Digitalisierung im Facility Management – Teil 1 : Fehlt die Integration, fehlt auch die Effizienz

In der Entwurfsphase von Gebäuden sind oft nur begrenzte Informationen über das energetisch relevante Nutzerverhalten verfügbar, sodass standardisierte Modelle zur Planung herangezogen werden. Abweichungen zum realen Nutzerverhalten kann jedoch einen ineffizienten Betrieb zur Folge haben. Um diesen zu vermeiden und nicht notwendige energetische Verbräuche zu minimieren, sind nachträgliche Systemanpassungen erforderlich. 

Eine durchgeführte Marktumfrage untersucht den Einfluss von Building Information Modeling (BIM) und Steuerungen im Facility Management (FM) und wie diese bei nachträglichen Systemverbesserungen unterstützen können. Die Umfrageergebnisse führen auf, dass BIM Vorteile für Planung und Betrieb bieten kann. Jedoch verhindern mangelnde Interoperabilität, hohe Kosten und unzureichendes Know-how eine breitere Anwendung im Betrieb. Datenmonitoring, insbesondere zur Energieeffizienzsteigerung, wird als wesentlich erkannt, doch fehlen oft feingranulare Nutzerdaten. Zu Computer-Aided Facility Management (CAFM) fehlen oft geeignete Schnittstellen. Eine engere Integration von BIM, CAFM und Steuerungssystemen könnte betriebliche Effizienz und Energieeinsparungen erheblich verbessern. Digitale Zwillinge (DT) können hierbei eine zentrale Rolle spielen.

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Da in der Gebäudeentwurfsphase kaum Informationen über das Belegungsverhalten und über die Präferenzen von Nutzer*innen zur Verfügung stehen, erfolgen hierzu Annahmen mittels standardisierter Modelle, um gebäudetechnische Systeme und Steuerungen zu planen und zu spezifizieren^[1]. Es zeigt sich jedoch, dass Nutzeraspekte stark zwischen Organisationen variieren können und sich nicht immer in standardisierten Modellen widerspiegeln^[2]. Da diese Nutzeraspekte einen erheblichen Einfluss auf den Energiebedarf haben, kann eine unzureichende Berücksichtigung in einem energetisch ineffizienten Anlagenbetrieb resultieren^[3]. 

Erfolgskontrollen, respektive Post-Occupancy Evaluation (POE), und Phasen erweiterter Inbetriebnahmen können helfen, Optimierungspotenziale zu identifizieren, Nutzeraspekte in Steuerungen abzubilden und Gewerke besser aufeinander abzustimmen^[4]. Gebäudesteuerungen als zentraler Knotenpunkt für Sensoren und Aktorzustände können notwendige Betriebsdaten für die Evaluierungen liefern. Da der Gebäudebetrieb die teuerste Lebenszyklusphase darstellt^[5] und der Gebäudesektor ein Drittel des weltweiten Energiebedarfs ausmacht^[6], sind Technologien zur Datenerfassung, Analyse und Optimierung der Gebäudesteuerung essenziell. Darüber hinaus hat der Gebäudebetrieb einen starken Einfluss auf Komfort und Gesundheit der Nutzer*innen. Die damit verbundenen Anforderungen gilt es in der Steuerung zu berücksichtigen. Wie gut diese Anforderungen berücksichtigt werden, spiegelt sich in der Nutzerakzeptanz wider.

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Die Sicherstellung eines effizienten Anlagenbetriebs und der Nutzerzufriedenheit obliegt in der Regel dem Facility Management (FM). Dieser Prozess kann sich jedoch als arbeitsintensiv erweisen. Ergänzend kommt hinzu, dass bestehende Arbeitsaufgaben bereits ressourcenintensiv sein können, wie die digitale Objektverwaltung. Building Information Modeling (BIM) als zentrale Informationsquelle verspricht den Kommunikations- und Datenaustausch im Gebäudelebenszyklus zu verbessern, wodurch eine effizientere Planung und ein optimierter Betrieb ermöglicht werden können^{[1, 5]}. BIM und digitale Zwillinge (DT) könnten so in Kopplung mit POE einen Rahmen für Betreiber und FM bieten, um im Nachgang notwendige Erfolgskontrollen und erweiterte Inbetriebnahmen effizient abzuwickeln.

Ausgehend von dieser Problemstellung erfolgte eine Marktumfrage, um die Vorteile der BIM-Technologie am Beispiel (Beleuchtungs-)Steuerung herauszustellen, bestehende Herausforderungen zu identifizieren und mögliche Lösungsansätze abzuleiten^{(vgl. [7])}. Die Umfrage adressierte mehrere Zielgruppen, um ein umfassendes Bild des Marktes zu diesen Themen zu schaffen. 

Über verschiedene Branchenverbände sowie nationale und internationale Kooperationsplattformen wurde die Umfrage verbreitet. Zu den genutzten Kanälen zählte die Facility Management Austria (FMA), die German Facility Management Association (gefma) und die international Facility Management Association (IFMA - Switzerland Chapter) sowie die lichttechnischen Gesellschaften aus Österreich, Deutschland und Italien, die International Commission on Illumination (CIE) und die International Energy Agency (IEA, speziell IEA SHC Task 70). Insgesamt konnten 165 verwertbare Rückläufe erzielt werden. Neben dem Facility Management erfolgten Rückläufe insbesondere aus den Zielgruppen produzierendes Gewerbe, Fachplanung/Architektur sowie der Teilnehmergruppe Forschung und Entwicklung (F&E) – siehe Abbildung 1. Die meisten Teilnehmer*innen aus dem Bereich Facility Management betreuten Bürogebäude (Abbildung 2).

Die Befragung war so konzipiert, dass die Fragen auf die jeweiligen Interessensgruppen und deren Wirkungsbereich zugeschnitten wurden. Darüber hinaus wurde die persönliche Qualifikation berücksichtigt, sodass die Fragenzahl je nach thematischem Fachwissen zwischen 18 und 32 variierte. Zudem konnten Fragen stets umgangen werden. Die Umfrage wurde als Online-Befragung im Sommer 2023 durchgeführt. Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse fokussieren sich auf die Zielgruppe Facility Management. Für die vollständigen Ergebnisse sei auf die Studie von Hammes et al. verwiesen, siehe^[7]. Eine Übersicht aller Fragen findet sich in^[8].

BIM wird in der Literatur als vorteilhaft für die Transparenz im Bauprozess, für eine effizientere Planung und für einen auf die Zielgrößen optimierten Gebäudebetrieb beschrieben^{[9, 10]}. Diese Vorteile werden auch in der durchgeführten Umfrage von der Architektur-, Ingenieur- und Baubranche erkannt^[7]. Mit der Gebäudeprojektierung in BIM entsteht eine digitale Konstruktion, angereichert mit Informationen der einzelnen Elemente und deren Beziehung zu ihrer Umgebung^[11]. 

Gebäudeeigentümer*innen erkennen zunehmend das Potenzial von BIM für den Betrieb, insbesondere zur Archivierung von Bestandsinformationen und Unterstützung des Facility Managements^[12]. Das derzeitige Verfehlen einer breiten Marktdurchdringung wird insbesondere an unzureichender Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen, Arbeits- und Kostenaufwänden sowie an unzureichend geschultem Personal festgemacht^[13]. Die Literatur weist zahlreiche Lösungen im FM-Bereich mit den Vorteilen von BIM aus^[14], jedoch wird BIM nicht immer nach der Inbetriebnahme übernommen^[15]. Trotz dieser Herausforderungen empfiehlt sich eine Nutzung von BIM im Facility Management, da durch Abbildung zahlreicher relevanter As-Built Informationen FM-Arbeitstätigkeiten hinsichtlich der Effizienz verbessert werden können^[16]. Voraussetzung für eine BIM As-Built wäre nicht nur der einmalige Abgleich mit der tatsächlichen Bauausführung, sondern eine laufende Aktualisierung und Anpassung an die jeweiligen Änderungen.

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Computer-Aided Facility Management (CAFM) und vergleichbare softwaregestützte Lösung zur effizienten Verwaltung, Steuerung und Wartung von Gebäuden, bzw. deren technischen Anlagen, werden von 63 Prozent der Teilnehmer*innen aus der Zielgruppe FM genutzt (34 Prozent nutzen kein CAFM, 3 Prozent gaben keine Aussage hierzu). Die Mehrheit der CAFM-Anwender*innen (64 Prozent) nutzen solch softwaregestützte Support-Lösungen in all ihren Gebäuden, 18 Prozent für einen Großteil der betreuten Liegenschaften und weitere 18 Prozent lediglich für einen geringen Anteil der Gebäude. 

Die wesentlichen Vorteile liegen in einem effizienteren administrativen Gebäudemanagement (26 Prozent) und der Ausgabe von Wartungsintervallen (22 Prozent) sowie der Systemüberwachung (15 Prozent, vgl. Abbildung 3). Die datengestützte Optimierung genießt mit 9 Prozent moderate Relevanz. Predictive Maintenance, welches durch IoT und maschinelles Lernen unterstützt wird, könnte die Wartung optimieren, kritische Ausfälle und Arbeitsaufwände reduzieren und eine Echtzeitüberwachung von Gebäuden sichern^{[17, 18]}. 

Hindernisse von CAFM-Anwendungen lassen sich insbesondere in fehlenden digitalen Gebäudemodellen festmachen (BIM endet meist mit Inbetriebnahme^[15]), hohen Zeitaufwänden und mangelnde Schnittstellen zu Planungs- und Simulationstools^[7] – siehe Abbildung 4. Letztere Herausforderungen weisen Synergien zu denen im Bereich BIM auf. 

Die fehlende Interoperabilität zwischen Systemen resultiert meist in ineffizienten Arbeitsprozessen und erschwert die Ursachenanalyse technischer Probleme. Eine Integration von CAFM-Tools im BIM könnte diese Probleme lösen, indem Betriebsdaten mit Planungs- und Bauinformationen verknüpft werden. Dass dies bisher noch wenig bis keine praktische Anwendung findet, ist mitunter darauf zurückzuführen, dass das FM nicht in der Modellerstellung einbezogen wird. Dadurch sind für das FM relevante Informationen auch nicht im BIM enthalten^[15] und es werden keine Systemschnittstellen zu CAFM-Tools ausgebildet. 

Die erfolgreiche Durchführung von Erfolgskontrollen und die Ableitungen von Verbesserungsmaßnahmen sind gekoppelt an die Aufnahme und Verwertung relevanter energetischer Parameter. Datenmonitorings erweisen sich als dementsprechend wichtig. Dies wird auch marktseitig erkannt. 76 Prozent der Umfrageteilnehmer*innen nutzen ein Datenmonitoring zum Gebäudemanagement (21 Prozent nutzen kein Monitoring, 3 Prozent gaben keine Aussage hierzu). Gemäß der Marktumfrage sind die meisten Daten, die in Monitoring-Anwendungen abgebildet werden, Energieverbrauchswerte. 96 Prozent jener FM-Teilnehmer*innen, die ein Monitoring nutzen, haben diese Daten in ihren Tools abgebildet, jedoch nicht immer aufgelöst nach einzelnen gewerkspezifischen Gebäudesystemen (vgl. Abbildung 5). Generell ist die Auflösung von Daten meist auf Gebäudeebene, statt raumbezogen, bzw. noch feiner aufgelöst, was POE und die Berücksichtigung von Nutzeraspekten zu Energieeffizienzsteigerungen erschwert (Abbildung 6).

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Weiter zeigt sich, dass CAFM-Tools vornehmlich administrative Daten abbilden (vgl. Abbildung 7), die entsprechend Abbildung 3 als vorteilhaft ausgewiesen werden. Entsprechend Abbildung 5 sind die energetisch relevanten Nutzeraspekte, wie das Belegungsverhalten, meist nicht abgebildet. Zur Analyse sind sowohl Echtzeitdaten als auch historische Daten von Bedeutung^[19]. Echtzeitdaten werden derzeit nur unzureichend abgebildet (Abbildung 7), was in Kombination mit einer Datenauflösungen auf Gebäudeebene die Durchführung von POE und die Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen erschwert, bzw. gar verhindert. 

Die Relevanz der Datenqualität wird im Allgemeinen sehr hoch bewertet (91 Prozent, und 9 Prozent moderate Relevanz). Dabei weist eine Mehrheit von 76 Prozent der Umfrageteilnehmer*innen einen positiven Zusammenhang zwischen der Nutzung von BIM/CAFM und der Datenqualität aus (9 Prozent keine Relevanz, 15 Prozent tätigten keine Aussage hierzu). Bei der Datenqualität bestehen Abhängigkeiten zu Technologie, Position, Erfassungsbereich und Anzahl der Sensoren^[20]. Um Erfolgskontrollen und nachträgliche Systemverbesserung effizient umzusetzen, bedarf es daher einer höheren Auflösung und einer verstärkten Erfassung nutzerbezogener Größen. Dabei wird Datenschutz seitens des FM weniger kritisch als Hindernis ausgewiesen (13 Prozent), als zusätzlicher Arbeitsaufwand (50 Prozent) und höhere Systemkomplexität (37 Prozent).

Die Marktbefragung zeigt, dass die Fachplanung maßgeblich Entscheidungen zu Steuerung und Sensorik treffen, jedoch nach Inbetriebnahme zu diesen Themen wenig bis gar nicht mehr eingebunden ist. Zudem bewertet die Zielgruppe Fachplanung Systemanpassungen, Erfolgskontrollen und Fehlerdetektionen mit geringer Relevanz. Der Fokus liegt stärker auf Energiemanagement, Monitoring und Wartung^[7]. Dies spiegelt sich auch in den verfügbaren Monitoring-Daten wider (vgl. Abbildung 5 und Abbildung 7). 

Die Fachplanung bestimmt über Sensorauswahl und Einschätzung zur potenziellen Verwertung die verfügbaren Informationen im Monitoring und deren Auflösung. Die geringe Relevanz, die seitens der Fachplanung Erfolgskontrollen und nachträglichen Systemanpassungen zugeschrieben wird, kann insbesondere an dem geringen Einfluss festgemacht werden, welcher nach der Inbetriebnahme noch besteht. Das FM hat kaum Einfluss auf Steuerungsanpassungen (72 Prozent), obwohl ein Großteil der Umfrageteilnehmer*innen dies gerne hätte. Unzureichende Schnittstellen, fehlendes Know-how und keine Adaptionsmöglichkeiten werden als Herausforderungen genannt und weniger haftungsrechtliche Gründe, siehe Abbildung 8. Voraussetzung hierfür wäre allerdings ein BIM As-Built und dessen laufende Anpassung.

Um Probleme in der Steuerung zu lösen, zielen aktuelle Forschungsarbeiten auf die Abbildung von Steuerungen in BIM. Dadurch sollen Hindernisse unzureichender Transparenz gelöst und Verantwortlichkeiten besser zugewiesen werden. Die Steuerung als zentrale Komponente des Gebäudebetriebs bietet Informationen zu Aktorzuständen und Sensorik. Eine Rückführung dieser Daten im BIM ermöglicht die Transformation zum digitalen Zwilling. Eine geeignete Middleware-Architektur kann dabei als Kommunikationsplattform dienen und Interoperabilität zwischen den Systemen schaffen^{(vgl. [21])}.

Eine Einschätzung des FM zu verschiedenen Themen und deren Relevanz in der künftigen Baubranche zeigt, dass die herausgestellten Post-Occupancy Evaluation mit hoher Relevanz bewertet wird (Abbildung 9). Dies verdeutlicht die wachsende Bedeutung digitaler Technologien und datengetriebener Analysen im Gebäudemanagement. Besonders die Integration von BIM und CAFM wird als entscheidend für eine effiziente und nachhaltige Entwicklung der Baubranche angesehen. Zudem werden integrale Gebäudesysteme hoch bewertet. Nur 6 Prozent der Teilnehmer*innen aus dem Bereich Facility Management betreuen ein einzelnes Gewerk, die Mehrheit betreut vier oder mehr Gewerke, bspw. Heizung, Lüftung, Klima und Kunstlicht. 

Detailliertes Monitoring hat sich bereits vielfach bei der Inbetriebnahme sowie Phasen erweiterter Inbetriebnahmen bewährt^{(vgl. Verbesserungsmethoden in [22, 23])}. Ein kontinuierliches Gewerke-übergreifendes Gebäudemonitoring könnte künftig die Brücke zum digitalen Zwilling als Einheit aus BIM und datengetriebenem CAFM schlagen.

Die Untersuchung zeigt, dass fehlendes Know-how und unzureichende Schnittstellen die Hauptgründe für die bisher eingeschränkte Nutzung von BIM im Gebäudebetrieb sind. Die Nutzung von Daten, welche Nutzeraspekte abbilden, und die Option, Steuerungen im Nachgang zu adaptieren, werden als Lösungen identifiziert, um POE und Phasen erweiterter Inbetriebnahmen zu ermöglichen. Dadurch könnten weitere Energieeffizienzsteigerungen erzielt und betriebliche Optimierung gewährleistet werden. 

Obwohl dies auf Basis aktueller Systeme erreichbar wäre, da Datenaufzeichnungen grundsätzlich bereits möglich sind, erweist es sich jedoch als äußerst unrealistisch, dass die erfassten Daten im Hinblick auf die bestehende Systemvielfalt eine nachhaltige Verwertbarkeit in FM-Anwendungen finden können. Um die notwendige Schnittstellenstandardisierung zu erreichen, wäre die Digitalisierung der bestehenden Prozesse eine Grundvoraussetzung, welche BIM grundsätzlich fördern könnte, da es bereits in vielen Planungsbereichen Anwendung findet. Aktuell fehlt es hierfür jedoch nicht nur an notwendigen Spezifikationen, sondern auch daran, die Möglichkeiten und Verwertungspotenziale von BIM richtig zu denken und vor allem zu budgetieren. 

Für Planende endet der Auftrag oft dann, wenn für das Facility Management die Arbeit beginnt. Eine verbesserte Verwertbarkeit der Systeme zu schaffen, erweist sich dementsprechend für Planende insofern nicht als attraktiv, da dies in höheren Aufwänden ohne Eigenwert resultieren würde. Die Forschung versucht hierfür aktuell mittels verbesserter Workflows und digitaler Ansätze einen effizienten und nachhaltigen Beitrag zu schaffen. Damit dies jedoch langfristig auch zielführend zur Lösung bestehender Probleme beiträgt, empfiehlt es sich das Facility Management als maßgeblichen Systemverwerter bereits frühzeitig in die Lösungsfindung miteinzubeziehen. Die Vision wäre ein durchgängiger BIM-Prozess von der Vorplanung bis zum Betrieb, welcher simulationsgestützt sowohl Nutzerbedürfnisse als auch FM-Belange integriert. In den Forschungsprojekten BIM2BEMFlow^[24] und TwinLight^[25] wurden hierfür bereits Grundlagen gelegt.

>>> Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Marktbefragung und den daraus identifizierten Problemstellungen haben die Forschenden auch Lösungsansätze für Planung und Gebäudebetrieb vorgestellt. Hier geht's zum zweiten Teil!