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24.07.2019 | Stanimira Markova, Sabine Brück

Bevor der letzte Sand gefördert ist

Kreislaufwirtschaft in der Bauindustrie

Die Bauwirtschaft verschleudert Energie und Ressourcen, als gäbe es kein Morgen. Der Ruf nach Kreislauffähigkeit und Recycling wird immer lauter. Ist beides ohne Digitalisierung möglich?

Die Menschheit hat 2.000.000 Jahre gebraucht, um die Gesamtbevölkerung der Erde auf eine Milliarde Menschen ansteigen zu lassen. Sie brauchte weniger als 200 Jahre, um die 7-Milliarden-Marke zu erreichen. Dieser Entwicklung stehen endliche und immer knapper werdende natürliche Ressourcen gegenüber.

Explodierende Lebenszykluskosten

Das Bauwesen spielt hier eine kritische Rolle. Mehr als 50 Prozent der materiellen Ressourcen weltweit werden im Bauwesen verbraucht, über 50 Prozent des globalen Energieverbrauchs und über 35 Prozent der Treibhausgase werden vom Bauwesen verursacht. 65 Prozent des globalen Abfalls stammt aus dem Bauwesen: nicht kreislauffähige Materialien, die den nächsten Generationen nicht mehr zur Verfügung stehen.

Im Unterschied zu anderen Produkten werden Bauwerke nicht mit dem Ziel geplant, dass die lückenlose Dokumentierung der eingesetzten Materialien und Komponenten im Design erstellt wird und als Grundlage vorliegt, um eine verlässliche Simulation und Optimierung der Performance und des Verhaltens während des gesamten Lebenszyklus bereits vor der Bauausführung durchgeführt werden kann. Auch die Kreislauffähigkeit der eingesetzten Materialien und Produkte in Form von Recycling oder direkter Wiederverwendung ist kein integrales Designziel.

Das trägt zu den ohnehin explodierenden Lebenszykluskosten signifikant bei, wie z. B. in folgenden Situationen:


The Black Box

Der fast vollständige Verlust der während der Planung gesammelten und generierten Informationen über die im Bauwerk eingesetzten Materialien und Produkte am Übergang von Ausführung zu Betrieb ist immer noch das häufigste Szenario. Gebäude verwandeln sich in Black Boxen – welche Materialien wo, in welchem Umfang und wie eingebaut wurden, ist nicht mehr bekannt. Sollten diese Materialien – wie im Fall von Asbest – später als gefährlich identifiziert werden, fallen enorme Kosten für Überprüfung, Nachweis, Planung der Sanierung, Sanierung und Entfernungen der Materialien an.

Da diese nicht hinsichtlich der Aspekte der Kreislauffähigkeit simuliert und optimiert werden, sind umfangreiche Mengen von „gesunden“ Materialien mitbetroffen und müssen ebenso als sehr kostenintensive, gefährliche Materialien entsorgt werden. Die Statistik zeigt, dass die Kosten für eine vollständige Sanierung in diesem Fall – vom Verdacht über die Entnahme und Analyse der Erstproben, dem Nachweis, der Planung der Sanierung, der Durchführung der Sanierung bis hin zur Entsorgung – in der Regel die Kosten übersteigen, die notwendig wären, das Gebäude zu aktuellen Preisen komplett neu zu planen und zu bauen.

Renovierung/Umbau

Die Kreislauffähigkeit nicht in der Planung zu berücksichtigen, beeinflusst später signifikant die Instandhaltungs- und Renovierungskosten. Wenn Materialien und Produkte mit stark unterschiedlichen Zusammensetzungen, Eigenschaften und Lebensdauern auf ungünstige Art und Weise miteinander verbunden werden, führt das bei Instandhaltungen und Renovierungen nicht nur zur Entfernung der abgelebten Materialien, Komponenten oder Produkte. Auch Materialien, die noch funktionstüchtig sind und ihre funktionelle Ablebenszeit nicht erreicht haben, werden zwangsläufig entfernt und neu ersetzt. Dabei entsteht eine heterogene, nachträglich nicht sortierbare Materialmischung.

Entsorgung

Diese nicht sortenreinen, nachträglich schwer bis nicht sortierbaren Mischungen, und die nicht recycelbaren und nicht wiederverwendbaren Materialien und Produkte, die bei Umbauten, Renovierungen, Instandhaltungen und Sanierungen anfallen, sind äußerst kostspielig in der Entsorgung. Die Kosten für diese Entsorgung sind in den vergangenen zehn Jahren dramatisch gestiegen; sie übersteigen die Kosten für die Entsorgung von recycelbaren, sortenreinen Abfallmaterialien im höheren dreistelligen Prozentbereich. Die Tendenz ist steigend, bedingt durch die immer schärfere Gesetzgebung und durch die alarmierende, drastische Verknappung von verfügbaren Deponievolumina.


Automatisierte Datenerfassung und -auswertung notwendig

Einer der Gründe für die aktuelle Situation besteht darin, dass Gebäude hoch komplexe und langlebige Produkte sind. Diese Komplexität wächst mit den steigenden Anforderungen an moderne Gebäude explosionsartig. Um Gebäude vollständig zu dokumentieren und hinsichtlich der Kreislauffähigkeit simulieren und optimieren zu können, sind allerdings umfangreiche, vollständige und immer aktuelle Informationen in jedem Schritt in der Planung notwendig.

Es ist eine umfangreiche Menge an material- und produktbezogenen Informationen in vergleichbarer Qualität und Detailtiefe mit Bezug auf deren Performance über den gesamten Gebäudelebenszyklus aus allen Gewerken und Disziplinen und in derselben Form notwendig. Diese Daten müssen automatisiert gesammelt, überprüft und evaluiert werden können, was in der klassischen Gebäudeplanung ohne Prozess- und Datenflussdigitalisierung nicht möglich ist.

Versuche in der Planung, mithilfe des klassischen CAD-, Plan- und textbasierten Austausch die notwendigen Informationen aus den einzelnen Domains und in unterschiedlichen Domainsprachen manuell zu sammeln, zu übersetzen und zu dokumentieren, sind technisch und praktisch nicht möglich. Solche Versuche führen zu Informationslücken und Ungenauigkeiten und sind eine ungeeignete, unzureichende Basis für umfassende Simulationen.

Informationen aus digitalem Zwilling

In den vergangenen Jahrzehnten wurden die BIM-Methode und die darauf basierenden Planungsprozesse vorgestellt und schrittweise eingeführt, die als Grundlage ein Informationsmodell des Gebäudes nutzen. BIM verspricht einen Lösungsansatz für diese Herausforderung – sowohl in der Designphase wie auch später während des Betriebs.

Das digitale Gebäudemodell, das in der BIM-Planung entsteht, besteht aus intelligenten Produktobjekten – oft als digitale Zwillinge bezeichnet, die alle relevanten Informationen über Produkte und Materialien beinhalten, mit zahlreichen lebenszyklusbezogenen Daten wie z. B. Materialeigenschaften, Funktion, Lebensdauer, Zusammensetzung und Kosten. Diese Daten können direkt im BIM-Modell oder in einem zusätzlichen, für diese Zwecke erstellten Informationsmodell abgespeichert werden. Die Informationen können zusätzlich beliebig erweitert werden, um die spezifische Gebäudeanforderungen abzubilden.

Die Informationsflüsse in BIM kommen im Idealfall aus allen Disziplinen und können alle Dimensionen und Perspektiven aller Lebenszyklusphasen abbilden, wie z. B. Instandhaltungskosten, energetische Eigenschaften, Instandhaltungsintervalle, und münden im BIM-Modell wie in einem Daten-Hub. Somit entsteht eine immer aktuelle Informationsgrundlage über das gebaute Objekt.

Wenn ein vollständiges Datenmodell vorliegt, in dem alle aktuellen Informationen aus allen Domains automatisiert gesammelt wurden, können für das Gebäude sehr früh Simulations- und Optimierungsprozesse angewandt werden. Es ist möglich, Algorithmen zu implementieren, die den Designer in der Planung darin unterstützen, potenzielle Probleme bereits während der Planung zu identifizieren und zu vermeiden, sodass sie im fertiggestellten Bauwerk gar nicht aktiviert werden.

Software für BIM-basierte Bauvorhaben

GREENbimlabs ist eine Ausgründung aus der RWTH Aachen, die diese Problematik ins Visier genommen hat und – basierend auf Forschungsergebnissen und -methoden – Lösungen für die Industrie entwickelt. Die Software Aikana ist eine Lösung für BIM-basierte Bauvorhaben, die dafür sorgt, dass Bauwerke in vollständig dokumentierte, sichere, planbare Sekundärlager von materiellen Ressourcen verwandelt werden, mit dem Ziel, im Prozess die Lebenszykluskosten im dreistelligen Prozentbereich zu reduzieren.

Die Lösung integriert sich in den BIM-basierten Planungsprozess, kommuniziert durchgehend¬ mit dem entstehenden Gebäudemodell und erkennt jede Änderung im Laufe der Planung, um eine Echtzeitbewertung der Dokumentierung, der Materialsicherheit, der möglichen Kreislauffähigkeit und der daraus resultierenden Lebenszykluskosten für Instandhaltung, Umbau, Renovierung und Entsorgung zu liefern.

Bei jeder identifizierten Datenlücke wird der Planer durch einen Prozess begleitet, der ihn dabei unterstützt, die fehlenden Informationen, basierend auf realen, verifizierten Material- und Produktdaten, zu ergänzen und das spezifische Produkt zu finden, das genau den Anforderungen der konkreten Aufgabenstellung entspricht.

Das System bietet die Möglichkeit, zwischen Standardmaterialien und von Herstellern verifizierten Materialien und Produkten zu wählen und zu vergleichen. Der Planer erhält einen Zugewinn an Genauigkeit und Qualität der Informationen zum Material oder Produkt. Er kann einschätzen, wie sicher und kreislauffähig Material oder Produkt wären und mit welchen Lebenszykluskosten im spezifischen Kontext der Umgebung und des Gebäudes zu rechnen ist.

Es können Varianten der Materialien und Produkte unterschieden und bewertet werden, wobei die Bewertung auf der Performance im konkreten Gebäudekontext zielt. Der Grund dafür ist, dass die Material- und Produkteigenschaften an sich nicht hinreichend sind, um eine belastbare Prognose über Kreislauffähigkeit und Kosten zu machen, solange die Art und Weise der Integration in der unmittelbaren Umgebung und im Gebäude als Ganzes außer Acht gelassen wird.

Mit anderen Worten: Auch das nachhaltigste Produkt ist in seiner potenziellen Performance stark eingeschränkt, wenn es ineffektiv im Kontext der Gebäudeanforderungen verwendet¬ oder über ungeeignete Verbindungen und Bauweisen integriert wurde, wenn unerwünschte Reaktionen mit umgebenden Materialien hervorgerufen werden können und seine Lebensdauer in der Umgebung nicht adäquat ist.

Die Ergebnisse aus den Simulationen werden in Echtzeit produziert und zeigen, wie sich die Qualität der Materialdokumentierung für die Betriebsphase, das potenzielle Risiko aus der Materialsicherheit, das Recycel- und Wiederverwendbarkeitspotenzial und die daraus resultierenden Lebenszykluskosten nach jedem Optimierungslauf ändern, auch im Benchmark-Vergleich zu einem Standardgebäude des gleichen Typs.

Fazit

Der Einsatz von Informationsmodellen in Kombination mit digitalen Technologien für die Simulation und Optimierung eröffnen die Möglichkeit, dass komplexe Fragestellungen und Probleme, die den gesamten Gebäudelebenszyklus betreffen, bereits in der Planung identifiziert und gelöst werden.

Wenn Methoden für die gezielte, hinreichende Dokumentierung und optimierte Kreislauffähigkeit konsequent in immer mehr Neubauten angewandt werden, bedeutet das, dass wir in naher Zukunft ein immer weiter anwachsendes, sehr genau dokumentiertes, planbares Archiv von Sekundärressourcen bekommen, das dem Rohmaterialbedarf signifikant entgegenwirken kann. Wir gewinnen die Kontrolle über das Bauwerk und dessen Performance über den gesamten Lebenszyklus, wir nehmen der nächsten Generationen keine Ressourcen weg und vermeiden die Entstehung von unnötigen, die ursprünglichen Investitionskosten oft übersteigenden Lebenszykluskosten.

© lubafilatova/stock.adobe.com
Autoren

Dr.-Ing. Stanimira Markova studierte Bauwesen und Wirtschaft in Wien. Nach Tätigkeiten für Unternehmen wie Porsche Bank und SW Umwelttechnik AG forschte sie ab 2008 in den Bereichen „Ressourceneffizienz und Kreislauffähigkeit“ und „Urban Mining“ für das Bauwesen an der TU Wien und der ETH Zürich. 2011 wechselte sie an die RWTH Aachen, wo sie ihre Forschungstätigkeit im Kontext von digitalen und innovativen Technologien für das Bauwesen (Schwerpunkt Gebäudedatenmodelle – BIM) fortsetzte und in diesem Bereich promovierte. Ein Team unter Leitung von Stanimira Markova konnte mit den Ergebnissen aus dieser Forschung die mit ca. eine Million Euro dotierte Exzellenzförderung EXIST Forschungstransfer gewinnen. Daraus entstanden die Lösung Aikana und die RWTH-Ausgründung GREENbimlabs GmbH. Stanimira Markova ist CEO der GREENbimlabs GmbH. greenbimlabs.com


Prof. Sabine Brück ist Inhaberin des Lehr- und Forschungsgebietes für Bauplanung und Baurealisierung und Dekanin der Fakultät für Architektur an der RWTH Aachen sowie Inhaberin und Partnerin im Architektenbüro Brück & Dürkopp. Prof. Brück war akademische Mentorin des Projekts GREENbimlabs von 2016 bis zur Ausgründung im Jahr 2018 und ist Mitglied des Advisory Boards des Unternehmens GREENbimlabs GmbH. greenbimlabs.com

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