Auferstehen aus Ruinen

Die Phasen des Abbruchs und die spätere Verwendung von Baustoffen nach dem Rückbau fanden im Rahmen der Planungsmethodik BIM bislang zu wenig Berücksichtigung. Dabei erstreckt sich BIM über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes und dient auch bei der Optimierung von Stoffströmen als wichtiges Planungswerkzeug. Dank der Digitalisierung sollen Recyclingprozesse und Sanierungen, deutlich vereinfacht umgesetzt werden.

Hierfür müssen die nötigen Informationen bereits in der Planungsphase bereitstehen. Immerhin hat die Bauwirtschaft den größten Anteil am deutschen Abfallaufkommen. Entsprechend hoch ist das Potential. Was Baustoffe zudem so besonders macht, ist die Langlebigkeit. Vom Einbau bis zur Verwertung können 50 Jahre und mehr vergehen, das erfordert eine sehr weitreichende und frühzeitige Planung.

Der sparsamere Ressourceneinsatz, das Recycling und die Wiederverwertung von Baustoffen müssen daher weiter verbessert werden. Im Vordergrund steht der Cradle to Cradle-Gedanke. Damit ist gemeint, dass bereits beim Entwurf eines Produkts darüber Klarheit herrschen muss, wo die verbauten Bestandteile am Ende des Lebenszyklus landen sollen. Das Recycling der verwendeten Baustoffe muss also von Anfang an geklärt sein.

Was kann recycelt werden?

Auf der Internetseite des Baustoffverbands Vero heisst es: „Recycling-Baustoffe“ sind „Gebrauchte Baustoffe“, die beim Umbau oder der Sanierung von Bauwerken in Form von Bauschutt oder Bodenaushub anfallen und als Grundlage für die erneute Herstellung von Baustoffen dienen. Der Verband Vero vertritt die Interessen der Bau- und Rohstoffindustrie auf Landes-, Bundes und Europaebene. Er teilt die These: „Baustoffe müssen verstärkt dem Werkstoffkreislauf wieder zugeführt werden, um so Deponien zu entlasten.“

Für mineralische Baustoffe funktioniert das bereits gut. Der 11. Monotoring-Bericht der Initiative Kreislaufwirtschaft Bau, der am 21. Januar 2019 an den damaligen Staatssekretär Gunther Adler vom Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat übergeben wurde, belegt diese positive Entwicklung. Im Bericht der Initiative Kreislaufwirtschaft Bau, einem Verbund der deutschen Baustoffindustrie, der Bauwirtschaft und der Entsorgungswirtschaft, der sich für die Förderung der Kreislaufwirtschaft im Bauwesen einsetzt, heißt es: „Allein die mineralischen Bauabfälle verursachen mit 214,6 Millionen Tonnen den größten Anteil am gesamten Abfallaufkommen im Sektor Bau und Abriss.

Lebenszyklusphasen und Hauptprozesse einer Liegenschaft (Bild: BIM-Institut der Bergischen Universität Wuppertal)

Der Hauptgeschäftsführer des Bundesverbandes Baustoffe – Steine und Erden e. V., Michael Basten, betont: „Mineralische Bauabfälle werden heute nahezu vollständig verwertet und im Stoffkreislauf gehalten.“ Weiter wird in dem Bericht aufgezeigt: „Von den rund 215 Millionen Tonnen mineralischen Bauabfällen, die 2016 anfielen, wurden etwa 193 Millionen Tonnen bzw. rund 90 Prozent einer umweltverträglichen Verwertung zugeführt.“ Das Ergebnis kann sich also sehen lassen, soweit es die mineralischen Bauabfälle (Beton, Mauerwerk, Putz) betrifft.

BIM löst schwierige Fälle

Es geht jedoch nicht nur um die gut recycelbaren mineralischen Baustoffe. Schwierig wird es bei Verbundstoffen, Klebstoffen, Silikon, Teppichen sowie Farben und Lacken, Montageschaum und sonstigen chemischen Elemente, die dem Stoffkreislauf nicht wieder zugeführt werden können. Diese schwierigen Stoffe gilt es zu vermeiden. Dabei spielen die verlässlichen Produktinformationen aus dem BIM-Modell für das Recycling- bzw. Verwertungsunternehmen eine ganz entscheidende Rolle. Es ist dringend erforderlich, die aus der Qualitätssicherung der Bauphase vorhandenen Datenprofile der Bauprodukte aus den unterschiedlichen Verordnungen und Normen intelligent zu nutzen. So könnten die Voraussetzungen für die Optimierung der Stoffströme verbessert werden.

Diese wichtigen Fakten gelten als Auswahlkriterium für Baustoffe und müssen im BIM-Modell integriert und genutzt werden. Als Quelle für die Beurteilung der wichtigsten Bauproduktgruppen und Grundstoffe dient u. a. die herstellerneutrale Datenbank WECOBIS, die Informationen zu gesundheitlich-und umweltrelevanten Eigenschaften liefert. Die Daten werden für die Lebenszyklusphasen Rohstoffe, Herstellung, Verarbeitung, Nutzung und Nachnutzung zur Verfügung gestellt.

Überlagerung der Lebenszyklusphasen(Bild: BIM-Institut der Bergischen Universität Wuppertal)

Eine weitere Beurteilung ermöglicht die Europäische Bauproduktenverordnung (EU-BauPVO). Hierin sind wesentliche Merkmale von Bauprodukten und Klassifikationen festgelegt. Auch die Europäische Chemikalienverordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) definiert die Anforderungen an Informationen zu Bauprodukten. Zudem dient die Bauregelliste des Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) als Orientierung. Diese detaillierten Daten gilt es intelligent und vorausschauend zu nutzen.

Intelligente Daten für den Rückbau

Hier kommt die digitale Planungsmethode BIM ins Spiel, die den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes berücksichtigt – einschließlich des umweltschonenden Rückbaus. Die Planungsmethode könnte helfen, die Rückführung von Baustoffen in den Stoffkreislauf zu verbessern, denn schließlich baut BIM auf das optimale Zusammenspiel unterschiedlicher Softwarelösungen und Datenbanksysteme. Für den intelligenten Einsatz der Daten, die für eine einheitliche Nutzung aller Gewerke gesammelt und zugänglich gemacht werden, sind völlig neue Softwareanwendungen und Schnittstellen notwendig, welche die gesamten Planungs- und Entwicklungs-, Beschaffungs-, Bau- und Nutzungsprozesse bis hin zum Rückbau weiter optimieren.

Im Zentrum steht auch hier der digitale Zwilling, als virtuelle 1:1 Nachbildung eines Gebäudes, auf den alle Berechtigen zugreifen und der das Objekt bis zum Rückbau begleiten muss. Die Datensätze sind die bekannten Property Sets, in denen nicht nur die Fakten z. B. über den verwendeten Beton und dessen Zusammensetzung hinterlegt sind, sondern auch alle bauphysikalischen Werte wie Wärmeleitfähigkeit, Brennbarkeit usw. Alle Informationen, selbst die Bezugsquelle, werden in diesem angehängten Datensatz (Property Set) gespeichert.

Zudem könnte man hier die Art und Weise der Verbindungen der Materialien untereinander berücksichtigen. Denn wichtig für den Recyclingprozess ist, ob die Stoffe geklebt, geschraubt, gesteckt oder geklemmt wurden. Exakt in diesem Datensatz müssten umweltrelevante Informationen wie z. B. die Schadstoffklassen einschließlich der Grenzwerte und Vorgaben verstärkt berücksichtigt und mit entsprechenden Trigger-Mechanismen ausgestattet werden. Datenbanken werden so zu Expertensystemen. Damit bietet BIM eine echte Chance für die Planung des ökologischen Rückbaus.

Wie eine solche Lösung aussehen könnte und welche Prozesse hierzu nötig sind und ineinandergreifen, das hat das BIM-Institut der Universität in Wuppertal von Januar 2017 bis Dezember 2018 eingehend untersucht. Titel des Projekts: „Building Information Modeling (BIM) als Basis für den Umgang mit digitalen Informationen zur Optimierung von Stoffkreisläufen im Bauwesen.“ Gefördert wurde diese Forschungsarbeit von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt.

Studie zum Stoffkreislauf

Das BIM-Institut der Universität Wuppertal geht davon aus, dass die Schließung von Stoffkreisläufen im Bausektor meist an Bauprodukten scheitert, die sich nicht oder nur mit großem Aufwand recyceln lassen. Ursache hierfür sind die fehlenden Informationen zum Verbleib der jeweiligen Produkte am Ende der Nutzungszeit einer Immobilie. Das Forschungsvorhaben will die Optimierung des Recyclings und die Reparaturfreundlichkeit im Schadens- oder Sanierungsfall erhöhen, um einen möglichst großen Anteil an Materialien in den Rohstoffkreislauf zurückführen zu können.

Zudem sollen die weitreichende und frühzeitige Aufnahme und Speicherung produkt- und stoffbezogener Informationen (z. B. in Bezug auf Gefahrstoffe) verbessert werden. Wichtig ist, dass alle Fakten zu den eingebauten Materialien und ihrer Zuordnung zum Einbauort, welche die Belange des Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutzes betreffen, laufend dokumentiert werden. Das gilt vor allem bei der Wartung oder Instandsetzung während der Betriebsphase.

Die Besonderheit beim Forschungsprojekt am BIM-Institut besteht in der gemeinsamen Untersuchung der Lebenszyklusphasen der Baustoffe und der Bauwerkslebenszyklusphasen. Aufgrund dieser Gemeinsamkeiten der beiden Lebenszyklen lassen sich die einheitlichen digitalen Datenprofile der Baustoffe ableiten und ein unnötiger Mehraufwand vermeiden. Als Vorbereitung auf die spätere Programmierung gilt es zunächst, die einzelnen Prozesse exakt zu analysieren und perfekt zu strukturieren.

Dipl.-Ing. Holger Kesting von Lehr- und Forschungsgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft der Uni-Wuppertal resümiert: „Durch eine konsequente Prozessmodellierung von Bauprodukten unter Berücksichtigung der beiden Lebenszyklen für Bauprodukte und der Liegenschaft könnten umfassende digitale Standards für die Bereitstellung von Informationsdokumenten (wie z. B. eine erweiterte Leistungserklärung) entwickelt und umgesetzt werden. Dadurch lassen sich Stoffkreisläufe unter Anwendung der Methode BIM optimieren.“

Prozessorientierte BIM-Modellierung

Da hier die Methode BIM für die digitalen Informationen zur Optimierung von Stoffkreisläufen genutzt wird, tritt an die Stelle des Bauwerks der Begriff Bauprodukt. Somit konzentrieren sich die Forscher um Prof. Dr.-Ing. Manfred Helmus und Prof. Dr.-Ing. Steffen Anders auf die Informationsmodellierung von definierten Bauprodukten.

Doch wie lassen sich diese Daten und Informationen strukturiert und effizient sammeln und verarbeiten? Bei den langfristig orientierten Untersuchungen des BIM-Instituts stehen die einzelnen notwendigen Prozesse zunächst im Vordergrund. Es müssen zunächst die Quellen und der gesamte Workflow geklärt werden, d. h., für die Digitalisierung der Informationen im gesamten Bauprozess müssen die nötigen Prozesse aufbereitet und dargestellt bzw. visualisiert werden.

Die Darstellung und Bereitstellung von Informationen erfolgt über die Modellierung von Prozessen. Dabei wird zwischen strategischen und operativen Prozessmodellen unterschieden. Unter einem strategischen Prozessmodell versteht man die kompakte Beschreibung eines Ablaufs vom Anfang bis zum Ende; unter dem operativen Prozessmodell die Abbildung von Prozessflüssen. Diese dienen den Beteiligten als Orientierung und Hilfestellung bei der täglichen Arbeit. Weiterhin bilden sie die Grundlage für Prozessanalysen und können als Ausgangspunkt für die technische Prozessumsetzung fungieren.

Holger Kesting erklärt hierzu: „Beim Prozessfluss wird zwischen dem fachlichen und dem technischen Prozessfluss unterschieden. Der fachliche Prozessfluss beschreibt die Tätigkeit auf einer rein fachlichen Ebene, unabhängig von den zur Verfügung stehenden technischen bzw. nicht-technischen Hilfsmitteln. Der fachliche Prozessfluss beschränkt sich zumeist auf die von Menschen durchgeführten Schritte, wie zum Beispiel die Erstellung eines Angebotes, die hierzu gehörende Mengenermittlung usw. Der fachliche Prozess bleibt im Zuge der weiteren Digitalisierung unverändert. Der technische Prozessfluss beschreibt die zu übernehmende Tätigkeit von Maschinen als Ergänzung zum fachlichen Prozessfluss. Hierzu wird die Digitalisierung der Branche weiterhin ihren Beitrag leisten und unterstützend eingreifen.“

Die vier Ebenen der Prozessbildung

In einer übergeordneten Darstellung der Prozessebenen wird zur besseren Verständlichkeit das strategische Prozessmodell angewandt. Je tiefer sich die Prozessebenen gliedern, umso genauer bilden sie einzelne Arbeitsschritte ab und gehen in ein operatives Prozessmodell über.

Die am Lehr- und Forschungsgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft der Bergischen Universität Wuppertal entwickelte Gliederung der Prozessebenen beschreibt mindestens vier Ebenen in der Prozessmodellierung. Die Ebenen 1 und 2 werden als übergeordneter Prozess (strategisches Prozessmodell) verstanden. Diese Ebenen beschreiben den Ablauf so kompakt wie möglich – vom Anfang bis zum Ende. Die sich anschließende Ebene 3 wird als operativer Prozess auf Dokumentenebene festgesetzt. Hier werden die wesentlichen Abläufe und die daraus resultierenden Dokumente (wie z. B. Leistungserklärung, Sicherheitsdatenblätter usw.) als Prozess dargestellt. Hierdurch wird verdeutlicht, in welcher Reihenfolge die Informationen (Dokumente) nacheinander aufgebaut und erzeugt werden.

Ab Prozessebene 4 wird von operativen Prozessen auf Detailinformationsebene gesprochen. Diese dienen zur Generierung der Inhalte in den Dokumenten. Übergeordnet wird ein Prozessziel festgelegt.

Dabei könnte man es vereinfacht auf die folgenden Fragen reduzieren:

• Wann startet der Prozess?
• Wer ist verantwortlich?
• Warum wird der Prozess benötigt?
• Welche Informationen werden vorausgesetzt?
• Wie kann man den Prozess beschreiben?
• Wonach muss man sich orientieren bzw. richten?
• Womit wird der Prozess gestaltet (Hilfsmittel)?
• Was soll das Ergebnis sein (Output)?
• Wann endet der Prozess?

Unter den „Mitgeltenden Informationen“ versteht man ergänzende Informationen, die nicht innerhalb der modellierten Prozesskette (Wertschöpfungskette) erstellt, sondern als feststehende, von außen bereitgestellte Inputs betrachtet werden (z. B. DIN-Normen). Hierzu ist es notwendig, die übergeordneten Prozesse zu beschreiben, worunter man die kompakte Beschreibung von Abläufen versteht, und zwar von der Planung bis zum Rückbau. Die Metaebene wird dann nochmals in einzelne Arbeitsschritte gegliedert, die es ebenfalls näher zu beschreiben gilt. Zur Erreichung der Ziele im vorliegenden Projekt sind Analyse, Erfassung und Dokumentation der relevanten Prozesse sowie der stoff- bzw. produktbezogenen Daten erforderlich.

Der Lebenszyklus Abbruch

Es werden zwei Lebenszyklen getrennt untersucht: Der Lebenszyklus des Baustoffs, der sich in die Phasen Herstellung, Verarbeitung, Rückbau, Aufbereitung und Entsorgung gliedert, sowie der Lebenszyklus des Bauwerks, der sich in die Phasen Entwicklung, Planung, Realisierung, Betrieb und Abbruch einteilt.
Das hier besprochene Forschungsprojekt konzentriert sich auf die Baustoffe in den Abschnitten Realisierung und Abbruch. Mit Abbruch ist hier sowohl der Gesamtrückbau gemeint als auch der Teilprozess im Rahmen einer Instandhaltungsmaßnahme.

Der konventionelle Abbruch kommt bei einfachen Konstruktionen mit überwiegend ähnlichen Baumaterialien zum Einsatz, bei dem keine Anforderungen an Trennung und bzw. Recycling gestellt werden. Überwiegend wird jedoch der selektive Abbruch durchgeführt, bei dem einzelne ausgesuchte Bauteile gezielt Schritt für Schritt abgetragen werden. Hierzu ist dann wiederum als vorgelagerter Prozess eine detaillierte Besichtigung und Prüfung erforderlich. Zudem muss das Abbruchmaterial erfasst werden. Insofern kann das klassische Bauen im Bestand als Teilabbruch ebenfalls mit dem hier vorgestellten Verfahren untersucht werden.

Beispiel: Beton und Kalksandstein-Mauerwerk

Nachfolgend wird am Bespiel Beton und Kalksandstein-Mauerwerk untersucht, ob es mit den heute bei Neubauten zu dokumentierenden Informationen möglich wäre, den Bauwerksaufbruch als recycelte Gesteinskörnung wieder in den Produktzyklus zurückzuführen. Man geht davon aus, dass zur Zeit des Umbaus bzw. Abbruchs die Dokumente vorliegen, die nach heutigem Stand im Rahmen der Bauausführung an den Bauherrn übergeben werden müssten. Ziel ist es stets, sicherzustellen, dass die wichtigsten Rahmenbedingungen bekannt sind, die für die Zusammenstellung der erforderlichen Informationen für Beton mit rezyklierter Gesteinskörnung zu beachten sind.

Diese vorhandenen Datenprofile muss man wiederum mit den Anforderungen vergleichen, welche die Richtlinie des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton e. V. vorschreiben (DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 mit rezyklierten Gesteinskörnungen nach DIN EN 12620). Diese Vorgabe regelt, unter welchen Voraussetzungen Betonsplitt und Bauwerkssplitt als Gesteinskorn wieder im Beton verwendet werden dürfen. Allein diese Grenzwerte der Zusammensetzung für Betonsplitt und Bauwerksplitt machen deutlich, dass ein sortenreiner Abbruch für die Qualität des Recycling-Materials vorteilhaft ist, da das Recycling-Gesteinskorn definiert zusammengestellt werden kann.

Auch in Bezug auf den Gipsgehalt spielt ein sortenreiner Abbruch eine große Rolle. Werden vorhandene Gipsputze nicht vor dem Abbruch der Tragstruktur entfernt, verunreinigen sie den Bauwerksaufbruch und können dazu führen, dass der Aufbruch nicht mehr als Recycling-Gesteinskörnung verwendet werden darf. Daher ist allein die Kenntnis, dass Gipsputze verwendet wurden und in welchen Massen, von großer Bedeutung für die Optimierung von Stoffströmen. Hier wird deutlich, welche wichtig die exakten Informationen für die spätere Verwertung von Anfang an sind.

Fazit

Die Daten müssen über die gesamte Lebensdauer gepflegt werden. Alle Fakten sind bei jeder Renovierung oder Erweiterung zu aktualisieren und nachzutragen. Der digitale Zwilling wird dadurch zum virtuellen Begleiter. In diesem Zusammenhang erklärt Jennifer Becker, Umweltreferentin beim Deutschen Abbruchverband e. V.: „BIM ist nur dann für die Abbruchbranche nützlich, wenn es über die gesamte Nutzungsdauer eines Gebäudes gepflegt und aktuell gehalten wird.“ Hierfür ist der ständige Vergleich der Soll- und Ist-Daten vor Ort notwendig.

Doch es gibt Grund zum Optimismus. Das umfangreiche und langfristig orientierte Forschungsprojekt der Universität Wuppertal veranschaulicht deutlich, dass die Implementierung digitaler Instrumente zu Gunsten eines umweltfreundlichen Rückbaus große Chancen hat.

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