Klimaneutralität im Bauwesen

Klimaneutralität und Digitalisierung. Megatrends, die derzeit hoch im Kurs stehen und die Bauwirtschaft vor neue Anforderungen stellen. Mit dem Pariser Klimaabkommen im Jahr 2015 wurde noch einmal die Notwendigkeit zur Begrenzung der Klimaerwärmung untermauert und durch einen Beschluss auf 1,5 bis maximal 2 Grad Celsius besiegelt. Erst kürzlich wurde bekannt, dass die Klimaziele der EU bis 2030 weiterhin verschärft werden sollen. Statt 40 Prozent werden nun 60 Prozent Reduzierung der Treibhausgasemissionen im Vergleich zu 1990 angestrebt.

Werden die während eines Gebäudelebenszyklus entstehenden Treibhausgasemissionen aus Rohstoffgewinnung, Herstellung, Bau und Transport, Betrieb sowie Lebensende ganzheitlich aufsummiert, so ist die Schlüsselrolle des Bau- und Gebäudesektors in diesem Zusammenhang deutlich zu erkennen [1]. Während in der Theorie längst klar ist, dass dieser Sektor ein hohes Optimierungspotenzial in puncto Klima- und Umweltauswirkungen besitzt, mangelt es in der Praxis an der Umsetzung von geeigneten Maßnahmen und Vorgaben.

Die Gründe dafür sind vielfältig. Unter anderem werden häufig nur rein energetische Maßnahmen fokussiert, da bisherige politische Maßnahmen im Bauwesen vorwiegend die Steigerung der Energieeffizienz und den Einsatz erneuerbarer Energien adressieren. So werden in der Regel nur die während des Betriebs entstehenden Emissionen und Energieverbräuche betrachtet. Die materialgebundenen CO2-Emissionen, oft auch als graue Emissionen bezeichnet, werden daher außer Acht gelassen, obwohl diese in der Gesamtbetrachtung, speziell bei hohen Energieeffizienzstandards, einen Anteil von bis zu 80 Prozent einnehmen können [2].

So wird Klimaneutralität zwar in vielen Belangen gefordert, jedoch fehlen hierfür oftmals das grundlegende Verständnis sowie konkrete Strategien zum Erreichen der Ziele. Es reicht nicht aus, die Null während des Gebäudebetriebs zu erzielen, indem mehr Energie am Standort erzeugt als verbraucht wird. Um effektiv und konsequent Klimaneutralität transparent darlegen und bewerten zu können, ist es erforderlich, eine vollständige Berechnung von CO2-Emissionen und Primärenergie über den gesamten Lebenszyklus durchzuführen.

Digitalisierung und Gebäudeökobilanzierung: Ein bisher ungenutztes Potenzial

Neuartige, innovative Lösungsansätze durch (Open) BIM sind daher sehr gefragt, beispielsweise um die Bewertung hinsichtlich der CO2-Bilanz zu vereinfachen und praxistauglich anwendbar zu machen. Eine der wohl wichtigsten Methoden im Bereich des nachhaltigen Bauens bzw. zur Erreichung von Klimaneutralität stellt dabei die Ökobilanz (englisch: Life Cycle Assessment, LCA) dar. Diese Methode erlaubt es, über den gesamten Lebenszyklus CO2- sowie weitere umwelt- und ressourcenbedingte Optimierungen zu erzielen, speziell, wenn sie bereits in frühen Phasen eingesetzt wird. In der Praxis wird sie bisher jedoch nur selten bzw. lediglich bei Nachhaltigkeitszertifizierungssystemen für Gebäude eingesetzt. Hierbei erfolgt die ökologische Bilanzierung meist zu spät, d. h., nach Verabschiedung der Planung.

Zudem wird die Technische Gebäudeausrüstung (TGA) meist nur pauschalisiert berücksichtigt und dabei unterschätzt [3]. Hauptgrund dafür ist die komplexe Anwendung, da die notwendige Informations- und Datenbeschaffung von den vielen Projektbeteiligten und Datenbanken unstrukturiert ist und vorwiegend auf 2D-Planungsunterlagen basiert. So werden Mehraufwände für ganzheitliche und ökologische Gebäudeplanungs- und Sanierungskonzepte nicht zuletzt wegen vermeintlich zu hoher Komplexität und Kosten gescheut.

Dabei bieten die BIM-Methode im Allgemeinen sowie offene Datenaustauschformate – wie z. B. die Industry Foundation Classes (IFC) – ein großes Potenzial, um Gebäudeökobilanzen wesentlich effizienter und umfassender durchzuführen [4]. Durch die einheitliche Strukturierung der für die Berechnungen erforderlichen Informationen und deren leichtere Zugänglichkeit innerhalb der BIM-Modelle ist ein hohes Automatisierungspotenzial für die Durchführung einer Gebäudeökobilanz gegeben. Diese Potenziale können insbesondere auch für detaillierte Berücksichtigung der technischen Gebäudeausrüstung genutzt werden [5].

Open BIM, IFC und Gebäudeökobilanzsoftware: Woran hakt es noch?

Es existieren bereits verschiedene Ansätze, bei denen BIM-Modelle zur Durchführung einer Gebäudeökobilanz verwendet werden. Üblicherweise werden dabei Daten aus dem BIM-Modell für Stoffstrom- und Energiebilanzen exportiert und in eine Drittsoftware importiert, um hier erneut manuell oder teilautomatisiert Ökobilanzdaten zuzuweisen. Hierbei ist keine interaktive Verknüpfung gegeben. Bei Änderungen im Modell muss ein neuer Export stattfinden.

Andere Lösungen versuchen bereits, BIM- integrierte Gebäudeökobilanzen dynamisch auf der Grundlage eines Closed BIM-Ansatzes durchzuführen [6]. Das bedeutet, dass proprietäre Datenformate der jeweiligen Softwarehersteller verwendet werden, die nur innerhalb der jeweiligen geschlossenen Softwareumgebung genutzt werden können und dadurch Insellösungen erzeugen. Darüber hinaus konzentrieren sich diese Closed-Ansätze zur Ökobilanzierung lediglich auf die Architektur [7]. Die Gründe dafür liegen zum einen darin, dass in den frühen Entwurfsphasen BIM-Modelle mit niedrigen Entwicklungsständen (Level of Developments, LOD) vorliegen, bei denen einerseits noch große Unsicherheiten bestehen und anderseits für die Gebäudetechnik nur ein minimaler oder kein Informationsgehalt zur Verfügung steht [8].

In späten Projektphasen, wenn ein LOD von 300/400 verfügbar ist, liegen dann zwar sämtliche Information vor, jedoch müssen diese aus den verschiedenen Fachmodellen, z. B. der Architektur und der TGA, erst verknüpft werden, um anschließend mit dem vollständig generierten Materialkataster eine Gebäudeökobilanz detailliert zu berechnen. Ein Prozess, der eigentlich nur im Open BIM-Ansatz mit offenen Datenaustauschformaten funktionieren kann, um Herstellerneutralität zu wahren und der Vielfalt der unterschiedlich eingesetzten Modellierungs- und Planungssoftwaresysteme je nach Fachdisziplin gerecht zu werden.

Aktuell kann das nicht-proprietäre Datenformat IFC4, Addendum 2, jedoch noch nicht den Anforderungen für eine automatisierte BIM-integrierte Gebäudeökobilanz gerecht werden [9]. Infolgedessen sind viele manuelle Anpassungen im Rahmen neuer Lösungsansätze erforderlich, die neben IFC auch u. a. Modellierungsweisen, Standardisierung von Informationsaustausch-Anforderungen sowie technischen Eigenschaften von Ökobilanzdatenbanken berücksichtigen müssen.

Wie sieht ein möglicher Lösungsansatz aus?

Der nachfolgend vorgestellte Lösungsansatz basiert auf Ergebnissen eines Forschungsprojekts [4] bzw. mehrerer Publikationen, die gemeinsam an der TH Köln unter Leitung von Prof. Dr. Michaela Lambertz, PD Dr.-Ing. habil. Anica Meins-Becker und Michael Zibell, M.Sc. von der Bergischen Universität Wuppertal sowie den Praxispartnern Dr.-Ing. Reinhard Wimmer von der TMM Gesamtplanungs GmbH und Dr.-Ing. Stanimira Markova von GREENbimlabs erarbeitet wurden.

Übergeordnetes Ziel ist es, mithilfe der Integration einer (teil-) automatisierten Verknüpfung und Berechnung von Ökobilanzdaten im Open BIM-Ansatz eine vereinfachte Anwendbarkeit und einen erweiterten Bilanzierungsrahmen durch die vollständige Integration der Gebäudetechnik zu erzielen. Dadurch wird eine Basis geschaffen, um speziell die grauen Emissionen und graue Energie der gesamten Baukonstruktion und Gebäudetechnik umfassend bei der Bewertung von Klimaneutralität zu berücksichtigen. Dazu sind sowohl technische als auch organisatorische und vertragliche Aspekte zu differenzieren.

Technische Integration und Verknüpfung

Rein technisch gesehen werden ökologische Daten über Schnittstellen zu Datenbanken direkt im BIM-Modell mit den bauphysikalischen und geometrischen Daten verknüpft. Daher sind Datenverfügbarkeit und Datenmanagement wichtige Ansatzpunkte für jede Ökobilanzsoftware. Darüber hinaus sind der technische Aufbau, die Maschinenlesbarkeit und auch die Schnittstelle der Ökobilanzdatenbank wichtig, um die Verknüpfung von BIM-Objekten mit Ökobilanzdaten automatisieren zu können [10].

Ökobilanzdatensätze enthalten verschiedene Arten von Informationen über Bauprodukte oder -prozesse, die für die Berechnung einer Ökobilanz wichtig sind. Neben Umweltauswirkungen durch Umweltindikatoren umfassen die Informationen in den Datensätzen in der Regel auch eine Beschreibung der Systemgrenzen, der deklarierten Einheit und des Anwendungsbereichs. In Deutschland existiert dazu die ÖKOBAUDAT, die z. B. auch von den deutschen Nachhaltigkeitszertifizierungssystemen DGNB und BNB als Grundlage für die Gebäudeökobilanzierung gefordert wird.

Die Ökobilanzdatensätze der ÖKOBAUDAT unterliegen einem standardisierten Aufbau gemäß DIN EN 15804 [11]. Konkret standardisiert diese Norm, welche Arten von Umweltwirkungen, z. B. Treibhausgaspotenzial, in welchen Phasen eines Lebenszyklus zur Verfügung gestellt werden müssen. Die Informationen bzw. Datenmengen, die dabei für einen Datensatz entstehen können, sind sehr umfangreich. Untersuchungen zeigten, dass eine theoretisch vollständige Integration dieser Datenmengen zu BIM-Objekten bzw. deren Austausch über das IFC-Format die Modellperformance deutlich einschränken würde [4].

Die Lösung: Referenzieren von Ökobilanzdatensätzen unter Verwendung eines Universally Unique Identifier (UUID, 16-stellige Hexadezimalzahl) mit den BIM-Objekten. Wird diese UUID bei der Modellierung mitverankert bzw. verlinkt, kann anschließend ein offener Datenaustausch per IFC deutlich schlanker stattfinden, da nur eine Information, nämlich die der UUID, übertragen werden muss.

Verlinkung von Ökobilanzdatensätzen mit BIM-Objekten (über API-Schnittstelle oder eigene Datenbank) als Grundlage für eine automatisierte Gebäudeökobilanzberechnung, Bild: TH Köln/BU Wuppertal

Damit eine korrekte Verknüpfung vollzogen werden kann, müssen geometrische und semantische Informationen des BIM-Objektes beachtet werden. Dies ist notwendig, um die Referenzeinheit des Ökobilanzdatensatzes, meist in Kubikmeter, Quadratmeter, Meter, Kilogramm, Stück angegeben, korrekt mit dem BIM-Objekt zu verknüpfen. Beispielsweise ist das Volumen einer Wand immer gegeben, sodass eine korrekte Verknüpfung mit der Referenzeinheit Kubikmeter des Beton-ÖKOBAUDAT-Datensatzes problemlos durchgeführt werden kann. Während die Verknüpfung von Ökobilanzdatensätzen der Baukonstruktion generell ohne große Aufwände realisiert werden kann, ist die Verknüpfung von TGA-Ökobilanzdatensätzen durchaus komplexer [12].

Konkret bedeutet das:

• TGA-Datensätze der ÖKOBAUDAT sind überwiegend auf die Masse in Kilogramm bezogen. Da diese Information meistens nicht durch BIM-Modellierungswerkzeuge vorliegt, müssen für eine automatisierte Verlinkung und Massenermittlungen viele Daten umgerechnet bzw. angereichert werden.
• Nutzungsdauern, die nicht als Informationen in den Ökobilanzdatensätzen enthalten sind, müssen zusätzlich integriert und für eine spätere Berechnung der Gebäudeökobilanz berücksichtigt werden.
• Darüber hinaus sind weitere Anforderungen bei der Modellierung einzuhalten. Eine schichtweise Bauteilmodellierung ist notwendig, da nur hierdurch alle Schichten bzw. Materialien innerhalb eines Wandaufbaus erfasst und separat mit Ökobilanzdatensätzen verknüpft werden können.

Organisatorische Voraussetzungen: IDM, Mapping ERs und MVD

Um eine Vergleichbarkeit von Gebäudeökobilanzergebnissen zu wahren, ist es wichtig, neben standardisierten Datensätzen auch einen gleichen Bilanzierungsrahmen einzuhalten. Das heißt, es muss definiert werden, welche Bestandteile der Baukonstruktion und der TGA bei einer Gebäudeökobilanz betrachtet werden sollen.

Zu diesem Zweck wurden im Rahmen des Information Delivery Manuals (IDM) Exchange Requirements (ERs) definiert, die anschließend dem IFC-Datenmodell zugeordnet wurden. Getreu dem Leitsatz: „Wer braucht welche Daten und Informationen von wem, wann, wofür, in welchem Datenformat“ wurden der Ablaufprozess und die Informationsaustausch-Anforderungen für eine Gebäudeökobilanz definiert und mit dem IFC Datenmodell abgebildet.

Erstellung eines IDM zur Beschreibung aller Informationsübergabepunkte und Schnittstellen und einer darauf basierenden MVD, Bild: TH Köln/BU Wuppertal

Insgesamt wurden so 222 ERs nach DIN EN ISO 29481 [13] definiert und versucht, mit dem IFC-Datenmodell abzubilden. Wenn neue, nicht standardisierte Merkmale oder Attribute definiert werden mussten, wurden diese manuell dem BIM-Modell als Projektparameter hinzugefügt. Zudem wurden die Prozesse hinter den ERs identifiziert und im Rahmen von Prozessdiagrammen erfasst. Mit dieser Grundlage konnte abschließend eine Model View Definition erstellt werden.

Automatisierte Berechnung der Gebäudeökobilanz

Ist die Modellierung abgeschlossen, wird ein IFC-Export generiert. Sobald der Export als IFC-Datei verfügbar ist, der alle notwendigen Daten enthält, kann die Berechnung der Gebäudeökobilanz durchgeführt werden. Um dies zu ermöglichen, wird die IFC-Datei in eine Gebäudeökobilanzsoftware importiert. In diesem Fall wurden die Software DESITE BIM und ein selbst entwickeltes Tool, das auf DESITE BIM basiert, eingesetzt [12]. Da eine explizite Zuordnung der BIM-Objekte zu einem ÖKOBAUDAT-Datensatz durch die Zuweisung der UUID aus der Modellierung vorhanden ist, können die UUIDs der Objekte entweder mit einer integrierten Datenbank in DESITE BIM oder per Application Programming Interface (API) mit der ÖKOBAUDAT verknüpft werden.

Wenn die UUID eines BIM-Objekts eine Übereinstimmung mit der Datenbank per regelbasierter Verknüpfung findet, wird eine Verknüpfung hergestellt und die Daten z. B. zum CO2-Äquivalent mit dem Volumen oder der Masse der Schicht hochgerechnet. Im Ergebnis entsteht so eine automatisierte Berechnung, die zuvor allerdings einige manuelle Prozesse und Fachwissen voraussetzt.

Das nachfolgende User Interface des Tools zeigt u. a. die Umweltauswirkungen der Indikatoren Treibhausgaspotenzial (Global Warming Potential – GWP), nicht erneuerbare Primärenergie, gesamte Primärenergie und weitere Umweltindikatoren in ihrer jeweiligen Einheit pro Jahr.

Benutzeroberfläche des Tools in DESITE BIM, das die Umweltauswirkungen von vier selektierten Heizkörpern in einem Beispielmodell anzeigt, Bild: TH Köln/BU Wuppertal

Durch die Auswahl von Objekten können Gruppen oder einzelne Komponenten des Gebäudes visuell hervorgehoben und mit direkter Berechnung der Umweltauswirkungen angezeigt werden. Weiterhin ist eine Bearbeitung oder manuelle Auswahl von Bauprodukten, Nutzungsdauern, Bauteiloberflächen und Schichtdicken im Sinne einer ökologischen Optimierung möglich.

Fazit und Ausblick: Ein Anfang, aber es gibt noch viel zu tun

Indem die Aufwände für die Informationsbeschaffung reduziert und die Verknüpfung und Berechnung von Gebäudeökobilanzen mit BIM-Modellen vereinfacht werden können, wird von den Autoren ein großes Potenzial darin gesehen, Klimaneutralität in seiner wahren Bedeutung zu messen und zu bewerten.

Der präsentierte Lösungsansatz ist bislang primär für späte Projektphasen vorgesehen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden jedoch die Grundlage, um zukünftig Gebäudeökobilanzen auch in frühen Projektphasen automatisiert durchzuführen. Damit ein weiterer wichtiger Schritt gelingt, die Gebäudeökobilanz vermehrt für ökologische Optimierungen in frühen Projektphasen einzusetzen, z. B. zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen, ist weiterer Forschungsbedarf essenziell. Damit verbunden sind Lösungsansätze, die mit dem geringen Informationsgehalt in frühen Stadien der Planung einfache ökologische Abschätzungen z. B. über die Konstruktionsart erlauben.

Viele neue Fragen und weiterer Forschungsbedarf stellen sich auch in puncto Auswirkungen auf Abläufe und Workflows der Akteure. Beispielsweise ist noch unklar, wie der Öko¬bilanz-Experte innerhalb der neuen technischen Möglichkeiten und der BIM-Methode einen praxistauglichen Workflow parallel zu den anderen Akteuren entwickelt, der zukünftig zur (frühen) Optimierung durch die Gebäudeökobilanz führen kann. Andere wichtige Maßnahmen werden daher u. a. sein, Ergebnisse aus der Forschung in Normungsaktivitäten zu übertragen, um eine Anwendbarkeit in der Praxis herzustellen, wie es aktuell in der buildingSMART-Fachgruppe BIM und Nachhaltigkeit und national in der VDI 2552 Blatt 11.4 der Fall ist [14].

Zudem sind Ökobilanzergebnisse häufig selbst für Fachleute zu abstrakt und unverständlich. Dies hat zur Folge, dass das Potenzial zur ökologischen Optimierung durch Gebäudeökobilanzergebnisse nicht ansatzweise ausgeschöpft wird. Kommunikation und Verständlichkeit von Gebäudeökobilanzergebnissen werden daher neben einer vereinfachten technischen Umsetzung entscheidend sein, um die Gebäudeökobilanz zur übergeordneten Reduzierung von Umweltwirkungen und damit auch zur Bewertung der Klimaneutralität effektiv einsetzen zu können. Schlussendlich gilt es auch, solche Aspekte verstärkt bei der Integration und Anwendung in BIM und dem Datenaustausch durch IFC zu berücksichtigen.