Für die Klimaeffektivität muss im Sinne des kreislaufgerechten Bauens effizient, suffizient und konsistent gebaut werden. Der Abriss von Gebäuden muss auf ein Minimum reduziert werden, Materialien wiederverwendet beziehungsweise ganzheitlich betrachtet werden und Nachhaltigkeit als gewichtiger Entwurfsparameter fungieren. Synergien modellbasierter und nachhaltiger Planung sollten optimal genutzt werden und für zukünftige Projekte in Modelldatenbanken kartiert werden. „Digitaler Prozesswandel, das parametrische Entwerfen und der Einsatz von BIM als Planungsmethode führten im Bauwesen bereits zu grundlegenden Veränderungen in den Planungsprozessen und Planungsschnittstellen.“ Anhand eines Praxisbeispiels wird eine modellbasierte Lebenszyklusanalyse eines Tragwerks dargestellt, um zu verdeutlichen, welche Möglichkeiten sich den Planenden in diesem Zusammenhang bieten.
Was ist ein LCA?
LCA ist die englische Abkürzung für Life Cycle Assessment. Übersetzt bedeutet es so viel wie die Bewertung (der Umweltauswirkungen) des gesamten Lebenszyklus. Der Lebenszyklus eines Gebäudes wird nach der DIN EN 15978 in fünf Phasen eingeteilt. Die Phasen werden typischerweise, in drei Abschnitten betrachtet. Der erste Abschnitt „Cradle to Gate“ berücksichtigt nur die Herstellungsphase. „Cradle to Gate“ betrachtet den Lebenszeitraum von der Herstellung bis zur Entsorgung. Der letzte Betrachtungsabschnitt „Cradle to Cradle“ umschließt zusätzlich noch die Nachnutzung. Nach der Norm ist eine Verrechnung der Phase D mit den Phasen A-C allerdings nicht zulässig. [3]
Über den Lebenszyklus eines Gebäudes entstehen verschiedene, emissionsbedingte Umweltwirkungen wie z. B. Ressourcenverbrauch, anfallende Abfälle und Energiekonsum. In der DIN EN 15804 werden die Umweltwirkungen zu 24 Indikatoren zusammengefasst, die in der Umweltproduktdeklarartion der Baustoffe enthalten sein müssen. Der zurzeit wichtigste Indikator ist das Treibhausgaspotenzial (GWP) (kgCO2eq). [4]
Eine Lebenszyklusanalyse (LCA) kann verschiedenen Ziele verfolgen. In den frühen Leistungsphasen können noch verschiedene Varianten und deren Umweltauswirkungen verglichen werden und für Bauherrn und andere Planer dargestellt werden. Mit zunehmender Genauigkeit der Modelle kann mit einem LCA die genaue Auswertung von Nachhaltigkeitsbewertung (z. B. DGNB) im Hinblick auf eine Zertifizierung erfolgen. Für die Auswertung von LCA ist es auch hilfreich eine Datenbank von Projekten in früheren und späteren Leistungsphasen zu sammeln [3] Der größte Zeitaufwand stellt das Ermitteln der Materialmengen dar. Sind diese im Modell vorhanden, kann eine schnelle Auswertung erfolgen.
Bei den folgenden Überlegungen geht es um den Einfluss der Tragkonstruktion auf eine LCA, also um den Teil, den Tragwerksplaner mit der Wahl der Konstruktion und des Materials verantworten. Daher liegt der Fokus im weiteren Verlauf auf den frühen und späten Phasen des Lebenszyklus. Die Nutzungsphase des Gebäudes ist nicht Gegenstand der Betrachtung.
Modellbasierte LCA als Tool und Benchmark für zukünftige Projekte
Deutschland strebt bis 2045 eine treibhausgasneutrale Bilanz an und plant, die Emissionen bis 2030 um mindestens 65 Prozent im Vergleich zu 1990 und bis 2040 um 88 Prozent zu reduzieren [5]. Die Umsetzung dieser Ziele erfordert innovative, nachhaltige Ansätze, um den Prozess der Gebäudeplanung und -errichtung umweltgerecht zu gestalten, unter Berücksichtigung von Kosten- und Zeitaspekten [6]. In jüngster Zeit eröffnen sich durch die Integration der Lebenszyklusanalyse (LCA) mit modernen Baumanagement-Techniken wie der Gebäudedatenmodellierung (BIM) neue nachhaltige Möglichkeiten für die Planung und den Bau von Gebäuden [7] [8].
Die LCA ist ein gängiges Instrument zur Messung, Bewertung und Verbesserung der Umweltauswirkungen im Bauwesen. Die herkömmliche Anwendung erfordert viel Zeit und Ressourcen, weshalb die Vereinfachung der Methode, insbesondere bei der Datenerfassung, als notwendig erkannt wurde. Durch die Integration digitaler Werkzeuge wie Building Information Modeling (BIM) in die LCA-Methode ergeben sich jüngste Fortschritte, die den Prozess der Umweltauswirkungsoptimierung im Bauwesen maßgeblich vorantreiben [9].
Building Information Modeling (BIM) ist eine digitale Darstellung von Gebäuden in 3D, verbunden mit einer Datenbank für Gebäudekomponenten. Die Integration von BIM und Ökobilanz (LCA) vereinfacht den Datenerfassungsprozess für Gebäude und bietet beiden Werkzeugen wechselseitige Vorteile [10]. BIM-based LCA optimiert nicht nur die Dateneingabe, sondern verbessert auch Ausgabedaten und Ergebnisse bei der Anwendung von Ökobilanzen in Bauprojekten [10].Im BIM-basierten LCA-Arbeitsablauf für die Modellanalyse werden drei Schritte durchlaufen. Zunächst erfolgt die Modellerstellung mit einem BIM-fähigen Authoring-Tool wie Autodesk Revit im „Revit“-Datenformat (RVT). Der zweite Schritt beinhaltet die automatische Berechnung der Ökobilanz mithilfe des One Click LCA Plug-ins. Im dritten Schritt werden die Umweltauswirkungen des Modells in einer Tabelle dargestellt, die verschiedene Lebenszyklusphasen abdeckt. Diese Ergebnisse dienen der Bewertung, um Empfehlungen zu geben und die Umweltleistung des Entwurfs zu beurteilen sowie festzustellen, ob weitere Optimierungen erforderlich sind.
Vor dem Import in das Revit-BIM-Modell sind mehrere Schritte notwendig, um die Automatisierung der Lebenszyklusanalyse (LCA) zu gewährleisten. Das Hauptziel ist sicherzustellen, dass das BIM-Modell ausreichende Informationen für die LCA enthält [11]. BIM-Modelle enthalten viele Informationen über das Gebäude, jedoch werden für die LCA-Berechnung nur spezifische, nach festgelegten Verfahren definierte Informationen benötigt [11].
Die wichtigsten Parameter, die im Revit-Modell definiert werden sollten, können alle in einer Materialauflistungstabelle enthalten sein. Materialname, Materialmenge, Familie, Kategorie und Typ. Die Parameter werden vom Plug-in direkt aus dem Modell gelesen und in die Ökobilanz aufgenommen.
Die präzise Beschriftung der Materialien ist essenziell, wobei ein Parameter zur Kennzeichnung der Betongüte erforderlich ist. Sofern die Stahlbewehrung für Beton nicht im Strukturmodell modelliert ist, kann das angemessene Bewehrungsverhältnis automatisch in die Materialtabelle im Revit unter einem spezifischen Bewehrungsparameter eingefügt werden. Die Generierung dieses Bewehrungsparameters erfolgt durch mehrere Gleichungen. Die ermittelten Bewehrungsergebnisse sollten manuell in die Liste der importierten Materialien in der Lebenszyklusanalyse (LCA) integriert werden.
Nach der Vorbereitung des BIM-Modells für die Ökobilanz (LCA) ist ein wichtiger Schritt die Konfiguration der Parameter im Plug-in, einschließlich der Auswahl der Datenbank, Einheiten, Projektstandort und des Bereichs. In Revit gibt es zwei LCA-Optionen: LCA in Revit oder LCA in der Cloud. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Cloud-Option die Hinzufügung von Mengen für nicht modellierte Komponenten, wie zum Beispiel Betonstahlbewehrung, ermöglicht. Diese müssen manuell in die Ökobilanz integriert werden, verbunden mit korrekten Zuweisungen für Umweltproduktdeklarationen (EPD).
Die Übertragung der Materialliste in das Plug-in erfolgt automatisch. Wenn die Ökobilanz in der Cloud durchgeführt wird, werden alle gegebenen Informationen automatisch in die Ökobilanzsoftware übertragen, so dass die Möglichkeit besteht, die Bewehrungsmengen zu den Berechnungen hinzuzufügen. In der Oneclick LCA Software sollte ein neues Projekt erstellt werden, in dem die Berechnungsmethode entsprechend dem Zertifizierungsziel (DGNB, LEED, Levels, Bream etc.) definiert wird. Dieser Schritt ist sehr wichtig, um die EPD-Datenbank, den Berechnungszeitraum und die berücksichtigten LCA-Stufen zu definieren.
Die Ergebnisse werden abschließend in einer Tabelle präsentiert, wobei die Ergebnisse für jede Lebenszyklusphase separat in allen Umweltauswirkungskategorien berechnet werden. Die Ergebnisse sind als Gesamtwerte in äquivalenten Kohlenstoffemissionen pro Quadratmeter pro Jahr dargestellt.
Verwaltungsgebäude Wandsbek und BIM
Auf der Wandsbeker Zollinsel zwischen Rüterstraße und Wandsbeker Zollstraße wird für das Bezirksamt Wandsbek zurzeit ein sechs- bis achtgeschossiges Verwaltungsgebäude geplant. Realisierungsträger ist die Sprinkenhof GmbH.
Die Entwurfsplanung basiert auf dem erstplatzierten Wettbewerbsbeitrag von ADEPT Architekten. Nachhaltigkeit spielt eine zentrale Rolle bei der Planung des Projektes, daher wird das Tragwerk als Holz-Beton-Hybridkonstruktion ausgeführt.
Das Tragwerk des sechs- bis achtgeschossigen Verwaltungs-/Bürogebäudes mit einem Untergeschoss wurde als Skelettbau in Holz-Beton-Hybridbauweise mit aussteifenden Kernen und Wandscheiben konzipiert. Zur Aussteifung sind zusätzlich an den Rändern Holzfachwerke vorgesehen. Der Skelettbau setzt sich aus vier bis sechs Meter langen Decken, die zwischen Unterzügen spannen, zusammen. Der vertikale Lastabtrag erfolgt über Stahlbetonwände und Holzstützen. Das Holztragwerk wird im Untergeschoss durch eine Tiefgarage mit mehreren Unterzügen abgefangen. Die Grundrissabmessung der gesamten Tragstruktur ist ca. 170 m x 28 m mit einer Höhe von bis zu 30 m. Das Tragwerk kann in sechs sich mehrfach wiederholende Teile (A-F) aufgeteilt werden. Die Verortung möglicher Durchdringungen in den tragenden Bauteilen wurden zusammen mit der TGA-Planung und Architektur mittels Kollisionsprüfungen abgestimmt und koordiniert.
Die Firma Sprinkenhof GmbH bedient sich der innovativen BIM-Methode, um die Vielzahl von Vorteilen, die diese Arbeitsweise bietet, zu nutzen. Die Implementierung der Arbeitsmethode BIM trägt maßgeblich zur Verbesserung der projektbezogenen Organisation, Kommunikation und Schnittstellenkoordination bei. Durch frühzeitige Problemerkennung und -beseitigung wird ein störungsärmerer Planungs- und Bauprozess ermöglicht.
Ein weiterer, entscheidender Aspekt ist das verbesserte Risikomanagement, das durch eine höhere Transparenz in der Planung und Ausführung sowie einer offenen Fehlerkultur erreicht wird.
Die (teil-)automatisierte Mengen- und Kostenermittlung gewährleistet eine höhere Termin- und Kostensicherheit. Dieser ganzheitliche Ansatz ermöglicht nicht nur eine effiziente Projektabwicklung, sondern fördert auch die Sammlung von Erfahrungen mit der Nutzung von BIM-Daten und Informationen in der Betriebsphase.
Die Grundlage für eine erfolgreiche Zusammenarbeit liegt im regelmäßigen Austausch der Fachmodelle zwischen den Teammitgliedern auf der Common Data Environment (CDE). Dieser Austausch, der alle drei bis vier Wochen stattfindet, gewährleistet, dass koordinierte Informationen als Grundlage für die Planung verwendet werden und unnötige Unstimmigkeiten vermieden werden.
Der Austausch der Fachmodelle erfolgt über das IFC-Datenmodell (Industry Foundation Classes), dass sämtliche für den BIM-Prozess benötigten Informationen enthalten. Diese wurden bereits im AIA und BAP definiert und in einer Elementmatrix festgehalten.
Die BIM Gesamtkoordination erstellt aus den Fachmodellen ein Gesamtkoordinationsmodell, das einer intensiven Kollisionsprüfung unterzogen wird. Diese Prüfung betrachtet nicht nur die Geometrie, sondern auch alle alphanumerischen Informationen gemäß BuildingSmart Standard.
Etwaige Mängel und Kollisionen werden im digitalen Aufgabenmanagement erfasst und dem gesamten Projektteam mitgeteilt. Trotz intensiver Abstimmungen der Konzepte sind Kollisionen nicht in allen Phasen zu vermeiden. Daher ist eine sinnvolle Klassifizierung von Modellkollisionen notwendig.
Hierbei kommt das herstellerneutrale Datenformat BCF (BIM Collaboration Format) zum Einsatz, das in Form von BCF-Issues (digitalen Aufgaben-Tickets) Mängel und Unstimmigkeiten zwischen den Fachmodellen dokumentiert.
Die Plattform „BIMCollab“ spielt eine zentrale Rolle beim Issue-Monitoring und der Aufgabenverwaltung. BCF-Issues werden den betroffenen Bauteilen zugeordnet und einem Verantwortlichen – inklusive Frist – zugeteilt.
Nach dem Übermitteln eines BIM-Modells auf die CDE überprüft das BIM-Gesamtkoordinationsteam die bearbeiteten BCF-Issues auf „BIMCollab“. Ungeklärte Kollisionen und Unstimmigkeiten werden in digitalen BIM-Koordinationssitzungen besprochen und in das Protokoll sowie die Gesamtdokumentation aufgenommen.
Regelmäßige Projektzwischenberichte, die in den digitalen BIM-Koordinationssitzungen präsentiert werden, dokumentieren den aktuellen Planungsstand und ermöglichen eine disziplinübergreifende Qualitätssicherung. Dabei wird überprüft, ob die Vorgaben im BAP eingehalten wurden und wie viele offene Themen noch bearbeitet werden müssen. Diese umfassende Dokumentation unterstützt einen störungsärmeren Planungs- und Bauprozess durch frühzeitige Problemerkennung und -beseitigung.
LCA-Verwaltungsgebäude Wandsbek
Eine Lebenszyklusanalyse wurde für das Zollinselprojekt unter Verwendung des Revit BIM-Modells und OneClick LCA-Plugin für LP 4 durchgeführt.
Im Zuge der LP 4 wurde eine detaillierte Modellierung mit allen statisch relevanten Bauteilabmessungen durchgeführt. Auf dieser Basis werden die Ergebnisse der durchgeführten Ökobilanz mit großer Genauigkeit umgesetzt. Die Änderungen in der LP5 beziehen sich meist nur auf Konstruktionsdetails, was zu keinen signifikanten Änderungen der LCA-Ergebnisse führt. Es wird dennoch empfohlen, die LCA-Ergebnisse in der LP5 zu aktualisieren, insbesondere wenn Strukturelemente geändert wurden.
Eine Ökobilanz erfordert einige wichtige Informationen, die von Anfang an definiert und angegeben werden sollten, wie z. B. die Berechnungsmethode für die Ökobilanz. In der folgenden Ökobilanz wurde die DGNB-Version 2023 als Berechnungsmethode gewählt. Zu diesem Zweck sollte die Geschossfläche des Gebäudes als Nettogeschossfläche angegeben werden und der Betrachtungszeitraum beträgt 50 Jahre.
Wie im ersten Abschnitt erwähnt, folgt OneClick LCA der Norm (siehe Tabelle 1).
Modul D berücksichtigt die Potentiale und Lasten der Nachnutzung aus Wiederverwendung oder Recycling. Es sollte nur berücksichtigt werden, wenn der Bauherr/in nachweisen kann, dass diese Beiträge über die Systemgrenzen hinweg gewährleistet werden können.
Zusammenfassung
Bei Betrachtung des Praxisbeispiels wird deutlich, dass die Durchführung einer LCA ein wichtiges Tool für den Entwurf und die Realisierung nachhaltiger Gebäude zählt. Zusätzlich kann durch regelmäßige Ableitung der Massen auf Basis des Modells ein Monitoring des GWPs im Zuge der zunehmenden Planungstiefe stattfinden.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, dass diese Bewertung keinesfalls an die BIM-Methode oder die Erstellung von 3D-Modellen geknüpft ist, sondern deren Durchführung ebenfalls mit einfachen Massenlisten, z. B. in Microsoft Excel, möglich ist.
Besonders in frühen Planungs- oder gar Wettbewerbsphasen, in denen ohnehin noch kein Modell erstellt wurde, kommt dies besonders häufig zum Einsatz.
Es brauchen somit keine neuen, teuren Programme angeschafft werden, sodass die Hürde dementsprechend niedrig ist, keine Skepsis aufkommen muss und wir Planende besser heute als morgen unserer Hebelwirkung gerecht werden.
LITERATUR
[1] 2021 Global Status Report for Buildings and Construction – International Energy Agency
[2] Peter, B.; Oppe, M. (2017) Die Digitalisierung ist eine Chance – Über Prozessketten und notwendige Paradigmenwechsel in: Stahlbau, H.3, S. 202–207
[3] J. I. Haller; D. Apellanz; J. Nowak; C. Wrede Deutsches Ingenieurbaublatt 5-2022 S. 46–49 Präzisere Einordung bei der Ökobilanzierung
[4] DIN EN 15804 Nachhaltigkeit von Bauwerken –Umweltproduktdeklarationen – Grundregeln für die Produktkategorie Bauprodukte;
[5] 2023, Appunn, Kerstine; Eriksen, F.; Wettengel, J; Germany’s greenhouse gas emissions and energy transition targets – Journalism for the energy transition.
[6] Bringing embodied carbon upfront – World Green Building Council.
[7] S.O. Ajayi, L.O. Oyedele, B. Ceranic, M. Gallanagh, K.O. Kadiri Life cycle environmental performance of material specification: a BIM-enhanced comparative assessment Int J Sustain Build Technol Urban Dev, 6 (2015), pp. 14–24, 10.1080/2093761X.2015.1006708
[8] E. Wang, Z. Shen, C. Barryman A Building LCA Case Study Using Autodesk Ecotect and BIM Model Constr Eng Manag Commons (2011)
[9] 2022. Garcia-Martinez, A; „BIM-Based Life Cycle Sustainability Assessment for Buildings“ Sustainability 14, no. 19: 11902. https://doi.org/10.3390/su141911902.
[10] 2017. Soust-Verdague,B; Llatas,C; García-Martínez,A; „Critical review of bim-based LCA method to buildings“ Energy and Buildings 136 DOI:10.1016/j.enbuild.2016.12.009.
[11] OneClick LCA, How to deliver a Building Information Model for LCA automation, A guide to BIM-based Life Cycle Assessment, https://www.oneclicklca.com/bim-based-life-cycle-assessment-guidelines/
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