BIM & KMU: Learning by doing

Arbeitsprozesse und -strukturen verändern, Kompetenzen auf- und ausbauen, Hard- und Softwares erwerben: Die Digitalisierung des eigenen Betriebs erfordert diverse Investitionen und stellt eine Herausforderung dar, die viele bauwirtschaftliche Unternehmen noch scheuen.

Vor allem kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) drohen bei der Digitalisierung den Anschluss zu verlieren. Der Digitalisierungsindex Mittelstand (1) zeigt, dass die Baubranche im Jahr 2020 beim digitalen Reifegrad im deutschen Branchenvergleich den letzten Platz einnahm. Hinzu kommt: Das Baugewerbe ist die einzige Branche, bei der die Digitalisierung im Vergleich zu 2019 stagniert.

Insbesondere in den Gewerken des deutschen Bau- und Ausbauhandwerks scheint digitales Arbeiten noch nicht überall stattzufinden. Der Gesamtdigitalisierungsgrad liegt gerade einmal bei 37 von 100 möglichen Punkten. Das geht aus dem Digitalisierungsbarometer (2) hervor. So ist davon auszugehen, dass auch digitale Methoden wie BIM noch nicht flächendeckend bei bauwirtschaftlichen KMU Einzug erhalten haben.

Einen Zugang zur BIM-Methode bietet KMU das Kooperationsprojekt Netzwerk Building Information Modeling Mittleres Ruhrgebiet (BIM.Ruhr).

Bei dem vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderten Projekt steht der Auf- und Ausbau eines Innovationsnetzwerks im Fokus. Dieses besteht aus Akteuren aus der Bauwirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung.

Um den verschiedenen Schwerpunkten bei BIM.Ruhr gerecht zu werden, ist das Projekt in drei Teilprojekte untergliedert. Die Teilprojekte werden vom Kreis Recklinghausen, der Hochschule Bochum und der Universität Duisburg-Essen verantwortet.

Im stetigen Austausch mit dem Innovationsnetzwerk und basierend auf wissenschaftlichen Erkenntnissen werden mit Projektabschluss BIM-Handreichungen und -Leitfäden publiziert. Diese können der öffentlichen Verwaltung sowie der regionalen Bauwirtschaft als Unterstützung bei der Umsetzung von realen BIM-Projekten dienen.

Konkret werden bei BIM.Ruhr Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA) und BIM-Abwicklungspläne (BAP) im kommunalen Kontext erarbeitet.

Inhalt der Auftraggeber-Informationsanforderungen

Ein Vorteil beziehungsweise Ziel der BIM-Methodik ist die Erzeugung, Verwaltung und Weitergabe von Informationen über den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks hinweg, ohne dabei redundante Informationen zu erzeugen. Bereits zu Beginn eines Projekts müssen daher klare Informationsanforderungen in Form der Auftraggeber-Informationsanforderungen definiert werden.

Bei den Auftraggeber-Informationsanforderungen (BIM-Pflichtenheft) handelt es sich um ein Dokument, das die Anforderungen des Auftraggebers umfasst, die für die digitale Abwicklung eines Projekts mit BIM benötigt werden. (3)

Die Informationsbedürfnisse setzen sich dabei aus den Organisatorischen Informationsanforderungen (OIR), den Asset-Informationsanforderungen (AIR) und den Projekt-Informationsanforderungen (PIR) gemäß DIN EN ISO 19650-1 zusammen. Die Auftraggeber-Informationsanforderungen werden in der Regel vom BIM-Manager in Absprache mit dem Auftraggeber erstellt. Dabei werden neben den allgemeinen Informationsanforderungen auch BIM-Ziele, BIM-Anwendungsfälle, Rollen und Verantwortlichkeiten sowie BIM-Anforderungen, Modellierungsrichtlinien und Datenanforderungen definiert. (4)

Somit enthalten die AIA nicht nur Anforderungen bezüglich der Informationsinhalte, sondern auch hinsichtlich der verantwortlichen Informationslieferanten, der Übergabezeitpunkte und der zu verwendenden Dateiformate, in denen die Informationen bereitzustellen sind. Anschließend werden die AIA in Dokumentenform Teil der Ausschreibung, wodurch den Bietern ein Überblick über die Ziele und Anforderungen des Auftraggebers bezogen auf das mit BIM abzuwickelnde Projekt vermittelt werden soll. (5)

Erstellung eines BIM-Abwicklungsplans

Nachfolgend wird als Antwort auf die AIA in Absprache zwischen dem BIM-Manager und den jeweiligen Auftragnehmern ein BIM-Abwicklungsplan (BIM-Lastenheft) erstellt.

Der BIM–Abwicklungsplan (BAP) stellt einen Bericht dar, der aus Sicht des Auftragnehmers verfasst und die konkreten Umsetzungsschritte implementiert, die der Auftraggeber, wie auch schon in den Auftraggeber-Informationsanforderungen festgehalten, vorgibt. (6) Im internationalen Kontext bzw. englischsprachigem Bereich wird dieser Bericht auch BIM execution plan (BEP) genannt. (7)

Der BAP stellt eine kontraktliche und kollektive Festlegung dar, die während der gesamten Projektabwicklung als bindend anzusehen ist. (8) Er beantwortet die explizite Fragestellung zur Art und Weise der Erledigung der festgelegten Aufgaben aus dem AIA, weswegen der BAP die Frage nach dem „Wie ist zu planen und wie sind die Vorgaben umzusetzen?“ beantwortet. (9)

Weiterhin muss beim BAP, anders als bei den AIA, beachtet werden, dass es sich um ein lebendes, dynamisches Dokument handelt, das sich während des gesamten Projektgeschehens an neu auftretende technologische Entwicklungen als auch an erstmalig gemachte Fähigkeiten und Erkenntnisse angleicht. (10)

Auf Grundlage dessen liegt der Zweck eines BAPs in der Steuerung der Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten, bezogen auf das Arbeiten mit der BIM-Methodik. Darüber hinaus zielt es auf die Beschreibung der konkret umzusetzenden Arbeitsschritte während des Projektgeschehens ab, die sich durch die vorher aufgestellten Vorgaben des Auftragnehmers innerhalb der AIA ergaben.

Elementarer Inhalt sind die allgemeinen BIM-Ziele des Projekts, die Verantwortlichkeiten, die Organisationsstrukturen als auch die Software- sowie Dateiaustauschanforderungen. Außerdem werden die geforderten BIM-Leistungen beschrieben und projektabhängige technische Details definiert. Hervorzuheben ist jedoch auch, dass zum momentanen Zeitpunkt noch kein einheitlich definierter Aufbau eines BAP existiert. (11)

Hinsichtlich der zeitlichen Einordnung der beiden Dokumente empfiehlt der Verbund Beratender Ingenieure (VBI) in ihrem BIM-Leitfaden folgenden Sachverhalt, der in der nachfolgenden Abbildung veranschaulicht wird.

Empfohlene zeitliche Einordnung des AIA und BAP innerhalb der konventionellen Projektphasen in Anlehnung, Bild: Darstellung von BIM.Ruhr in Anlehnung an Peter und Spengler (2020), S. 6.

Die Erstellung der AIA erfolgt unmittelbar im Zusammenhang mit der Planungsvorbereitung des Auftraggebers. Nach Beendigung der Vorbereitung werden die AIA für die Angebotserstellung ausgegeben, woraufhin sie geprüft werden, bevor es zur Planungsbeauftragung und zur Erstellung des BAPs kommt. Die Erarbeitung des BAPs wird demnach direkt nach der Planungsbeauftragung begonnen und während der gesamten Planungsvorbereitung des Auftragnehmers und der Leistungsphase 1 und somit direkt nach Vertragsabschluss weiterentwickelt. Die Fertigstellung und daraus resultierende Veröffentlichung des BAP erfolgt direkt nach der LPH 1, jedoch vor der LPH 2, sodass der BAP beim Planungsbeginn vorliegen muss. (12, 13)
 
Um mit Abschluss des Projekts BIM.Ruhr einen Informationsanforderungskatalog sowie Muster-Vorlagen für AIA und BAP veröffentlichen zu können, gilt es, diverse Herausforderungen zu bewältigen. Interviews im Rahmen von BIM.Ruhr, die unter der Leitung der Universität Duisburg-Essen mit verschiedenen Kommunen durchgeführt wurden, zeigten bereits, dass dort zum Teil sehr unterschiedliche Prozesse und Strukturen vorhanden sind.

So werden beispielsweise Bau- und Sanierungsarbeiten manchmal vollständig innerhalb der öffentlichen Körperschaften abgewickelt, manchmal schon nach den ersten beiden Leistungsphasen an externe Dienstleister vergeben. Auch die Software-Standards unterscheiden sich von Kommune zu Kommune. Somit müssen AIA und BAP, die im Rahmen von BIM.Ruhr verfasst werden, den unterschiedlichen Ansprüchen der Beteiligten der öffentlichen Hand gerecht werden und auch über die Grenzen von BIM.Ruhr hinaus angewendet werden können.

Ein uneinheitliches Bild dürfte sich auch bei der Auftragnehmer-Seite öffentlicher Bauprojekte abzeichnen. Es lässt sich vermuten, dass potenzielle Auftragnehmer nicht denselben Informationsstand und dieselben Praxiserfahrungen hinsichtlich Building Information Modeling haben. Eine Umfrage von BIM.Ruhr unter 50 kleinen und mittelständischen Unternehmen bekräftigt diesen Eindruck: Weniger als die Hälfte der befragten Betriebe arbeiten schon aktiv mit BIM.

Bei BIM.Ruhr soll auch BIM-unerfahrenen KMU und Kommunen der Zugang zu Building Information Modeling ermöglicht werden. Um dies zu gewährleisten und die Handreichungen und Leitfäden so realitäts- und praxisnah wie möglich zu gestalten, sind verschiedene Pilotprojekte Teil von BIM.Ruhr.

Im stetigen Austausch mit dem Innovationsnetzwerk werden die zukünftigen Erkenntnisse und Fragestellungen rund um die Anwendung der BIM-Methode bei der Drewer Brücke in Marl, der Aula des Alice-Salomon-Berufskollegs in Bochum sowie der Brücke Bielefelder Straße in Herne diskutiert. Die Auswahl der Pilotprojekte erfolgte seitens der Kommunen des Projektteams von BIM.Ruhr.

So verantwortet der Fachdienst Kataster und Geoinformation des Kreises Recklinghausen bei BIM.Ruhr das Pilotprojekt Drewer Brücke. Die Kanalbrücke stammt aus den 70er-Jahren und soll saniert werden.

Das Bochumer Pilotvorhaben Aula des Alice-Salomon-Berufskolleg koordinieren das Amt für Geoinformation, Liegenschaften und Kataster und die Zentralen Dienste der Stadt. Die in die Jahre gekommene Aula soll ebenfalls saniert werden.

Beim dritten und gleichzeitig ältesten Objekt unter den Pilotprojekten, der Brücke Bielefelder Straße, sind die Schäden so erheblich, dass ein Ersatzneubau vorgesehen ist. Der Fachbereich Tiefbau und Verkehr der Stadt Herne steht hinter dem Modellvorhaben.

Die selbst erklärten BIM-Ziele der Verwaltungen im Rahmen der Pilotprojekte von BIM.Ruhr sind unter anderem die Schaffung von BIM-Kompetenzen bei allen Beteiligten, Aufmaß, Modellierung und Nutzung eines BIM-Modells beim jeweiligen Objekt sowie die Aufteilung des BIM-Modells in Teilmodelle für verschiedene Gewerke und Aufgaben.

Scanning für Bestandsmodelle

Als Grundlage für die weitere Projektarbeit innerhalb des Innovationsnetzwerks sind für alle drei Pilotvorhaben 3D-Laserscans erstellt worden. Welche Aufnahmegenauigkeit der Scans für die vorgesehenen Zwecke in Bezug zur Wirtschaftlichkeit erforderlich sind, richtet sich nach den Anforderungen an das Bestandsmodell. Hierbei wird in der Fachliteratur zwischen dem Gebäudezustand nach Bauabschluss (As-built) und dem Gebäudezustand während des Betriebs (As-is) unterschieden. (14)

Bei BIM.Ruhr liegt der Fokus bei den Pilotprojekten auf Sanierungsmaßnahmen an Bestandsgebäuden bzw. an Bestandsinfrastruktur und auf Ersatzneubauten mit Anschluss an bestehende Bausubstanz. In beiden Fällen wird zunächst ein As-is-Modell als Planungsgrundlage benötigt, bevor im Zuge der Projektabwicklung ein As-built-Modell als Ergebnis der BIM-gestützten Planung und Bauausführung entsteht.

Die Anforderungen an BIM-Modelle werden durch den Modelldetaillierungsgrad LoD (Level of Detail) bzw. LOIN (Level of Information Need) beschrieben. Er setzt sich aus dem LoG (Level of Geometry) und dem LoI (Level of Information) zusammen. Zu bestimmten Meilensteinen eines BIM-Projekts werden in den AIA und im BAP zu erreichende Detaillierungsgrade hinsichtlich Geometrie und Informationstiefe in Form des Modellfertigstellungsgrads (LOD: Level of Development) vereinbart. (15)

Modelldetaillierungsgrad und Modellfertigstellungsgrad in Anlehnung an VDI 2552-1, Bild: R. Blum

Für die Beschreibung der Anforderungen speziell an As-is-Modelle gerät aktuell das Schema der Level of As-is Dokumentation (LOAD) in den Fokus. (16) Es setzt sich aus den drei Teilen LOAG (Level of As-is geometry), LOAI (Level of As-is information) und LOA (Level of accuracy) zusammen, wobei durch das LOA die Genauigkeit der Erfassung beschrieben wird. (17) Hierzu werden die Messunsicherheiten in Anlehnung an die DIN 18710 Ingenieurvermessung den Klassen LOA 10 (5 bis 15 Zentimeter) bis LOA 50 (0 bis 1 Millimeter) zugeordnet.

Abbildung zum LOA aus USIBD (2019), Bild: USIBD LOA

Originäre und sekundäre Datenerfassung

Eine weitere Differenzierung bei der Erzeugung von As-is-Modellen entsteht durch die zugrundeliegende Datenbasis. Hierzu wird zwischen originärer und sekundärer Datenerfassung unterschieden. (18) Die originäre Datenerfassung erfolgt durch Messung und Aufnahmen, während sich die sekundäre Datenerfassung auf bestehende Pläne und Bauwerksunterlagen stützt. In der Regel werden beide Methoden in Kombination eingesetzt.

Die originäre Datenerfassung ist insbesondere hinsichtlich der Bauwerksgeometrie ein klassisches Aufgabengebiet der Ingenieurgeodäsie. Hierbei kommen neben einzelpunktbasierten Verfahren wie tachymetrisches und GNSS-gestütztes Aufmaß zunehmend flächenhafte Erfassungsmethoden auf Basis von 3D-Laserscanning und/oder Photogrammetrie zum Einsatz, die aufgrund der kurzen Erfassungszeiten und nahezu vollständigen räumlichen Abdeckung besonders gut für die Erzeugung digitaler As-is-Modelle geeignet sind. (19)

Beide zuletzt genannten Verfahren erzielen entweder direkt (3D-Laserscanning) oder als Ergebnis einer Bildprozessierung (Photogrammetrie) Punktwolken, deren räumliche Auflösung und geometrische Genauigkeit durch den messtechnischen Aufwand, das eingesetzte Equipment und die Qualifikation des ausführenden Personals beeinflusst sind. Bei beiden Verfahren üben die Standpunktwahl und ihre anschließende rechnerische Verknüpfung in einem gemeinsamen Koordinatensystem (Registrierung) einen erheblichen Einfluss auf die Punktwolkenqualität aus. (20)

Für die drei Pilotprojekte im Rahmen von BIM.Ruhr wurde die originäre Datenerfassung hauptsächlich durch 3D-Laserscanning realisiert.

Beim 3D-Laserscanning eingesetzte Instrumententypen, Bild: BIM.Ruhr

Messergebnisse Pilotprojekte

Welche Ergebnisse mit den eingesetzten Erfassungsmethoden sowie dem entsprechenden Instrumententyp erzielt werden können, sollen die nun folgenden Messergebnisse des Aufmaßes durch den Kreis Recklinghausen exemplarisch darstellen.

Bei der Drewer Brücke wurde vor den Scans zunächst ein geodätisches Brückennetz gemessen und ausgeglichen. Dabei wurde ein durchschnittlicher lokaler mittlerer Punktfehler von 1 Millimeter in der Lage und von <1 Millimeter in der Höhe erreicht.

Gesamtscan der Drewer Brücke in Marl, Bild: Kreis Recklinghausen

Die darauffolgende Verknüpfung der Standpunkte ergab eine Nachbarschaftsgenauigkeit der Punktwolke von <3 Millimeter. Es wurden 66.398.584 Punkte von 28 Standpunkten aus aufgenommen.

Beim Alice-Salomon-Berufskolleg war die Vorgehensweise bei Messung und Ausgleichung dieselbe wie bei der Drewer Brücke. Beim Berufskolleg wurde ein durchschnittlicher lokaler mittlerer Punktfehler von 5 Millimeter in der Lage und von <1 Millimeter in der Höhe erreicht. Der Restfehler der Georeferenzierung ist <10 Millimeter.

Gesamtscan der Aula des Alice-Salomon-Berufskolleg in Bochum, Bild: Kreis Recklinghausen

Die anschließende Verknüpfung der Standpunkte ergab eine Nachbarschaftsgenauigkeit der Punktwolke <2 Millimeter. Von 73 Standpunkten aus konnten 757.725.052 Punkte aufgenommen werden.

Vor den Scans der Brücke der Bielefelder Straße wurde auf die Messung eines geodätischen Brückennetzes verzichtet.

Gesamtscan der Brücke an der Bielefelder Straße in Herne, Bild: Kreis Recklinghausen

Hier konnte durch die Verknüpfung der Standpunkte eine Nachbarschaftsgenauigkeit der Punktwolke <2 Millimeter ermittelt werden. 232.501.364 ist die Anzahl der Punkte, die von 34 Standpunkten aus erzielt wurden.

Next step: Untersuchung und Beurteilung

Eine differenzierte Untersuchung und Beurteilung der bisher erzielten Messergebnisse im Rahmen der Pilotprojekte von BIM.Ruhr nach definierten Kriterien wie unter anderem Präzision, Richtigkeit, Auflösung, Vollständigkeit und Wirtschaftlichkeit steht noch aus. Diese Untersuchung wird von der Hochschule Bochum geleitet und durchgeführt.

An dieser Stelle soll nicht unerwähnt bleiben, dass durch die schnelle messtechnische Erfassung erst ein vergleichsweise kleiner Teil des Weges hin zu einem As-is-Modell nach definierten Anforderungen hinsichtlich LOAD zurückgelegt ist. Die eigentliche Modellierung mittels geeigneter BIM-Software ist sehr arbeitsintensiv und bedarf gerade deswegen exakter Vorgaben seitens des Auftraggebers.

Zwischenergebnis der As-is-Modellierung der Drewer Brücke auf Basis originärer und sekundärer Datenerfassung, Bilder: C. Schmitt (2020)

Die ersten Erfahrungen bei der Modellierung der Pilotprojekte Drewer Brücke und der Brücke Bielefelder Straße zeigen zudem die vergleichsweise hohe Bedeutung der sekundären Datenerfassung bei der BIM-Bestandsmodellierung, da beispielsweise im Bereich der Widerlager wesentliche Brückenteile nicht sichtbar und somit auch messtechnisch nicht erfassbar sind. Diese Gesichtspunkte in Form von Leitfäden und Handlungsanweisungen zu verschriftlichen, beinhaltet eine der wesentlichen Herausforderungen des Projekts BIM.Ruhr.

Das Kooperationsprojekt BIM.Ruhr läuft noch bis zum 31. Dezember 2022. Aktuell werden bei allen Pilotprojekten die As-is-Modelle erstellt. Parallel hierzu finden die Untersuchung sowie Beurteilung der bisher erzielten Messergebnisse nach definierten Kriterien statt.

Ab dem 24. August 2021 starten die vier Arbeitsgruppen des Innovationsnetzwerks. Schwerpunkt der Gruppen sind die Bereiche Geodäsie, BIM-Planungsgrundlagen, BIM-basierte Bauausführung und Einführung der BIM-Methode bei öffentlichen Auftraggebern.

Detaillierte Informationen zu den Arbeitsgruppen sowie zu allen weiteren Updates von BIM.Ruhr finden Sie auf bim-ruhr.net.