1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 25 Digitale Kompetenz im Bauwesen - quo vadis? Steffen Feirabend Hochschule für Technik Stuttgart (HFT) / Werner Sobek AG (WS), Deutschland Zusammenfassung Das Erlangen von Kompetenzen für digitale Prozesse und Methoden muss fester Bestandteil der Aus- und Weiterbildung im konstruktiven Ingenieurbau und der Architektur werden. Der bisher nur punktuelle Einsatz digitaler Werkzeuge muss zukünftig einem digital vernetzten Arbeiten weichen. Das Erheben von Daten, deren Aufbereitung und Pflege und das damit einhergehende Teilen ebenso wie das vielfältige Nutzen von Informationen (auch durch Dritte) muss ein wesentlicher Bestandteil der Aus- und Weiterbildung der Ingenieure und Architekten werden. Die Digitalisierung ermöglicht eine effizientere Nutzung von ökologischen und ökonomischen Ressourcen und damit auch eine grundlegende Veränderung des Bauwesens hin zu mehr Nachhaltigkeit. Erforderlich ist hierfür aber wesentlich mehr als nur die Einführung einzelner Technologien. Es geht um einen breiten Wandel, der gesamtgesellschaftlich mitgetragen werden muss. 1. Einführung Die Corona-Pandemie hat dazu beigetragen, dass sich auch in der Baubranche eine digitale Arbeitsweise schneller etabliert hat als wir uns dies noch vor kurzem vorstellen konnten. Viele Ingenieure und Architekten haben notgedrungen neue digitale Werkzeuge kennen- und dabei auch deren Vorteile zu schätzen gelernt. Dieser bislang aber meist immer noch nur punktuelle Einsatz digitaler Werkzeuge muss zukünftig einem digital vernetzten Arbeiten weichen. Das Erfassen von Daten, deren Aufbereitung und Austausch und vielfältigem Nutzen muss zukünftig ein wesentlicher Bestandteil werden. Wenn wir unsere gebaute Umwelt tatsächlich langfristig nachhaltig gestalten und betreiben wollen, muss unser Fokus bei der Nutzung dieser Daten und damit Informationen in Zukunft wesentlich stärker als bisher auf dem gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks liegen. Digitalisierung steht zudem für mehr Interdisziplinarität. Die seit Jahrzehnten auseinanderstrebenden Disziplinen der Architektur und des Bauingenieurwesens finden über das digital vernetzte Arbeiten zunehmend wieder zusammen. Tradierte Trennungslinien zwischen Planung und Realisierung werden im Zuge der Digitalisierung immer durchlässiger: Grenzen zwischen einzelnen Leistungsbereichen verschieben sich oder lösen sich ganz auf. Es geht hier um Digitalisierung und Nachhaltigkeit - Schlagworte, die derzeit in keinem Beitrag über die Zukunft des Bauwesens fehlen dürfen. So mancher beklagt mal laut, mal leise den zunehmend inflationären Gebrauch dieser Begrifflichkeiten. Warum also noch einmal über Digitalisierung oder Nachhaltigkeit schreiben? Ganz einfach: Weil es nicht um das „oder“, sondern um das „und“ geht. Digitalisierung und Nachhaltigkeit sind zentrale Themen für die weitere Entwicklung unserer Gesellschaft und unseres Planeten - aber nur im harmonischen Zusammenspiel vieler Ingenieure und Architekten mit den entsprechenden Kompetenzen können sie ihr volles Potenzial zum Wohl der Gemeinschaft entfalten [1]. 2. Status Quo Laut unterschiedlichen Studien war in den Jahren vor der Pandemie bereits ein deutlicher Anstieg des „Digitalisierungsgrads“ in Deutschland zu beobachten. Doch was bedeutet „Digitalisierung“ eigentlich? Die englischen Begriffe „Digitization“ und „Digitalization“ werden beide mit „Digitalisierung“ übersetzt, bedeuten aber etwas grundlegend Unterschiedliches. „Digitization“ bezeichnet die Möglichkeit, analoge Daten und Informationen digital speichern zu können. „Digitization“ ist die Voraussetzung für „Digitalization“. Denn „Digitalization“ ist die neue, kreative Nutzung dieser nun digital vorliegenden Daten und Informationen zur Weiter- oder Neuentwicklung von Geschäftsmodellen und Problemlösungen. „Digitization“ ist in vielen Bereichen schon weit verbreitet - bezüglich der „Digitalization“ besteht meist aber noch erheblich Handlungsbedarf. Es besteht daher bei der Verwendung des Begriffs „Digitalisierung“ oft die Gefahr des bewussten oder unbewussten „Digitalwashing“. Digitalwashing bezeichnet - wie der bekanntere Begriff „Greenwashing“ - das Verwischen einer Begrifflichkeit und das Erwecken eines nicht gerechtfertigten positiven Eindrucks. Im Folgenden ist mit Digitalisierung deshalb nur die englische „Digitalization“ gemeint. Digitale Kompetenz im Bauwesen - quo vadis? 26 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 Im Bauwesen wird Digitalisierung häufig mit Building Information Modeling (BIM) gleichgesetzt (Abb. 1). Laut VDI und Bundesarchitektenkammer bezeichnet BIM eine kooperative Methodik, mit der auf der Grundlage digitaler Modelle alle über den Lebenszyklus eines Bauwerks relevanten Daten und damit Informationen erfasst, verwaltet und zwischen den Beteiligten ausgetauscht oder für die weitere Nutzung übergeben werden. Abb. 1: Unterscheidung: 2-D - 3-D - BIM Inwiefern kann BIM dazu beitragen, unsere gebaute Umwelt nachhaltiger zu gestalten - und wie erlangen die am Bauschaffen Beteiligten die hierfür erforderlichen Kompetenzen? 3. Quo vadis? Digital vernetzte Arbeitsweisen und Methoden verbessern die Kommunikation und Qualität durch Transparenz. Damit einher gehen höhere Effizienz sowie die Chance für alle Beteiligte, die Daten über den kompletten Lebenszyklus nachhaltig für unterschiedliche Zwecke nutzen zu können. So ist BIM ja nicht nur eine Planungsmethode, sondern schließt den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks ein, das heißt ausgehend von den ersten Ideen, der Planung, dem Bau, dem Betrieb bis zum Um- und Rückbau darin liegt die große Chance. 3.1 Vernetzung Für Ingenieure und Architekten wird die Befähigung zum integralen und digitalen Arbeiten weit über die althergebrachten Disziplinengrenzen immer wichtiger. Nur so lassen sich langfristig erfolgreiche Lösungen finden und Chancen für neue Geschäftsmodelle nutzen. Daher müssen Studierende an den Hochschulen frühzeitig auf diese interdisziplinäre, digital vernetzte Arbeitsweise vorbereitet werden. Im „BIM+“ Seminar der HFT arbeiten Studierende fakultätsübergreifend in Teams digital vernetzt zusammen (Abb. 2). Diese interdisziplinären Teams bestehen jeweils aus fünf bis sechs Studierenden aus unterschiedlichen Fachdisziplinen. Jedes Team entwickelt modellbasiert mit der BIM-Methodik ein Hochbauprojekt. Die kollaborative Zusammenarbeit der beteiligten Fachdisziplinen führt über mehrere Iterationen zu einer abgestimmten Planung. Die zentralen Lernziele sind hierbei zum einen die Befähigung zum kompetenten Umgang mit allen eingesetzten digitalen Werkzeugen und zum anderen die Kompetenz, diese in einem digital vernetzten Prozess kollaborativ anzuwenden - und damit ein Projekt innerhalb eines interdisziplinäres Teams erfolgreich zum gewünschten Ergebnis zu führen. Darüber hinaus erlangen die Studierenden ein besseres Verständnis für die jeweiligen Sichtweisen aller beteiligten Fachdisziplinen. Sie lernen so, unterschiedliche Perspektiven einzunehmen, über den eigenen Tellerrand hinauszuschauen und das Wissen, Kompetenzen und Lern- und Arbeitseinstellungen zu erweitern. Abb. 2: BIM+ Seminar an der HFT Diese Bemühungen, digitale Kompetenzen möglichst früh und möglichst breit aufzubauen, finden auch in der Forschung statt. Hierfür ist das Forschungsprojekt DigitalTWIN mit WS als Partner und der HFT als assoziierter Partner ein gutes Beispiel. Bei DigitalTWIN - Digital Tools and Workflow INtegration for Building Lifecycles - steht das Verständnis für systemische Abhängigkeiten und Wechselwirkungen im Vordergrund. Die Forschungspartner kommen deshalb aus sehr unterschiedlichen Branchen. Das Ziel ist die Entwicklung von digitalen Werkzeuge und Techniken, um Dienste, Prozesse und Abläufe entlang der Wertschöpfungskette des Bauwesens zu vernetzen und zu automatisieren (Abb. 3). Abb. 3: Themenvielfalt Digitalisierung (© DigitalTWIN) Besondere Herausforderungen des Bauwesens sind wechselnde Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten über den Lebenszyklus des Bauwerks hinweg, international unterschiedliche Standards sowie ständig wechselnde Digitale Kompetenz im Bauwesen - quo vadis? 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 27 Partner bei Planung, Fertigung und Betrieb. Eine offene Plattformarchitektur, weiterentwickelte Breitbandkommunikationstechnologie und Computer Vision Technologien sollen bei DigitalTWIN die Planung, Fertigung und Abstimmung mit der Baustelle vereinfachen und dem Anwender eine vertrauenswürdige und flexibel erweiterbare Kommunikations- und Administrations-Infrastruktur zur Verfügung stellen [2]. Dabei steht der digitale Zwilling des Bauwerks im Mittelpunkt - DigitalTWIN. Das Forschungsvorhaben mündete in einzelne Anwendungsfälle wie z.B. Augmented Reality zur Montageunterstützung am Beispiel einer Gitterschalen, der Qualitätssicherung mit virtueller Schweißprüfung bis hin zum Monitoring im Gebäudebetrieb und Wartungsunterstützung an einer Fassade (Abb. 4). Abb. 4: Augmented Reality im Gebäudebetrieb (© DigitalTWIN) 3.2 Nachhaltigkeit Wenn wir unsere gebaute Umwelt tatsächlich langfristig nachhaltig gestalten und betreiben wollen, muss unser Fokus bei der Nutzung von BIM in Zukunft wesentlich stärker als bisher auf dem gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks liegen. Die Ökobilanzierung eines Bauwerks gibt Aufschluss über dessen Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Die Ökobilanz identifiziert signifikante Umweltwirkungen und zeigt, wo Umweltwirkungen in den verschiedenen Phasen des Lebenszyklus reduziert werden können. Die Ökobilanzierung findet derzeit meist parallel zur eigentlichen Planung des jeweiligen Bauwerks statt. Eine Integration dieser Bilanzierung als planungsbegleitendes Optimierungswerkzeug ist daher anzustreben. Die Bauwerksdatenmodelle, die im Rahmen einer Planung mit der Methodik „Building Information Modeling“ (BIM) entstehen, sind mit den lebenswegbezogenen Bauproduktdaten anzureichern. Zum Teil wird diese Datenanreicherung bereits heute vollzogen - meist jedoch händisch und somit zeit- und kostenintensiv. Hierfür sind neue Wege der Datenverknüpfung zu finden und zu etablieren, um frühzeitig eine Optimierung der Planung auch auf Basis der Ökobilanz vornehmen zu können. Dabei sollte eine Datenaustauschstrategie mit der OpenBIM Methodik gewählt werden, um eine durchgängige Interkonnektivität der Daten zu erreichen. Zudem sollte auf bereits vorhandene, qualitätsgeprüfte Bauproduktdaten (z.B. ÖKO-BAUDAT) zurückgegriffen werden. Die frühzeitige Ökobilanzierung mit der Methodik BIM fungiert als planungsbegleitendes Optimierungswerkzeug zur Entscheidungsunterstützung in den frühen Planungsphasen. Gleichzeitig erlaubt die BIM Methodik die Simulation des Gebäudebetriebs in der Planung mit zusätzlichem Optimierungspotenzial. Abb. 5: BIM - Lebenszyklus Betrieb, Um- und Rückbau eines Bauwerks sind mindestens ebenso wichtig für seine Nachhaltigkeit wie seine Planung und Ausführung. Dies bedingt aber die geordnete und gezielte digitale Übergabe der relevanten Daten aus Planung und Bau in den Betrieb (sprich: in das Facility Management) und deren Pflege über viele Jahrzehnte hinweg, bis hin zum Rückbau. In der Praxis wird dies bislang nur in sehr begrenztem Umfang umgesetzt, nicht zuletzt da fehlende Schnittstellenstandards einen erheblichen Mehraufwand erforderlich machen. Warum mehr tun (und zahlen), wenn schon heute jeder darüber klagt, wie teuer das Bauen geworden ist? Für den einzelnen Bauherrn ist ein solcher Mehraufwand in der jetzigen Konstellation kaum realisierbar, das ist verständlich. Was aber passiert, wenn wir diese Konstellation nicht ändern und keinen radikalen Wandel einleiten? Die Weltbevölkerung wird im Jahr 2050 von heute rund 7,7 Milliarden Menschen auf 9,7 Milliarden angewachsen sein. Zu diesem Wachstum kommen regionale ebenso wie internationale Wanderungsbewegungen. Weltweit wohnen schon heute mehr Menschen in urbanen Ballungsräumen als auf dem Land. Aller Voraussicht nach werden in 25 Jahren sogar zwei Drittel der Weltbevölkerung in Städten leben. Durch das Bevölkerungswachstum und die Urbanisierung wird die Nachfrage nach gebauter Infrastruktur und damit nach Rohstoffen weiter dramatisch zunehmen. Die Rohstoffvorkommen der Erde sind endlich - und ihr Abbau (ebenso wie ihre Entsorgung) trägt wesentlich zur Zerstörung unserer Um- Digitale Kompetenz im Bauwesen - quo vadis? 28 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 welt bei. Wir müssen deshalb dringend neue Wege finden, wie der stetig steigende Bedarf nach mehr gebauter Umwelt nachhaltig gedeckt werden kann. Wie kann uns die Digitalisierung bei der Bewältigung dieser Herausforderungen helfen? Das digitale Abbild eines Bauwerks bildet die Grundlage für dessen nachhaltigen Betrieb und Rückbau. Nur wenn wir (bzw. kommende Generationen) genau wissen, welche Materialien wie und wo verarbeitet sind, ist eine zielgerichtete Rückführung aller Komponenten in Stoffkreisläufe möglich - und kann eine frühzeitige Planung künftiger Nutzungen dieses Rohstoffpotenzials erfolgen. Das Konzept des Urban Mining - d.h. die Nutzung eines dicht besiedelten urbanen Raums als Rohstofflagerstätte für die Zukunft lässt sich mit Hilfe der Digitalisierung optimieren bzw. überhaupt erst umsetzen. Dazu muss aber die gebaute Umwelt digital erfasst sein. Erst mit dem Wissen darüber, was wo und wie verbaut wurde, ist ein effektives und effizientes Bewirtschaften der gebauten Welt im Sinne kommender Generationen möglich. Digitale Bauwerksdatenmodelle sollten alle relevanten Angaben zu Material- und Produktzusammensetzung im Bauwerk enthalten, ebenso wie Angaben zur Art der Verbindungen und vorgeplanten Rückbaukonzepten. Digitale Stadtmodelle sollten das urbane Umfeld, unsere Städte, als Ressourcenlager dokumentieren. Aus diesen muss ablesbar werden, wann und wo welche Bauwerke rückgebaut werden und damit Rohstoffe für neue Konstruktionen liefern. BIM gibt uns die Möglichkeit, einen Großteil der erforderlichen Datenmengen zu erfassen. Ihre Speicherung und Pflege sowie die (rechtssichere) Zugänglichmachung in kommenden Jahrzehnten sind aber neue Herausforderungen, für die noch angemessene Lösungen entwickelt werden müssen. 4. Fazit Ingenieure und Architekten müssen sich ihre Offenheit ebenso bewahren wie den Mut neue Wege zu gehen das lateinische Wort „ingenium“ steht ja für „sinnreiche Erfindung“ oder „Scharfsinn“. Wir müssen bereit sein, die Komfortzone des Bekannten zu verlassen und uns auf einen sicher nicht immer ganz einfachen Lernprozess einlassen. In der Aus- und Weiterbildung der Ingenieure und Architekten müssen entsprechende Weichenstellung getätigt werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass später im Beruf mit heute noch nicht bekannten bzw. absehbaren Werkzeugen und Methoden sinnvoll und zielgerichtet gearbeitet werden kann. Dazu gehört zukünftig sicherlich auch der Einsatz von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) im Bauwesen. Die Digitalisierung ermöglicht eine effizientere Nutzung von ökologischen und ökonomischen Ressourcen und damit auch eine grundlegende Veränderung des Bauwesens hin zu mehr Nachhaltigkeit. Erforderlich ist hierfür aber wesentlich mehr als nur die Einführung einzelner Technologien. Es geht um einen breiten Wandel, der gesamtgesellschaftlich mitgetragen werden muss. Diesen Wandel anzustoßen und vorzubereiten sollte Ziel aller am Bauschaffen Beteiligten sein. Literatur [1] Bechmann, Roland; Feirabend, Steffen: Digitalisierung als Schlüssel zu mehr Nachhaltigkeit. Editorial in: BIM - Building Information Modeling; S. 1, Ernst & Sohn Special 2019 [2] DigitalTWIN: https: / / d-twin.eu/ Abrufdatum: 01.08.2021