit und Kosten zahlen sich dann für den Eigentümer über die späteren Phasen des Lebenszyklus wieder aus. Grundsätzlich kann aber festgestellt werden, dass die derzeitigen Rahmenbedingungen in Deutschland den Einsatz von BIM erschweren. Eine Studie im Auftrag des Bundesinstituts für Bau-, Stadt-, und Raumforschung (BBSR) hat die deutschen Rahmenbedingungen für die BIM-Einführung genauer untersucht und dabei eine Reihe von Thesen aufgestellt. Die zentrale These formuliert die Notwendigkeit eines gemeinschaftlichen Handelns und zeigt eine Verschiebung der Aufwandsverteilung zwischen den Planungsphasen sowie den Fachbereichen und das Entstehen neuer Leistungsbilder wie dem BIM-Manager auf. Als Defizite, also Hindernisse auf dem Weg der Einführung von BIM in Deutschland, werden die rechtliche Unsicherheit bei der Preisgestaltung, die fehlenden Regularien für BIM-Vertragsvereinbarungen und der mangelnde Bezug zu den HOAI-Leistungsbildern deutlich gemacht. Der öffentliche Auftraggeber in Deutschland verhält sich hinsichtlich einer Top-Down-Strategie sowohl auf Bundes-, als auch auf Landesebene bislang weitestgehend abwartend und sendete abgesehen von Forschungsförderung bislang keinerlei Impulse aus. Die Position Deutschlands ist aktuell also noch in Phase 1 anzusiedeln, bei der Durchführung von Machbarkeitsstudien. Für einen Fortschritt in der Einführung ist nun also die zweite Phase mit wissenschaftlich begleiteten, realen Bauvorhaben dringend notwendig, um die international beschriebenen Vorteile im Sinne der Kosten- und Terminsicherheit auch für Deutschland zu bewerten. ^[46] Aus Sicht der öffentlichen Auftraggeber begründet man das Zögern in Bezug auf BIM-Projekte damit, dass zuvor folgende Grundlagen geschaffen, bzw. weiterentwickelt werden müssen:

- Bereitstellen der Daten für andere Fachanwendungen sowie Organisation des übergreifenden BIM-Datenaustausches durch einen projektnahen BIM-Manager, dessen Aufgabe darin besteht, anhand der genutzten Software Austauschformate abzustimmen, Qualität als Grundlage für die Mehrfachnutzung der Daten zu sichern und BIM-Teil-, und Fachmodelle in einem Gesamtmodell zusammenzuführen
- Planungsbüros müssen in der Anwendung von BIM durch entsprechende Wettbewerbsvorgaben gefördert werden
- Die Beschreibungstiefe als bauteilorientiertes 3D-Modell muss auf wesentliche Beschreibungsdaten reduziert werden (wie z.B. Bauteil-ID, Materialien, Bezeichnung, Massen, Mengen, Schallschutz).
- Geeignete Prüfwerkzeuge müssen eingesetzt werden, um Unstimmigkeiten sowie Überschneidungen im Bauteil zu ermitteln. Die Objektplanung soll bei der Integration der Fachplanung unterstützt werden, indem Prüfungen bürointern eingefordert, bzw. fachübergreifend sichergestellt werden.
- Zentrale BIM-Kompetenz muss beim Auftraggeber gesichert werden. Diese besteht aus der Unterstützung der Projektleitungen bei Beauftragung von Managementleistungen, Pflege und Migrieren von Daten über das Bauvorhaben hinaus, Sicherung von Verarbeitbarkeit und Lesbarkeit sowie Weiterentwicklung von Prüfroutinen, QS-Standards zu BIM-Projekten und Grundlagen. ^[47]

Problematisch ist auch die Aufsplitterung der öffentlichen Auftraggeber in Bund, Länder und Kommunen, die zurzeit keine gemeinsame oder ähnliche Strategie verfolgen. Neben dem Fehlen dieser wichtigen Instanz im Weiterbringen des BIM-Prozesses haben auch die Architekten und die großen Bauherren BIM noch nicht als Chance erkannt. Im Hinblick auf die praktische BIM-Anwendung in deutschen Bauunternehmen gibt es einige große Unternehmen wie z.B. Hochtief, Wolff&Müller, etc., die sich schon intensiv mit der Thematik auseinandersetzen und auf eine Einführung von BIM als strategisches Instrument drängen. Im Software-Bereich sind auf dem deutschen Markt vor allem die folgenden klassischen BIM-Systeme zu finden: Allplan BIM von Nemetschek, Rewit von Autodesk und ArchiCAD von Graphisoft/Nemetschek. ^[48] Starker Antrieb für die BIM-Einführung in Deutschland war bisher die Softwarebranche. Gerade bei den international agierenden deutschen Softwarehäusern besteht allerdings die Sorge, dass Deutschland Gefahr läuft von den Fortschritten führender Industrienationen abgehängt zu werden. Aktuelle Beispiele aus Deutschland für den Einsatz von BIM im Jahr 2013 sind der Bau des Streckenabschnittes Ulm-Augsburg der A8, einzelne Objekte beim Generationenprojekt Emscher-Umbau sowie die Planung für Gesundheitszentren der US Army in Vilseck und Urlas. ^[49] Einen guten Überblick über die aktuelle Anwendungsbreite von BIM in Deutschland gibt eine Umfrage, deren Ergebnisse im Mai 2012 unter dem Titel „BIM – Potentiale, Hemmnisse und Handlungsplan“ erschienen sind. An der Umfrage nahmen 301 Probanden aus vier Zielgruppen Teil: Planer, Ausführende, Bauherren/Betreiber und öffentliche Hand. Die Umfrage ergab u.a. einen relativ hohen Anwendungsgrad der BIM-Methodik in Deutschland. Über alle Zielgruppen hinweg lag sie im Schnitt bei 51%. Die Einzelergebnisse der Anwendung von BIM innerhalb der Gruppen schwankten jedoch gewaltig zwischen einem Anteil von 38% bei der öffentlichen Hand bis zu einem Wert von 83% in der Gruppe der Ausführenden. ^[50]

3.3 Probleme bei der Umsetzung von BIM

Um die Probleme bei der Einführung der BIM-Methode in Deutschland zu betrachten, wird die Thematik in die vier Einzelbereiche Ausbildung, Informationstechnologien, Vertragswesen/Prozessgrundlagen und wirtschaftliche Faktoren unterteilt, so erhält man einen guten und signifikanten Überblick. Überwiegend basieren die Erkenntnisse dabei auf dem Forschungsvorhaben „BIM – Potentiale, Hemmnisse und Handlungsplan“ aus dem Jahr 2013, gefördert durch die Forschungsinitiative Zukunft Bau. Für die Ergebnisse der durchgeführten Umfragen wurde eine Auswertungsstruktur gewählt, die eine Gegenüberstellung der Anwendergruppen BIM-Anwender, BIM-Umsteigewillige und Nicht-BIM-Anwender zulässt. Die Problematik wird somit aus Sicht der Bauindustrie dargestellt, vertreten durch die in den Umfragen betroffenen Teilnehmer. Die Umfrageteilnehmer sind Planer, Architekten, Tragwerksplaner, Generalplaner, TGA-Planer, Investoren, Bauherren, Betreiber, Ausführende und öffentliche Hand. ^[51]

[...]

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^[1] Siehe Schatz/Rüppel, 2013, S. 154

^[2] Siehe Liebich/Schweer/Wernik, 2011, S. 45

^[3] Im britischen Sprachgebrauch „Building Information Modelling“

^[4] Siehe Bernert, Dietmar, 2013, S.13

^[5] Siehe Schatz/Rüppel, 2013, S. 154

^[6] Siehe von Both/Koch/Kindsvater, 2013, S. 12

^[7] Siehe http://www.buildingsmart.de/bim-know-how/ifc, BIM Know How – buiding SMART, Stand 8.1.2014

^[8] Siehe Schatz/Rüppel, 2013, S. 156

^[9] Siehe von Both/Koch/Kindsvater, 2013, S. 11

^[10] Siehe http://www.ak-bauinformatik.tu-berlin.de/, Denkschrift Arbeitskreis Bauinformatik, Stand 8.1.2014

^[11] Siehe https://www.cms.bgu.tum.de/de/lehre/vertiefungszweig-bim, Beschreibung des Vertiefungszweiges BIM, Stand 8.1.2014

^[12] Siehe Schatz/Rüppel, 2013, S. 156

^[13] Siehe Liebich/Schweer/Wernik, 2011, S. 46

^[14] Siehe Liebich/Schweer/Wernik, 2011, S. 46/47

^[15] Siehe Liebich/Schweer/Wernik, 2011, S. 46/47

^[16] Siehe Günthner/Borrmann, 2010, S. 130-134

^[17] Siehe http://www.solidline.de, PDM und PLM im Vergleich, Stand 18.1.2014

^[18] Siehe Petra von Both, 2008, Beitrag 23

^[19] Siehe Arnold/Dettmering/Engel, 2005, S. 13-15

^[20] Siehe Arnold/Dettmering/Engel, 2005, S. 14

^[21] Siehe Arnold/Dettmering/Engel, 2005, S. 13-15

^[22] http://www.solidline.de/, PDM und PLM im Vergleich, Stand 18.1.2014

^[23] Siehe Suter/Kohler/Gfeller, 1986

^[24] Siehe Kohler/Forgber/Müller, 1998, S. 21

^[25] Siehe von Both, 2006, S. 81

^[26] Siehe Degen/Liebich, 2007, S. 175

^[27] Siehe https://www.uni-koblenz-landau.de, Stand 15.01.14

^[28] Siehe Liebich, Thomas, 2013, S.6

^[29] Siehe http://www.aecbytes.com/, Stand 22.01.14

^[30] Siehe Kessoudis/Lodewijks, 2013, S. 121-122

^[31] Siehe Diaz, 2013, S. 6

^[32] Siehe Kessoudis/Lodewijks, 2013, S. 121-123

^[33] Siehe Diaz, 2013, S.6

^[34] Siehe Diaz, 2013, S.6

^[35] Siehe Günthner/Borrmann, 2010, S. 2-7

^[36] Siehe Günthner/Borrmann, 2010, S. 2-7

^[37] Siehe Kessoudis/Lodewijks, 2013, S. 127

^[38] Siehe Liebich/Weise, 2013, S. 139-140

^[39] Siehe Liebich/Schweer/Wernik, 2011, S. 11

^[40] Siehe Liebich/Schweer/Wernik, 2011, S. 12

^[41] Siehe Liebich/Weise, 2013, S. 140-141

^[42] Siehe Diaz, 2013, S. 8

^[43] Siehe Chahrour, 2013, S.33

^[44] Siehe Liebich/Schweer/Wernik, 2011, S. 13

^[45] Siehe McGraw Hill, 2012, S. 4

^[46] Liebich/Weise, 2013, S. 142-143

^[47] Siehe Reif, 2013, S. 129-134

^[48] Siehe Diaz, 2013, S. 8

^[49] Siehe Koggelmann, 2013, S. 93 - 94

^[50] Siehe von Both/Koch/Kindsvater, 2013, S. 51-60

^[51] Siehe von Both/Koch/Kindsvater, 2013, S. 46