Cloudbasierte Lösung zur Sicherstellung von Planungsqualität

Die heutige Bauwirtschaft steht notwendigen Veränderungen hinsichtlich der allgegenwertigen Digitalisierung und den damit einhergehenden Zielen der Steigerung der Wertschöpfung gegenüber. Dabei wird im Rahmen der Digitalisierung grundsätzlich zwischen zwei Dimensionen unterschieden. Diese sind die Digitalisierung von Geschäftsmodellen, also die Anpassung bestehender und die Entwicklung gänzlich neuer Produkte und der damit einhergehenden Innovation in einem gesamten Wirtschaftsbereich einerseits und der Digitalisierung von Prozessen andererseits. Bei letzterem liegt das Hauptaugenmerk auf einer höheren Effizienz und Produktivität.¹ Dennoch verläuft die digitale Transformation der Bauwirtschaft eher schleppend. Gründe dafür liegen unter Anderem in festgefahrenen Arbeitsweisen, teilweise in einer mangelnden IT-Infrastruktur sowie der KMU-geprägten Bauwirtschaft.

Gerade kleinere und mittlere Unternehmen (KMU) reagieren mit großer Zurückhaltung und Skepsis auf Innovationen und können häufig ihre eigenen Möglichkeiten nicht einschätzen.² Weitere Gründe für die Trägheit im Rahmen der Einführung von neuen, digitalen Technologien sind darüber hinaus in begrenzten Ressourcen und Kompetenzen von KMU zu identifizieren, die sich daher kaum auf technologische Experimente mit ungewissem Ausgang einlassen.³ Um KMU zu digitalisieren, sind eine Vielzahl an Richtlinien, Standards und Beratungshilfen hinsichtlich innovativer sowie nutzerfreund¬licher Möglichkeiten zur Optimierung und Produktivitätssteigerung, zugeschnitten auf den jeweils zu betrachtenden Geschäftsfall, erforderlich.⁴

Dashboard der Cloudplattform, Bild: Building Information Cloud GLWG GmbH

Speziell die Sicherstellung der Planungsqualität und damit eine Minimierung von Risiken und Kosten ist im Kontext des Lebenszyklus von Bauwerken von immenser Bedeutung. Es ergeben sich jedoch große Probleme aus der Prüfung der verschiedenen Planungsergebnisse, die häufig analog durchgeführt wird und demnach mit einem hohen Fehlerpotenzial verbunden ist. Darüber hinaus wird die Planung durch unterschiedliche Projektbeteiligte durchgeführt und ist somit durch Schnittstellen und Interdependenzen verschiedener Fachdisziplinen untereinander gekennzeichnet. Dadurch erhöht sich die Komplexität und es entstehen Folgekosten und Zeitverzüge, wenn beispielsweise anfallende Änderungen zu Unstimmigkeiten bzw. Fehlern in der Planung führen und erst im Rahmen der Bauausführung erkannt werden.⁵  

Allgemeines Konzept des Exist-Forschungstransfer Projektes Building Information Cloud

Ein Ansatz, der die zuvor beschriebenen Herausforderungen adressiert und sich in das Feld der Digitalisierung von wiederkehrenden, teilweise monotonen Prozessen eingruppieren lässt, ist die Vision, die Prüfung von Planungsleistungen analog der Leistungsphasen der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) automatisiert durchführen zu können. Dabei sollen den Nutzern derartige Prozesse durch eine Automatisierung dieser abgenommen und gleichzeitig die Möglichkeit bestehen bleiben, diese in Form eines Ergebnisberichtes zu überprüfen und interpretieren zu können. Neben vielen weiteren Vorteilen können Einsparungen bei Personalressourcen generiert sowie eine Entlastung und Unterstützung der Mitarbeiter*innen ermöglicht werden, um den Fokus auf wichtigere Tätigkeiten zu richten. Für das Forschungsprojekt Building Information Cloud wurde diese Vision in einem Satz wie folgt zusammengefasst: „Die Vision der Building Information Cloud (BIC) ist es, den Nutzer*innen eine Onlineplattform als eine Software-as-a-Service Lösung, mit der Planungsleistungen bzw. -ergebnisse optimiert und automatisiert überprüft werden können, zur Verfügung zu stellen.“

Es wird mit einer Software als Service eine Lösung für Architekten, Planer, Bauherren und auch Baubehörden zur Verfügung gestellt, mit der Planungsleistungen und -ergebnisse verwaltet und überprüft werden können. Dementsprechend sollen Anforderungen aus Regel¬werken, wie der HOAI, Normen oder Richtlinien regelbasiert konfiguriert und automatisch überprüft werden. Über diese cloudbasierte Lösung wird eine Qualitätsprüfung der einzelnen Leistungsphasen der HOAI⁶, differenziert in Grund- und besondere Leistungen ermöglicht. Die einzelnen Leistungsphasen bilden gleichzeitig sogenannte Quality-Gates ab, die automatisch auf Basis der Analyse der vorhandenen Planungsdaten evaluiert werden sollen.

Zu diesem Zweck werden die einzelnen Teilleistungen der HOAI analysiert und in einer Datenbank formalisiert sowie darauf basierend Prüfregeln abgeleitet. Anschließend erfolgt ein Abgleich mit Praxisdaten, sodass die mögliche Varianz der zu überprüfenden Input-Daten ermittelt und in die Datenbank überführt werden kann. Demnach wird im Sinne der Nutzerfreundlichkeit nicht beabsichtigt, den Nutzern Standards für die Benennung einzelner Datensätze vorzugeben, so wie es aktuell im Rahmen der BIM-Methode über Modellierungsrichtlinien, Attributlisten etc. vorgesehen wird, sondern eine gewisse Varianz hinsichtlich der zu prüfenden Daten und somit eine höhere Flexibilität für die Nutzer gewährleisten zu können. Es werden¬ dementsprechend Planungsergebnisse, die erzeugt werden – also gleichermaßen Planungen im BIM-Kontext und konventionelle Planungsunterlagen in verschiedenen Dateiformaten (Pläne, Baubeschreibungen, Gutachten etc.) ohne digitales Bauwerksinformationsmodell – überprüft.

Der gesamte Prüfprozess soll drei Stufen durchlaufen. In Stufe 1 erfolgt im Backend eine Überprüfung, ob in den hochgeladenen Dateien überhaupt Informationen von Teilleistungen, wie z. B. eine einzelne Grundleistung vorhanden sind. In Stufe 2 wird anschließend ein Vollständigkeitscheck auf Basis von Prüfregeln durchgeführt, sodass sichergestellt werden kann, ob die Teilleistung ganzheitlich oder lediglich teilweise erbracht wurde. In der finalen Stufe 3 erfolgt schließlich der Qualitäts-Check, für den eigens ein Prüfkonzept auf Basis verschiedener Ansätze hinsichtlich einer ausreichenden Planungsqualität, wie bspw. den DGNB-Kriterien, entwickelt wurden.
Am Ende wird ein Prüfbericht generiert, der den Nutzer transparent zeigt, welche Teilleistungen in Bezug auf den Fortschritt sowie die Qualitätsanforderungen bereits erfüllt wurden und an welchen Stellen gegebenenfalls noch nachgearbeitet werden muss. Die User werden durch diesen Bericht in der gezielten Weiterbearbeitung der Planungsunterlagen unterstützt und ihre Aufmerksamkeit wird auf die zu fokussierenden Themen gelenkt. Die Cloudanwendung ermöglicht zusätzlich die Zusammenarbeit mehrerer Nutzer gleichzeitig, aber auch die Bearbeitung der Datensätze getrennt voneinander durch die Delegierung der jeweils zu erledigenden Aufgaben an die entsprechenden Planungsbeteiligten.

Technisches Konzept

Für die automatisierte Überprüfung der durch den Nutzer bereitgestellten Planungsdaten wird u. a. eine KI-basierte Textanalyse Applica¬tion Programming Interface (API) verwendet. Dabei handelt es sich üblicherweise um einen cloudbasierten Dienst, welcher natürliche Sprache aus unformatiertem Text durch Software verarbeitbar macht. Die APIs basieren dabei in der Regel auf neuronalen Netzen und bieten dabei unterschiedliche Funktionen wie z. B. eine Standpunktanalyse, Schlüsselbegriffserkennung, die Erkennung benannter Entitäten und Sprachenerkennung. Für das vorliegende Projekt der Building Information Cloud sind vor allem die Schlüsselbegriffserkennung sowie die Erkennung benannter Entitäten von Interesse.

Verschiedene Analyseverfahren, Bild: Building Information Cloud GLWG GmbH

Die Schlüsselbegriffserkennung verarbeitet einen beliebigen Text und gibt für jeden Datensatz eine Liste mit Schlüsselbegriffen zurück, die den Inhalt des Textes widerspiegeln. Würde der Dienst also zum Beispiel einen Zeitungsartikel über ein Fußballspiel als Eingabe erhalten, würde dieser als Antwort eine Liste von Stichworten zurückgeben, die unter anderem das Wort „Fußball“, die beiden teilnehmenden Mannschaften, sowie weitere Schlagworte zu dem Spiel enthalten. Um dies zu erreichen, wird eine KI, welche auf Machine Learning-Modellen basiert, verwendet.

Bei der Erkennung benannter Entitäten (NER, Named Entity Recognition) können unterschiedliche so genannte Entitäten in einem unstrukturierten Text erkannt und kategorisiert werden. So lassen sich zum Beispiel Personen oder Organisationen automatisch im Text identifizieren. Dieser Service benötigt allerdings eine Wissensbasis, also eine Vorlage wonach im Text gesucht und nach welchem Schema die Informationen kategorisiert werden müssen. Beide Ansätze stehen in unterschiedlicher Ausprägung zur Verfügung. Welcher Ansatz für den Anwendungsfall dieses Projektes am geeignetsten ist, ist aktuell noch Gegenstand der Entwicklung innerhalb des Projektes. Aus den beiden Ansätzen ergeben sich allerdings zwei grundsätzliche mögliche Vorgehensweisen, wie ein automatisierter Abgleich der vom Nutzer hochgeladenen Planungsunterlagen mit der HOAI durchgeführt werden kann. Auch hier gilt es noch zu evaluieren, welcher Ansatz schlussendlich geeigneter sein wird.

Für beide Ansätze ist es allerdings zunächst notwendig, die HOAI selbst zu formalisieren. Zu diesem Zweck wurde für jede Teilleistung der HOAI ein umfangreicher Stichwortkatalog angelegt. Beim ersten Ansatz werden dann durch den Schlüsselbegriffserkennungs-Dienst die Schlagworte aus den Unterlagen des Nutzers extrahiert. Diese Liste an Schlüsselbegriffen kann dann mit dem Stichwortkatalog der HOAI Teilleistungen abgeglichen werden. Werden passende Stichworte (oder deren Synonyme) gefunden, kann die entsprechende Teilleistung als vorhanden markiert werden.

Der zweite Ansatz nutzt den Stichwortkatalog als Wissensbasis für den NER-Dienst. Hierbei wird dann versucht, den Inhalt des Textes direkt den Stichworten zuzuordnen. Auch hier können so einzelne Leistungsphasen erkannt und als bearbeitet markiert werden.

Somit kann in beiden Fällen eine automatisierte Prüfung der Planungsunterlagen auf Vollständigkeit hinsichtlich der HOAI durchgeführt werden. Durch eine Weiterentwicklung der Formalisierung der HOAI und des Stichwortkataloges sollen diese Ansätze zusätzlich noch dazu befähigt werden, qualitative Prüfungen vorzunehmen.

Fazit und Ausblick

Ein weiterhin hoher Anteil an manuellen Prozessen in der Bauwirtschaft unterstreicht den Status Quo der geringen Nutzung von digitalen Werkzeugen. Die Folge sind hohe Ineffizienzen in allen Bereichen. Zeitverzug im Projektfortschritt und Fehlleistungen in der Erstellung bzw. Überprüfung dieser Planungsleistungen sind die wesentlichen Probleme im Bauprojekt. Diese werden in der Zukunft zusätzlich durch einen erheblichen Fachkräftemangel bei allen am Projekt Beteiligten verstärkt.

Diesen negativen Entwicklungen können digitale Werkzeuge entgegenwirken, sodass Fachkräfte entlastet werden und die Kapazitätslücke durch intelligente Tools gefüllt wird. An diesem Punkt setzt die Building Information Cloud an und bietet ein ganzheitliches Tool in Form eines SaaS als Cloudplattform, welches in der Planungsphase eines Bauvorhabens Planungsleistungen nach den Vorgaben der Leistungsphasen 1 bis 5 der HOAI automatisiert überprüft. Eine Sicherung der Planungsqualität ist das Ziel der Überprüfung und ist verbunden mit den Zeitvorteilen durch die automatisierte Überprüfung ein genereller Mehrwert für die Bauwirtschaft. Durch die Partizipation aller Planungsbeteiligten am gesamten Planungsprozess, sei es das Planungsbüro, die Bauherrschaft oder die Baubehörde, werden notwendige Abstimmungen zwischen den einzelnen Beteiligten zusätzlich effizienter gestaltet. Die Kommunikation innerhalb der Cloudplattform der BIC ermöglicht kurze Abstimmungen über Unternehmensgrenzen hinweg direkt mit der jeweiligen Planungsleistung verknüpft und ist in der Nutzung auf die jeweiligen Beteiligten zugeschnitten – sodass der Umgang mit der Plattform so einfach und ziel¬gerichtet wie möglich gestaltet ist.

Die automatisierte Qualitätsprüfung von Planungsunterlagen in der Baubranche – das ist das Ziel des Forschungsprojekts Building Information Cloud. Im Rahmen dessen entwickelt das junge, interdisziplinäre Team eine cloudbasierte Lösung, in der nicht nur BIM-Modelle, sondern auch konventionelle Planunterlagen hinsichtlich ihrer Planungsqualität anhand der Leistungsphasen der HOAI überprüft werden können. Mit der Entwicklung einer Softwarelösung für die an der Planung und am Bau beteiligten Personen werden Blickwinkel aus den unterschiedlichen Fachbereichen benötigt. Die Basis für die notwendige Interdisziplinarität bilden die vier Gründer, Dr. Lisa Lenz aus der Fachrichtung Bauingenieurwesen, Dr. Jan Winkels als Informatiker, Dr. Julian Graefenstein aus dem Bereich des Wirtschaftsingenieurwesens sowie Prof. Gralla als Lehrstuhlinhaber für Baubetrieb und Bauprozessmanagement an der Technischen Universität Dortmund.

Die Cloudplattform der BIC ist ein Beitrag zur stärkeren Digitalisierung der Bauwirtschaft und soll Effizienzgewinne in der Bauplanung ermöglichen. Der teilweise überfordernden Bürokratie und dem realen Fachkräftemangel kann mit dieser Plattform entgegengewirkt werden und den Gesamtprozess des Bauprojektes durch eine automatisierte Überprüfung von Planungsleistungen beschleunigen. Das Projekt Building Information Cloud wird im Rahmen des Exist-Programms durch das Bundesministerium für Arbeit und Soziales und den Europäischen Sozialfonds gefördert.