Wie KI Einzug in die Baubranche hält

Das McKinsey Global Institute (MGI, 2018) hat in einer Studie das wirtschaftliche Potenzial künstlicher Intelligenz über Länder und Branchen hinweg unter die Lupe genommen. Darin wird prognostiziert, dass mit Künstlicher Intelligenz bis 2030 insgesamt ein zusätzlicher globaler Wertschöpfungsbeitrag in Höhe von 13 Billionen US-Dollar möglich wäre. Spezifische Prognosen für die Baubranche gehen davon aus, dass der Markt für Künstliche Intelligenz bis 2026 rund 3,7 Milliarden Euro ausmachen wird.

Die Notwendigkeit, Projekte mit weniger Ressourcen erfolgreich durchzuführen, hat dazu geführt, dass Künstliche Intelligenz und insbesondere das sogenannte maschinelle Lernen immer mehr genutzt werden. Für KI-Methoden, wie beispielsweise das generative Design, gilt das bereits heute: Damit können in einem Bruchteil der bisher benötigten Zeit tausende Entwurfsvarianten erstellt werden, aus denen der Designer dann auswählt und ausarbeitet, um den Kundenanforderungen gezielter gerecht zu werden.

In Zukunft könnte der Einsatz von KI bei der Planung die manuellen Aufgaben auf ein Minimum reduzieren, sodass sich Planungsdienstleistungen kostengünstiger, schneller und qualitativ hochwertiger anbieten lassen. Bestätigt wird das auch von Don Jacob, VP Technology Build & Construction Division bei der Nemetschek Group: „Keine andere neu aufkommende Technologie hat das Potenzial, den gesamten Lebenszyklus von Gebäuden in dem Maße zu verändern, wie die KI es tun wird. Da Daten dank BIM eine immer wichtigere Rolle im Entwurfs-, Bau- und Betriebsprozess spielen, ist die Nutzung der Möglichkeiten der KI zur weiteren Effizienzsteigerung und Erfüllung der Nutzeranforderungen der nächste logische Schritt in der Entwicklung der AEC-Branche.“ Erste Projekte zeigen bereits, welche Potenziale im maschinellen Lernen stecken.

Generierung von Digital Twins durch KI

In einem dreijährigen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben entwickelt ALLPLAN gemeinsam mit renommierten Partnern aus Forschung und Industrie die Grundlagen für cloudbasierte Lösungen zur automatisierten Bestandsmodellierung mittels KI. Bis zum Ende der dreijährigen Laufzeit des Projekts BIMKIT (Bestandsmodellierung von Gebäuden und Infrastrukturbauwerken mittels KI zur Generierung von Digital Twins) sollen die entwickelten Prototypen in Demonstratoren getestet worden sein und im Anschluss in marktfähige Produkte umgesetzt werden. Das BIM-basierte Arbeiten mit Bestandsmodellen nimmt weiter zu und damit steigt die Nachfrage nach Erstellung sogenannter As-built-Modelle. Das händische Erstellen von digitalen Bestandsmodellen – sei es für die Optimierung der Instandhaltung, die Umbauplanung, die Erneuerung von Infrastrukturen oder den Rückbau – ist eine mühsame und repetitive Arbeit, die mit hohen Kosten verbunden ist. BIMKIT verfolgt das Ziel, dabei mithilfe von KI einen besonders hohen Automatisierungsgrad zu erreichen.

IoT und BIM für automatische Leistungserfassung

Im Rahmen des deutsch-niederländischen INTERREG-Programms Digipro läuft momentan ein Projekt, das unter Anwendung von IoT (Internet of Things) und BIM die Leistungserfassung auf der Baustelle automatisieren soll. Ein Konsortium aus den vier Unternehmen BuildersMind, mangineers, Nijhuis Bouw B. V. und ALLPLAN arbeitet dabei an einer Lösung für eine automatisierte Baustellenüberwachung, die den Baufortschritt nahezu in Echtzeit dokumentiert.

Die zentrale technische Innovation in dem Projekt liefert BuildersMind in Form einer mobilen Tracking Box. Die MACI Box wird magnetisch an einer Baumaschine – in diesem Fall am Haken eines Autokrans – angebracht. Sie sammelt und überträgt Bewegungsdaten vom Arbeitsgerät, die sie an einen Monitoring-Service weitergibt. Letzterer fusioniert die Daten, wertet sie aus und integriert sie in annähernder Echtzeit in die BIM-Plattform. Dort entsteht automatisch eine Überlagerung der gelieferten As-built bzw. Ist-Daten mit den Planungs- beziehungsweise Soll-Daten eines BIM-Modells des Projekts, anhand derer der aktuelle Baufortschritt ermittelt und visualisiert werden kann.

Alpha-Testphase: 65 Einfamilienhäuser in Fertigteilbauweise

Dieses System wurde mittlerweile in einer Alpha-Testphase auf den zwei Baustellen „Operahof“ und „de Laares“ in Enschede mit 65 Einfamilienhäuser in Fertigteilbauweise erprobt. Planungsseitig wurden hierzu in drei Schritten detaillierte BIM-Modelle erstellt. Im ersten Schritt erfolgte eine Visualisierung der Umgebung und Positionierung der Gebäude, wobei Nullpunkt und tatsächliche Geokoordinaten aufeinander abgestimmt wurden. Ein 3D-Volumenmodell integrierte im zweiten Schritt die Kubaturen der Gebäude. Im dritten Schritt erfolgte eine weitere Detaillierung auf Geschoss- und Bauteilebene. Diese hochdetaillierten Modelle bilden schließlich die Plandatenbasis für die automatische Baufortschrittserkennung der Fertigteilmontage.

BIM + KI + Personenstromsimulation

Im Forschungsprojekt BEYOND sollen BIM, KI und Personenstromsimulationen miteinander kombiniert werden, um weitere Entscheidungsgrundlagen für frühe Entwürfe zu schaffen. Das Projektkonsortium setzt sich hier aus der accu:rate GmbH, der Technischen Universität München (TUM), der DB Netz AG mit dem Großprojekt 2. Stammstrecke München sowie der SSF Ingenieure AG zusammen. Die Herausforderung: In frühen Entwurfsphasen ist die Informationsgrundlage für wichtige Entscheidungen oft noch dünn. Das betrifft nicht nur das Wissen über das physikalische Verhalten des Bauwerks im Betrieb, sondern auch seine ergonomische Qualität. Wie Menschen mit dem Bauwerk interagieren oder wie sie sich in Gruppen im Bauwerk bewegen, ist schwer vorherzusagen, spielt aber vor allem in Extremsituationen eine große Rolle.

Fehlentscheidungen können zu Nutzungseinschränkungen führen und hohe Kosten für Umplanung und Umbau nach sich ziehen. Das Projekt BEYOND soll Abhilfe schaffen. Dessen Ziel ist es, eine „KI-basierte Optimierung von Gebäuden mithilfe der Analyse von Personenströmen in intelligenten Gebäudemodellen“ schon in frühen Entwurfsphasen zu schaffen. Zu diesem Zweck werden unter Anwendung einer Kombination aus BIM, KI und Personenstromsimulationen Methoden und Technologien entwickelt, die Architekten und Ingenieure bei der Planung und Optimierung von Bahnhofsgebäuden assistieren. Digitalisierung verbessert so nicht nur die Prozesse bei der Planung, sondern erhöht auch die Qualität des Bauwerks.

Verfahren zur schnellen Variantenprüfung von BIM-Modellen

Durch Integration dieser Simulationsmethode sollen nun in BEYOND anhand eines prototypischen Bahnhofsmodells Datenstrukturen, Algorithmen und technische Verfahren zur schnellen Variantenprüfung der BIM-Modelle entwickelt werden. Dies umfasst die Entwicklung von Verfahren zur leichteren Anwendung von Personensimulation für Entwurf und Planung von Bahnhofsgebäuden sowie eine Methodik zu deren Parametrisierung. Die Standardisierung soll mitunter als Beschleuniger für die Optimierung von Genehmigungsprozessen dienen.

Von zentraler Bedeutung für die technische Umsetzung des Projekts ist die Verwendung einer cloudbasierten BIM-Plattform, um ein reibungsloses Datenmanagement und eine optimale Zusammenarbeit aller Beteiligten zu ermöglichen. Der angestrebte BIM-Workflow sieht dabei folgendermaßen aus: Ein Gebäudemodell wird in die hier verwendete Plattform Bimplus hochgeladen und von dort wiederum in ein crowd-IT-Modell überführt, anhand dessen eine Personenstromsimulation automatisiert durchgeführt wird. Deren Ergebnis wird anschließend in Form einer 3D-Visualisierung ausgegeben, deren Daten dann erneut via Bimplus zurück in das Gebäudemodell fließen. Eine solche tiefe Integration von Personenstromsimulationen in digitale Gebäudemodelle soll künftig eine starke Verbesserung in der Planungssicherheit und letztendlich den Bau sichererer Gebäude ermöglichen.

Institut für Künstliche Intelligenz im Bauwesen

Das Potenzial der KI weiterzuentwickeln und in die Praxis umzusetzen, steht auch im Mittelpunkt des an der Technischen Universität München im November 2020 gegründeten TUM Georg Nemetschek Institute Artificial Intelligence for the Built World (GNI), ein weltweit einzigartiges Institut für KI im Bauwesen. Dieses soll als Schnittstelle zwischen Forschung, Lehre und Innovation zur Anwendung von KI im gesamten Lebenszyklus von Gebäuden und Infrastrukturbauwerken dienen. Maßgeblich unterstützt wird es dabei in den nächsten zehn Jahren mit rund 50 Millionen Euro Fördergeldern von der Nemetschek Innovationsstiftung. Das GNI soll Technologien der nächsten Generation entwickeln und fördern. Durch die Nutzung von Big Data, das Extrahieren von Informationen aus Datenanalysen und das Kreieren von Einblicken in das Maschinenlernen soll sich KI für die gebaute Umwelt als Schlüsseltechnologie im Entwerfen, Planen, Bauen, Betreiben und Managen von Gebäuden und Infrastrukturbauwerken etablieren.