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14.12.2020 | Henriette Strotmann, Leonie Temme

Moderne Ausbildung von Bauingenieuren

Bauen im Bestand mit BIM

Die FH Münster bietet ein interdisziplinäres Mastermodul an, mit dem Studierende Schritt für Schritt an die Thematik „BIM im Bestandsbau“ herangeführt werden – nicht in der Theorie, sondern an einem realen Bauwerk.

Building Information Modeling (BIM) ist eine Methode, die in allen Projekten der Bauwirtschaft angewandt werden kann. Insbesondere der Bestandsbau muss hier jedoch mehr Beachtung erhalten, denn er macht rund zwei Drittel des jährlichen Bauvolumens aus (vgl. DIW Berlin, 2019).

Doch die Abläufe von BIM beim Bauen im Bestand verlaufen anders als bei Neubauprojekten. Im Neubau entstehen die BIM-Modelle im Rahmen der Planung und werden kontinuierlich in der Ausführung mit Bauwerksinformationen angereichert. Beim Bauen im Bestand muss zunächst der Bestand erfasst und mit allen wesentlichen Bauteilinformationen als BIM-Modell digitalisiert werden. Dies erfordert branchenübergreifendes Fachwissen – von der Vermessung über die Bautechnik bis zur Modellierung und Datenerfassung.

Aufgrund der hohen ökonomischen und ökologischen Bedeutung, die einen effizienten Umgang mit der Ressource Baustoff erfordert, müssen dieses Thema sowohl in der Lehre als auch in der Forschung vermehrt in den Fokus rücken und interdisziplinäre Potenziale und Herausforderungen untersucht werden. Um dem gerecht zu werden, startete Anfang 2020 an der FH Münster erstmals das interdisziplinäre Mastermodul „BIM am Beispiel des Bestandsbaus“.

Beteiligung der Stadt Münster

Die Masterstudierenden des Fachbereichs Bauingenieurwesen der FH Münster erhielten im Sommersemester 2020 erstmals die Möglichkeit, die Potenziale und Aufgaben von BIM beim Bauen im Bestand praxisnah an einem Objekt der Stadt Münster zu untersuchen. Die Fahrradstadt wächst zunehmend, und das Immobilienmanagement der Stadt muss u. a. entsprechende Schulgebäude vorhalten. Gleichzeitig will die Kommune zukünftig klimaneutral sein.

Im Rahmen des kooperativen Moduls zwischen FH und Stadt schien die Sporthalle an der Erna-de-Vries-Schule in Münster den richtigen Maßstab mitzubringen. Freistehend und eingeschossig bietet das Objekt gute Randbedingungen für erste Studien und Versuche.

Aufbau des Moduls

Das Modul gab hierzu einen Gesamtüberblick über einen Großteil möglicher Aufgaben und Prozesse beim Bauen im Bestand. Er reicht von der Bestandsaufnahme mittels Laserscan und Photogrammmetrie bis hin zur Ausführung und der Erstellung eines Ressourcenpasses für einen möglichen Rückbau.

Verantwortliche und Beteiligte

Den fachlichen Input stellten die modulverantwortliche Professorin für Baubetrieb und digitalen Bauwerkszyklus der FH Münster, Prof. Dr.-Ing. Henriette Strotmann, und Leonie Temme sicher. Unterstützt wurde das Modul sowohl durch die Kollegen der FH Münster in den Fachdisziplinen Bauphysik und Ressourcenmanagement als auch durch verschiedene Praxispartner. Hier sind das Softwareunternehmen Dlubal für modellbasierte Tragwerksplanung, die Firma agn Niederberghaus & Partner GmbH für den Gesamtlebenszyklus mit BIM und die formitas AG für die modellbasierte Ausführungsphase sowie Virtual und Augmented Reality (VR, AR) zu nennen. Als Vertreter des Amtes für Immobilienmanagement steuerte Herr Göpel die notwendigen Informationen zum Gebäude bei und koordinierte die Abstimmung mit Nutzern und beteiligten Behörden, z. B. für die Genehmigung des Drohnenflugs.

Zusammenarbeit und Datenübergabe

Die Studierenden teilten sich in Gruppen ein, in denen sie jeweils eines der genannten Themen und damit einen wichtigen Prozess in BIM-Bestandsprojekten behandelten. Jede Gruppe bearbeitete ihren Prozess auf Grundlage des Dateninputs der vorangegangenen Gruppen und übermittelte ihren Output als Basis für die nachfolgende Gruppe. Die strikte Einhaltung und Erfüllung der Meilensteine und erforderlichen Abgaben war somit essenziell für den Erfolg des Projekts. Die Datenübergabe zwischen den Gruppen erfolgte über die Plattform BIM 360.

Behandelte Prozesse entlang der Wertschöpfungskette

Das Modul durchlief einen Großteil der wesentlichen Prozesse des modellbasierten Arbeitens im Bestandsbau.

1. Bestandsaufnahme der Sporthalle mittels Laserscanning und Photogrammmetrie zur Erzeugung eines digitalen Abbilds

Die 3D-Bestandsaufnahme des Gebäudes legt einen unverzichtbaren Grundstein für die nachfolgenden Prozesse. Zur Bestandserfassung wurde von der ersten Gruppe zum einen der Laserscanner (FARO Focus S70) genutzt. Mit ihm wurden die einzelnen Räume im Inneren des Gebäudes erfasst sowie die Außenfassade aufgenommen. Da der Scanner jedoch auf einem Stativ auf dem Boden platziert wird, ist es nicht ohne weiteres möglich, auch das Dach des Gebäudes zu erfassen. Deshalb wurde auf eine Drohne (DJI Matrice 210 RTK) zurückgegriffen, die wie der Laserscanner zum Inventar des BIM-Labors der FH Münster gehört. Sie überflog die Sporthalle und erstellte Aufnahmen des Dachs und der Außenwände.


Laserscan des Gebäudes (oben) und daraus resultierende 3D-Punktwolke (unten, Ausschnitt), Bilder: FH Münster

Drohnenaufnahme des Gebäudes (oben) und daraus resultierendes 3D-Photogrammmetrie-Modell (unten), Bilder: FH Münster

Im Anschluss konnten beide Datensätze durch die erste Gruppe ausgewertet und zu einem 3D-Abbild des Gebäudes zusammengesetzt werden. Die Laserscans wurden in der Software Scene zu einer Gesamtpunktwolke verknüpft. Aus den Drohnenaufnahmen wurde ein photogrammetrisches 3D-Modell mit Recap Photo erstellt.

2. Überführung der 3D-Bestandsaufnahme in ein BIM-Modell sowie 3D-Druck des Modells

Die nachfolgende Gruppe überführte die 3D-Bestandsaufnahme mit Hilfe der Modellierungssoftware Revit in ihren digitalen Zwilling. Durch das Anlegen horizontaler und vertikaler Schnitte sind Wandstärken, Geschosshöhen und Grundrisse in der Bestandsaufnahme klar erkennbar. Die Geometrie des Bestands lässt sich folglich einfach im Modell abbilden.

Informationen zum Wandaufbau, den verbauten Materialien oder Qualitäten sind allerdings auf den Aufnahmen meist nicht ersichtlich. Es sind daher Bestandspläne, weitere Untersuchungen (wie z. B. Beprobungen) und teilweise auch sinnvolle Annahmen notwendig, um das Modell mit den wesentlichen Informationen anreichern und z. B. den Schichtaufbau der Außenwand definieren zu können. Aus der Aufnahme aus Punkten und Flächen wurde so schließlich ein 3D-Modell mit intelligenten Bauteilen und Eigenschaften, aus dem auch Pläne automatisiert abgeleitet werden können.

Überführung der Gesamtpunktwolke (oben) in ein BIM-Modell (unten), Bilder: FH Münster

Hieraus konnte dann das 3D-Druckmodell mit Hilfe der Software Cura erzeugt und mit dem 3D-Drucker zur Veranschaulichung gedruckt werden.

3D-Druck des BIM-Modells (Material PLA), Bild: FH Münster

3. Erweiterung des BIM-Modells hinsichtlich der Fachplanung Bauphysik

Das Fachplanungsteam energetische Sanierung integrierte die thermischen Eigenschaften in das BIM-Modell, wodurch ein energetisch optimiertes BIM-Modell entwickelt werden konnte, das dem aktuellen KFW-Mindeststandard entspricht.

Fachmodell Bauphysik, Bild: FH Münster

4. Erweiterung des BIM-Modells für die Fachplanung Ressourcenmanagement und Ableitung eines modellbasierten Ressourcenpasses

Das Ressourcenmanagement stellt einen Kernprozess des Bauens im Bestand hinsichtlich der Steigerung der Nachhaltigkeit dar. Die Gruppe erzielte große Erfolge durch die Nutzung der grafischen Programmierungssoftware Dynamo in Kombination mit Revit. Es wurde ein Dynamo-Skript erstellt, das die automatisierte Erzeugung eines Gebäuderessourcenpasses auf Basis des BIM-Modells ermöglicht. Der Pass fasst alle relevanten Informationen für den möglichen Rückbau des Gebäudes übersichtlich zusammen und passt sich bei Veränderungen des Modells automatisch an. Dieser Teilprozess stellt im Bestandsbau einen entscheidenden Schritt zur modellbasierten Planung und Ausführung eines Bestandsvorhabens dar. Er macht deutlich, welchen Mehrwert BIM im Bestandsbau haben kann.

Auszug aus dem Dynamo-Skript (oben) und dem daraus automatisch erzeugten Ressourcenpass (unten), Bilder: FH Münster

5. Umbauplanung am BIM-Bestandsmodell sowie modellbasierte Tragwerksplanung

In der Tragwerksplanung wurde die Umbau- und Erweiterungsplanung auf Basis der beiden Fachplanungen planerisch und modellbasiert umgesetzt. Letztendlich wurde für die erarbeitete Umbaumaßnahme eine Tragwerksberechnung am 3D-Modell nach der Finite-Elemente-Methode mit der Software Dlubal durchgeführt.

Fachmodell Tragwerk, Bild: FH Münster

6. Modellbasierte Ausführungsvorbereitung (Bauablaufsimulation, modellbasierte Mengenermittlung und LV-Erstellung)

Die Gruppe Modellbasierte Ausführungsvorbereitung erstellte eine 3D-Baustelleneinrichtung und verknüpfte einen Ausführungsterminplan mit dem Modell und seinen Bauteilen, wodurch eine Bauablaufsimulation generiert wurde. Dies kann besonders bei komplexen Projekten und Umbauten im laufenden Betrieb hilfreich sein. Außerdem wurden mit der Software iTWO die Mengen automatisiert aus dem Modell abgeleitet und ein LV erzeugt.

Ausschnitt aus der 3D-Baustelleneinrichtung, Bild: FH Münster

7. Modellbasierte Ausführungsunterstützung mit Hilfe von VR und AR

Das abschließende Team untersuchte die Möglichkeiten von VR und AR zur Unterstützung der Ausführungsphase. Die Studierenden erstellten mit der Software Enscape aus dem Modell eine VR-Simulation, um die geplante Baumaßnahme verständlich zu machen. Mit Hilfe einer VR-Brille kann nun jeder das Gebäude virtuell betreten und die geplanten Maßnahmen live und in Realgröße betrachten.

Außerdem wurden Apps für Smartphone und Tablet genutzt, um das Modell via AR lagegetreu auf der späteren Baustelle darstellen und einen Abgleich der ausgeführten Leistung (IST) mit dem geplanten Modell (SOLL) vornehmen zu können. Gefundene Probleme können mit Hilfe von Apps wie Gamma AR direkt am digitalen Modell dokumentiert werden.

Ausschnitt VR (oben) und AR (unten) zur Visualisierung und Unterstützung der Ausführungsphase, Bilder: FH Münster

Fazit zu BIM in der Lehre

Der erste Durchlauf des Moduls zeigte, dass die Anwendung von BIM im Bestandsbau großes Potenzial bietet und vieles bereits heute möglich ist. Insbesondere die Themen Bestandserfassung, Überführung in ein BIM-Modell sowie modellbasierte Mengenermittlung und LV-Erstellung sind Prozesse, die nach derzeitigem Stand und auf Basis der auf dem Markt erhältlichen Produkte sehr gut abzubilden sind und vieles vereinfachen.

VR ist in der Branche ebenfalls weit verbreitet, häufig zur Entscheidungsfindung des Bauherrn, wohingegen die Potenziale von AR noch längst nicht ausgeschöpft sind. Hier heißt es, die Chancen und Möglichkeiten weiter zu untersuchen und aktuelle Entwicklungen zu verfolgen.

Allerdings sind in jedem Fall die Qualität der Lieferobjekte und die Einhaltung der Meilensteine, auch Data Drops genannt, wesentlich für den Erfolg eines BIM-Projekts. Im nächsten Durchlauf des Moduls werden deshalb diese Anforderungen als sogenannte Auftraggeber-Informations-Anforderungen (AIA), wie sie in BIM-Projekten üblich sind, definiert und an die Fachgruppen übergeben.

Das Modul wird zudem kontinuierlich wissenschaftlich hinsichtlich der Ziele und Ergebnisse untersucht. Hierzu wurden im ersten Durchlauf umfangreiche Eingangs- und Ausgangsevaluationen durchgeführt.

Motivation der Studierenden trotz geringer Vorkenntnisse im Bereich BIM

Obwohl das Modul umfangreiche Grundlagenkenntnisse im Bereich des modellbasierten Arbeitens nach der Methode BIM vorausgesetzt hat, belegten 71 Prozent der Studierenden das Modul als erstes BIM-Modul im Masterstudium. Nur 29 Prozent verfügten bereits über umfangreiche BIM-Kenntnisse aus den weiteren BIM-Modulen des Masterstudiums.

Vorkenntnisse der Studierenden im Bereich BIM und BIM-Software zu Beginn des Moduls, Bild: FH Münster

Die Studierenden konnten sich die fehlenden Grundlagen selbstständig anhand zur Verfügung gestellter Tutorials und Schulungsunterlagen aneignen. Die Bereitschaft, das Modul trotz fehlender Vorkenntnisse, die in Eigenarbeit aufgearbeitet werden müssen, zu besuchen, zeigt das große Interesse der Studierenden am Thema BIM und die Notwendigkeit der Integration in die Lehre.

Erhöhtes Verständnis der wesentlichen Themen in BIM-Projekten

Es wurden unter anderem die Ziele des Moduls aus Sicht der Lehrenden und des Bauherrn sowie aus Sicht der Studierenden betrachtet. Dabei wurden sowohl die Lehrenden als auch die Studierenden in der Eingangsbefragung zu den wesentlichen Lerninhalten befragt.

Wesentliche Lerninhalte aus Sicht der Studierenden (links) sowie der Lehrenden und des Bauherrn (rechts) zu Beginn des Moduls, Bild: FH Münster

Die Studierenden wurden nach Beendigung des Moduls noch einmal zu den wesentlichen Lerninhalten befragt.

Wesentliche Lerninhalte aus Sicht der Studierenden am Ende des Moduls, Bild: FH Münster

Die Untersuchung zeigt deutlich, dass sich das Verständnis der interdisziplinären Zusammenarbeit und der beteiligten Fachdisziplinen bei den Studierenden enorm veränderte und den Vorstellungen der Lehrenden deutlich näherkam.

Erlangung der wesentlichen Kenntnisse und Fähigkeiten für die Arbeit in BIM-Projekten

Auch das Verständnis für relevante Kenntnisse als interdisziplinäre Aufgabe für BIM im Bestandsbau veränderte sich in der Studierendenschaft signifikant.

Eingangsbefragung (links) und Abschlussbefragung (rechts) zu relevanten Kenntnissen, Bild: FH Münster

Die Studierenden verfügen durch den Abschluss des Moduls mehrheitlich über ein sehr gutes Verständnis für die interdisziplinären Aufgaben eines BIM-Projekts im Bestandsbau. Sie kennen zudem den Workflow und können definieren, welche Daten und Informationen wann, in welcher Detailtiefe und in welcher Form im Laufe eines Bestandsprojekts erforderlich sind. Des Weiteren lernten sie die Aufgaben und Schnittstellen der Beteiligten kennen.

Aus Sicht der Lehrenden ist außerdem besonders hervorzuheben, dass alle Studierenden trotz der geforderten großen Eigeninitiative und Bereitschaft zur Einarbeitung in spezielle Themen und Software dabeigeblieben sind. Alle Abgaben erfolgten termingetreu, und die nachfolgenden Gruppen konnten sich auf den Input der vorangegangenen Gruppe verlassen. Es herrschte eine rege Kommunikation sowohl zwischen den Gruppen als auch zwischen den Studierenden und Betreuern des Moduls. Insgesamt verlief der erste Durchlauf des Moduls äußerst erfolgreich und gewinnbringend für alle Beteiligten.

© FH Münster
Autoren

Prof. Dr.-Ing. Henriette Strotmann lehrt als Professorin für Baubetrieb und digitalen Bauzyklus seit 2015 an der FH Münster. Seit 2018 ist sie geschäftsführende Gesellschafterin der IBB Westfalen GmbH (Institut für Baubetrieb und Bauwirtschaft) und berät und unterstützt die formitas AG bei der Entwicklung und Durchführung ihrer Weiterbildungsangebote im Bereich BIM. fh-münster.de


Leonie Temme hat Bauingenieurwesen an der FH Münster studiert und unterstützt dort seit 2016 als wissenschaftliche Mitarbeiterin die Lehre und Forschung im Bereich BIM. Ein Schwerpunkt ihrer Forschung liegt auf dem Einsatz von BIM in der Ausführungsphase und den veränderten Anforderungen an Mitarbeiter in BIM-Projekten. Letzteres untersucht sie derzeit im Rahmen ihrer Dissertation. fh-münster.de

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