Von BIM zu KI: Pionierarbeit der Planungsinstitute bei der technologischen Innovation

Entwicklungshintergrund und Grundkonzepte von KI-Technologie und BIM 

▌1. Entwicklungshintergrund 

Mit dem rasanten technologischen Fortschritt werden künstliche Intelligenz (KI) und Building Information Modeling (BIM) zunehmend zu wichtigen Treibern des Wandels in der Bauwirtschaft. Ihre tiefe Integration steigert nicht nur die Effizienz des Projektmanagements, sondern optimiert auch den gesamten Prozess von Entwurf, Bauausführung bis Betrieb und Instandhaltung und verleiht der nachhaltigen Entwicklung der Bauwirtschaft neue Impulse; das architektonische Entwerfen steht vor neuen Durchbrüchen.

▌2. Grundlegende Konzepte

Künstliche Intelligenz (KI): Als Teilgebiet der Informatik zielt KI darauf ab, Maschinen in die Lage zu versetzen, Aufgaben auszuführen, die normalerweise menschliche Intelligenz erfordern – etwa Lernen, Schlussfolgern und Selbstkorrektur. Durch Technologien wie Deep Learning, Verarbeitung natürlicher Sprache und Maschinelles Sehen dringt KI schrittweise in alle Bereiche vor und bewirkt einen beispiellosen Wandel.

Building Information Modeling (BIM): BIM ist eine digitalisierte Darstellungsmethode auf Basis von 3D-Modellen, die sämtliche Informationen über den gesamten Lebenszyklus eines Bauprojekts – Geometrie, Raumbeziehungen, Attribute und Bauanforderungen – integriert. Der Einsatz von BIM ermöglicht eine effizientere und kollaborativere Gestaltung von Entwurf, Bauausführung und Betrieb und treibt die bauwirtschaftliche Entwicklung in Richtung technologiegetriebener Innovation voran.

Vorteile der Integration von KI und BIM

▌1. Intelligente Entwurfsoptimierung

In der Entwurfsphase ermöglicht der Einsatz von KI-Technologien komplexere Berechnungen und Analysen im BIM-Modell, etwa zur Strukturtragfähigkeit und zur Energiesimulation. Mithilfe von Machine-Learning-Algorithmen kann KI Entwürfe automatisch optimieren, den menschlichen Eingriff reduzieren und Entwurfseffizienz sowie -qualität steigern. Zugleich erzeugt KI auf Nutzerbedürfnisse und Markttrends zugeschnittene Varianten und erfüllt individuelle Anforderungen.

In der Darstellungsphase nutzt das China Architecture Design & Research Institute die Software ZhuHuiTong, um auf Basis von 2D-Architekturpläne 3D-Modelle zu erstellen und schnell BIM-Modelle des Levels LOD 200 zu erzeugen. Diese Modelle lassen sich nahtlos in gängige BIM-Software wie Revit integrieren und ermöglichen so effizientes Planen und Anordnen. Durch die Verknüpfung von Revit mit KI-Algorithmen entsteht eine intelligente Modellierungsfunktion, die Objektdetails automatisch erkennt und bearbeitet, um norm- und parameterkonforme Gebäudemodelle zu erzeugen.

In der Prüfphase setzt das von iFLYTEK entwickelte intelligente KI-Prüfsystem Machine-Learning-Algorithmen ein, um die Standardtextvorschriften der Bauwirtschaft automatisch zu erkennen, ermöglicht eine Ein-Klick-Prüfung, verkürzt den gesamten Prüfzyklus und steigert Effizienz und Qualität der Planprüfung.

▌2. Präzise Bauausführungssimulation

Die Kombination von BIM und KI macht die Bauablaufsimulation präziser und effizienter. Durch dynamische Simulation der BIM-Modelle mittels KI-Algorithmen lassen sich potenzielle Probleme und Risiken im Bauverlauf vorhersagen und geeignete Gegenmaßnahmen vorbereiten.

In der Bauphase kann KI anhand von Baufortschritt und tatsächlicher Baustellensituation die Ausführungsplanung in Echtzeit anpassen und so eine termingerechte und qualitätsgerechte Fertigstellung sicherstellen. BIM ermöglicht durch 3D-Modellierung und 4D-Zeitsteuerung eine Visualisierung und dynamische Simulation des Bauablaufs. Diese Simulation zeigt nicht nur den Baufortschritt, sondern sagt auch potenzielle Probleme voraus und optimiert die Bauausführung. Mit BIM-Modellen lassen sich Baustellenlayout, Personaleinsatz und Geräteverteilung simulieren, um Unstimmigkeiten zu erkennen und den Bauplan präziser und effizienter zu gestalten. Der Einsatz von BIM-3D-Site-Modellen in der Bauausführung erlaubt es, durch optimierte Ressourcenallokation und realitätsnahe Planung Baustellen sinnvoll zu ordnen und Doppeltransporte zu reduzieren. KI unterstützt ferner die Baustellenplanung und das intelligente Baustellenmanagement durch Echtzeitüberwachung und Instandhaltung und hebt so Bauausführungseffizienz und Managementqualität.

▌3. Intelligentes Betrieb-und-Instandhaltungsmanagement

In der Betriebs- und Instandhaltungsphase zeigt die Integration von KI und BIM enormes Potenzial. Durch Einbindung des Internet der Dinge (IoT) können BIM-Modelle Betriebsdaten des Gebäudes in Echtzeit empfangen, während KI-Algorithmen diese Daten verarbeiten und analysieren, um Geräteausfälle vorherzusagen und die Energienutzung zu optimieren. Datengesteuerte prädiktive Instandhaltungsplanung steigert die Betriebseffizienz, senkt die Betriebskosten und verlängert die Nutzungsdauer des Gebäudes. KI kann durch Analyse der BIM-Daten Kollisionsprüfung, Energiesimulation, Qualitätssicherung, Kostenschätzung und Terminoptimierung durchführen und so die Effizienz und Präzision des Projektmanagements erhöhen.

Die Verknüpfung von BIM-Modellen mit dem Internet der Dinge ermöglicht zudem Datenaustausch und Kollaboration: Sämtliche Sensoren und Installationen im Gebäude können mit dem BIM-Modell kommunizieren, wodurch Planer, Bauausführende und Bauherr effektiv zusammenarbeiten und Entwürfe zeitnah anpassen können. Das Betriebspersonal kann über das BIM-Modell unmittelbar alle Gebäudedaten und Geräteinformationen einsehen und die Anlagen komfortabler verwalten. Darüber hinaus lassen sich Betriebsdaten und Verlaufsprotokolle archivieren und schrittweise in Datenbanken überführen, um das Betrieb-und-Instandhaltungsmanagement zu digitalisieren und zu automatisieren; so kann der gesamte Lebenszyklus der Gebäudeausstattung effizienter, kostengünstiger und mit kürzeren Bauzeiten gesteuert werden.

Innovative Anwendungen von KI und BIM durch Planungsinstitute

▌1. Süd-Zentralchina-Institut für Architekturplanung

Mit Unterstützung von AIGC (Generative KI) nutzt das Süd-Zentralchina-Institut für Architekturplanung die eigens entwickelte Software „Giant AI“ (Architektur-Kreativ-Visualisierung) für KI-gestütztes Zeichnen und generiert Tausende von Renderings – so finden Designer zu neuem kreativen Schaffen zurück. KI-gestütztes Entwerfen kommt bereits in zahlreichen Projekttypen zum Einsatz; die trainierten Bildgenerierungsmodelle umfassen mittlerweile Architektur-, Innenraum- und Landschaftsplanung, Masterpläne und Fassadengestaltung.

Das Institut engagiert sich zudem im Bereich generativer großer Sprachmodelle und hat eigenständig den „ChatADI-Sicherheitsassistenten“ entwickelt – vergleichbar mit ChatGPT für den Ingenieurbau. Basierend auf über 70 Jahren Wissensschatz, den Wissensdatenbanken der Bau- und verwandten Branchen sowie Normen und Standards berät das Tool zu Fachfragen in Architektur, Tragwerksplanung, Stadtplanung, Consulting, HLK, Wasser/Abwasser, Elektrotechnik und Baukosten und steigert so die Arbeitseffizienz der Planenden.

Der Bau des Flughafens Ezhou Huahu machte ihn zum ersten großen Flughafen Chinas, der durchgehend und umfassend mit BIM als „digitaler Zwilling“ geplant wurde; dabei wurden nahezu zehn Millionen Bauteilcodes und über eine Milliarde Informationspunkte in der „Cloud“ integriert. Diese erfolgreiche Praxis treibt die hochwertige digitale Transformation der Unternehmen voran und erweitert das klassische Architekturgeschäft des Instituts hin zu digitaler Beratung, Lieferketten-Services, Big Data, ökologischem Umweltschutz und Smart City.

▌2. Planungs- und Forschungsinstitut der Ersten Gesellschaft der China Construction Eighth Engineering Division

Das KI-Designteam des Planungs- und Forschungsinstituts der Ersten Gesellschaft der China Construction Eighth Engineering Division nutzt bei der Planung großmaßstäblicher städtischer Bauensembles hochentwickelte KI-Werkzeuge zur Optimierung und Steuerung der Entwürfe und hat schrittweise eine brauchbare, beherrschbare und komfortable KI-Designmethode entwickelt. Neben ChatGPT als Sprachtool setzt das KI-Team eine Reihe modernster KI-gestützter Entwurfswerkzeuge wie SD, Midjourney, UVR5, ArkoAI und Gamma ein – für intelligente Textoptimierung, Unterstützung bei der Angebotsausarbeitung, Konzeptentwürfe, Fassadenoptimierung und Layoutgestaltung – und befähigt so die Architekturplanung durch KI.

Das Planungsinstitut erforscht kontinuierlich die BIM-gestützte Planung in EPC-Projekten und erarbeitet je nach Projekttyp, Größe, Bauzeit, Komplexität und späterem Betrieb detaillierte BIM-Anwendungskonzepte. Anknüpfend an Sonder-, Einzel- und Teilprojekte erweitert es die BIM-gestützte Entwurfsleistung über alle Fachdisziplinen und den gesamten Lebenszyklus hinweg.

Beim Projekt C4 „Jinan City Balcony“ wurde durch standardisierte Knotenausbildung in Kombination mit Cloud-Computing und parametrischer Gestaltung ein durchgängig fertigungs- und montageorientiertes Entwerfen realisiert. Die Planungsergebnisse werden bis zur werkseitigen Produktion weitergereicht und steuern die effiziente Fertigung von Bauelementen und Modulen. Gleichzeitig werden sie an das Baustellenmanagement angebunden, um die schnelle Montage der Elemente und Module zu fördern und das standardisierte Entwerfen und Bauen von Fertigteilgebäuden weiterzuentwickeln.

Herausforderungen durch BIM-Technologie für Planungsinstitute

BIM ist ein zentrales Werkzeug für die digitale Transformation der Bauwirtschaft. Als starker Innovationsimpuls treibt es die Digitalisierung von Unternehmen voran, und seine flächendeckende Einführung weist der Bauwirtschaft neue Entwicklungsrichtungen. Allerdings ergeben sich in der BIM-Praxis folgende Herausforderungen:

▌1. Hohe technische Umsetzungshürde

Das BIM-Software-Ökosystem ist noch unausgereift; Fachsoftware steht vor Herausforderungen bei Lokalisierung, Fortschrittlichkeit und Innovation. Bestehende BIM-Technologien und -Werkzeuge stützen die aktuellen Managementmodelle nur unzureichend; mangelnd abgestimmte BIM-Anwendungen führen dazu, dass bei der Weitergabe der Planungs-BIM in die Bau- und sogar die Betriebsphase geeignete Plattformen und Tools fehlen.

▌2. Hoher Zeit- und Kostenaufwand

Traditionelle Planungsinstitute zeigen wenig Antrieb zum Aufbau einer BIM-Plattform – vor allem wegen Fachkräftemangel, hoher Einstiegshürden und unzureichender Normung. Hinzu kommt, dass Designerschulungen zur Software häufig in der Freizeit absolviert werden müssen, was kurzfristig Kosten und Zeitaufwand zusätzlich erhöht.

BIM stellt strenge Anforderungen an die Erhebung und Verarbeitung von Daten; zu lange Erfassungszeiten oder eine zu langsame Verarbeitung beeinträchtigen Effizienz und Qualität des Projekts. Darüber hinaus erhöht BIM den Aufwand in der Planungsphase und verändert die über Jahre gewachsenen, effizienten Arbeitsweisen – was die Antriebskraft für seine Einführung bremst.

▌3. Unzureichende politische Unterstützung

Die Weiterentwicklung von BIM erfordert ein stetig verbessertes Marktumfeld, gute politische und finanzielle Unterstützung auf regionaler Ebene sowie eine angepasste politische Steuerung durch die zuständigen Behörden der Bauwirtschaft, um die Verbreitung und Anwendung von BIM wirksam zu fördern – und so Entwurfsqualität und -effizienz zu steigern sowie einen lebenszyklusübergreifenden Datenaustausch und eine digitale Verwaltung von Bauprojekten zu ermöglichen.

▌4. Geringe Kompetenz verfügbarer Fachkräfte

Trotz des rasanten technologischen Wandels hinkt die Fachkräfteausbildung den Anforderungen der Branche hinterher; an BIM-Fachkräfte werden zunehmend hohe fachliche wie ganzheitliche Ansprüche gestellt. Zwar hat BIM in der Branche bereits weite Verbreitung gefunden, doch unterscheiden sich Auffassung und Kenntnisstand von Bauherren, Planern und ausführenden Unternehmen erheblich. Da BIM komplexes Ingenieur- und Informatikwissen erfordert, bleibt die Stärkung des Verständnisses und der Kompetenz aller Beteiligten eine anhaltende Herausforderung.

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