Digitaler Zwilling

Der digitale Welteroberer 

„Digital Twins“, also digitale Kopien von technischen Anlagen, sind in vielen Industrien längst Standard. Nun durchdringt die Technologie auch die Baubranche. Das Versprechen: komplexe Bau- sowie Infrastrukturprojekte besser planbar und im Betrieb kostengünstiger machen.

Text Tino Scholz

Es war ein Zufall, der dafür sorgte, einer Innovation zum Durchbruch zu verhelfen. Phil Bernstein saß wie so oft im Flugzeug, als er mit seinem Sitznachbarn ins Gespräch kam: dem verantwortlichen Architekten des seinerzeit im Bau befindlichen Freedom Tower – jenem Wolkenkratzer, der seit 2014 auf dem Platz des ehemaligen World Trade Center in New York steht. Bernstein arbeitete für das US-amerikanische Softwareunternehmen Autodesk, das sich auf digitales 2-D- und 3-D-Design spezialisiert hatte, unter anderem im Gebäudebau. Also redeten sie darüber, welche Herausforderungen den Architekten umtrieben. Sie kamen zum Punkt Tiefbau, eine sehr komplexe Aufgabe, mit vielen Unwägbarkeiten behaftet und risikoanfällig für Fehler – doch Bernstein hatte die Antwort. Er schlug seinem Platznachbarn die Nutzung einer digitalen Methode vor, das heute als Building Information Modeling bekannt ist. Kurz BIM.

Foto: Getty Images/ansonmiao

Die digitale Transformation im Gebäudebau breitete sich zunächst vor allem in den USA aus.

Autodesk und die Architekten des Freedom-Tower arbeiteten sehr erfolgreich zusammen. So erfolgreich, dass das renommierte Wall Street Journal einen Artikel darüber druckte – mit beträchtlichen Folgen. „So gut wie alle unsere Geschäftspartner aus dem Bereich Architektur kamen zu uns und fragten uns: Warum machen wir das nicht?“, erinnert sich Bernstein heute. Und so breitete sich die digitale Transformation im Gebäudebau aus, zunächst vor allem in den USA. „Unsere gemeinsame Arbeit beim Bau des Freedom Tower“, ist sich Bernstein sicher, „war der Durchbruch für BIM in unserer gesamten Industrie.“

Von einem Durchbruch zu sprechen ist rückblickend vielleicht etwas überspitzt formuliert. Heute, zwölf Jahre nach jenem zufälligen Treffen im Flugzeug, ist der digitale Zwilling in der Bauindustrie zwar noch nicht allgegenwärtig – aber einen kleinen Boom gibt es dennoch, BIM ist auf dem besten Weg, sich zum Standard zu entwickeln. Das Beratungsunternehmen Roland Berger schätzt, dass sich der Markt für BIM-Anwendungen bis 2022 voraussichtlich vervierfachen wird: von 2,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2014 auf dann rund 11,5 Milliarden US-Dollar. Dies bedeute aber auch, warnt die Studie, dass Bauunternehmen, die diese Technologie nicht einsetzten, mehr und mehr ins Hintertreffen geraten: „BIM entwickelt sich zunehmend zum Standard für die Bauindustrie. Ohne Zugang zum System werden Unternehmen mittelfristig aus dem Markt gedrängt, da der Abstimmungsprozess mit ihnen zeit- und kostenaufwendig ist.“

Planer, die nicht auf BIM setzen, könnten laut Studien aus dem Markt gedrängt werden.

Fehler voraussehen

Building Information Modeling beschreibt die zunehmende Digitalisierung in der Baubranche. Der digitale Zwilling eines Gebäudes ist allerdings mehr als nur ein digitales 2-D- oder 3-D-Modell. Ein BIM-Modell besteht aus den virtuellen Äquivalenten der tatsächlichen Gebäudeteile sowie der Teile, die für den Bau benötigt werden. Diese Elemente besitzen alle Merkmale ihrer realen Pendants. Diese intelligenten Elemente sind die digitalen Prototypen der physikalischen Gebäudeelemente wie Wände, Stützen, Fenster, Türen, Treppen usw. Diese digitalen Prototypen ermöglichen es, das Gebäude sowie dessen Verhalten zu simulieren und zu verstehen, zu prüfen und zu optimieren noch bevor das Gebäude tatsächlich gebaut wird.  

Alle am Bau beteiligten Partner haben Zugriff auf die Modelle und Daten, die über den gesamten Projektzeitraum kontinuierlich aufgebaut und auch während des Bestands weiter aktualisiert werden, was sich als äußerst nützlich für spätere Renovierungen und Sanierungen erweist. Der digitale Zwilling wird nicht, wie Baupläne heutzutage, einfach in Hunderten von Ordnern abgelegt. Er wird ständig weiter aktualisiert – und das sorgt für nachhaltiges Bauen sowie mehr Effizienz.  

Dabei ist der digitale Zwilling nichts gravierend Neues. In der Luftfahrt, im Maschinen- und Automobilbau oder der Elektrotechnik ist die 3-D-basierte Planung schon lange etabliert, vor allem bei virtuellen Prototypen. „Im Serienbau liegt dieses Verfahren eher auf der Hand. Wenn ich eine Million Teile produziere, bin ich vorher lieber ganz penibel“, sagt Norbert Rupp, Leiter des TÜV SÜD-Fachbereichs Building Advisory Services. „Bauherren erkennen aber zunehmend, dass es diese Möglichkeiten auch für sie gibt – und dass das Thema immer wichtiger wird.“ 

Rupp kennt sich bestens aus, seit vielen Jahre unterstützt er mit seinem TÜV SÜD-Bereich Bauherren im Gebäudemanagement. „Indem auch wir zunehmen auf BIM setzen bieten wir unseren Kunden einen digitalen Mehrwert“, erklärt Rupp. „Es ist eine Mischung aus: Wie funktioniert BIM und wie kann ich das Modell als Bauherr so anwenden, dass die Vorteile zum Tragen kommen? Wir begleiten und beraten entlang des gesamten Bauzyklus. Denn auch uns ist klar, dass BIM etwas Neues, Gutes ist. Und wir helfen dabei, dass diese Innovation zu einem echten Mehrwert wird.“

Vor allem die Entwicklung hin zur smarten, digitalen Stadt mit ihren verknüpften Infrastrukturen und Gebäuden beschleunigt den Wandel. „Es geht beim Bau um mehr, als nur ein in sich funktionierendes, nach außen abgeschlossenes System zu erschaffen“, sagt Günter Wenzel, Teamleiter Virtual Environments beim Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation, das selbst die Vorteile der BIM-Software erforscht. „In der Bauwirtschaft vernetzten sich Gebäude und Infrastruktur immer mehr miteinander. Energiemanagement und Mobilität sind nur zwei Aspekte. Es ist heutzutage gar nicht mehr möglich, ein Bauwerk singulär zu betrachten, es braucht das digitale Modell.“

Foto: unsplash/Colton Duke

Der Freedom Tower in New York City war eines der ersten weltweit beachteten Hochbauprojekte unter Einbezug der BIM-Technologie.

Längst lässt sich das an globalen Beispielen ablesen. Am 2014 fertiggestellten über 600 Meter hohen Shanghai Tower etwa: Der digitale Zwilling half nicht nur, den Bau fristgerecht fertigzustellen, auch Material und Arbeitszeit konnten eingespart werden – beim Material sogar 32 Prozent. Auch beim Eisenbahnneubauprojekt Crossrail, einer mehr als 100 Kilometer langen S-Bahn-Strecke im Großraum London, läuft dank der Einbeziehung von BIM derzeit alles nach Plan.

Der Chemiekonzern BASF setzt bei der Umsetzung eines Reinraums in einem neuen Laborgebäude ebenfalls auf BIM – und die Expertise von TÜV SÜD. „Dieser Reinraum ist ein BASF-Referenzmodell für die Wirksamkeit von BIM. Wir helfen vor allem bei der Grundlagenarbeit“, sagt TÜV SÜD-Experte Norbert Rupp. „Wir haben Standards entwickelt, an die sich alle Beteiligten zu halten haben. Im Moment entstehen erste digitale Ergebnisse, die wir prüfen.“ Bei einer Fleischfabrik des Lebensmittelkonzerns Rewe treibt TÜV SÜD die thermische Simulation des Gebäudes voran. „Anhand des digitalen Zwillings können wir die Zyklen innerhalb der Fabrik simulieren. Bei der Fleischverarbeitung geht es um die optimale Temperaturregelung in allen Bereichen. Wir beantworten so die Frage, wie die Kühlsysteme sicher und zuverlässig funktionieren“, sagt Rupp.

Einige Bauherren haben das Gefühl sich einem Risiko auszusetzen – dabei ist das Gegenteil der Fall.

Zögerliche Baubranche

BIM hat, wenn auch noch nicht flächendeckend, die Welt erobert. Skandinavien gilt beim Einsatz von Building Information Modeling als führend. Laut dem Fachmagazin „NBS International BIM Report" werden digitale Zwillinge bei vier von fünf öffentlichen Bauprojekten in Dänemark eingesetzt. Kanada, Großbritannien und Japan folgen auf den nächsten Plätzen. Und Deutschland? „Es geht voran“, sagt Günter Wenzel vom Fraunhofer-Institut. „Deutschland ist nicht so arg weit hinterher, wie es immer heißt.“  

Deutschland versucht momentan aufzuholen, was in der frühen BIM-Phase verpasst wurde. Mit einem dreiteiligen Stufenplan will die Bundesregierung dem Beispiel von BIM-Pionieren wie Großbritannien und Skandinavien folgen. Ziel des Stufenplans ist es, dass BIM ab 2020 regelmäßig bei der Planung und Realisierung von infrastrukturellen Großprojekten des Bundesministeriums für Verkehr und Infrastruktur zum Einsatz kommt.  

Bis zum Zieldatum 2020 sollen mithilfe von mehreren Pilotprojekten Erfahrungen im praktischen Einsatz von BIM gesammelt werden. Dazu zählt neben dem Rastatter Eisenbahntunnel, der mit einer Länge von über vier Kilometern unter das komplette Stadtgebiet der baden-württembergischen Ortschaft gebaut wird, auch die Auenbachtalbrücke der Bundesstraße 107 in Sachsen. Der BIM-Einsatz soll hier unter anderem die optimale Abstimmung zwischen den einzelnen Fachplanern sichern.

Dass die Nutzung in Deutschland noch nicht über solche Pilotprojekte hinausgeht, hängt auch mit der Skepsis vieler Bauunternehmer zusammen. Einige Bauherren haben heute noch das Gefühl, sie setzten sich einem Risiko aus, wenn sie digitale Zwillinge nutzen. Dabei ist das Gegenteil der Fall: BIM soll dafür sorgen, dass Bauherren mehr Kostensicherheit erlangen und Risiken minimieren. „Die eher traditionell geprägte Bauwirtschaft, die jahrzehntelang nach einem festen Muster gearbeitet hat, muss sich nun zu großen Teilen umstellen. Dass das eher zögerlich geschieht, ist durchaus nachvollziehbar“, sagt Norbert Rupp. „Es ist ja auch nicht so, dass sich die Beteiligten eine Standardsoftware kaufen und sofort verstehen, wie alles funktioniert. Aber Unternehmen wie TÜV SÜD können hier effizient unterstützen.“

Foto: unsplash/Colton Duke

Einige Bauherren haben das Gefühl sich einem Risiko auszusetzen – dabei ist das Gegenteil der Fall.

Dass diese Expertise in Zukunft noch mehr als jetzt schon gefordert sein wird, davon geht Rupp stark aus. „Wir merken das schon aufgrund der Nachfrage, aber auch, wenn wir auf Branchentreffen unterwegs sind“, sagt er. Ende März 2018 war Rupp in Cannes auf der MiPIM, Europas größter Wohn- und Gewerbeimmobilienmesse. Investoren, Bauherren, Architekten, Planer – alle waren sie da. Und alle redeten über BIM. „Das war schon auffällig und zeigt die Richtung an“, sagt Rupp. „Der Tenor war: Wer sich nicht ab sofort mit dem Thema beschäftigt, ist in fünf Jahren abgehängt.“


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