Reconsidering digital deconstruction, reuse and recycle processes using BIM and Blockchain (DiCYCLE)

Abstract

Motivation und Forschungsfrage: Die zunehmende Digitalisierung und somit evident voranschreitende Veränderung und notwendige Flexibilisierung in der AEC Industrie verlangt neue Geschäftsmodelle, Vorgehensweisen und Prozesse. Hilfe bieten auf der einen Seite bereits bestehende, aber nicht zu ihrem vollen Potential ausgenutzte Technologien wie BIM; auf der anderen Seite bieten technologische Fortschritte wie Blockchain und Smart Contracts Unterstützung. Gemeinsam ergeben sich neue Möglichkeiten zur Automatisierung von Prozessen in der Wertschöpfungskette und für mehr Transparenz im Gebäude-Lebenszyklus, wodurch die Nachverfolgung und Überprüfbarkeit von Datenänderungen von der Planung bis zum Abbruch, das Reuse- und Recycling-Potential in der Um- und Rückbauphase [End-of-Life (E-o-L)] optimiert und erhöht werden kann. In DiCYCLE werden folgende Forschungsfragen untersucht: Wie lassen sich E-o-L Prozesse standardisieren und für eine Digitalisierung adaptieren, um ein optimiertes Reuse und Recycling zu ermöglichen?; Welche E-o-L-Datenbestände ändern sich über die Zeit und müssen in BIM kontinuierlich und nachvollziehbar für E-o-L integriert werden?; Wie lassen sich diese Prozesse in neuen digitalen Geschäftsmodellen realisieren und durch Blockchain (BC) und Smart Contracts (SC) nachverfolgbar, überprüfbar und transparent umsetzen? Ausgangssituation/Status Quo: Die Digitalisierung in der AEC (architecture, engineering, construction)-Industrie schreitet zögerlich voran und bringt große Herausforderungen mit sich, die sich auch in der langsamen Anwendung innovativer Technologien widerspiegeln. Für die Umsetzung digitaler Technologien und Methoden im Gebäude-Lebenszyklus (LZ) ist es notwendig, Abläufe und Arbeitsweisen in der Planung, Bau, Betrieb, sowie Um- und Rückbau (End of Life [E-o-L]) zu erfassen und für die Einbettung digitaler Technologien zu adaptieren. Derzeitig verfügbare Softwaretools entsprechen noch immer nicht den Praktiken und Workflows der End-Nutzer, da Building Information Modeling-gestützte Gebäudemodelle (BIM-Modelle) von vielen verschiedenen Teilhabern in Planung, Bau und Betrieb meist isoliert sowie nur Phasen- und Domänen-spezifisch genutzt werden. Für eine BIM-basierte Um- und Rückbauphase (End-of-Life) sind außerdem standardisierte Prozesse notwendig, die auch eine Implementierung digitaler Tools ermöglichen. Projekt-Inhalte und Zielsetzungen:Das Ziel von DiCYCLE ist es, End-of-Life-Prozesse im Bauwesen zu analysieren, abzubilden und durch Kopplung digitaler Technologien – BIM, BC und SC - zu optimieren. Daraus entstehen neue Geschäftsmodelle und nachhaltige digitalisierte Bau- und Planungsprozesse, die eine Wiederverwendung (Reuse) und Wiederverwertung (Recycling) von Baumaterialen und Bauelementen entlang des Lebenszyklus ermöglichen sowie Modellverantwortliche und ihre Rollen klar definieren. Mit dem entwickelten integralen DiCYCLE Framework für E-o-L-Pozesse werden relevante Daten mit BIM integriert, über BC überprüfbar und nachverfolgbar gestaltet und schlussendlich für den gesamten Lebenszyklus verkettet, womit eine transparente, recyclinggerechte Erfassung und Nachverfolgung von Bauelementen und Baumaterialen unterstützt, und Bau- und Abbruchabfälle im Sinne der Kreislaufwirtschaft minimiert werden können. Methodische Vorgehensweise: Folgende Aspekte sind im Fokus dieses Forschungsvorhabens: einerseits Building Information Modeling-gestützte Gebäudemodelle (BIM-Modelle), die dem tatsächlich ausgeführten Zustand entsprechen („as-built“), und andererseits Prozessflüsse, die sowohl Datenänderungen als auch ausgeführte Bauarbeiten beschreiben. Dabei werden Datenstrukturen für E-o-L-relevante Informationen identifiziert und mit BIM verknüpft. Die Integration der dafür notwendigen Datenbestände und die Mechanismen zur Überprüfbarkeit über BC-basierende Technologien und SC sollen zur Wiederverwendung und -verwertung der Baumaterialien und Bauelemente eines durchgängigen digitalen Bauwerksmodells entwickelt werden und frühzeitige E-o-L-Assessments ermöglichen. Zudem wird ein Framework als Proof-of-Concept entwickelt, welches die Umsetzung von BIM, BC und SC in E-o-L ermöglicht. Das Projekt stellt somit die Fortsetzung des in den Forschungsprojekten BIMd.sign und FMChain entwickelten Rahmenwerks für die Implementierung von BC und SC in einer BIM-gestützten Planung (BIMd.sign) und Betrieb (FMChain) dar. Die Innovation des Projekts liegt folglich in der integrativen Sichtweis von E-o-L Daten und Prozessen, deren Kopplung mit BIM und Überprüfbarkeit/Nachverfolgung durch BC und SC. Szenarien für die Umsetzung von BC und SC unterschiedlicher Geschäftsmodelle werden an Testfällen erprobt und evaluiert. Letztlich werden die notwendigen Datenbestände für die BIM und SC-gestützten E-o-L-Prozesse (z. B. Key Performance Indikatoren) exemplarisch mit der Planungsphase integriert (BIM „as-planned“), um eine E-o-L-Prädiktion bereits in den frühesten Planungsphasen zu ermöglichen. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Szenarien für die Umsetzung von BC und SC der unterschiedlichen digitalen Geschäftsmodelle wurden an Testfällen erprobt und evaluiert. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde mit dem Framework DiCYCLE ein dezentrales, vertrauenswürdiges Tool für Prozessmanagement im Baubereich entwickelt. Dieses adressiert zentrale Herausforderungen im Umgang mit sensiblen Prozessdaten und der Sicherstellung von Datenintegrität – insbesondere im Kontext des Reuse und des Recyclings von Baumaterialien, indem es zeigt, wie digitale Technologien als Grundlage für transparente, nachhaltige und ressourcenschonende Prozesse eingesetzt werden können. Neue Geschäftsmodelle und E-o-L-Strategien können abgeleitet werden und als Planungs- und Entscheidungshilfe für Gebäudeeigentümer:innen/Investor:innen dienen und damit generell die „Circular Economy" im Bauwesen stärken. DiCYCLE schafft somit einen wissenschaftlich fundierten Beitrag für die Digitalisierung der Wertschöpfungsprozesse der Kreislaufwirtschaft in AEC. Ausblick: Ein zukunftsrelevantes Thema, das sich im Projektverlauf abgezeichnet hat, ist die Einführung digitaler Produktpässe (DPPs) auf europäischer Ebene, die ab 2027 schrittweise verpflichtend werden. Diese Entwicklung eröffnet ein neues Anwendungsfeld für Blockchain-basierte Nachweise, etwa bei der Dokumentation von Materialeigenschaften, Recyclingquoten oder Umweltauswirkungen von Produkten. Insbesondere im Bereich des Bauens und Recyclings könnte das Framework DiCYCLE hier als unterstützende Infrastruktur dienen – entweder ergänzend zu bestehenden Systemen oder für bislang ungeregelte Prozesse.