BIM@TUM – von Praxisnähe bis Elfenbeinturm

Quelle: Klaudia Jaskula, Natalie Sautter & Catharina Weitz

Seit dem Hype um Digitalisierung im Bauwesen erreicht das Thema Building Information Modelling (BIM) als eines von vielen Themen in diesem Bereich auch die deutsche Bauindustrie. An der Technischen Universität München (TUM) wird bereits seit über 30 Jahren zu BIM geforscht und entwickelt. Bevor es den Namen BIM erhalten hat, hieß es in der Wissenschaft Produktmodelle und war zunächst auf dreidimensionaler Repräsentation in Kombination mit semantischen Informationen beschränkt. Das Potential dieser Grundlagen wurde im Lauf der Zeit auch auf die damit verbundenen Prozesse erweitert.

Im Folgenden wird beschrieben, wie Ausbildung und Forschung die neue Generation der ArchitektInnen und BauingenieurInnen, die derzeit an der TUM ausgebildet wird, fit macht für die Zukunft. Dazu zählen einerseits junge StudentInnen, aber auch die Fachkräfte aus der Praxis, die gleichermaßen mitgenommen werden sollen.

Interdisziplinärer BIM-Kurs für TUM-StudentInnen

Der aktuellen Studentengeneration von ArchitektInnenen und BauingenieurInnen stehen eine Vielzahl an Seminaren, Vorlesungen, Projekten und Abschlussarbeiten offen, die sich rund um das Thema BIM drehen. Diese werden hauptsächlich an den beiden Fakultäten Architektur und Bau Geo Umwelt an der Schnittstelle zur Informatik angeboten. Der Lehrstuhl Architekturinformatik lehrt beispielsweise Parametric Design, Algorithmic Design oder Performance-based Design, bei denen auch die Verknüpfung zu BIM eine Rolle spielt. Der Masterstudiengang „Bau­ingenieur­wesen“ bietet den Vertiefungszweig „Building Information Modeling“ an, bei dem vom Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation unter anderem „Computation in Engineering“ sowie Kurse zur Softwareentwicklung mit BIM-Bezug angeboten werden. Beide Lehrstühle bieten gemeinsam einen BIM-Kurs an, der den Schwerpunkt in der BIM-Lehre an der TUM bildet.

Theorie und Praxis

Im interdisziplinären Kurs „Building Information Modeling“ werden Theorie und Praxis der einheitlichen digitalen, modellbasierten Planung vermittelt. Dieses einsemestrige Modul besteht in seiner heutigen Form bereits seit 2011. In der Vorlesung werden die technologischen Grundlagen digitaler Planungstools sowie Fragen des Datenaustauschs und des Datenmanagements behandelt und diskutiert.

Im praktischen Teil lernen die Teilnehmer den Umgang mit digitalen Entwurfswerkzeugen und verschiedenen Simulations- und Analysewerkzeugen. Dies dient als Grundlage für die Realisierung eines gemeinsamen Entwurfs, der von Studenten der Fachrichtungen Architektur, Bauingenieurwesen und dem Studiengang „Nachhaltiges und energieeffizientes Bauen“ umgesetzt wird, in dem digitales Engineering, der Einsatz von Simulationswerkzeugen und der kontinuierliche Datenaustausch praktiziert werden. Die Wahl der einzelnen Programme ist jedem Team freigestellt, eine enge gruppen­interne Abstimmung dazu aber umso wichtiger.

Ziel der Veranstaltung ist es, im interdisziplinaren Austausch zwischen Bauingenieuren, Architekten und Fachplanern die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen dieser Softwarelösungen zu untersuchen. Am Beispiel einer praktischen Entwurfsaufgabe soll exemplarisch eine durchgängige Methodik der Informationsanreicherung eines Gebäudemodells durchgespielt werden. Im Schwerpunkt des Kurses steht die digitale Zusammenarbeit unterschiedlicher Akteure im Planungsumfeld mit dem Ziel, etablierte Arbeitsweisen und Denkansätze in der Entwurfsplanung neu zu diskutieren sowie zu einer eigenen Einschätzung über mögliche und notwendige Softwarelösungen zu kommen.

Die StudentInnen werden gefordert, einen BIM-Abwicklungsplan (BAP) zu konzipieren und diesen schrittweise projektbegleitend umzusetzen und anzupassen. Ausgehend von ersten Entwurfsskizzen bis hin zum fertigen Architekturmodell sowie einer statischen Berechnung und Solaranalysen oder Tageslichtberechnungen wird jede Fachdisziplin dabei berücksichtigt (Abb. 01 und 02), wobei durchaus auch an Grenzen in der Zusammenarbeit und bei den Schnittstellen der Softwareprodukte gestoßen werden darf. Die auftretenden Probleme und Limitationen in diesem interdisziplinären Projekt simulieren eine spätere Zusammenarbeit in der Praxis und fördern somit auch eine neue Kultur des ­gemeinschaftlichen Planens. Dabei werden keine Softwareprodukte vorgegeben, sondern die Auswahl gehört auch zu dem Entwicklungsprozess der ­einzelnen Gruppen, wobei als Abgabeleistung der OpenBIM-Standard mit IFC (Industry Foundation Class) gefordert wird.

Abb. 01: Statische Berechnung auf Grundlage des BIM-Modells
Quelle: Klaudia Jaskula, Natalie Sautter & Catharina Weitz

Abb. 02: BIM-integrierte Solaranalyse
Quelle: Klaudia Jaskula, Natalie Sautter & Catharina Weitz

Advanced Topics in BIM

Die steigende Relevanz der Thematik spiegelt sich in dem vermehrten Andrang von Studierenden für diesen Kurs wider. Da in den letzten Jahren die Bewerberzahl die Teilnehmerzahl um ein Fünffaches überstieg, wird dieser Kurs künftig zweimal im Jahr angeboten. Im Anschluss an den BIM-Kurs haben die Teilnehmer die Möglichkeit, im Rahmen des Kurses „Advanced Topics in BIM“ weitere Vorträge von Experten aus der Wirtschaft anzuhören und sich in einem Teilaspekt der Thematik in einer Seminararbeit zu fokussieren. Dies kann in einer der zahlreichen Masterarbeiten zu BIM fortgesetzt und vertieft werden.

Dieses Konzept der stufenweisen Heranführung an BIM, sowohl mit praktischer, softwareüber­greifender Anwendung als auch theoretischen Grundlagen, hat sich im Laufe der Jahre bewährt. Regelmäßig gewinnen StudentInnen und NachwuchswissenschaftlerInnen bei verschiedenen Wettbewerben, wie „Auf IT gebaut“, „VDI-Preis“, „BIM-Suhr-Preis“ oder „Best-Paper-Awards“ auf internationalen Konferenzen.

Lebenslanges Lernen mit BIM-Professional

Neben der Ausbildung von zukünftigen ArchitektInnen und BauingenieurInnen wird die Digitalisierung im Bauwesen mit BIM als eines der Bausteine jedoch nur gelingen, wenn auch die aktuell praktizierenden Fachplaner mitgenommen werden. Dazu hat die TUM in ihrer vor kurzem genehmigten Exzellenzstrategie als einen zukunftsweisenden Baustein das Konzept des „Lebenslangen Lernens“ etabliert. Als eines der Vorzeigebeispiele gilt das Zertifikatsprogramm „BIM Professional“, welches das Leonhard Obermeyer Center gemeinsam mit dem TUM Executive Education Center, der Ruhr-Universität Bochum und Hochtief Vicon bereits 2017 ins Leben gerufen haben.

Das berufsbegleitende Weiterbildungsprogramm vermittelt BIM in den Bereichen Technologie, Prozesse, Menschen und Richtlinien modernste Methoden und Werkzeuge zur erfolgreichen Projekt­abwicklung. Dabei lehren Experten in BIM als Dozenten sowohl theoretische Grundlagen als auch praxisnahe Umsetzungen und stehen den individuellen Fragen der Teilnehmer zur Verfügung (Abb. 03). Der Teilnehmerkreis ist beschränkt auf maximal 20 Personen und gemischt aus Fachplanern wie ArchitektInnen und BauingenieurInnen sowie Führungskräften aus Konzernen und Behörden, wie Rechnungshöfen oder Autobahndirektionen. Durch die ausführliche Betrachtung der Grundlagen aus Wissenschaft und Praxis werden alle Teilnehmer auf einen gemeinsamen Wissensstand gebracht und dieser weiter vertieft.

Abb. 03: Übersicht BIM-Professional Konzeption

Der Fokus liegt nicht auf Software-Schulungen, sondern bildet die Teilnehmer in einer Art und Weise aus, mit der sie das Thema auf Basis tiefgründigen theoretischen und praktischen Fachwissens innerhalb ihrer Unternehmen schrittweise implementieren können. Neben BIM-Themen zu informations-, prozesstechnischen, politischen und rechtlichen Grundlagen werden außerdem praxistaugliche Anwendungsfälle und Übergreifendes wie Change-Management behandelt. Die zehn Fortbildungstage werden in drei Blockmodulen unterteilt und mit einer schriftlichen Prüfung nach dem Standard von VDI/building­SMART 2552-8.1 und einer mündlichen Präsentation abgeschlossen. Letztere soll einen realistischen Ausblick darauf geben, wie die jeweiligen Teilnehmer mit dem erlernten Wissen BIM in ihrem individuellen, beruflichen Umfeld implementieren oder vertiefen wollen. Das halbjährige Alumni-Treffen im Zuge des BIM Professional Dinners fördert zudem den praktischen Austausch innerhalb des überregionalen Netzwerkes. Durch regelmäßige Evaluationen wird das Konzept kontinuierlich den Bedürfnissen den Teilnehmern angepasst und somit weiter verbessert.

BIM-Forschung am Leonhard Obermeyer Center der TUM

Neben der Aus- und Fortbildung von jungen und erfahrenen ArchitektInnen und BauingenieurInnen ist jedoch auch die innovative Erforschung von zukünftigen Wissenschaftsfeldern der BIM-Thematik zu Schnittstellen von weiteren digitalen Methoden erforderlich. Aus diesem Grund haben sich im Jahr 2013 fünf Lehrstühle der TUM zum „Leonhard Obermeyer Center for Digital Methods of the Built Environment“ (LOC) zusammengeschlossen. Benannt wurde das Zentrum nach dem zuvor verstorbenen innovativen Bauingenieur ­Leonhard Obermeyer, der sich mit seinem Büro Obermeyer Planen + Beraten um den Bereich der computergestützten Planung im Bauwesen verdient gemacht hat und bereits 1981 die Konrad-Zuse-Medaille erhalten hat.

Das LOC bündelt die wissenschaftliche Expertise von über 60 Forschern der fünf Gründungslehrstühle Architekturinformatik, Computergestützte Modellierung und Simulation, Computation in Engineering, Geoinformatik, Photogrammetrie und Fernerkundung sowie zukünftig auch des Lehrstuhls für Bauprozessmanagement. Im Dialog mit Partnern aus Industrie und staatlichen Institutionen definiert das LOC gemeinsam technologische Forschungsschwerpunkte und sieht sich durch enge Vernetzung mit Entscheidungsträgern als Think Tank für strategische Entwicklungen in diesem Bereich. Dazu gehören die Themenfelder, die von numerischen Methoden (Prof. Rank) über Building Information Modeling (Prof. Borrmann), Geospatial Information Modeling (Prof. Kolbe), Computer Aided Architectural Design (Prof. Petzold), Fernerkundung und Punktwolkenverarbeitung (Prof. Stilla) bis hin zu Bauprozessmanagement (Prof. Nübel) reichen.

BIM-Kompetenz in den Schnittstellen

Das Zentrum basiert auf einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Lehrstühlen in Forschung und Lehre. Besonderes Augenmerk wird auf alle Aspekte der Modell- und Methodenintegration aus CAD, BIM, Geoinformationssystemen (GIS) sowie auf Methoden zur automatisierten Generierung und Validierung digitaler Modelle gelegt. Die Mitglieder sind aktiv an der Entwicklung internationaler Standards in den Bereichen BIM (z. B. IFC) und virtuelle 3D-Stadtmodelle (z. B. CityGML, Web 3D-Service, ­IndoorGML) in der buildingSMART Alliance und dem Open Geospatial Consortium beteiligt.

Die enge Zusammenarbeit des LOC ermöglicht auch Studenten, sich mit den Schnittstellen der verschiedenen Fachdisziplinen auseinander zu setzen. Dazu zählen Forschungsprojekte im Bereich von BIM und Infrastruktur, BIM-integriertem Baufortschrittskontrolle, BIM und Holzbau, Visualisierung u. a. mit Augmented und Virtual Reality (AR/VR), BIM im Bestand, Nachhaltigkeits­untersuchungen mithilfe von BIM etc. Im Weiteren werden auszugsweise drei Forschungsprojekte vorgestellt, bei denen auch StudentInnen aus den Disziplinen der Architektur, Bauingenieurwesen und Informatik ihr Wissen an der zukünftigen Entwicklung von BIM im Rahmen ihres Studiums vertiefen können.

BIM-Variantenauswahl in frühen Phasen

Das Teilprojekt des DFG-Projekts „Bewertung von Gebäudeentwurfsvarianten in frühen Entwurfsphasen auf Basis adaptiver Detaillierungsstrategien“ fokussiert auf die Erarbeitung von Methoden zur visuellen Repräsentation und Exploration von Simulations- und Analyseergebnissen zur prozessintegrierten Präsentation und vergleichenden Gegenüberstellung unterschiedlicher Entwurfsvarianten. Um Erkenntnisse aus den Datensätzen zu gewinnen und die Entscheidungsfindung des Entwerfenden zu unterstützen, werden Methoden aus den Gebieten der Visual Analytics und Visual Representation untersucht und basierend auf einer Anforderungsanalyse Konzepte entwickelt, um Tendenzen und multiple mehrdimensionale Daten aus den Simulationen und Analysen situations- und rollenbezogen interaktiv zu filtern, zu verknüpfen und zu visualisieren. Des Weiteren werden Methoden für die Objektivierung von Entscheidungen erarbeitet, bspw. die Gewichtung von Simulationsergebnissen und -verfahren. Berücksichtigt werden in der Konzeption sowohl die Detaillierungsgrade der erzeugten Varianten als auch der rückgekoppelte Interaktionsprozess mit angeschlossenen Analyse- und Simulationsverfahren. In Abb. 04 sind die Ergebnisse der Masterarbeit von Klaudia Jaskula zu sehen, bei denen sie einen Prototyp zur multi­kriteriellen Variantenbewertung implementiert und evaluiert hat.

Abb. 04: Interaktion von BIM-Varianten in frühen Entwurfsphasen zur Unterstützung bei der Entscheidungsfindung (von links oben nach rechts unten: Darstellung der Variantenentwicklung mittels Entscheidungsbaum, Übersicht unterschiedlicher Bewertungskriterien, Vergleich verschiedener Varianten in mehreren Darstellungsmöglichkeiten, Ausführlicher Überblick über alle Bewertungskriterien einer Variante)
Bild: Klaudia Jaskula

Städtische Nachverdichtung mit BIM-Tools

Ziel des Forschungsfelds Urban Strategy Playground (USP) ist es, Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, mit denen Nachverdichtungspotentiale auf innerstädtischen Planungsflächen erkannt und Nachverdichtungsstrategien abgeleitet und überprüft werden können (Abb. 05). Das Forschungsfeld setzt sich dabei auf verschiedenen Ebenen mit der Entscheidungsunter­stützung im Kontext der Nachverdichtung auseinander. Die Themen erstrecken sich von der Erforschung grundlegender Methoden, beispielsweise zur Bereitstellung und informationstechnischen Abbildung von strategischem Planungswissen bis hin zur Konzeption, Entwicklung und Evaluierung von konkreten Softwareprototypen. Besonderes Augenmerk liegt auf der Erweiterung etablierter analoger Planungsmethoden durch digitale Informationsebenen sowie der Integration von semantischen 3D-Stadtmodellen. Im Zuge von Masterarbeiten implementieren und testen Architektur-StudentInnen unterschiedliche Anwendungsfälle von Solarstudien bis hin zu Energieberechnungen.

Abb. 05: Nachverdichtungspotentiale mit Urban Strategy Playground
Bild: Michael Mühlhaus, Nils Seifert

Collaborative Design Plattform

Im Mittelpunkt des interdisziplinären Forschungsprojekts „CDP | Collaborative Design Plattform“ steht eine interaktive Arbeitsumgebung für die frühen Entwurfsphasen der ArchitektInnen. Ausgehend von den Anforderungen in der Konzeptphase im städtebaulichen Kontext und den Problemstellungen der Verknüpfung von digitaler und analoger Welt werden anhand eines Prototypenaufbaus neue Möglichkeiten der Interaktion und der Bedienung sowie des Entwerfens am Rechner untersucht und erforscht.

Auf der Basis von kleinen Baukastensystemen mit unterstützenden digitalen Tools werden hierbei dem Nutzer individuelle Nutzungs- und Anwendungsmöglichkeiten zur Verfügung gestellt, die das Zusammenspiel zwischen physischen und ­digitalen Modellen erlaubt. Ziel ist es, durch die direkte Verknüpfung analoger Modelle mit interaktiven, digitalen Simulationen die Lücke zwischen analoger und digitaler Welt zu überbrücken (Abb. 06). Auch unterstützen ca. 60 StudentInnen aus Architektur, Bauingenieurwesen und Informatik die Weiterentwicklung des Forschungsprojekts.

Abb. 06: Interaktive Analyse von Standorten für Fernwäremzentralen mit CDP
Bild: Gerhard Schubert

Neben der praxisrelevanten Grundlagenforschung mit den Premium Membern des LOC gibt es auch Ausgründungen aus Forschungsprojekten, wie beispielsweise a:ccurate, Urban Strategy Lab oder BIMtech, die die Lücke zwischen Wissenschaft und Wirtschaft schließen. Mit weiteren Start-­ups aus der Branche, wie beispielsweise CAPMO oder Alasco, wird auch im Rahmen von gemeinsamen Masterarbeiten zusammengearbeitet.

Weiterhin veranstaltet das LOC Workshops, Talks mit internationalen Experten, Konferenzen wie den jährlichen Center Day oder Sessions zusammen mit der BIM World Munich, dem BIM Cluster Bayern, den BIM weeks Bayern oder Digital Builders Munich. Dabei steht der Wissenstransfer von den theoretischen und praktischen Erfahrungen im Mittelpunkt, weshalb die Veranstaltungen kos­tenlos und öffentlich zugänglich für StudentInnen und alle weiteren Interessierten sind.

Seit September 2019 wird im Rahmen des Gertrud-Obermeyer-Stipendiums die Informationsintegration über die Bereiche BIM und GIS hinweg erforscht. Weitere zukünftige Forschungsschwerpunkte von BIM liegen zukünftig verstärkt in den Schnittstellen zwischen den Feldern Additive Fertigung, Digitaler Zwilling, Künstliche Intelligenz und Smart Cities.