Gebäude verursachen etwa ein Drittel des globalen Energieverbrauchs und ein Viertel der CO2‑Emissionen. Zudem entfallen in Nichtwohngebäuden 20 bis 30% des Gebäudeenergiebedarfs auf die Beleuchtung. Eine integrierte Planung und Regelung erschließt Tageslichtpotenziale, verbessert Komfort sowie lichttechnische Qualität und berücksichtigt Wechselwirkungen mit der thermischen Performance. Vereinfachte Nutzungsannahmen in der Planung und heterogene Nutzerpräferenzen und hohe Nutzerdynamiken führen häufig dazu, dass implementierte Steuerungen nicht selten von den intendierten Zielen abweichen. Post-Occupancy Evaluation stellen für das Facility Management eine Möglichkeit dar, Steuerungen nach Inbetriebnahme an reale Nutzungsmuster anzupassen. In der Praxis verhindern jedoch proprietäre Systemlandschaften und mangelnde Transparenz durch die Vielzahl an Schnittstellen zwischen Planung, Ausführung und Betrieb eine konsequente Umsetzung integraler Systeme.

Building Information Modeling (BIM) etabliert sich als interoperable, zentrale Informationsbasis (bspw. über IFC und gbXML) für Analysen, Simulation und FM-Anwendungen, bildet aber Regelungslogiken, Sensorik und dynamische Parameter noch unzureichend ab. Digitale Zwillinge (DT) erweitern BIM um bidirektionale Echtzeitdaten, ermöglichen Überwachung, adaptive Regelung, virtuelle und kontinuierliche Inbetriebnahmen und helfen, Performance Gaps zu reduzieren, vorausgesetzt Steuerungslogiken, Topologien und Schnittstellen sind als Single Source of Truth modelliert. Hier setzt das Forschungsprojekt TwinLight an, indem es die Entwicklung von Steuerungen in BIM ermöglicht, sie über eine bidirektionale Architektur mit Betriebsdaten koppelt, offene Schnittstellen und organisiert Zusammenarbeit etabliert sowie Datenmanagement und Inbetriebnahme nach Open‑BIM‑Prinzipien unter Einsatz domänenspezifischer Sprachen und Repositorien ermöglicht. Dadurch werden integrale Lichtstrategien praxistauglich, transparent und lebenszyklusfähig.

Eine projektbezogene Literaturrecherche von 57 relevanten Arbeiten führt auf, dass es die Erweiterung von BIM um dynamische Betriebsdaten, standardisierte Schnittstellen zu Energie- und Tageslichtsimulationen sowie durchgängige Workflows von der Modell- zur Implementierungsebene notwendig sind. Mangelnde Interoperabilität bleibt die Hauptbarriere. Beleuchtung ist in Forschung und DT-Anwendungen deutlich unterrepräsentiert, während HLK dominiert. Eine ergänzende Marktstudie (165 verwertbare Rückmeldungen) bestätigt, dass BIM als relevant wahrgenommen wird, Transparenz und bessere Zusammenarbeit bietet, aber häufig an Schnittstellen, Interoperabilität, Zeitaufwand und Qualifikationen scheitert. Nutzerbezogene Daten werden selten erfasst, wodurch Komfort‑ und Effizienzpotenziale ungenutzt bleiben. Kleine Unternehmen leiden unter Ressourcen- und Kompetenzengpässen, große Unternehmen an Schnittstellen und semantischen Inkonsistenzen. Open‑BIM, modulare Systeme und gestufte Einführungen mit klaren Rollen und Lernprozessen werden über die Studien als empfohlene Maßnahmen abgeleitet.

TwinLight erweitert BIM gezielt um Funktionen für Modellierung, Parametrisierung und Auto‑Inbetriebnahme von Gebäudeautomation und schafft so die Basis für Digitale Zwillinge. Kern ist eine grafische und textuelle domänenspezifische Sprache (DSL) in Revit samt Add‑in. Steuerungskomponenten werden darüber als Revit‑Familien mit eindeutiger ID und technischen Parametern platziert, topologisch verbunden, als 2D‑Schemata und dot‑Graphen exportiertierbar gemacht. In der BIM-basierten Umgebung werden so Steuerungen konfiguriert, simuliert, validiert, optimiert und automatisiert auf das physische System übertragen. Integrierte Regeln prüfen Umsetzungen automatisch auf Konsistenz. Für die Modellkontrolle werden IFC‑Modelle regelbasiert per semantischem Reasoning geprüft. Dabei werden nachvollziehbare Prüfberichte geliefert, wodurch Fehler vor der physischen Umsetzung abgefangen werden. Über die DSL werden Laufzeitartefakte generiert. Eine offene, konfigurierbare Middleware nutzt das angereicherte BIM‑Modell als Single Source of Truth, erzeugt automatisch Konfigurationen, verbindet sich zu den physischen Steuerungskomponenten und realisiert bidirektionale Datenflüsse. Die Middleware-Architektur umfasst insbesondere CQRS, ein homogenes JSON‑Datenmodell, InfluxDB für Zeitreihen und OAuth2. Indem aus dem Modell generierte Konfigurationen die Middleware speisen und Echtzeitdaten zurückkoppeln, wird mit der TwinLight-Systemarchitektur von BIM zum DT realisiert, welcher vollumfängliche Evaluierungen, kontinuierliche Systemoptimierungen und phasenübergreifende Nachvollziehbarkeit zwischen unterschiedlichen Stakeholdern zur Steuerung ermöglicht. Die Systemarchitektur wurde auf die Gewerke Tages- und Kunstlicht getestet. Eine generische Ausgestaltung der Tools und Workflows erlaubt jedoch eine Erweiterbarkeit auf andere Systeme.

Zur iterativen Entwicklung der TwinLight-Systemarchitektur und Evaluation der geschaffenen Workflows wurde ein Living Lab der Universität Innsbruck herangezogen, um Akzeptanz und Energieeffizienz unter Realbedingungen zu prüfen. Der gesamte Kommissionierungsworkflow, d.h. Validierung, Artefaktgenerierung und Initialisierung wurde an diesem realen Studiensetting erprobt. Eine TAM‑Studie (n=23) ergab insgesamt positive Bewertungen, besonders für das Revit‑Plugin und die DT‑Interaktion; Schulung verbessert die wahrgenommene Bedienbarkeit.

Projektleitung

Zumtobel Lighting GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Hella Sonnen- und Wetterschutztechnik GmbH
• Universität Innsbruck, Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften, Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen
• Universität Innsbruck, Department of Computer Science

Johannes Beiter
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