BIM auf der Baustelle

Obwohl die Bauausführung im Fokus der BIM-Planung steht, ist BIM auf der Baustelle oft noch ein Fremdwort. Dabei hat die modellorientierte Planung Vorteile – etwa bei der Simulation von Bauabläufen, bei Soll-Ist-Vergleichen, der Qualitäts- oder Baufortschrittskontrolle.

Kompakt zusammengefasst
■ Mit „BIM to Field“-Anwendungen werden BIM-Modelldaten auf die Baustelle übertragen. Mit Field to BIM wird umgekehrt das BIM-Modell mit Baustellendaten angereichert.
■ Das erweitert die Möglichkeiten unter anderem in der Angebots- und Kalkulationsphase, der Baustellenvorbereitung, der Baustellendokumentation, dem Projektmanagement oder der Qualitätskontrolle.
■ Dadurch können Fehler minimiert, Produktivität und Ausführungsqualität gesteigert sowie Arbeitszeit und Personalkosten eingespart werden.
■ BIM to Field setzt allerdings spezielle BIM-Modelldaten voraus – und Know-how, welche Informationen, wann auf der Baustelle gebraucht werden.
 

Dass Building Information Modeling (BIM) Stärken in der Planung, aber Schwächen in der Ausführung hat, hört und liest man häufig. Dabei gibt es inzwischen eine ganze Reihe praktischer Beispiele, bei denen BIM-Daten auf der Baustelle genutzt werden: Massen- und Mengen werden aus dem BIM-Modell für Materialbestellungen ermittelt, Kosten für Angebote kalkuliert, Bauabläufe simuliert, Baustellenarbeiten in der Werkstatt vorbereitet, Bauteile CNC-gestützt produziert, der Baufortschritt dokumentiert, Mängel erfasst und Ausführungsqualitäten kontrolliert oder Soll-Ist-Stände verglichen. Auf der Baustelle können aus dem BIM-Modell abgeleitete Markierungspunkte für Bohrungen projiziert oder Baumaschinen gesteuert werden und anderes mehr.

BuildingPoint Schweiz / Trimble / Tekla

Massen, Mengen und Kosten

Aus BIM-Modellen automatisch ermittelte Massen und Mengen können für Angebote und Materialbestellungen verwendet werden. Durch die Verknüpfung der BIM-Modelle mit digitalen Kalkulationswerkzeugen lassen sich bereits in frühen Projektphasen Kostenaussagen mit einer hohen Genauigkeit treffen. Mit kostenlosen, intuitiv bedienbaren IFC-Viewern können Ausführende BIM-Projekte dreidimensional aus verschiedenen Blickwinkeln auf dem PC oder Tablet betrachten oder virtuell „begehen“ und so das Projekt schneller erfassen und verstehen, als es anhand von 2D-Plänen möglich ist.

Beliebige (Schnitt-)Ansichten können ebenso erzeugt, wie Raum- oder Bauteildaten, Mengen, Längen, Flächen oder Volumen abgefragt und teilweise als Excel-Datei für Angebote oder Kostenberechnungen exportiert werden. Je nach Produkt, verfügen IFC-Viewer über zusätzliche Funktionen – etwa für die Anzeige von Bauteileigenschaften, wie Bauteilnummer, Material, Abmessungen, Oberfläche etc. oder für das Filtern der Bauteildaten nach verschiedenen Kriterien, was eine selektive Anzeige beispielsweise aller Sanitärobjekte ermöglicht.

Smarte BIM-Bauteile

BIM-Modelle bestehen aus BIM-Objekten – das sind digitale Entsprechungen realer Bauprodukte, die bereits alle planungs-, ausführungs- und nutzungsrelevanten Produktinformationen enthalten. Sie ermöglichen eine rationellere Bauplanung, Ausschreibung, Kostenschätzung, Berechnung und Simulation, aber auch Bestellung, Bauausführung und Montage.

Allplan

Zahlreiche Bau- und TGA-Produkthersteller bieten inzwischen smarte, das heißt parametrisierbare, konfigurierbare und mit zahlreichen Produktattributen versehene BIM-Objekte kostenlos zum Download an – entweder auf der eigenen Webseite oder in BIM-Datenbanken, z. B. Cadenas, Bimobject oder Magicad Cloud, siehe: TGA 08-2020: 3D-Produkt-Bibliotheken für die TGA-Planung.

Wichtige planungsrelevante Objektinformationen zu verfügbaren Abmessungen, Ausführungen und Ausstattungen, technische Daten, Brandschutzklassen oder bauphysikalische Werte sind mit den BIM-Objekten verknüpft. Berechnungen und Simulationen werden dadurch präziser, weil konkrete Bauprodukte mit ihren bauphysikalischen, statischen und in der TGA oft auch dynamischen Bauteileigenschaften verwendet werden.

BIM-Objekte können zusätzlich mit Logiken und Regeln verknüpft werden, was beispielsweise eine Prüfung zulässiger Produkt-Kombinationen ermöglicht. Vom Planer vorgegebene Produkte können einfach übernommen werden, ohne dass Fehler bei der Bestellung entstehen.

BIM-Bauablaufsimulation

Wird das 3D-BIM-Modell um die vierte Dimension Zeit erweitert (4D BIM), kann der geplante Bauablauf visualisiert werden (TGA 11-2019: Zeiten und Kosten immer im Blick). So werden zeitliche oder räumliche Kollisionen schon am Bildschirm erkannt – und nicht erst auf der Baustelle.

BIM&CO Germany

Damit Vorgänge und Abläufe über einen bestimmten Projektzeitraum visuell dargestellt werden können, müssen BIM-Modellelemente mit Bauzeitenplänen verknüpft werden. Nach der Einteilung des Modells in Arbeitsabschnitte werden technologische Reihenfolgebedingungen für die Bauausführung, Ressourcen und deren Verfügbarkeit sowie die Start- und Endtermine der Vorgänge definiert.

Anschließend können mit einem 4D-Viewer durch die sukzessive Einblendung von Bauteilen oder Bauteilgruppen Bau- und Montageabläufe als Bewegtbilder dargestellt werden. Damit lassen sich auch gewerkübergreifende Konflikte erkennen und Prozesse optimieren.

Die 5D-Simulation berücksichtigt zusätzlich zum Faktor Zeit auch Ressourcen und Baukosten und verknüpft neben Geometriedaten und Terminen zusätzlich alle erforderlichen Ressourcen, wie Baustoffe, Maschinen oder Personal. Der Bauprozess kann so umfassend simuliert werden. Logistische Prozesse können besser geplant, gesteuert und Kostenabweichungen vermieden werden. Insbesondere bei komplexen innerstädtischen Bauvorhaben, die zahlreiche verkehrstechnische und städtebauliche Vorgaben berücksichtigen müssen, lassen sich durch die Simulation Transport-, Bau- und Montageprozesse optimieren.

Mängel erfassen und Qualitätskontrolle

Wird die bauliche Situation auf der Baustelle erfasst und mit dem BIM-Modell abgeglichen (Field to BIM), lassen sich die Bau- und die Montagequalität optimieren. Dazu müssen aktuelle Informationen von der Baustelle über mobile Endgeräte, teilweise auch Messgeräte, Baustellenkameras oder Drohnen kontinuierlich gesammelt, aufbereitet und im BIM-Modell verortet werden.

Asta Development / Elecosoft

Das erübrigt nachträgliches Eintippen, Sortieren und Zuordnen handschriftlich erfasster Notizen. Neben Baustellenfotos lassen sich gescannte Pläne, LVs oder andere Dokumente einbinden, manchmal auch Sprachnotizen oder Videos. Wertet die Mängelerfassungs-App GPS-Daten der Mobilhardware aus, weiß man zudem, welches Foto an welcher Baustelle fotografiert wurde.

Aus den erfassten Daten lassen sich Bautagebücher, Bautagesberichte, Mängelprotokolle, Behinderungsanzeigen oder Mahnungen generieren. Diese werden den betroffenen Projektpartnern zugeordnet und über einen Verteiler als PDF-Bericht versandt oder auf einem Cloudserver gespeichert. Damit haben Projektbeteiligte entsprechend ihrer persönlichen Zugriffsrechte online Zugriff auf die Baustellendokumentationen.

Das macht Baustellenaktivitäten transparenter und verkürzt Reaktionszeiten. Allerdings verorten die meisten Lösungen Baumängel im 2D-Plan und nur einige auch im BIM-Modell, sodass Modellbezüge in einem separaten Arbeitsschritt hergestellt werden müssen.

Baufortschritt und Soll-Ist-Vergleiche

Eine modellbasierte Baufortschrittskontrolle macht die Überwachung von Terminen und Kosten komfortabler, weil diese mit dem BIM-Modell verknüpft und Abweichungen unmittelbar mit Bauteil-Bezug visualisiert und ausgewertet werden können. Wird der Baufortschritt regelmäßig erfasst (Ist-Zustand), mit dem BIM-Ausführungsmodell (Soll-Zustand) abgeglichen und auf einem Cloud-Server abgelegt, können Projektmanager Baustellen besser kontrollieren und steuern, SiGe-Verantwortliche Maßnahmen zur Baustellensicherheit und Ausführende die nächsten Bau- und Montageschritte besser vorbereiten.

Autodesk

Da Ungenauigkeiten bei der Bauausführung im weiteren Ablauf häufig zu erheblichen Problemen für Folgearbeiten und Folgegewerke führen, ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der Bauausführung reibungslosere Abläufe und bessere Ausführungsqualitäten. Werden Abweichungen – wie Unebenheiten, Ungenauigkeiten oder eine falsche Ausführung, etwa von Aussparungen – erfasst, kann man sie im Modell qualifizieren, quantifizieren, Folgen abschätzen und Gegenmaßnahmen einleiten.

Werden auch baubegleitende Änderungen der Planung dokumentiert und in das Modell eingepflegt, entsteht aus einem BIM-Ausführungsmodell ein As-Built-Modell, das den tatsächlich ausgeführten Zustands (as-built, englisch für: wie gebaut) abbildet und für die spätere Nutzung, für die Wartung und Instandhaltung oder für Umbaumaßnahmen verwendet werden kann.

Eine detaillierte Erfassung der Ist-Daten von der Baustelle und ihr Einpflegen in das BIM-Modell ist allerdings aufwendig und setzt die Zuhilfenahme spezieller Hilfsmittel, wie mobile Erfassungs-Apps, Tachymeter, 3D-Laserscanner, Baustellenkameras oder Drohnen voraus. Für die automatische Bauteilidentifikation und schnellere Datenerfassung werden Auto-ID-Systeme in Form von QR-Codes, RFID- oder Bluetooth-Funksysteme eingesetzt.

Die geometrische Erfassung erfolgt meist per 3D-Laserscanning, weil damit Baustellen sowohl maßlich als auch fotografisch erfasst werden, was vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet (TGA 11-2017: Von der Punktwolke zum BIM-Modell). So kann man mit Punktwolkendaten überlagerte Fotopanoramen beispielsweise für Messungen, Koordinatenabfragen, Markierungen, Kommentare oder Beschriftungen etc. nutzen.

Modellbasierte Absteckung

Bei der modellbasierten Absteckung werden im BIM-Modell enthaltene Markierungspunkte auf das reale Objekt (Gebäudebestand, Rohbau, Gelände etc.) übertragen – digital, papierlos und präzise. Auf die Baustelle übertragen lassen sich BIM-Markierungsdaten über Totalstationen, das sind motorisch gesteuerte elektronische Tachymeter.

Leica Geosystems

Auch tachymetrische Aufmaßsysteme (Flexijet, Leica 3D Disto etc.) beherrschen die CAD-Datenprojektion. Mit diesen, meist über ein Tablet gesteuerten Geräten, kann eine Person die im BIM-Modell markierten Punkte per Funk auf das Messgerät übertragen. Dieses wird zuvor über mehrere Kontrollpunkte aus dem Modell im realen Objekt positioniert und orientiert. Die abzusteckenden Punkte werden anschließend mit einem Laserpunkt auf Boden, Wand oder Decke projiziert.

Gefälle, Unebenheiten oder ein Versatz in der Ebene werden von einigen Systemen automatisch erkannt und bei der Projektion berücksichtigt. Damit können beispielsweise Befestigungspunkte für die Konsolen von Kabeltrassen, RLT-Kanälen oder Leitungen komfortabel und absolut präzise markiert oder direkt gebohrt werden. Auch die Befestigungspunkte von HKLS-Bauteilen oder nachträgliche Schlitze oder Durchbrüche können so exakt markiert werden.

Im Vergleich zur herkömmlichen Arbeitsweise lässt sich damit der Aufwand von zwei auf eine Person minimieren, und Ungenauigkeiten und Fehler werden vermeiden. Werden Kollisionen erkannt, beispielsweise mit der Bewehrung, können die betreffenden Absteckpunkte mit Koordinatenangaben dokumentiert, fotografiert und in das BIM-Modell zurückgespielt werden.

CNC und 3D-Druck

3D-Geometriedaten werden schon in vielen Gewerken für die Produktion von Bauteilen auf numerisch gesteuerten Maschinen verwendet, sei es im Holz-, Stahl-, oder Betonfertigteilbau. Auch in der TGA werden aus den CAD-Daten nicht nur digitale Einzelteile- und Montagezeichnungen generiert.

Hilti AG

Schnittstellen zu CNC-Fertigungsprogrammen, etwa Win-Klimax oder viaDuct-3D Factory, ermöglichen auch eine CNC-Fertigung, beispielsweise von Lüftungskanälen – ohne Medienbrüche direkt aus dem 3D-Modell heraus.

Mit additiven Druckverfahren (Rapid Prototyping oder 3D-Druck) können ferner Sonderbauteile als Einzelteil oder in geringen Stückzahlen gefertigt werden, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren überhaupt nicht oder nicht wirtschaftlich realisierbar sind.

Gedruckt werden kann im Büro, in der Werkstatt oder mithilfe spezieller, vor Ort montierbarer Portaldrucker auch direkt auf der Baustelle. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig und reichen vom Einzelstück-, Prototypen- oder Ersatzteildruck, bis zum 3D-Druck kompletter Nasszellen oder Gebäude, inklusive aller für die Gebäudetechnik erforderlichen Aussparungen.

BIM-Planungsdaten können auch für die Maschinensteuerung auf der Baustelle eingesetzt werden, zum Beispiel für Bagger, die mit 3D-Maschinensteuerungssystemen ausgestattet sind. Baugruben, Böschungen, Gräben oder Dämme lassen sich damit schnell und präzise realisieren.

Dabei wird das Geländemodell über einen Monitor im Führerstand der Baumaschine angezeigt. Darauf sieht der Fahrer kontinuierlich die Position der Maschine im Gelände sowie weitere Gelände- und Positionsdaten. Damit ist er in der Lage, zentimetergenau zu arbeiten. Ungenaue Schätzungen oder zeitaufwendige, manuelle Vermessungsarbeiten und Absteckungen zur Positionierung und der Ermittlung von Soll- und Ist-Maßen werden damit vermieden. Arbeitsabläufe lassen sich optimieren und beschleunigen.

Hilti AG

Allerdings können für die Steuerung notwendige Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) nicht in Innenräumen genutzt werden. Hier kommen andere, beispielsweise auf einer Totalstation basierende Verfahren zur Positionsbestimmung zum Einsatz. Damit können etwa Fliesenverlege- oder Bohrroboter Arbeiten auf der Grundlage von BIM-Daten ausführen.

Der Baustellenroboter Jaibot von Hilti ist beispielsweise in der Lage, sich selbständig in Innenräumen zu orientieren, Löcher zu bohren und diese anschließend, etwa für die Gewerke Heizung, Klima, Lüftung und Elektro, zu markieren. Damit entlastet er Handwerker von körperlich schweren, sich wiederholenden Tätigkeiten und verbessert die Arbeitssicherheit. Allerdings muss der Jaibot von einer Bedienperson per Fernsteuerung im (möglichst aufgeräumten, unverstellten und menschenleeren) Aktionsbereich auf der Baustelle navigiert werden.

BIM und VR, AR, MR

Mit Virtual Reality (VR; virtuelle Realität) lassen sich BIM-Modelldaten realitätsnah per VR-Brille betrachten (TGA 03-2018: Planen im Cyberspace). Bauherren oder Installateure können beispielsweise das geplante Bad virtuell betreten, Platzverhältnisse und Ausstattungsdetails begutachten und so eine bessere Vorstellung vom Projekt zu bekommen, so dass Missverständnisse, Planungs- oder Ausführungsfehler vermieden werden.

Augmented Reality (AR; erweiterte Realität) bringen BIM direkt auf die Baustelle. Dabei lassen sich über transparente AR-Brillen oder Tablets in das Realbild zusätzliche digitale Informationen, beispielsweise die spätere TGA-Leitungsführung im Rohbau in der jeweils richtigen Perspektive und im richtigen Maßstab einblenden.

TGA-Planer können so zusammen mit dem Installateur insbesondere heikle Details direkt an Ort und Stelle besprechen und gegebenenfalls Konfliktpunkte lösen. Ebenso kann vorab überprüft werden, ob für die Montage und Dämmung von Leitungen ausreichend Platz vorhanden ist, ob Installationsschächte zugänglich oder gebäudetechnische Anlagen im eingebauten Zustand auch bedienbar sind [6] etc.

Mixed Reality (MR; vermischte Realität) erkennt zusätzlich die jeweilige Umgebung und ermöglicht eine Interaktion mit den eingeblendeten digitalen Inhalten sowie zwischen mehreren Teilnehmern einer MR-Präsentation. Eingesetzt werden MR-Techniken vor allem bei großen Projekten, um sich etwa zwischen Projektbeteiligten an verschiedenen Standorten anhand eines virtuellen Modells abzustimmen.

BIM to Field ist schon Realität

Die BIM-Baustelle ist insbesondere bei großen Baustellen und Bauunternehmen, wie Implenia, Max Bögl, Obermeyer, Strabag, Wolff & Müller, Züblin etc., längst Realität. Entsprechenden Praxisberichten zufolge [4, 5] werden damit Fehler minimiert, Produktivität und Ausführungsqualität gesteigert, Arbeitszeit und Personalkosten eingespart.

Trimble

Aber es fehlt häufig noch an direkt nutzbaren BIM-Daten. Diese werden von Planern entweder überhaupt nicht oder nicht in der notwendigen Detaillierung und Qualität zur Verfügung gestellt. Deshalb sollten die Anforderungen an BIM-Ausführungsmodelle im BIM-Abwicklungsplan (BAP) genau beschrieben werden, denn die digitale Baustelle hängt entscheidend von der Qualität der zur Verfügung gestellten BIM-Ausführungsmodelle ab.

Allerdings setzen sie auch das Know-how eines mit dem Baubetrieb und der Baustellenpraxis erfahrenen Mitarbeiters voraus, da bereits bei der Konstruktion des BIM-Modells die bauliche Umsetzung und Montage berücksichtigt werden müssen. Deshalb sollte die Modellerstellung möglichst von mit der Bauausführung vertrauten Mitarbeitern begleitet werden.

Auch an den Informationsfluss werden Anforderungen gestellt: sollen BIM-Ausführungsdaten den Beteiligten zeit- und ortsunabhängig, plattformübergreifend und aktuell zur Verfügung stehen, sind cloudbasierte Kollaborationswerkzeuge unabdingbar. Last but not least müssen auf der Baustelle eingesetzte Systeme intuitiv bedienbar, robust und baustellentauglich sein, damit sie in der Praxis auch angenommen werden. Marian Behaneck

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier Building Information Modeling

Literatur / Link-Tipps

[1] Bock, T.; Linner, T.: Construction Robots. München: TU München, Lehrstuhl für Baurealisierung und Bauinformatik, 2016

[2] Gasteiger, A.: BIM in der Bauausführung. Automatisierte Baufortschrittsdokumentation mit BIM, deren Mehrwert und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Phase der Bauausführung. Innsbruck: Innsbruck University Press, 2015

[3] Günthner, W.; Borrmann, A. (Hrsg.): Digitale Baustelle – innovativer Planen, effizienter Ausführen, Werkzeuge und Methoden für das 21. Jahrhundert. Heidelberg: Springer, 2011

[4] BuildingPoint Schweiz: Digitale Baustelle: Wo steht die Praxis heute?. Langau: Fachkom, Die Baustellen 09/2020

[5] Diezi, G.: BIM-to-Field: Eine papierlose Modellbaustelle. Adliswil: Doku Media Schweiz, Baublatt 05-2020

[6] Schranz, Ch.; Gerger, A.; Urban, H.: Augmented Reality im Bauwesen, Teil 1 – Anwendungs- und Anforderungsanalyse. Düsseldorf: VDI Fachmedien, Bauingenieur 10-2020

[7] Initiative Planen-Bauen 4.0  www.planen-bauen40.de

[8] Forschungsprojekt Bauen 4.0  www.verbundprojekt-bauen40.de