BIMstocks - Digital Urban Mining Platform for assessing the material composition of building stocks through coupling of BIM to GIS

Status

abgeschlossen (Dezember 2022)

Motivation und Forschungsfrage

Aufgrund des weltweiten Anstiegs von Energie- und Ressourcenverbrauch und der ebenfalls zunehmenden Abfallmenge (Honic et al., 2021) weist der Gebäudebestand ein großes Potenzial auf, als Rohstoffreservoir zu agieren und das Wiederverwendungspotenzial von vorhandenen Materialien und Elementen zu erhöhen. Dennoch gibt es Hindernisse, die diesem Prozess entgegenstehen, da die derzeitigen Kenntnisse über den tatsächlichen Gebäudeaufbau unzureichend sind. Die Forschungsfrage ist, ob durch die Generierung einer digitalen GIS-basierten Urban Mining Plattform (Sekundärrohstoffkataster) nutzbare Informationen bezüglich Recyclingpotentialen, Materialflüssen und Abfallmassen prognostizieren werden können. Dafür sollen Ground Penetrating Radar (GPR) und Machine Learning (ML) Algorithmen eingesetzt werden, um abschließend einen BIM- Objektkatalog sowie BIM-basierte materielle Gebäudepässe (MGP) für die Hochskalierung und Einbettung in GIS auf Stadt-Ebene erstellen zu können.

Ausgangssituation/Status Quo

Der Bausektor ist für ca. 60% des weltweiten Rohstoffabbaus verantwortlich (Almeida, P. et al., 2016), wodurch das anthropogene Lager als potenzielle künftige Rohstoffquelle identifiziert und zum Gegenstand der Forschung gemacht wurde. Hier wurden zwei Ansätze entwickelt, die zur Bestimmung der Lage herangezogen wurden. Zur Schätzung der Materialzusammensetzung im Bausektor wird ein Top-down Ansatz verwendet, der eine Grobeinstufung der zeitlich gebräuchlichen Baumaterialien, deren Zusammensetzung und Veränderungen durch Erneuerungsmaßnahmen ermöglicht. Dies eröffnet die Möglichkeit, Angaben über Entwicklungen des gesamten Gebäude-Bestandes zu machen. Im Gegensatz dazu fungiert der Bottom-up Ansatz dafür, detaillierte Untersuchungen von Gebäuden vorzunehmen, um den Gebäudebestand durch geeignete Hochrechnung zu ermitteln. Gleichzeitig ist der Bausektor verantwortlich für 60 % der abgebauten Rohstoffe und verursacht 40% der energiebedingten CO2-Emissionen. Hinzu kommt, dass die Neubaurate nur 3% (Honic & Kovacic, 2020) beträgt, was wiederum die existierenden Bestände zu wertvollen Ressourcen macht. Diese Fakten unterstreichen den dringenden Bedarf an innovativen Maßnahmen bezüglich Wiederverwendung von existierenden Rohstoffquellen und die Fokussierung auf Bestandskataster.

Projektinhalte und Zielsetzungen

Hauptziel von BIMstocks war die Entwicklung einer Methodik für die durchgängige digitale Erfassung der materiellen Zusammensetzung des Baubestandes zwecks Modellierung des Sekundärrohstoff¬katasters sowie Vorhersage der Recyclingpotentiale, durch Erstellung eines BIM‐Objektekatalogs für typische Bestandsgebäude in Wien, Generierung von as-built BIM-Modellen und darauffolgende Hochskalierung auf Stadt‐Ebene. 10 Use Cases, welche einen großen Teil der für Wien typischen Baualtersklassen abdecken, wurden erfasst, um damit eine Hochskalierung auf Stadt-Ebene zu ermöglichen. Finales Ziel war die Generierung einer GIS‐basierten Urban Mining Plattform, welche die erlangten Informationen der einzelnen Use Cases einbettet, sowie die Recyclingpotentiale, Materialflüsse und Abfallmassen prognostiziert. Zudem konnte ein Framework, welches die Umsetzung von Urban Mining Strategien ermöglicht, entwickelt werden. Das Framework zeigt alle Einzelschritte sowie die angewandten Methoden.

Das Projekt stellt somit die Fortsetzung des im Forschungsprojekt SCI_BIM (Honic et a., 2021) entwickelten Rahmenwerks für die integrale Ermittlung von Geometrie und Material durch Kopplung von Laserscan und GPR-Technologie zwecks semiautomatisierter BIM-Modell Erstellung dar. SCI_BIM zeigte, dass die GPR-Technologie weitere Tests benötigt um a) Anwendung an unterschiedlichen Konstruktionstypen und b) eine Materialdatenbank aufzubauen, welche die Effizienz der Materialermittlung wesentlich steigern würde.

Methodische Vorgehensweise und Ausblick

Innerhalb von Wien wurden zehn Gebäude mit dem Fokus, die verwendeten Materialitäten zu identifizieren, aufgenommen. Vorgegangen wurde hier einerseits mit invasiven Methoden, also dem Öffnen verschiedenere Bauteile durch z.B. Bohren oder Aufstemmen, als auch nicht invasiven Methoden wie Fotodokumentationen, Laserscans (hauptsächlich für Geometriedaten) als auch den GPR-Scans. Aufbereitet wurden die Daten in sogenannten Aufbautenlisten. Diese beschreiben die vorgefundenen Bauteilaufbauten in Form von Schichtdicke, Material und Rohdichten, und dienten als Basis für eine BIM-Modellierung, als auch als Vergleichsdaten für die GPR-Datensätze, bzw. Trainingsdaten für einen ML Algorithmus, welcher die GPR-Daten in Zukunft automatisch diesen Aufbauten zuweisen sollte. Die erstellten BIM-Modelle dienten als Basis für die Materialmassenauswertung, da in diesen jeder Bauteil erfasst und einem Aufbau zugeordnet wurde. Die ausgewerteten Materialmassen pro Use Case konnten des Weiteren anhand von Informationen über die Gebäudenutzung und die Bauperiode, in welcher das Gebäude erbaut wurde, mit einer bestehenden Geoinformationssystem-Datenbank verbunden werden. Dadurch wurde eine Hochskalierung und somit eine Prognose der verbauten Materialmassen in der Stadt Wien ermöglicht. Im Wesentlichen konnte ein gesamtheitliches Framework für die Gebäudeaufnahme im Bestand bis hin zur Hochskalierung von Materialmassen auf Stadtebene erstellt werden. Es wurde somit eine Basis für weitere Forschungsvorhaben geschaffen, welchen den Fokus auf das Koppeln von BIM und GIS legen, als auch die Weiterentwicklung der Scanmethode GPR und dessen automatisierte Auswertungen in Verbindung mit einem BIM-Objektkatalog. Gleichzeitig wurde eine Evaluierungs¬methodik entwickelt, die eine Einstufung des Wiederverwendungs- und Recyclingpotentials von Baustoffen des Gebäudebestands unter Berücksichtigung vorhandener Stör- und Schadstoffe erlaubt.

Projektleitung

Technische Universität Wien, Institut für interdisziplinäres Bauprozessmanagement - Integrale Bauplanung und Industriebau

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• TU Wien, Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Fak. Für Bauingenieurwesen (TU-FAR)
• TU Wien, Institut für Visual Computing & Human-Centered Technology, Fak. für Informatik (TU-VC)
• TU Wien, Institut für Architekturwissenschaften, Digitale Architektur und Raumplanung, Fak. für Architektur und Raumplanung (TU-DAP)
• Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG)
• Österreichisches Institut für Bauen und Ökologie GmbH (IBO)
• RM Umweltkonsulenten ZT GmbH (RMU)

Technische Universität Wien,
Institut für interdisziplinäres Bauprozessmanagement:
Integrale Bauplanung und Industriebau
Dipl.-Ing. Dr. Meliha Honic
Karlsplatz 13/E234-2
A-1040 Wien
Tel.: +43 (1) 58801-21543
E-Mail: meliha.honic@tuwien.ac.at
Web: www.industriebau.tuwien.ac.at/forschung/forschungsprojekte/bimstocks/