Digitale Baustelle- innovativer Planen, effizienter Ausführen

Seit fast 2 Mio. Jahren baut die Menschheit und ihre Vorfahren. Doch trotz aller Fortschritte, die in den vergangenen Jahrhunderten erzielt wurden, kämpft die Bauindustrie noch immer mit vielen altbekannten Problemen: Verspätungen, Kostenüberschreitungen, mangelnde Abstimmung und schwankende Qualität. Hinzu kommt eine Reihe neuer Anforderungen, denen Bauwerke in Zukunft genügen müssen: Nachhaltigkeit, Energieeffizienz oder Lebenszyklusbetrachtungen.

Kapitel 1 gibt einen Einblick in die heutigen Problemstellungen bei der Durchführung von Baumaßnahmen im Bereich des Infrastrukturbaus aus Sicht der Beteiligten. Als Lösungsansatz für die benannten Problemstellungen wird die Vision der Digitalen Baustelle vorgestellt. Die Digitale Baustelle beinhaltet als virtuelles Abbild der realen Baustelle neben dem zu errichtenden Bauwerk vor allem auch Informationen zu den verschiedensten Prozessen der Bauausführung und der Logistik. Sie ist die Basis für einen durchgängigen Informationsfluss von der Planung über die Ausführung bis zum Betrieb von Bauwerken und stellt eine innovative Möglichkeit dar, wie Bauen im 21. Jahrhundert gestaltet werden kann.

Die Planung im Trassenbau wird heute nach wie vor maßgeblich auf der Basis von 2D-Zeichnungen realisiert. Eine konsequent 3D-gestützte Planung bietet jedoch eine Reihe von Vorteilen, darunter die automatisierte Konsistenzerhaltung verschiedener Ansichten und Schnitte, eine präzise Mengenermittlung und die einfache Anbindung verschiedener Analyse- und Simulationstools. Das Kapitel gibt einen Überblick über den Status Quo in der Planung von Trassen und Brückenbauwerken und erläutert die damit einhergehenden Einschränkungen. In einem Exkurs in den Bereich des Hochbaus wird das Konzept des Building Information Modeling vorgestellt, einer durchgängig modellgestützten Planung. Darauf aufbauend werden im Detail moderne Methoden für die Erfassung des Geländes, die Schaffung eines 3D-Baugrundmodells, die Überführung von 2D-Trassierungsdaten in ein 3D-Trassenmodell, die 3D-Modellierung der Baustelleneinrichtung und die parametrische Modellierung von Brückenbauwerken diskutiert. Letztere Methodik erlaubt die Kopplung der Brückengeometrie an den Verlauf der Trasse und damit eine weitgehend automatisierte Anpassung bei Änderungen. Besonderes Augenmerk wird auf die Integration der verschiedenen Teilmodelle in einem umfassenden Gesamtmodell gelegt. Am Ende des Kapitels werden nutzbringende Anwendungen von 3D-Modellen in der weiteren Wertschöpfungskette vorgestellt, darunter die immersive Visualisierung des Bauvorhabens, die automatisierte Mengenermittlung, die computergestützte Fertigung und der modellgestützte Soll-Ist-Vergleich.

Bei der Herstellung von Bauwerken entsteht eine Vielzahl an Daten in Form von CAD-Modellen, Plänen, Lieferscheinen oder qualitätsrelevanten Dokumenten. Diese müssen strukturiert verwaltet und den Baubeteiligten aktuell zur Verfügung gestellt werden. Häufig ist das aber nur unzureichend gelöst. In der Folge kommt es zu Missverständnissen während der Bauausführung, die vielfach zu Mängeln und kostspieligen Nacharbeiten führen. Wesentliche Grundlage für die sinnvolle Nutzung der großen Menge an Informationen, die vor allem eine Digitale Baustelle umfasst, ist daher ein geeignetes Datenmanagement.

In Kap. 3 werden verschiedene Technologien für ein durchgängiges Datenmanagement über den gesamten Bauwerkslebenszyklus vorgestellt. Diese auf einer zentralen Datenplattform basierenden Lösungen ermöglichen eine erhebliche Verbesserung sowohl im Informationsfluss als auch in der Kommunikation zwischen den Baubeteiligten. Anhand einer praxisbezogenen Umsetzung werden die Möglichkeiten und Vorteile dieses sogenannten Product Lifecycle Management (PLM)-Ansatzes dargestellt.

Die Ablaufplanung im Infrastrukturbau stellt eine große Herausforderung dar. Aktuelle Methoden und Werkzeuge unterstützen die Verantwortlichen unzureichend, so dass ein Bedarf nach innovativen, wirtschaftlichen Technologien für die Ablaufplanung vorhanden ist. Eine potentielle Lösungsmöglichkeit hierfür liefert die Technik der ereignisorientierten Ablaufsimulation.

In Kapitel 4 werden zuerst die Anforderungen, Voraussetzungen und Potentiale einer simulationsgestützten Bauablaufplanung im Infrastrukturbau beschrieben, um daraufhin die aktuellen Entwicklungen der Ablaufsimulation im Bereich der Fertigungsindustrie, dem Schiffsbau sowie der Forschung im Bauwesen aufzuzeigen. Anschließend wird erläutert, wie mithilfe flexibler Bausteinkonzepte und der Integration von vorhandenen Planungsdaten die Abläufe auf Brücken- und Trassenbaustellen mit ihren komplexen Randbedingungen modelliert und in 4D visualisiert werden können. Die Ablaufsimulation kann somit als Kommunikationsmittel zwischen den Baubeteiligten genutzt werden, um abgesicherte Entscheidungen zu treffen und damit den Bauablauf zu optimieren.

Bauen heißt transportieren. Eine übergeordnete logistische Planung und Koordination dieser Materialflüsse findet in der Baubranche bisher kaum statt – anders als in der stationären Industrie, die bereits in den 1980er Jahren die Bedeutung der Logistik erkannt hat. Der Begriff „Logistik“ umfasst in diesem Kontext weit mehr als nur die reine Gestaltung des Materialflusses. Das Ziel ist die ganzheitliche Vernetzung und Synchronisation der Einzelprozesse zu einem durchgängigen Gesamtbauablauf. Dieser Ansatz erfordert die frühzeitige Integration der beteiligten Akteure, wobei insbesondere deren informatorische Vernetzung eine entscheidende Rolle spielt. Denn nur mit aktuellen Daten lassen sich Prozesse effektiv steuern und kontrollieren.

In Kap. 5 werden Methoden und Vorgehensweisen aufgezeigt, wie eine solche unternehmensübergreifende Planung, Steuerung und Kontrolle baulogistischer Prozesse zukünftig ausgestaltet sein kann. Dabei wird ausführlich erläutert, wie der zielgerichtete Einsatz neuartiger Informations- und Kommunikations-Technologien (z. B. RFID, SCM-Systeme) den reibungslosen und schnellen Informationsfluss in allen Phasen des Bauprojektes unterstützen kann. Dabei werden nicht nur die Nutzenaspekte des Technologieeinsatzes detailliert erläutert, sondern auch auf die Herausforderungen und Schwierigkeiten bei der Implementierung sowie auf Möglichkeiten zur Verteilung der anfallenden Kosten eingegangen.

Die Vision der Digitalen Baustelle umfasst die durchgängige Erfassung, Verarbeitung und zentrale Verwaltung aller für Planung und Ausführung eines Bauvorhabens relevanten Daten. Im Forschungsverbund ForBAU wurden erfolgreich Konzepte und technische Lösungsansätze zur Umsetzung dieser Vision am Beispiel des Infrastrukturbaus erarbeitet.