Professor Zhang Jianping: Digitalisierung treibt das intelligente Bauen an

WeChat-Sync · Xiaowei · 2023-11-06

Der folgende Artikel stammt aus„Erkundung des intelligenten Bauens“, Autor: Redaktionsausschuss

Zusammenfassung

Intelligentes Bauen ist eine neue Bauweise, die über den gesamten Lebenszyklus von Bauprodukten hinweg die Informationstechnologien der neuen Generation tief integriert. Sie zielt darauf ab, eine integrierte Industriekette und ein kollaboratives Betriebssystem für die Projektinitiierung und -konzeption, die Planung und den Entwurf, die Produktion und Bauausführung, die Produktübergabe sowie den Betriebs- und Wartungsservice von Bauprojekten zu bilden, und ist der führende Weg zur Förderung der Transformation und Modernisierung der Baubranche. Der vorliegende Beitrag behandelt die Schlüsseltechnologien, die das intelligente Bauen durchbrechen muss, und schlägt auf der Grundlage der Digitalisierung des gesamten Projektprozesses ein digitales Denken und einen digitalen Weg für das intelligente Bauen sowie ein datengetriebenes intelligentes BIM und dessen Anwendung über den gesamten Prozess vor, wodurch ein tragfähiger technischer Weg für das intelligente Bauen erkundet wird.

Schlüsselwörter: intelligentes Bauen Digitalisierung intelligentes BIM Bauprojekte

1. Nationale und branchenbezogene Digitalisierungsstrategie

1. Nationale und branchenbezogene Digitalisierungsstrategie

Derzeit entwickelt sich die Informationstechnologie der neuen Generation rasant und treibt die digitale Transformation und Modernisierung aller Branchen erheblich voran. So ermöglichen die neuen Kommunikations- und Wahrnehmungstechnologien, die exemplarisch durch die 5G-Kommunikation, das Internet der Dinge und das industrielle Internet vertreten werden, die effiziente und schnelle Erfassung großer Datenmengen und bilden damit die Datengrundlage für die Digitalisierung der Branchen. Die neuen Datenverarbeitungstechnologien mit Cloud Computing, Big Data und Blockchain als Kern realisieren die verteilte Speicherung, Verarbeitung und effiziente Berechnung von Daten in extrem großem Maßstab und schaffen zusammen mit Chip-Technologien wie GPU und FPGA die Rechenleistungsumgebung für die Digitalisierung der Branchen. Die neuen Datenanalysetechnologien, vertreten durch Data Mining, Wahrnehmungserkennung und Deep Learning, treiben die Entwicklung der neuen Generation künstlicher Intelligenz auf der Grundlage von Big Data voran und liefern die algorithmische Unterstützung für die Digitalisierung der Branchen. Die Informationstechnologie der neuen Generation hat die Fähigkeiten zur Erfassung, Aufbereitung, Verarbeitung und Nutzung von Daten erheblich gesteigert; sie kann Daten wertsteigernd in „Informationsvermögen“ verwandeln und wird den sprunghaften Fortschritt und den grundlegenden Wandel aller Branchen vorantreiben.

Angetrieben von neuen Theorien und neuen Technologien hat die chinesische Regierung die Lage richtig erkannt und eine Reihe wichtiger Entwicklungsstrategien zur Förderung von Internet+, Big Data und künstlicher Intelligenz beschlossen; dazu zählen die vom Staatsrat im Juli 2015 veröffentlichten „Leitlinien zur aktiven Förderung der Aktion ‚Internet+‘“, das im September 2015 veröffentlichte „Aktionsprogramm zur Förderung der Big-Data-Entwicklung“ sowie der im Juli 2017 veröffentlichte „Entwicklungsplan für die künstliche Intelligenz der neuen Generation“. Zur Umsetzung der nationalen Entwicklungsstrategie haben die zuständigen Stellen des Landes und der Baubranche nacheinander eine Reihe entsprechender politischer Maßnahmen erlassen. Zu den typischen Maßnahmen gehören: Im März 2020 stellte die Zentralregierung die strategischen Schwerpunkte des nationalen Ausbaus der „Neuen Infrastruktur“ vor, mit denen der Bau neuartiger Infrastruktur wie 5G-Netze und Datenzentren beschleunigt werden soll; daran anknüpfend schlug das Ministerium für Wohnungswesen und Stadt-Land-Entwicklung (MOHURD) die Entwicklungsstrategie des „Neuen Städtebaus“ vor, um die Transformation und Modernisierung der Städte anzuführen und den Aufbau moderner Städte voranzutreiben. Im Juli 2020 veröffentlichte das MOHURD gemeinsam mit 13 Ministerien und Kommissionen die „Leitlinien zur Förderung der koordinierten Entwicklung von intelligentem Bauen und Bauindustrialisierung“, legte darin die Entwicklungsstrategie und das Industriesystem der chinesischen Bauwirtschaft fest und formulierte das Entwicklungsziel, dass China bis 2035 in die Riege der führenden Nationen des intelligenten Bauens aufrückt.

Doch die traditionellen Bauweisen und das Managementsystem der chinesischen Baubranche sind vergleichsweise rückständig; es bestehen Probleme wie hoher Ressourcenverbrauch, hohe Emissionen und geringe Effizienz, und auch die Dateninfrastruktur ist schwach und der Digitalisierungsgrad niedrig. Vor dem Hintergrund der nationalen Digitalisierungsstrategie stehen die digitale Transformation und die intelligente Modernisierung der Baubranche vor ernsthaften Herausforderungen, wodurch die Entwicklung des intelligenten Bauens und der Bauindustrialisierung mit Unterstützung von Digitalisierung und Intelligenz erheblich eingeschränkt wird.

2. Die Digitalisierung ist der unumgängliche Weg des intelligenten Bauens

2. Die Digitalisierung ist der unumgängliche Weg des intelligenten Bauens

2.1 Intelligentes Bauen und seine Schlüsseltechnologien

Das Bauen eines Bauprojekts umfasst den gesamten Prozess von der Projektinitiierung und -konzeption über die Planung und den Entwurf sowie die Produktion und Bauausführung bis hin zum Betriebs- und Wartungsservice.

Intelligentes Bauen ist eine neue Bauweise, die den gesamten Lebenszyklus von Bauprodukten umfasst und Informationstechnologien der neuen Generation tief integriert. Ihr Ziel ist es, unter digitalem Antrieb die Integration und Kollaboration von Bauprojekten über den gesamten Lebenszyklus und die gesamte Prozesskette hinweg – von der Projektinitiierung und -konzeption über die Planung und den Entwurf, die Produktion und Bauausführung bis zur Produktübergabe sowie dem Betriebs- und Wartungsservice – zu erreichen, damit der Bauprozess eine digitale Gestaltung, eine industrialisierte Bauweise und ein modernes Management verwirklicht. Sie ist der führende Weg, die Transformation und Modernisierung der Baubranche zu beschleunigen und einen grundlegenden Wandel der Produktionsweise herbeizuführen.

Die Anwendungsinhalte des intelligenten Bauens umfassen im Wesentlichen: die intelligente Erfassung, Erkennung und Sammlung von Daten über den gesamten Prozess sowie deren Ortung, Verfolgung, Übertragung, Überwachung und Verwaltung; die digitale Modellierung und Datenmanagement-Plattformen; das digitale kollaborative Planen; die fabrikmäßige Produktion und das automatisierte Bauen; sowie das datengetriebene Entscheidungsmanagement.

Intelligentes Bauen verschmilzt Bautechnologien tief mit Informationstechnologien der neuen Generation wie BIM, Cloud Computing, Big Data, Internet der Dinge und künstlicher Intelligenz; im Einzelnen umfasst es folgende Schlüsseltechnologien:

Digitale Modellierungs- und Simulationstechnologie für das Bauwesen: Auf der Grundlage von BIM werden Bauprodukte definiert und mehrdimensionale Datenbeziehungen aufgebaut; durch die Simulation ihrer räumlichen, physikalischen und geschäftlichen Logik wird der gesamte Bauprozess wirklichkeitsgetreu und dynamisch abgebildet, sodass ein digitaler Zwilling des Bauprodukts und seines Bauprozesses entsteht.

Intelligente Wahrnehmungs-, Erkennungs- und Steuerungstechnologie: Über verschiedene Sensoren werden der Bauprozess und die Zustandsinformationen der Baustelle in Echtzeit erfasst; durch die Integration von Technologien wie BIM, Internet der Dinge, mobilem Internet, Cloud Computing, intelligenter Erkennung, Echtzeit-Ortung und digitaler Überwachung wird die intelligente Erfassung, Erkennung und Sammlung der Daten des gesamten Projektbauprozesses sowie deren Ortung, Verfolgung, Übertragung, Überwachung und Verwaltung verwirklicht, was die intelligente Baustelle und die intelligente Logistik unterstützt.

Intelligente Entscheidungstechnologie auf der Grundlage von Engineering-Big-Data: Es werden Wissensmodelle auf Big-Data-Basis und neue Paradigmen des Data Minings aufgebaut; über Data Mining, Datenanalyse und Dateneinsichten werden Frühwarnungen bei Grenzwertüberschreitungen, die Extraktion von Abweichungsursachen sowie Prognoseanalysen in Bezug auf Termine, Kosten, Qualität, Sicherheit und weitere Aspekte des Bauens realisiert, wodurch ein intelligentes Entscheidungsmanagement auf der Basis von „Daten + Algorithmen“ unterstützt wird.

Automatisierte und intelligente Baumaschinen: Auf der Grundlage traditioneller Baumaschinen werden Technologien der Wahrnehmungserkennung, der Ortung und Navigation sowie der automatischen Steuerung integriert, um eine auf BIM und Daten basierende digitale Fertigung und eine Bauausführung durch Roboter zu verwirklichen, die Menschen bei Arbeiten in widrigen Umgebungen ersetzt, die Arbeitseffizienz erhöht und Arbeitskräfte einspart.

2.2 Das digitale Denken des intelligenten Bauens

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das intelligente Bauen auf den Informationstechnologien der neuen Generation beruht und von Digitalisierung, Vernetzung und Intelligenz getragen wird, wobei die Digitalisierung wiederum den Kernpunkt bei der Verwirklichung des intelligenten Bauens darstellt.

Das gegenwärtige Entwicklungsziel der Baubranche besteht darin, die digitale Transformation und Modernisierung von Branche und Unternehmen voranzutreiben, um mit digitalen Technologien die Organisationsbeziehungen, Geschäftsmodelle und Produktionsweisen von Unternehmen und Branche neu zu gestalten und ein datenbasiertes Management zu erreichen. Die Gesamtstrategie besteht darin, auf der Grundlage der Digitalisierung des gesamten Projektprozesses und mit dem intelligenten Bauen als Einstiegspunkt durch die digitale BIM-Modellierung und ihre Anwendung über den gesamten Prozess eine ganzheitliche Verbesserung in den drei Bereichen Rechendaten, Rechenleistung und Algorithmen zu erzielen und damit die Datengrundlage und die Unterstützung für die digitale Transformation und Modernisierung von Branche und Unternehmen zu schaffen.

Digitalisierung ist ein technischer Weg, Informationsträger in digital codierter Form zu speichern, zu übertragen, zu verarbeiten, zu bearbeiten und anzuwenden; durch die digitale Modellierung physikalischer Objekte bzw. Prozesse entsteht ein digitaler Zwilling im Computer. Informatisierung hingegen ist der Prozess, auf der Grundlage der Entwicklung der Informationstechnologiebranche mithilfe von Informationstechnologien die traditionellen Wirtschafts- und Gesellschaftsstrukturen umzugestalten. Die Digitalisierung betont die Computerisierung und Automatisierung der Informationsanwendung und rekonstruiert die physische Welt in der digitalen Welt; die Informatisierung hingegen betont die Anwendung von Informationstechnologien, die gemeinsame Nutzung von Informationsressourcen und die Entwicklung der Informationstechnologiebranche sowie die Nutzung von Informationen und Informationstechnologien zur Umgestaltung der physischen Welt und zur Bildung von Informationsproduktivkraft. Die Digitalisierung ist die Grundlage und die Methode der Informatisierung, während die Informatisierung den Wert der Digitalisierung ausmacht und die Anwendung der Daten in der physischen Welt darstellt.

Vom „10. Fünfjahresplan“ bis zum heutigen „14. Fünfjahresplan“ hat die lebhaft voranschreitende Informatisierung der chinesischen Bauwirtschaft Informationstechnologien für die Produktion, den Betrieb, das Management und die Entscheidungsfindung von Bauunternehmen und Bauprojekten eingesetzt und damit die langfristige Entwicklung der Informatisierung der Branche vorangetrieben. Da die Digitalisierung jedoch stets auf einem niedrigen Niveau verharrte und die Datenverarbeitungstechniken relativ rückständig waren, kam die Umsetzung der Informatisierung nur mühsam voran und blieb wenig wirksam. Der traditionelle Informatisierungsprozess war vor allem auf die Geschäfte von Unternehmen bzw. Projekten und deren Abläufe ausgerichtet, spiegelte ein geschäftsgetriebenes Denken wider und nutzte Informationsmittel lediglich zur Verbesserung oder Umgestaltung weniger Tätigkeiten. In dem geschäftsgetriebenen Informatisierungsmodell, bei dem die IT den Geschäften folgt, wurden die Daten der Geschäftsprozesse in die Systeme eingegeben; es entstanden Ergebnisse des Geschäftsbetriebs und historische Aufzeichnungen. Die Rolle der Daten beschränkte sich auf die spätere Abfrage, statistische Auswertung und Analyse historischer Daten.

Digitales Denken zielt darauf ab, das Niveau des digitalen Betriebs zu heben und die IT durch Daten anzutreiben, wodurch neue Geschäftsformen oder Produktmodelle entstehen können. Ein solcher digitaler Zwilling ist nicht nur eine wirklichkeitsgetreue dynamische Abbildung des Objekts, sondern kann durch den Aufbau mehrdimensionaler Datenbeziehungen eine ganzheitliche, integrierte Berechnung ermöglichen, die Realität widerspiegeln, Probleme diagnostizieren und lösen sowie die Zukunft durchspielen.

2.3 Der digitale Weg des intelligenten Bauens

Das intelligente Bauen stützt sich auf die Digitalisierung des gesamten Projektprozesses als tragende Grundlage und verwirklicht das Datenmanagement über den gesamten Bauprozess; sein technischer Weg sollte die folgenden Aspekte umfassen.

(1) Digitale Modellierung und Simulation

BIM ist eine wichtige Grundlage für die digitale Modellierung im Bauwesen und die Verwirklichung des Datenzwillings sowie die wichtigste Quelle für Engineering-Big-Data. Durch die intensive Förderung der BIM-Modellierung über den gesamten Projektprozess und ihrer integrierten Anwendung wird der Datenzwilling des gesamten Bauprozesses verwirklicht und seine räumliche, physikalische und geschäftliche Logik simuliert. Durch die Verschmelzung mit der intelligenten Wahrnehmung des Internets der Dinge und dynamischen Online-Daten werden mehrdimensionale digitale Berührungspunkte geschaffen, Daten auf unterschiedlichen Wegen erhoben und die „Datenansicht“ online gehalten, um ein polymorphes, starkes Wachstum der Engineering-Big-Data zu erreichen und damit die Datengrundlage für den Aufbau von Branchen-Big-Data zu schaffen.

(2) Digitale Management-Plattform

Aufbauend auf einer verteilten Netzwerkarchitektur mit Edge Computing wird eine eigenständig kontrollierbare BIM-Cloud-Plattform für Bauprojekte aufgebaut, darüber hinaus werden Big-Data-Zentren für Unternehmen und Branche errichtet, die die verteilte Cloud-Speicherung sowie die effiziente Verarbeitung und Berechnung von BIM- und Engineering-Big-Data bereitstellen sowie Mechanismen zur Erstellung, Verwaltung und Anwendung ganzheitlicher digitaler Modelle und Mechanismen zur Steuerung kollaborativer Arbeit und der Geschäftslogik; damit werden der Datenfluss und der Arbeitsablauf des gesamten Bauprozesses gesteuert und zugleich die Rechenleistungsunterstützung für das Management, das Data Mining und die Analyse von Branchen-Big-Data verbessert.

(3) Digitale Produkte und Dienstleistungen

Es wird ein integriertes System aus Produkten und Dienstleistungen für das digitale Planen, Produzieren und Betreiben aufgebaut; durch die Entwicklung und Produktisierung von Engineering-Software entsteht ein Software-Ökosystem der gesamten Industriekette mit eigenständig kontrollierbarer BIM-Software als Kern, das mit dem Ökosystem der eigenständig kontrollierbaren CIM-Plattform durchgängig verbunden ist und das datengetriebene Initiieren und Konzipieren, Planen und Entwerfen, Produzieren und Bauen sowie das Betriebs- und Wartungsmanagement von Bauprojekten unterstützt, eine integrierte Industriekette bildet und eine grüne, nachhaltige Übergabe der Bauprodukte sowie Betriebs- und Wartungsdienstleistungen verwirklicht.

(4) Datengesteuerter Geschäftsbetrieb und datengesteuerte Entscheidungsfindung

Auf der Grundlage des BIM-Datenzwillings lässt sich der gesamte Bauprozess dynamisch abbilden; komplexe räumliche, physikalische und geschäftliche Logik sowie deren mehrdimensionale Datenbeziehungen werden automatisch aufgebaut. Wissenschaftlichere und effizientere Algorithmen und Datenanalysewerkzeuge können genutzt und weiterentwickelt werden, um die Aufschlüsselung und Analyse der Daten nach verschiedenen Dimensionen zu verbessern und durch Datenanalyse einen fein abgestimmten Geschäftsbetrieb und ein fein abgestimmtes Management zu ermöglichen. Gestützt auf die eigenen Daten der Unternehmen und die Big Data der Branche entstehen mehrschichtige, gestaffelte Analysen und Trendbewertungen, die Einblicke und Verständnis in die Industrie, die Branche, die Produkte und die Kundengruppen vermitteln und mit diesen Dateneinsichten das Geschäftswachstum antreiben. Die Entscheidungsfindung wandelt sich von der bisherigen prozess- und erfahrungsgetriebenen zu einer datengetriebenen.

(5) Intelligente Bauausrüstung mit Mensch-Maschine-Integration

Durch die Integration von Technologien wie Wahrnehmungserkennung, Ortung und Navigation sowie automatischer Steuerung verfügen intelligente Bauausrüstungen über die Merkmale der Selbstwahrnehmung, der Selbstanpassung und der Selbststeuerung. Mit einem neuen Mensch-Maschine-Integrationsmodell, bei dem Mensch, Maschine und Umgebung zusammenwirken, entstehen vielfältige Kollaborationsparadigmen wie Maschine-Maschine und Mensch-Maschine, die im Betrieb eine autonome Steuerung, eine intelligente Überwachung und eine Fehlerdiagnose ermöglichen.

3. Entwicklung der BIM-Technologie für das intelligente Bauen

3. Entwicklung der BIM-Technologie für das intelligente Bauen

Angesichts der Entwicklungsstrategien von Staat und Branche ist die Frage, wie die BIM-Technologie weiter vorangetrieben und ihre Anwendung vertieft werden kann, um die digitale Grundlage und die Unterstützung für die Digitalisierung der Branche und das intelligente Bauen bereitzustellen, zu einem Engpassproblem geworden, das dringend gelöst werden muss. Auf der Grundlage von mehr als 20 Jahren systematischer Forschung und Praxis hat das BIM-Forschungsteam der Tsinghua-Universität innovativ das datengetriebene intelligente BIM und seine Anwendung über den gesamten Prozess vorgeschlagen und damit einen tragfähigen technischen Weg für die Digitalisierung des gesamten Projektprozesses und das intelligente Bauen erkundet.

Das intelligente BIM weist typische Merkmale wie die autonome Intelligenz des BIM, den Antrieb durch Big Data und die Unterstützung durch intelligente Umgebungen auf. Seine autonome Intelligenz rührt von einer vollständigen BIM-Modellstruktur her, die Produktmodelle, Prozessmodelle und Entscheidungsmodelle umfassen und zugleich über Vollständigkeit, Verknüpfungsfähigkeit und Dynamik der Daten verfügen sollte; dadurch werden die intelligente Verknüpfung von Modellen, die automatische Evolution, die autonome Aktualisierung und die datengetriebene Entscheidungsfindung unterstützt.

3.1 Umgebungsunterstützung für intelligentes BIM

Mit der rasanten Entwicklung der Informationstechnologien der neuen Generation verschmelzen BIM-Technologien zunehmend mit Technologien wie dem Internet der Dinge, der künstlichen Intelligenz, dem Cloud Computing und Big Data und entwickeln sich allmählich zur intelligenten BIM-Technologie. Intelligentes BIM benötigt zunächst die Unterstützung durch Hardware- und Softwareumgebungen. Die intelligente Hardwareumgebung basiert auf der Informationsinfrastruktur des Ausbaus der „Neuen Infrastruktur“, verbindet verschiedene intelligente Geräte über das Internet miteinander und befähigt die Geräte, automatisch Informationen auszutauschen, Aktionen auszulösen und Steuerungen auszuführen, wodurch die intelligente Erfassung, Erkennung und Sammlung der Daten über den gesamten Projektlebenszyklus sowie deren Ortung, Verfolgung, Übertragung, Überwachung und Verwaltung realisiert wird.

Die intelligente Softwareumgebung basiert auf der konvergenten Infrastruktur des Ausbaus der „Neuen Infrastruktur“, verschmilzt BIM mit Cloud Computing, Big Data, dem Internet der Dinge und der künstlichen Intelligenz und verwirklicht die Fusion, die Speicherung, das Data Mining und die Analyse massiver heterogener Daten über den gesamten Projektlebenszyklus – von den Daten über die Informationen und das Wissen bis hin zur Intelligenz – und unterstützt damit das intelligente Bauen und das intelligente Management.

3.2 Anwendungsunterstützung für intelligentes BIM

Die BIM-Modellierung über den gesamten Projektprozess und ihre integrierte Anwendung sind die Anwendungsstütze des intelligenten BIM und zugleich der einzige Weg zur digitalen Modellierung der Branche und zum Aufbau großer Datenbestände. Die BIM-Integrationsanwendung über den gesamten Projektprozess umfasst drei Ebenen: die integrierte Anwendung über mehrere Gewerke hinweg wie Rohbau, technische Gebäudeausrüstung und Fassadenbau; die kollaborative Anwendung über mehrere Beteiligte hinweg wie Bauherren, Planer, Bauunternehmen und Betreiber; sowie die phasenübergreifende Anwendung über Planung, Entwurf, Bauausführung und Betrieb.

Um diese drei Arten der integrierten Anwendung zu verwirklichen, sind technische Unterstützungen für die BIM-Erstellung über den gesamten Lebenszyklus erforderlich, darunter die BIM-Architektur und die Informationsaustauschumgebung über den gesamten Lebenszyklus, die BIM-Modellierungstechnologie über den gesamten Lebenszyklus, die BIM-Datenspeicherungs- und -verwaltungstechnologie über den gesamten Lebenszyklus sowie die Technologie zur Extraktion und Integration von BIM-Teilmodellen. Ebenso unverzichtbar ist eine Reihe von Managementunterstützungen für die BIM-Integrationsanwendung, darunter Leitfäden zu BIM-Anwendungsstandards, auf BIM basierende Managementmodelle und -methoden sowie die auf BIM basierende Organisation und Steuerung von Geschäftsprozessen. Diese technischen und managementbezogenen Unterstützungen werden über eine einheitliche BIM-Plattform zu einem Ganzen verschmolzen, unterstützen die BIM-Integrationsanwendung auf den drei Ebenen über den gesamten Projektprozess, bilden eine vollständige digitale BIM-Modellierung und schaffen die Datengrundlage für die Digitalisierung des gesamten Projektprozesses und den Aufbau von Engineering-Big-Data.

3.3 Managementunterstützung für intelligentes BIM

BIM-Plattform und Datenzentrum sind die Managementstütze des intelligenten BIM und zugleich eine wichtige Grundlage für das Management und das Data Mining von Engineering-Big-Data.

(1) Grundfunktionen und technische Merkmale der BIM-Plattform

Als nutzerorientierte Anwendungsplattform verfügt die BIM-Plattform über drei grundlegende Funktionen:

Sie bietet Mechanismen zur Erstellung, Verwaltung und Anwendung von BIM über den gesamten Lebenszyklus von Bauprojekten und verwirklicht die gemeinsame Nutzung und die verlustfreie Weitergabe von Informationen über sämtliche Phasen des Projektlebenszyklus, alle Beteiligten und alle Gewerke hinweg.

Sie bietet Mechanismen zur Steuerung kollaborativer Arbeit und der Geschäftslogik und verwirklicht die kollaborative Arbeit mehrerer Beteiligter sowie die Organisation und Steuerung ihrer Geschäftsprozesse.

Sie stellt Laufzeitumgebungen für BIM-Anwendungssoftware und zugehörige Geschäftssoftware sowie allgemeine grundlegende Geschäftsfunktionen bereit und verwirklicht damit die verschiedenen auf BIM basierenden Geschäftsfunktionen.

In der Regel weist eine typische BIM-Plattform vier wichtige technische Merkmale auf:

Das auf offenen Standards basierende BIM-Struktursystem kann die physischen Einrichtungen des Projekts sowie deren räumliche Logik, physikalische Logik, technische Logik und zugehörige Merkmale vollständig digital ausdrücken.

Die BIM-Modellierungstechnologie kann die räumlichen topologischen Beziehungen sowie die physikalischen und technischen logischen Beziehungen des Modells aufbauen und unterstützt die intelligente Verknüpfung, die automatische Evolution, die autonome Aktualisierung und die Datensteuerung von Modellen.

Die BIM-Speichertechnologie kann die verteilte Cloud-Speicherung von Daten auf Objektebene unterstützen und verfügt über die Fähigkeit, strukturierte Daten, unstrukturierte Daten sowie Streaming-Daten zu speichern und zu verwalten.

Die BIM-Integrationstechnologie kann die Extraktion und Integration von BIM-Daten sowie deren Fusion mit heterogenen Daten aus dem Internet der Dinge, aus GIS und aus externen Systemen unterstützen.

(2) Cloud-Plattform für intelligentes BIM

Als Kernstütze der BIM-Technologie und ihrer Anwendungen unterstützt die BIM-Plattform die Anwendungen über den gesamten Projektprozess und trägt die ganzheitlichen Projektdaten; die Anwendung der Plattform hängt eng mit wichtigen Fragen wie der Gewährleistung der Datensicherheit und dem Verlust von Datenvermögen zusammen. Gleichwohl verwendet derzeit noch ein erheblicher Teil der Bauprojekte in China ausländische Plattformen und Software, was große Risiken birgt. Mit der Verbreitung der BIM-Anwendungen misst der Staat der Entwicklung eigenständig kontrollierbarer BIM-Plattformen und Anwendungssoftware hohe Bedeutung bei; sie wurden in die Liste der dringend zu durchbrechenden kritischen Engpass-Technologien und -Produkte aufgenommen. So hat sich beispielsweise das BIM-Forschungsteam der Tsinghua-Universität seit langem der systematischen Erforschung von BIM-Theorie, -Methoden, -Technologien und -Anwendungen gewidmet, eine BIM-Plattform mit vollständig eigenem geistigem Eigentum sowie eine Reihe von Anwendungssoftware entwickelt und in technische Ergebnisse umgesetzt, die bereits erfolgreich in mehreren hundert Bauprojekten angewendet wurden und im In- und Ausland eine führende Stellung einnehmen.

Die Architektur der auf der Grundlage der Konzepte und Technologien des intelligenten BIM entwickelten BIM-Cloud-Plattform ist in Abbildung 1 dargestellt. Die BIM-Cloud-Plattform basiert auf einer Reihe von unterstützenden Big-Data- und Cloud-Computing-Technologien auf der untersten Ebene, darunter skalierbare Server, Cloud-Datenbanken, Big Data und verteilte Speicherung; sie kann sichere, hochflexible und kostengünstige Cloud-Dienste bereitstellen und eine verteilte BIM-Datenspeicherung auf der Basis einer Cloud-Architektur realisieren. Darauf aufbauend wurden Daten-Engines, Grafik-Engines und IoT-Integrations-Engines als Daten-Middle-Plattform entwickelt; in Form von Datendiensten, Grafikdiensten, Schnittstellendiensten und Konfigurationsdiensten entstand ein modulares Dienstesystem für Anwendungen in Entwurf, Bauausführung und Betrieb. Für die Verarbeitung großer Datenmengen bietet die Plattform Algorithmen zur Leichtgewichtung und effizienten Verarbeitung von BIM-Modellen wie komplexe Netzteilung, Zusammenführung doppelter Netze, Netzvereinfachung, LOD-Berechnung, Geometriekompression und Kachel-Laden und unterstützt damit das effiziente, ressourcenschonende und flüssige Laden großer Modelldaten. Zugleich setzt die Plattform Technologien wie Hochgeschwindigkeits-Caches, CDN-Beschleunigung, asynchrones Datenladen, Big-Data-Analyse und intelligente Suchmaschinen ein und verfügt über schnelle Reaktionszeiten, eine komfortable Bedienung und intelligente Fähigkeiten.

Die BIM-Cloud-Plattform verfügt über flexible Fähigkeiten zur Systemintegration und zur Geräteanbindung und bildet eine intelligente Umgebungsunterstützung; dazu gehören verschiedene Datenerfassungsgeräte, intelligente Wahrnehmungsgeräte, Bedienterminals für mehrere Endgeräte, externe Systeme samt ihrer Überwachungsgeräte sowie Terminals zur visuellen Darstellung. Sie kann Anwendungssysteme wie die Bauausführung, den intelligenten Betrieb und die intelligente Wartung, intelligente Trägerwerke sowie die dynamische Mengen- und Preisbewertung im Straßenbau unterstützen und integrieren, Daten verschiedener Projekte zusammenführen und so die Vorteile der einzelnen Anwendungen zur Geltung bringen.

Abbildung 1 Architekturdiagramm der BIM-Cloud-Plattform am Beispiel der Entwicklung der Tsinghua-Universität

3.4 Technische Unterstützung des intelligenten BIM

Die Entstehung und die Anwendung von BIM-Plattform und Datenzentrum bieten die technische Unterstützung für die weitere Integration intelligenter Technologien und dafür, mit Big Data intelligentes Management und intelligente Entscheidungen anzutreiben. Die integrierte Anwendung von BIM mit intelligenten Technologien umfasst das datengetriebene Management, die dynamische digitale Überwachung, die intelligente Wahrnehmung und Ortung sowie die intelligente Entscheidungsfindung auf der Basis von „Daten + Algorithmen“.

(1) Datengetriebenes Management

Über die BIM-Cloud-Plattform können den Nutzern datengetriebene Managementfunktionen bereitgestellt werden, darunter eine Suchmaschine für räumlich-zeitliche Daten mit Aggregationsanalyse, die automatische Lokalisierung von Modellen mit intelligenter Verknüpfung von Geschäftsdaten, die Geschäftsverknüpfung und Korrelationsanalyse sowie die Extraktion von Modellen mehrerer Ebenen.

1) Informationssuche und Aggregationsanalyse auf der Grundlage räumlich-zeitlicher Merkmale: Auf der Grundlage der räumlichen Merkmale beliebiger Modellobjekte oder Bauteile wird die Suche und die Aggregationsanalyse von Projektdaten sowie von Ressourcendaten zu Arbeitskräften, Material und Maschinen zu beliebigen Zeitpunkten realisiert, um das fachliche Funktionsmanagement und Entscheidungsanalysen zu unterstützen. So lassen sich beispielsweise der Fertigstellungsgrad der Baumengen, die Kosten oder der Einsatz von Arbeitskräften, Material und Maschinen für beliebige Bauteile in beliebigen Zeiträumen berechnen.

2) Automatische Lokalisierung von Modellen und intelligente Verknüpfung von Geschäftsdaten: Durch den Aufbau von Zuordnungsregeln zwischen Modellbauteilen und Geschäftsdaten wird eine intelligente dynamische Verknüpfung zwischen Modell und Geschäft realisiert; bei Änderungen des Modells oder der Geschäftsdaten passt sich die Verknüpfung automatisch an.

3) Geschäftsverknüpfung und Korrelationsanalyse: Sie realisiert die intelligente Verknüpfung und die Korrelationsanalyse zwischen den betreffenden Geschäftssystemen. Wenn beispielsweise das dynamische Mengenberechnungssystem mit dem Verwaltungssystem für Arbeitskräfte, Material und Maschinen verknüpft wird, werden die vom Mengenberechnungssystem für bestimmte Bauteile in bestimmten Zeiträumen berechneten Baumengen und der Bedarf an Arbeitskräften, Material und Maschinen automatisch an das Verwaltungssystem für Arbeitskräfte, Material und Maschinen übergeben, das prüft, ob die der Arbeitsfreigabe vorausgehende Ressourcenausstattung an Arbeitskräften, Material und Maschinen den Bedarf deckt, und die entsprechende Ressourcenumverteilung und -behandlung vornimmt.

4) Extraktion von Modellen mehrerer Ebenen: Je nach Anwendungsbedarf werden Modelle unterschiedlicher Detaillierungsgrade extrahiert; dies unterstützt ein mehrstufiges Management von der makroskopischen bis zur feinen Ebene und bewältigt wirksam das BIM-Management und die BIM-Darstellung großräumiger, regionaler und langgestreckter Projekte.

(2) Dynamische digitale Überwachung

BIM verschmilzt mit der digitalen Überwachung und erreicht ein polymorphes Wachstum der Daten; durch die Integration von BIM mit digitaler Überwachung, moderner Vermessung, dreidimensionalem Laserscanning und anderen Technologien werden die dynamische Überwachung und Analyse der Qualität und Sicherheit auf der Baustelle sowie die Probleme der automatischen Lokalisierung und der Präzisionsanalyse bei der Ausführung komplexer Tragwerke wirksam gelöst. Zugleich wird rund um die Baustelle eine Echtzeit-Überwachung und -verwaltung der Umgebung realisiert, darunter die Staubkonzentration, die Feinstaubkonzentration, der Lärmpegel sowie die Videoüberwachung.

(3) Intelligente Wahrnehmung und Ortung

Durch die Verschmelzung von BIM mit den Technologien des Internets der Dinge werden Sensorinformationen aus QR-Codes, RFID, Infraroterkennung, Laserscanning usw. mit BIM verknüpft, wodurch die intelligente Erkennung, Ortung, Verfolgung, Überwachung und Verwaltung in der BIM-Anwendung gelöst wird. IoT-Geräte können im Modell verortet und ihr Betriebszustand dynamisch gekennzeichnet werden; so werden die Zustände der IoT-Geräte in Echtzeit überwacht, Echtzeitdaten verfolgt und Alarmdienste bereitgestellt. Die Technologie der intelligenten Wahrnehmung und Ortung wurde bereits erfolgreich eingesetzt für die Überwachung von Sicherheit und Umgebung während der Bauausführung und auf der Baustelle, für die Konfiguration von Baumaterialien und die Logistikverfolgung sowie für die Betriebsüberwachung von Anlagen und Einrichtungen, die Fehlererkennung und -diagnose sowie die Überwachung von Energieverbrauch und CO2-Emissionen im intelligenten Betrieb und in der Wartung von Projekten.

(4) Intelligente Entscheidungsfindung auf der Basis von „Daten + Algorithmen“

Auf der Grundlage der Cloud-Architektur unterstützen die Datenspeicherung über den gesamten Projektprozess, die Big-Data-Suchmaschine sowie die Mechanismen der Datenfusion und des Data Minings Analysealgorithmen wie Deep Learning, die Verarbeitung natürlicher Sprache sowie die Wahrnehmung und Erkennung; es wurde ein intelligentes Entscheidungssystem auf der Basis von „Daten + Algorithmen“ aufgebaut, das über eine Reihe von Analysemethoden wie räumlich-zeitliche Suchaggregation, Trendprognoseanalyse, Mining häufiger Muster, Anomalieüberwachung sowie automatische Klassifizierung und Clusterung Analysen und Entscheidungen entsprechend den tatsächlichen Anforderungen der Phasen Entwurf, Bauausführung und Betrieb eines Projekts bereitstellt und zugleich die Führungsentscheidungen und das Geschäftsmanagement auf Unternehmensebene mit einer fundierten Datenanalyse unterstützt.

4. Probleme und Lösungsansätze

4. Probleme und Lösungsansätze

Entsprechend der nationalen Digitalisierungsstrategie und der politischen Ausrichtung der Baubranche ist es ein unaufhaltsamer Trend, mit dem intelligenten Bauen als Einstiegspunkt die Transformation und Modernisierung der Baubranche voranzutreiben. Jedoch sieht sich die Baubranche weiterhin Problemen wie einer schwachen Dateninfrastruktur und einer unzureichenden Akkumulation von Big Data gegenüber, wodurch der Digitalisierungsgrad nicht deutlich gestiegen ist; die Anwendung der künstlichen Intelligenz der neuen Generation steckt noch in den Anfängen, und es fehlen systematisierte Lösungen; die verbreitete Anwendung der BIM-Technologie als Grundpfeiler der Digitalisierung steht vor zahlreichen Problemen wie einem unvollständigen Normen- und Standardsystem, unzureichenden Politiken und Rechtsvorschriften, noch zu durchbrechenden Schlüsseltechnologien und nicht angepasster Anwendungssoftware. Insbesondere fehlen Engpasstechnologien wie Digital-Twin-Modell-Engines und Kernmodellierungssoftware, wodurch die BIM-Anwendung im Entwurf behindert wird, die BIM-Integrationsanwendung erschwert wird, eine vollständige digitale BIM-Modellierung kaum zu erreichen ist und die Digitalisierung des gesamten Projektprozesses sowie das intelligente Bauen nicht hinreichend unterstützt werden.

Die digitale Transformation der Branche und das intelligente Bauen betreffen zahlreiche Bauakteure und werden stark von der politischen Ausrichtung, dem Marktumfeld, der Forschungs- und Entwicklungsplanung sowie den Förderungsmechanismen geprägt; ihre Entwicklung ist ein weiter und langwieriger Weg. Die vorliegende Studie hat über die Digitalisierung des gesamten Projektprozesses technische Wege zur Durchgängigkeit der Datenkette und der Geschäftskette des Bauens erkundet; doch um die Industriekette und die Lieferkette des Bauens durchgängig zu verbinden, bedarf es nicht nur der technischen Unterstützung, sondern auch eines umfassenden Wandels und einer digitalen Befähigung in Bezug auf die verschiedenen Prozessglieder, Produktionssysteme, Organisationsweisen, Geschäftsmodelle und Unternehmenskooperationen. Derzeit ist es vordringlich, eine Organisationsstruktur und einen koordinierten Wirkungsmechanismus für die Förderung des intelligenten Bauens zu schaffen und die Dateninfrastruktur zu vervollständigen; die Investitionen in die technologische Forschung und in die Entwicklung von Plattformsoftware zu erhöhen, kritische Schlüsseltechnologien zu durchbrechen und ein eigenständig kontrollierbares Software-Ökosystem der gesamten Industriekette mit der BIM-Software als Kern zu bilden; und über eine vollständige Gesamtplanung von oben einen Fahrplan für die BIM-Anwendung, die digitale Entwicklung und die Umsetzung des intelligenten Bauens zu entwerfen, um die vertiefte BIM-Anwendung und die Digitalisierung des gesamten Projektprozesses schrittweise und etappenweise voranzutreiben und mit der Digitalisierung die rasche Entwicklung des intelligenten Bauens anzutreiben.

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Zum Autor

Zhang Jianping, Dr., Professor und Doktorvater am Institut für Bauingenieurwesen der Tsinghua-Universität.

Er ist seit langem in Lehre und Forschung auf dem Gebiet der Informationstechnologien des Bauwesens tätig und zählt zu den ersten Forschern und Förderern der BIM-Technologie und des IFC-Standards in China. Er hat mehrere Dutzend Forschungsprojekte geleitet und abgeschlossen, darunter die nationalen „10.“, „11.“ und „13. Fünfjahrespläne“, das 863-Programm sowie Projekte der National Natural Science Foundation of China. Auf den Gebieten CAD/CAE im Bauwesen, 4D-CAD, BIM, Gebäudelebenszyklusmanagement, Informatisierung des Bauwesens, digitale Katastrophenminderung und intelligente Entscheidungstechnologien hat er erfolgreiche Forschung betrieben und verfügt über fundierte akademische Kenntnisse; seine Forschungsergebnisse nehmen im In- und Ausland eine führende Stellung ein. Er hat 6 Monografien veröffentlicht und mehr als 200 wissenschaftliche Aufsätze publiziert. Er wurde dreimal mit dem ersten Preis und einmal mit dem zweiten Preis des Huaxia-Preises für Bauwissenschaft und -technologie ausgezeichnet, erhielt außerdem den zweiten und den dritten Preis für Wissenschaft und Technologie der Stadt Peking sowie den zweiten Preis für Lehr- und Bildungserfolge der Hochschulbildung von Peking und wurde als landesweit vorbildlicher Wissenschafts- und Technikschaffender, als renommierter Lehrmeister an den Hochschulen von Peking, als fortschrittliche Einzelperson des Pekinger „Bildungsvorreiters“ sowie als Leiter nationaler Spitzenlehrveranstaltungen ausgezeichnet.

Derzeit ist er zugleich Mitglied des Fachausschusses für grünes Bauen des Ministeriums für Wohnungswesen und Stadt-Land-Entwicklung (MOHURD), beratendes Mitglied des Technischen Normungsausschusses für Informationstechnologie des MOHURD, stellvertretender Vorsitzender des Aufsichtsrats der Chinesischen Gesellschaft für Grafikwissenschaft, Fachberater des akademischen Ausschusses für BIM-Technologie der Chinesischen Gesellschaft für Architektur, geschäftsführendes Vorstandsmitglied des Fachausschusses für BIM/CIM der Chinesischen Vereinigung für die Normierung von Ingenieurbau und Bauwesen, geschäftsführendes Vorstandsmitglied der Chinesischen Allianz für die BIM-Entwicklung, Fachberater der Pekinger Allianz für die Anwendung der BIM-Technologie sowie Mitglied des BIM-Fachausschusses der Internationalen Gesellschaft für Computeranwendungen im Bau- und Ingenieurwesen u. a.

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