Modular. Digital. Integriert. Vorgefertigt - Schlüsselfunktion von TGA-Verbundsystemen beim Modularen Bauen - BIM Center Aachen
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Modular. Digital. Integriert. Vorgefertigt. Schlüsselfunktion von TGA-Verbundsystemen beim Modularen Bauen
Inhaltsverzeichnis
1 Definition relevanter Begriffe 4
2 Executive Summary 6
3 Einleitung 7
4 Status Quo des modularen Bauens 8
4.1 Modulares vs. konventionelles Bauen 9
4.2 Markt und Wettbewerb 9
4.3 Zielgruppen und Interessen 11
4.4 Chancen und Hemmnisse für modulare TGA-Verbundsysteme 11
4.5 Trends 12
5 Identifikation von Anwendungsfällen
für modulare TGA-Verbundsysteme 14
5.1 Als „Prinzip der Vereinfachung“ führt Modularität
zur Komplexitätsreduktion bei der Bauprojektrealisierung 14
5.2 Typologie von drei komplementären Modularisierungsansätzen 23
5.3 Anwendungsfälle für die Vorfertigung von modularen
TGA-Verbundsystemen 16
5.4 Einordnung von modularen TGA-Verbundsystemen
nach Fertigungsprinzipien 18
5.5 Mehrwerte entlang der Wertschöpfungskette Bauen 21
6 Fallstudie Vorfertigung von modularen Medientrassen 26
7 Fallstudie modellbasierte Vorfabrikation von Rohrleitungen 28
8 Implikationen aus Vergaberecht und -praxis 30
8.1 Produktneutralität und Vergabe nach Fachlosen 30
8.2 Vergabepraxis müsste bei der Marktdurchdringung adressiert werden 30
9 Technologischer Ausblick auf modulare TGA-Verbundsysteme 32
9.1 Datenbasiertes Qualitätsmanagement mit As-built BIM-Modellen 32
9.2 Konfiguratoren von individuellen Bauteilen und Baugruppenkataloge 32
9.3 Entwurf von Komponenten und Systemen angepasst an
die Vorfertigung und Montage 33
9.4 Optimierte Datenschnittstellen zwischen Planung und Präfabrikation 33
9.5 Entwicklung von Rapid-on-site Delivery Services und
Baustellenlieferung ins Gebäude 33
10 Bibliography 34
3 Vorwort & Danksagungen Diese Arbeit baut auf vorausgehenden Analysen im Rahmen eines konsortialen Forschungsprojektes im BIM Center Aachen auf. Im Fokus dieser Veröffentlichung steht die Funktion von TGA-Verbundsys- temen beim Modularen Bauen. Neben Markt- und Fallstudien, Experteninterviews, Nutzenanalysen, werden Produktionsprozesse, Implikationen aus Vergaberecht und -Praxis sowie technologischer Lösungsbedarf diskutiert. Die Ergebnisse heben die Schlüsselfunktion von technischen Gewerken bei der Umsetzung von seriellen Bauweisen hervor und zeigen auf, wie vorgefertigte TGA-Verbund- systeme einen Beitrag zum Modularen Bauen leisten können. An dem Forschungsvorhaben waren am BIM Center Aachen beteiligt Lev Kirnats, Prokurist und Pro- jektleiter, Prof. Christoph van Treeck, Geschäftsführer und Leiter des Lehrstuhls für Energieeffizientes Bauen (E3D) an der RTWH, Prof. Jörg Blankenbach, Geschäftsführer und Leiter des Geodätischen Instituts und Lehrstuhls für Bauinformatik & Geoinformationssysteme (GIA), Prof. Dirk Müller, Leiter des Lehrstuhls für Gebäude- und Raumklimatechnik (EBC) am EON ERC und Prof. Jakob Beetz, Leiter des Lehr- und Forschungsgebiet Computergestütztes Entwerfen (CAAD). Das Projektteam bestand aus den wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an den beteiligten vier Institu- ten, Maximilian Schild, David Jansen, Raymond Wollenberg, Noemi Kremer, Mara von Heydebrand, Jan-Niklas Joost, Peter Gölzhäuser und Christopher Meckel. Implikationen aus Vergaberecht wurden seitens der Kanzlei Kappelmann und Partner von Dominik Groß und Dr. Robert Elixmann erarbeitet. Wir danken allen Beteiligten für die gute Zusammenarbeit. Für ihre Beiträge und aufschlussreichen Diskussionen im Rahmen der Arbeitstreffen geht ein großer Dank an die Mitglieder des BIM Centers Aachen aus der Industrie, Frau Heike Kling, Herrn Dr. Nils Krönert und Herrn Daniel Gmeiner des Unternehmens Hilti; Herrn Ulrich Zeppenfeld, Herrn Jens Röcher, Herrn Maximilian Zbocna und Dr. Daniel Rüschen des Unternehmens Viega; Herrn Thorsten Weinert des Unternehmens Viessmann; Herrn Daniel Leitner, Herrn Klaus Pochert und Herrn Jochen Saxe des Unternehmens Trox; sowie Herrn Ersin Ibram, Herrn Roland Kreutzmann und Herrn Michael Scheller des Unternehmens Oventrop. Viele Kolleginnen und Kollegen aus Industrie und Forschung lieferten hilfreiche Beiträge und Rat- schläge. Besonderer Dank geht daher an Herrn Markus Thissen von ROM-Technik, Herrn Jaroslaw Siwiecki und Herrn Nikolas Pauen der E3D-Ingenieurgesellschaft Aachen, Herrn Marc Thiel von ProMaterials, Herrn Klaus Ege der TMM-Group und, last but not least, Herrn Dr. Sven Herbert der Unternehmensgruppe Herbert Anlagenbau. Autoren: Lev Kirnats, Dominik Groß, Christoph van Treeck, Jörg Blankenbach, Jakob Beetz, Dirk Müller
4
2 Definition relevanter Begriffe
Die konventionelle Vor-Ort Bauweise ist am stärksten verbreitet Industrielles Bauen bezeichnet eine zentralisierte Herstellung von
und zeichnet sich durch einen hohen Grad der Individualität und Bauprodukten sowie die Rationalisierung von Arbeitsprozessen mit
einen geringen Grad der Standardisierung aus. Die Prozesse sind Hilfe von industriellen Methoden und Mitteln, die dem derzeitigen
stark handwerklich geprägt. Bauherren haben viele Freiheitsgrade oder zukünftigen technologischen Entwicklungsstand entspre-
bei der Gestaltung, beispielsweise bei der Wahl des Grundrisses chen.4 Im Mittelpunkt steht hierbei die Erreichung von Kosten
oder der Materialien. Eine erhöhte Individualität geht einher mit ei- effizienz und gesteigerter Produktivität sowie Qualität durch die
nem steigenden Planungsaufwand, bedingt durch die mangelnde Ersetzung manueller Arbeit mit automatisierten Prozessen. Mit
Möglichkeit, auf bestehende Planungselemente zurückzugreifen. industriellem Bauen wird in der Baubranche also die industrielle
Ein architektonisch anspruchsvolles Gebäude ist in der Regel Vorfertigung von Bauteilen assoziiert.5
kostenintensiv1.
Serielles Bauen steht im engen Zusammenhang mit industrieller
Vorfertigung im Bauwesen wird definiert als ein Produktionspro- Vorfertigung. Damit wird eine Bauweise bezeichnet, die auf Grund
zess, bei dem Bauteile an einem anderen Ort als dem endgültigen von Standardisierungen einen Wiederholungsfaktor und somit
Einbauort hergestellt werden. Im Anschluss an die Herstellung wer- Lerneffekte sowie Kosten- und Wettbewerbsvorteile impliziert.6
den die Baugruppen auf die Baustelle geliefert und an die endgül- Innerhalb der Vorfertigung können sowohl Planungsprozesse als
tige Position montiert.2 Für den Begriff Vorfertigung wird synonym auch Bauteile und Prozesse standardisiert und infolgedessen
beispielweise Systembau, Modulares Bauen, Serielles Bauen oder nach dem Prinzip der Wiederholbarkeit optimiert werden.7 Bau-
Off-site Construction verwendet.3 Inhaltlich betrachtet haben alle teilkataloge bieten die Möglichkeit standardisierte, vorgefertigte
Begriffe das Konzept der Verlagerung der Baustellenprozesse in Komponenten zu individuellen Gebäuden zu konfigurieren.8 Das
die stationäre Fertigung gemein. gesamte Gebäude bildet damit eine individuelle, dennoch planbare
1
Grundke and Wildemann, Modularisierung im Hausbau.
2
Mao et al., “Cost analysis for sustainable off-site construction based on a multiple-case study in China”.
3
Azman, Ahamad, and Wan Hussin, “Comparative Study on Prefabrication Construction Process”.
4
Schwerdtner, Kumlehn, and Schütte, Kostengünstiger Wohnungsbau.
5
Girmscheid, Industrielles Bauen.
6
Winter, Lechner, and Köhler, “Bauen mit WEITBLICK”.
7
Analyse & Konzepte, “Marktstudie 2017”.
8
Viana, Tommelein, and Formoso, “Using Modularity to Reduce Complexity of Industrialized Building Systems for Mass Customization”.
5
Zusammensetzung aus Subsystemen eines Baukastens. Der Der Leitgedanke des seriellen
Standardisierungsgrad ist für den signifikantesten Kosteneinfluss Bauens ist somit eine hohe
verantwortlich. Der Leitgedanke des seriellen Bauens ist somit eine
hohe Standardisierung nach innen bei einer gleichzeitigen Indivi-
Standardisierung nach innen
dualisierung nach außen. Um die Investitionen in Personal, Anla- bei einer gleichzeitigen Individu
gen und Maschinen, die mit der seriellen Fertigung verbundenen alisierung nach außen.
sind, rechtfertigen zu können, sind hohe Stückzahlen notwendig.9
Voraussetzung für eine Serienfertigung von Bauteilen ist eine un-
gesättigte Nachfrage und ein möglichst stabiler Absatzmarkt.10
Elementbauweise reicht von linearen, skelettbauartigen Elemen- Zu unterscheiden ist zwischen Modularisierung und modularer
ten über einzelne Wandmodule bis hin zu vollständigen Fassa- Bauweise. Allgemein handelt es sich bei Modularisierung um ein
denteilen. Bei der Vorfertigung linearer Elemente ist eine Dimen- Prinzip, welches auf eine Produktarchitektur angewendet werden
sion wesentlich größer als die anderen beiden (1D), während bei kann. Die modulare Bauweise hingegen ist die Anwendung dieses
zweidimensionaler Vorfertigung zwei Dimensionen größer sind als Prinzips auf eine Konstruktion, deren Umsetzung in der Regel mit
die dritte (2D).11 Neben der Primärstruktur und der Gebäudehül- der Vorfertigung einhergeht. Grenzt man den Terminus weiter ein,
le können ebenfalls Elemente der Sekundär- und Tertiärstruktur wird in der Praxis sehr häufig mit einer modularen Bauweise lediglich
eines Gebäudes vorgefertigt werden, das heißt Elemente des In- die Vorfertigung eines volumetrischen Gebäudeteils assoziiert.13
nenausbaus und der technischen Gebäudeausrüstung (TGA).12
Modulbauweise bezeichnet die Vorfertigung von volumetrischen
Bauteilen. Diese dreidimensionale Art der Vorfertigung ermöglicht
einen maximal hohen Grad der Vormontage.
9
Thanoon et al., “THE ESSENTIAL CHARACTERISTICS OF INDUSTRIALISED BUILDING SYSTEM”.
10
Neitzel et al., “Bericht der Baukostensenkungskommission”.
11
Borosnyai, “Vorfertigung in 2D und 3D”.
12
Albus, Dömer, and Drexler, “Vergleichende Untersuchungen vorgefertigter Konstruktionssysteme”.
13
Mohamad, “Managing the Potential of Modularization and Standardization of MEP Systems in Buildings - Guidelines for improvement based on lean principles”.
6
2 Executive Summary
1. Technologiekonvergenz bei technischen Lösungen 2. Mehrwerte für alle Stakeholder
In der Regel ist modulares und serielles Bauen heute noch etwa Die Integration von technischen Gewerken in die Vorferti-
10-20 % teurer als mit konventionellen Methoden. Das Problem gung hat eine Schlüsselfunktion beim Modularen Bauen. Mit
liegt weniger bei den Gewerken des Hochbaus, die gegenwärtig ca. 40 – 120 Tsd. Bauteilen gehört die TGA zum komplexesten
im Fokus der Branche stehen, sondern bei Einzelgewerken der Gewerk im Bauablauf. Modulare TGA-Verbundsysteme könn-
technischen Gebäudeausrüstung und deren vergleichsweise ten durch Vorfertigung multiple Mehrwerte entlang der kom-
hohen Kostensteigerungen. Standardisierung wird zur tech- pletten Wertschöpfungskette für alle involvierten Stakeholder
nologischen Konvergenz von TGA-Verbundsystemen beitragen auslösen, die Koordinationskosten auf der Baustelle deutlich
und den überproportional hohen Kostensteigerungen entgegen- senken, zur Verkürzung der Bauzeit und Erhöhung des Arbeits-
wirken. schutzes beitragen.
3. Neue Kooperationsmodelle notwedig 4. Pilotprojekte im öffentlichen Bau
Geltende Rahmenwerke (Bauverträge, Baupraktiken, Vergabe- Um gewerkeübergreifende Planung und Ausführung von TGA-
verfahren) streben eine klare Zuordnung von Haftungsrisiken an, Verbundsystemen mithilfe der Methodik Building Information
die eine gewerkeübergreifende und systemische Denkweise Modeling (BIM) in der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA)
hemmen und die Zergliederung von Verantwortlichkeiten, Kom- realisieren zu können, ist im Bereich der öffentlichen Vergabe
petenzen und Disziplinen fördern. Aus der Fragmentierung weniger das Vergaberecht als vielmehr die Vergabepraxis zu
der Einzelprozesse und Zuständigkeiten wird eine Komplexität adressieren. Hier müssen gezielt Impulse gesetzt werden, um ein
reproduziert, die insbesondere die koordinierende Gesamt solches TGA-Verbundsystem marktgängig zu machen.
planung im Bauablauf überfordert.
5. Ende des Nischen-Daseins naht 6. Mit Partnerschaften zur besseren Lösung
Auch wenn vereinzelte Hersteller und Zulieferer bereits erste Die Automatisierung und Verlagerung von Produktionsabläufen
Lösungen adressieren, befindet sich der Markt bei sogenann- in vorgelagerte Fertigungsprozesse erfordert a priori erhebliche
ten modularen TGA-Verbundsystemen noch in der Findungs- Vorabinvestitionen. Innovationspartnerschaften zwischen
phase. Im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) Anbietern könnten die Anlaufkosten für die Integration von TGA-
scheuen viele Anbietern noch die Komplexität und folglich auch Verbundsystemen deutlich senken. Dies könnte zu Kosten
eine gewerkeübergreifende Systembauweise, weswegen mo- vorteilen führen und ersehnte Skaleneffekte auslösen. Aktuell
dulare TGA-Verbundsysteme zwar ein aufstrebendes – gegen- führt die geringe Nachfrage zu einem „Henne- und Ei-Problem“ –
wärtig jedoch noch ein Nischen-Dasein hegen. ohne Aufträge, keine Skaleneffekte und ohne Skaleneffekte
keine geringeren Kosten.
7. Digitale Planung in Zukunft modular 8. Mit Modularisierung zur Komplexitätsreduktion
Die Modularisierung digitaler Modelle erfolgt entweder „Ex-ante“, Modularisierung folgt dem Prinzip der Vereinfachung durch
d.h. ein modularer Aufbau wird per sé in der Planung berück- Reduktion der Komplexität, indem die Anzahl der System-
sichtigt, oder „Ex-post“, indem ein bestehendes digitales Modell elemente, sowie Anzahl und Ausprägung der Beziehungen
in entsprechende Teilmodule zerlegt wird, etwa in einem Bau- zwischen diesen Elementen reduziert wird. Diese Modularität
konzern nach Auftragseingang. Die Herausforderungen liegen ermöglicht es Unternehmen Komplexitätskosten zu verringern und
hierbei in der effizienten Fertigung von Individualbaugruppen, Produktvariationen am Markt anzubieten.
gewerkeübergreifenden Schnittstellen, sowie Planungs-
und Errichtungsprozessen.
7
3 Einleitung
In der Regel ist modulares und serielles Bauen
heute noch etwa 10-20 % teurer als mit konven
tionellen Methoden. Das Problem liegt weniger bei
den Gewerken des Hochbaus, sondern bei Einzel
gewerken der technischen Gebäudeausrüstung.
Vor dem Hintergrund des aktuellen Arbeitskräfte- und Wohnungs- technischen Gesamtsystems bis hin zur Einzelkomponente. Je
mangels, sowie eines Investitionsrückstands bei Kommunen14, nach Projekttyp führt dieser Umstand bei der Realisierung von
rückt die modulare und serielle Bauproduktion stärker in den Fokus Bauprojekten zu einem hohen Koordinationsaufwand der Einzel-
der Baubranche. Im Gegensatz zum konventionellen Bauen „Vor- gewerke, woraus im Bauablauf Zeit- und Kostenüberschreitungen
Ort“, werden bei der modularen Bauweise Bauteile und Baugrup- resultieren. Im Umdenken und Übertragung von modularen Pro-
pen in Fabriken vorfabriziert. Durch eine hohe Standardisierung auf duktentstehungsansätzen auf das TGA-Gesamtsystem besteht
Bauteil- und Prozessebene soll das hohe Niveau von Baukosten eine große Chance die Komplexität im Bauablauf zu reduzieren
gesenkt werden. Während einzelne Modellvorhaben für spezielle und durch vereinheitlichte Plattformen und Architekturen die Her-
Gebäudetypen Kostensenkungen unter „Laborbedingungen“ stellungskosten zu senken. Auch wenn vereinzelte Hersteller und
demonstrieren, ist in der Regel modulares und serielles Bauen heu- Zulieferer bereits erste Lösungen adressieren, befindet sich der
te noch etwa 10-20 % teurer als mit konventionellen Methoden.15 Markt bei sogenannten modularen TGA-Verbundsystemen noch
Das Problem liegt weniger bei den Gewerken des Hochbaus, die in der Findungsphase. Im Bereich der technischen Gebäude-
gegenwärtig im Fokus der Branche stehen, sondern bei Einzel- ausrüstung (TGA) scheuen viele Anbietern noch die Komplexität
gewerken der technischen Gebäudeausrüstung und deren ver- und folglich auch eine gewerkeübergreifende Systembauweise,
gleichsweise hohen Kostensteigerungen.16 Der technische Ausbau weswegen modulare TGA-Verbundsysteme zwar ein aufstre-
macht je nach Projekttyp zwischen 20-50 % der Herstellkosten aus bendes – gegenwärtig jedoch noch ein Nischen-Dasein hegen.
und ist durch stetig steigende technische Anforderungen mit einer Die im Rahmen dieser Veröffentlichung vorgestellten Ergebnisse
hohen Komplexität verbunden. 17 Hemmnisse durch inhomogene unterstreichen die Schlüsselfunktion von technischen Gewerken
gesetzliche Vorgaben aus unterschiedlichen Landesbauordnungen bei der Umsetzung von seriellen Bauweisen und zeigen auf, wie
und etablierte Praktiken, wie Einzellosvergaben durch detaillierte vorgefertigte TGA-Verbundsysteme einen Beitrag zum modularen
Leistungsverzeichnisse, hindern die Anwendung von Modulari- Bauen leisten können.
sierungsansätzen und führen letztlich zu einer Zergliederung des
14
Elisabeth Krone, Dr. Henrik Scheller, Deutsches Institut für Urbanistik,
“KfW-Kommunalpanel 2018”.
15
Fallstudienbasierte Schätzungen, BIM Center Aachen
16
Streit, “Immobilien: Die Krux vom modularen Bauen gegen die Wohnungsnot”.
17
Experteninterviews, BIM Center Aachen
8
4 Status Quo des Modularen Bauens
On-site
Planungsphase baubegleitende Planung
Baustellenlogistik
Gründung
Rohbau
Hülle
Innenausbau/TGA
Off-site
„Design Freeze“
Planungsphase
Gründung
Beschaffung
Phasenüberschneidung von
Vorfertigung
Produktion und Gründung
Lieferung
Montage
Zeitersparnis
Restleistungen
Abbildung 1: Vergleich der Vor-Ort- und Vorfertigung (Eigene Darstellung, angelehnt an Hartmann (2020), Nigel Fraser et. al. (2015) 18, 19 )
18
Dip. -Ing. Andreas Hartmann, Philipp Galandi, “Die Aussagekraft des Vorfertigungsgrads”.
19
Nigel Fraser et al., “An Offsite Guide for the Building and Engineering Services Sector”.
9
4.1 Modulares vs. konventionelles Bauen
Modulare Bauverfahren unterscheiden sich grundlegend von ergeben sich Vorteile hinsichtlich Produktivität, Arbeitssicherheit,
Konventionellen hinsichtlich Lieferketten, Technologien und Qualität, Reduktion der Bauabfälle und Nachhaltigkeit.21, 22
Bauprozessen. Grundsätzlich lassen sich Errichtungsme-
thoden nach der Montagereihenfolge vor Ort in drei Katego-
rien einteilen: modulare (Off-site), konventionelle (On-site) und 4.2 Markt und Wettbewerb23
hybride Bauverfahren (siehe Abbildung 1).
Gemessen am Gesamtumsatz des Baugewerbes von 135,19 Mrd.
Bei der modularen Vorfertigung wird ein „Inside-Out“-Ansatz zum Euro im Jahr 2019 spielt das Thema Modulares Bauen gegenwärtig
Bau von Baugruppen verwendet. Modulare Rahmen werden mit 2,75 Mrd. Euro und 2 % Marktanteil eine untergeordnete
als Ebenen konstruiert, als Boxen montiert und dann von innen Rolle. Der Anteil von modularem bzw. seriellem Bauen wird nur
nach außen fertiggestellt. Zum Beispiel kann eine Sanitäreinheit für die Errichtung von Gebäuden, also dem Hochbau erfasst,
einer Abfolge von Rahmen, Innenfläche, Elektrik, Sanitär, Mechanik, weswegen der Fertigteilbau im Tiefbau in diesen Zahlenwer
Isolierung, Außenverkleidung und Beschichtung folgen. Entschei- ten unberücksichtigt bleibt. Gemessen am Gesamtumsatz im
dend hierbei ist, dass ein Planungsstand nach der Übergabe an Hochbau beträgt der Marktanteil des Modulbaus bei ca. 5,68 %
die Vorfertigung hinsichtlich des technischen Entwurfs nicht mehr und ist damit noch ein Nischenmarkt.24
abgeändert wird („Design-Freeze“). Die Moduleinheiten werden
unter optimierten Produktionsbedingungen in einer präzisen, res- Dennoch spielt das Thema Modulares Bauen eine zunehmend
sourceneffizienten Fließfertigung computergestützt, teilautomati- wichtige Rolle, was sich etwa am Wachstum des Umsatzes nach-
siert hergestellt, was Einschränkungen durch Witterung und Ver- vollziehen lässt. Während der Gesamtumsatz des Baugewerbes
zögerungen durch vorangestellte Gewerke vermeidet. Durch die im Vergleich zum Referenzjahr 2008 insgesamt um ca. 44 %
Phasenüberschreitung der Vorfertigung mit der Gründung kann gewachsen ist, stieg der Umsatz im Modulbau um 112 % an. Die
der Realisierungsprozess beschleunigt werden. Traditionelle Bau- steigende Relevanz des seriellen bzw. modularen Bauens spiegelt
verfahren arbeiten hingegen nach einem „Outside-In“-Ansatz. Im sich auch in der Anzahl von Baufertigstellungen von Wohn- und
Zuge eines Bauzyklus arbeiten die Gewerke übereinander bzw. Nichtwohngebäuden wider, die mit Fertigteilen errichtet worden
aufeinander aufbauend. Oftmals werden hybride Bauweisen an- sind. Während im Jahr 2012 ca. 14 Tsd. Wohngebäude unter Ein-
gewandt, bei denen Abschnitte in traditionellen Bauverfahren vor satz von Fertigteilen errichtet worden sind, waren es 2019 bereits
Ort errichtet werden, die aufgrund von programmatischen An- 19.000. Dies ist ein Anstieg von ca. 40 % und entspricht etwa
forderungen, wie bspw. großen Öffnungen und Spannweiten nur einem Viertel aller fertiggestellten Wohngebäude. Bei Nichtwohn-
schwer in der Fabrik vormontiert werden können.20 gebäuden werden sogar 40 % aller Gebäude unter dem Einsatz
von Fertigbauelementen errichtet.
Insbesondere der steigende Grad der Haustechnik führt bei einer
konventionellen Realisierung, mit stark zergliederten Montage- und
Installationsprozessen, zu einer Überforderung der koordinierenden
Gesamtplanung. Infolgedessen entstehen nicht selten Zeit- und
Kostenüberschreitungen. Im Vergleich zu einer konventionellen
Montage werden potenzielle Konstruktionsprobleme auf der Bau-
stelle in die Entwicklung vorverlagert und damit vom eigentlichen 20
Ryan E. Smith, “Off-Site and Modular Construction Explained |
„Ort des Problems“ entkoppelt. Durch eine Zusammenfassung WBDG - Whole Building Design Guide”.
21
Viana, Tommelein, and Formoso, “Using Modularity to Reduce Complexity
der technischen Gewerke in sogenannte modulare TGA-Verbund
of Industrialized Building Systems for Mass Customization”.
systeme (bspw. Heizzentrale, Lüftungszentrale, Technikschacht, 22
Konsortiale Arbeitskreistreffen, Experteninterviews Industrie,
Medientrassen) können wesentlich kürzere Realisierungszeit BIM Center Aachen
23
Bisher werden Marktdaten zu modularen TGA-Verbundsystemen nicht
spannen erreicht werden. Durch vorgedachte Lösungen ver-
erhoben, weswegen auf Daten des Statistischen Bundesamtes für modulares
schlankt sich der Entscheidungsfindungsprozess auf die beste- Bauen zurückgegriffen wird.
henden Optionen bzw. daraus ableitende Anpassungen. Daraus 24
Eigene Berechnungen, Statistisches Bundesamt, BIM Center Aachen
10
In der Regel ist Modulares Bauen heute dennoch 10 %-20 % teu- Auch wenn vereinzelte Hersteller und
rer als mit konventionellen Bauverfahren.25, 26 Problem sind nicht Zulieferer bereits erste Lösungen ad
die Kosten für die Gebäudehülle und den Innenausbau, an denen
Modulares Bauen häufig ansetzt, sondern der steigende Grad der
ressieren, befindet sich der Markt bei
Haustechnik27, sowie deren handwerkliche und kostenintensive sogenannten modularen TGA-Ver
Montage auf der Baustelle. Verglichen mit den durchschnittlichen bundsystemen noch in der Findungs
Baukosten, sind die Kosten bei gebäudetechnischen Anlagen na-
hezu doppelt so stark gestiegen und weisen gegenwärtig nur einen
phase.
geringen Vorfertigungsgrad auf (siehe Abbildung 2). So sehen 91 %
aller befragten Planer einer Studie zum kostengünstigen Woh-
nungsbau den größtmöglichen wirtschaftlichen Nutzen in der Ein-
beziehung von gebäudetechnischen Anlagen in die Vorfertigung.28
80%
Hohe Kostensteigerungen
bei gebäudetechnischen Anlagen gebäudetechnische Anlagen
100% < 80 % Kostensteigerungen
bei gebäudetechnischen Anlagen reduzieren die Wett-
43%
bewerbsfähigkeit von Modulbauherstellern. Serielles Bauen
ist bis zu 20 % teurer als konventionelles Bauen.
durchschnittliche Baukosten
")*#
1994 1998 2003 2008 2013 2018
Abbildung 2: Baupreissteigerung getrennt für Gesamtkosten und technische Gewerke, eigene Berechnungen, BIM Center Aachen29
25
Streit, “Immobilien: Die Krux vom modularen Bauen gegen die Wohnungsnot”.
26
Fallstudienbasierte Schätzungen, Experteninterviews, BIM Center Aachen
27
Dietmar Walberg, ARGE-SH Arbeitsgemeinschaft für zeitgemäßes Bauen GmbH
28
Institut für Bauwirtschaft und Baubetrieb, “Kostengünstiger Wohnungsbau: Identifikation
bestehender Hemmnisse für den Einsatz von Raummodulen im Wohnungsbau”.
29
Eigene Berechnungen, Statistisches Bundesamt, Baupreisindex, BIM Center Aachen11
4.3 Zielgruppen und Interessen
Vereinfachend lässt sich die Gemengelage der Interessen in eine Die Angebotsseite besteht gegenwärtig vor allem aus Unterneh-
Nachfrage- und Angebotsseite unterteilen. Entscheidend sind men des Container- und Modulbaus, die sich auf die volumetrische
letztlich die Projektabwicklungsform und daraus resultierende Aus- Vorfertigung von Gebäuden spezialisiert haben.
schreibungs- und Vergabestrukturen. Die Nachfrageseite strebt
in der Regel nach Kosten- und Zeitvorteilen, während die Ange- Der Planer, als Bindeglied zwischen Nachfrage und Angebot, sieht
botsseite primär neue Märkte erschließen und sich rechtzeitig bei durch Modularisierung seinen Anspruch und Stellenwert im Projekt
relevanten Marktrends positionieren möchte. Die Nachfrageseite bedroht. Produkthersteller sehen Potential im After-Sales-Service,
lässt sich grob in öffentliche und private Auftraggeber unterteilen, scheuen jedoch die Komplexitätskosten und folglich die gewer-
wobei öffentliche Auftraggeber durch das Vergaberecht eine Son- keübergreifende Systemdenkweise. Auch Fragen zur Gewähr
derstellung einnehmen (siehe Kapitel 6). Per Definition optimieren leistung und Haftung sind dabei offen. Anlagenbauer neigen
Bauherren zunächst das „magische Dreieck“ aus Kosten, Qualität durch Outsourcing des Handwerks zunehmend zu Modularisie-
und Zeit, ohne dabei explizit auf Modularisierung zu achten. Verein- rung. Hersteller von modularen TGA-Verbundsystemen können für
zelt wurden unter Laborbedingungen in Demonstrationsprojekten Generalunternehmen und Großhändler fertigen, aber auch direkt
und für spezifische Gebäudetypen wie bspw. Wohngebäude be- mit dem Bauherrn über eine Einzellos-Vergabe Verträge abschlie-
reits Kostenneutralität bzw. marginale Kostenvorteile demonstriert, ßen und somit selbst als Generalunternehmer auftreten.
in der Regel setzen Bauherren aber bisher primär auf Modulares
Bauen um Zeitvorteile bei der Errichtung zu realisieren.
4.4 Chancen und Hemmnisse für modulare
TGA-Verbundsysteme
Chancen:
n Mit je nach Projekttyp ca. 40 – 120 Tsd. Bauteilen gehört die n Oftmals wird unter dem Begriff Modularisierung eine volum-
TGA zum komplexesten Gewerk im Bauablauf. Modulare etrische, Container-basierte Umsetzung („Schachtelbau-
TGA-Verbundsysteme könnten durch Vorfertigung die Koor weise“) verstanden. Modulare TGA-Verbundsysteme treffen
dinationskosten auf der Baustelle deutlich senken, zur Ver- hingegen auf eine hohe Akzeptanz und stehen nicht in Bezug
kürzung der Bauzeit und Erhöhung des Arbeitsschutzes bei- mit dem modularen Hochbau verbundnen Imageproblemen
tragen.30 („Platte 4.0“).
n Nachhaltigkeitsfonds im Immobilienbereich werden die klas- n Innovationspartnerschaften zwischen Anbietern aus dem
sische Bewertung nach dem magischen Dreieck um Nach Hochbau und technischen Anlagen könnten die Anlaufkos-
haltigkeitskriterien erweitern. Bei einer transparenten Dar ten für die Integration von TGA-Verbundsystemen deutlich
legung von positiven Umweltauswirkungen bspw. über Krite- senken. Dies könnte zu Kostenvorteilen führen und ersehnte
rienkataloge von Nachhaltigkeitszertifikaten, werden Anreize Skaleneffekte auslösen. Aktuell führt die geringe Nachfrage zu
für TGA-Verbundsysteme und allgemein für Modulares Bauen einem „Henne- und Ei-Problem“ – ohne Aufträge, keine Ska-
steigen. leneffekte und ohne Skaleneffekte keine geringeren Kosten.
30
Eigene Mengenermittlungen, BIM Center Aachen12
Hemmnisse:
n Modulare TGA-Verbundsysteme setzen eine vereinheitlichte n Die Umstellung vom Komponentenhersteller zum System
Planungsgrundlage voraus. In Deutschland haben 16 Bun- anbieter erfordert fortschrittliche Produktionsabläufe, die
desländer jeweils unterschiedliche Bauordnungen mit eige- jedoch mit hohen Kosten verbunden sind. Diese Anlaufkos-
nen Auflagen bspw. in Hinblick auf den Brandschutz und ten scheuen Produkthersteller gegenwärtig aufgrund der –
die Abnahme technischer Anlagen. Zuletzt wurden Typen trotz Pandemie – guten Konjunkturlage und somit geringem
genehmigungen in die Musterbauordnung aufgenommen, Innovationsdruck.
die allerdings noch nicht in alle Landesbauordnungen über-
tragen worden sind.
n Der Einsatz von vorgefertigten TGA-Verbundsystemen kann n Geltende Rahmenwerke (Bauverträge, Baupraktiken, Ver-
nicht ohne weiteres im Nachhinein erfolgen, sondern muss gabeverfahren) streben eine klare Zuordnung von Haftungs
bereits in den Ausschreibungsunterlagen berücksichtigt wer- risiken an, die eine gewerkeübergreifende und systemische
den. Gegenwärtig fehlen Vorlagen und Prozeduren für Aus- Denkweise hemmen und die Zergliederung von Verantwort-
schreibungsunterlagen, Festlegung auf Systeme seitens der lichkeiten, Kompetenzen und Disziplinen fördern. Aus der
Hersteller und damit auch Vergleichbarkeit und Kostentrans- Fragmentierung der Einzelprozesse und Zuständigkeiten wird
parenz im Markt. Auf der anderen Seite wird ein Baukonzern eine Komplexität reproduziert, die insbesondere die koordi-
nach der Auftragserteilung die Vorfertigung modularer Kom- nierende Gesamtplanung überfordert.
ponenten anstreben, um die eigene Wertschöpfung durch
verbesserte interne Prozesse zu erhöhen.
4.5 Trends
n Im Klimaschutzbericht der Bundesregierung wird der Ge- n Die durchgängige Digitalisierung aller planungs- und realisie
bäudebereich als „essenziell“ betrachtet, um Deutschland rungsrelevanten Bauwerksinformationen als virtuelles Bau-
bis 2050 klimaneutral zu machen. Bauen gilt als besonders werksmodell mittels Building Information Modeling (BIM)
ressourcenintensiv und ist verantwortlich für ca. 30 % des verändert bereits heute die Industrie. Gegenwärtig fokussie-
globalen CO2-Austoßes. Modulares Bauen findet stationär ren sich die Entwicklungen auf die Dokumentation des Bau-
statt, was auf vielen Ebenen die Optimierung der ökologi- prozesses durch die Anreicherung und Standardisierung von
schen Qualität von Gebäuden zulässt. Zum Beispiel kön- architektonischen und technischen Gebäudemodellen. Der
nen durch Prozessoptimierung und -harmonisierung in der Vorfertigungsprozess ist in der Bauindustrie nicht tief veran-
Vorfertigung von Modulen alle Ressourcen – Material, Per- kert und die gängigen Datenschnittstellen sind auf diese Ent-
sonal und Energie – optimal ausgeschöpft werden. Dies wicklung noch nicht ausreichend eingestellt. In der Zukunft
reduziert den Ressourceneinsatz um ein Drittel und den Abfall wird der modell- und datenbasierte Austausch von Informa-
um bis zu 70 % gegenüber dem konventionellen Bauen.31, 32 tionen zwischen Planungssoftware und Vorfertigungssoft-
ware-Systemen (CAD, MES, PPS, ERP) verlustfrei verknüpft
werden und neue Möglichkeiten zur Vorfertigung für die
Industrie schaffen.
31
Building and Construction Authority, “Design for Manufacturing and
Assembly (DFMA)”.
32
Ryan E. Smith, “Off-Site and Modular Construction Explained |
WBDG - Whole Building Design Guide”.13 n Nachdem Produkthersteller sich im Markt positionieren und und zu erheblichen Produktivitätssteigerung führen werden. mit der Produktion von TGA-Verbundsystemen beginnen, Dabei werden die Unternehmen vom technologischen Fort- werden die Unternehmen im ersten Schritt optimale Produk- schritt aus der Automobilbranche profitieren und Möglich- tionsabläufe festlegen. Langfristig und bei einer positiven Ent- keiten zur Verbesserung der Produktivität durch Anwendung wicklung des Marktes, werden diese jedoch Möglichkeiten von Lean Production, Lagerhaltung, Techniken für die Rezy- der Automation in Erwägung ziehen, um ihre kompetitiven klierbarkeit und moderne Transportsysteme nutzen. Durch Vorteile gegenüber dem Wettbewerb zu stärken. Dadurch die Schaffung von herstellerspezifischen Bauteilbibliotheken werden erhebliche Vorabinvestitionen erforderlich, die übliche und Konfiguratoren werden Produkthersteller TGA-Verbund Prinzipien der Serienfertigung auf die Bauindustrie übertragen systeme für alle am Baubeteiligte zugänglich machen.
14
5 Identifikation von Anwendungsfällen
für modulare TGA-Verbundsysteme
Modulare Produktentstehungsansätze
Konstruktion mit Modulen Modularisierung der Bauwerksplanung
Baukastensysteme Ex ante Ex post
Bau mit Modulen Entwurf von Modulen Identifizierung von Modulen
Entwurf eines Bauwerks mit existierenden Entwurf von funktionalen Einheiten Gruppierung von existierenden Elementen
Modulen nach einem Baukastenprinzip und Definition von gewerkeübergreifenden zu funktionalen Baugruppen
Schnittstellen
Individualisierung
Wiederholeffekte
Abbildung 3: Typologie von drei komplementären Modularisierungsansätzen. Eigene Darstellung, Einordnung nach Liang and Huang (2002)33
5.1 Als „Prinzip der Vereinfachung“ führt Modularität zur n Zerlegung eines Systems in diskrete funktionale Einheiten
Komplexitätsreduktion bei der Bauprojektrealisierung n Sicherstellen, dass Module untereinander austauschbar sind
(Reduktion externer Schnittstellen)
Angesichts immer komplexerer Projekte ist die Beherrschung der n Zur Verfügung stellen von gut definierten Schnittstellen inner-
TGA-Gewerke im Bauablauf ein zunehmend kritischer Erfolgsfaktor. halb eines Moduls (Definition interner Schnittstellen)
Im Allgemeinen lässt sich die Komplexität eines Systems verringern,
indem die Anzahl der Systemelemente sowie Anzahl und Ausprä- Im Ergebnis entstehen auf diese Weise sogenannte Module, die
gung der Abhängigkeiten zwischen diesen Elementen reduziert voneinander relativ unabhängige Einheiten darstellen und zugleich
werden. Dieses als Modularität bezeichnete Konzept ermöglicht ausgeprägte Beziehungen zwischen den Subelementen enthalten.
Unternehmen sogenannte Komplexitätskosten zu verringern und Marktanforderungen definieren dabei die „optimalen“ Eigenschaf-
gleichzeitig gewünschte Produktvariationen am Markt anzubieten. ten des „Produktes“.34
Im Grunde genommen handelt es sich bei Modularität um das
„Prinzip der Vereinfachung“, bestehend aus drei sich rekursiv wie-
derholenden Schritten:
33
Liang and Huang, “The agent-based collaboration information system
of product development”.
34
Amanda Eager et al., “Modular Design Playbook”.15
5.2 Typologie von drei komplementären Modularisierungstreiber genannt und kön- Gegenwärtig fehlen auf
Modularisierungsansätzen nen finanzielle, marktspezifische, prozess- der Anbieterseite eine
und produktspezifische Dimensionen ein-
Ansätze zu modularen Produktentstehung nehmen. Mögliche Treiber sind bspw. die
technologische Kon
können in drei verschiedene und potenziell Reduzierung der Durchlauf- oder Entwick- vergenz bei Lösungen
komplementäre Aktivitäten unterteilt wer- lungszeit, Standardisierung der Montage, von modularen TGA-
den: Konstruktion mit Modulen, Entwurf Vereinfachung des Änderungsmanage-
von Modulen und Identifizierung von Mo- ments, Flexibilisierung der Einbringung,
Verbundsystemen und
dulen (siehe Abbildung 3).35 Steigerung der Nachhaltigkeit oder Re- auf der Nachfrageseite
duzierung der Logistikkosten. Unter der Konsens und Akzeptanz
Baukastensysteme: Verwendung einer Modulindikationsmatrix
hinsichtlich der Vorteile
Konstruktion mit Modulen (MIM) können funktionale Einheiten und
Die Konstruktion mit Modulen umfasst die Modularisierungstreiber gegenübergestellt und Potenziale der Mo
Errichtung eines Bauwerks mit bestehen- und zur Unterstützung eines modularen dularisierung.
den und vordefinierten Modulen und Fer- Entwurfs genutzt werden (siehe Abschnitt
tigteilen, die intern oder von Lieferanten 5.3). Ein typisches Beispiel für den Ent-
bezogen werden können. Der Entwurf des wurf von Modulen in der Planungsphase
Bauwerks erfolgt also mit bereits existie ist die abschnittweise Zusammenfassung ten gruppiert und Schnittstellen zwischen
renden Modulen, die in einem Baukasten- und Modularisierung der vertikalen und ho- diesen reduziert werden. Allgemein können
system zusammengefasst sind. Ein typi- rizontalen Medienverteilung im Gebäude. Abhängigkeiten und Ähnlichkeiten als zwei
sches Beispiel dafür ist der industrialisierte Da Fachmodelle in der Regel ohne eine ent- generische Eigenschaften angesehen wer-
Wohnungsbau, bei dem durch Standar- sprechende Funktionalität (Festpunkt, Deh- den, nach denen Module gruppiert bzw.
disierung und Fertigteile kostengünstiger nungsausgleich, Halterungen) modelliert getrennt werden können. Je nach verfolgter
und schneller Wohnraum errichtet wird. Ein werden, ist ein planungsbegleitender Mo- Zielstellung im Modularisierungsprozess,
weiteres Beispiel bilden vorgefertigte Tech- dularisierungsansatz notwendig, um eine können diese generischen Eigenschaften
nik- und Heizungzentralen, die als Contai- industrielle Vormontage zu ermöglichen. in spezifischere Indikatoren übersetzt bzw.
ner mit bereits vorinstallierter Technik ins instanziiert werden. Diese Indikatoren wer-
Bauwerk eingebracht werden können. Ex-post Modularisierung: den Modularitätsmetriken genannt und
Identifizierung von Modulen können weiter in Ähnlichkeits- und Abhän-
Ex-ante Modularisierung: Mit dem Ex-post Modularisierungsansatz gigkeitsmetriken unterteilt werden. Eine Ab-
Entwurf von Modulen sollen in der bereits fortgeschrittenen Pla- hängikeitsmetrik kann bpsw. der Aufwand
Beim Ansatz der Ex-ante Modularisierung nung Module über computergestützte Ver- zur Zerlegung zweier zusammenhängen-
werden zu Beginn der Planung Anforde- fahren identifiziert und zusammengefasst der Teile oder deren Positionierung sein.
rungen und Zielsetzungen definiert, um in werden. Aus einem Bauwerksinformati- Eine Ähnlichkeitsmetrik wiederum kann ein
der initialen Phase des Bauwerksentwurfs onsmodell wird mithilfe von vordefinierten in der Montageprozesskette verwendetes
die Architektur in funktionale Abschnitte Zielfunktionen und Kriterienkatalogen eine Handhabungswerkzeug oder die erwartete
einzuteilen und in einzelne Module zu zerle- optimale Aufteilung zwischen Modulen und technische und wertmäßige Lebensdauer
gen. Entscheidend ist dabei, dass Modula- Funktionsträgern berechnet. Bauwerksin- von Bauteilen sein.
risierung nicht zum Selbstzweck eingesetzt formationsmodelle haben eine inhärente
wird, sondern strategischen Zielsetzun- Netzwerktopologie, aus der sich implizite
gen unterliegt und zweckdienlich zum Ein- Eigenschaften ableiten lassen. So können
satz kommt. Solche Zielstellungen werden Funktionsträger mit ähnlichen Eigenschaf-
35
Liang and Huang, “The agent-based collabora-
tion information system of product development”.16
5.3 Anwendungsfälle für die Vorfertigung von Systemspezifikationen. Diese Diskrepanz spiegelt sich auch in
modularen TGA-Verbundsystemen einer fehlenden Konfigurierbarkeit und Vergleichbarkeit von Sys-
temen wider. In diesem Zusammenhang werden in der Tabelle 1
Durch eine Funktionsintegration und Vorverlagerung von Montage- funktionale TGA-Zonen Modularisierungstreibern auf Produkt- und
und Installationsprozessen können modulare TGA-Verbundsys- Prozessebene gegenübergestellt und hinsichtlich deren Ausprä-
teme die Endmontage beschleunigen und die Bauzeit verkürzen gung qualitativ eingeordnet. Auf diese Weise kann vereinfachend
(siehe Abbildung 4). Gegenwärtig fehlt jedoch eine technologische ein Modularisierungspotential für die jeweilige funktionale TGA-
Konvergenz zwischen technischen Lösungen und marktseitigen Zonen angezeigt werden.
Funktionsumfang
Komponente, Bauteil Nicht-volumetrische Vorfertigung Volumetrische Vorfertigung
Plug & Play Kabel Vorgefertigtes horiz. Modul Horiz. Modul mit Decke Vorgefertigte Energiezentrale
Flexible Sprinkler Vorgefertigtes verti. Modul Horiz. Modul mit Brandschutz Vorgefertigter Technikraum
30% 45% 60% 70%
Einsparung von Arbeitskraftkosten
Abbildung 4: Zusammenhang zwischen Funktionsintegration und Einsparungen von On-site-Arbeitskosten
Eigene Darstellung, in Anlehnung an Building and Construction Authority36
36
Construction Authority, “Design for Manufacturing and Assembly (DFMA)”.17
Direkter Einfluss
Modularisierungstreiber
Hoch
Gering
Individualisierungsgrad
Schnittstellenreduktion
Einbringungsflexibilität
kein
Wiederholfaktoren
Modularisierungs-
Transportfähigkeit
Vorfertigungsgrad
Potential zur Modularisierung
potential
Funktonale TGA-Zonen Baugruppe Prozess Produkt
Erschließung/ Versorgung Gasanschluss
Fernwärmeleitungen/-anschluss
Wasserversorgung/-anschluss
Abwasserleitungen/-anschluss
Stromleitungen/-anschluss
Wandlung Energiezentrale
Heizzentrale
Lüftungszentrale
Transport Technikschacht
Medientrassen
Übergabe Versorgungspanel
Wärmeübergabesysteme
Sanitärgegenstände
Nasszellen (Sanitärräume)
Raumzellen (Büro, Schule)
Laboreinheiten
ICT-Infrastruktur (Data-Center)
Nachhaltige Solarthermie
Energieerzeugung
Photovoltaik
Geothermie
Tabelle 1: Identifikation von modularen TGA-Verbundsystemen, Einordnung von TGA-Zonen nach Lechner et. al. (2018)37, Modularisierungstreiber nach Viana, Tommelein and
Formoso (2017)38 und Bonvoisin et al. (2016)39, Qualitative Einordnung Experteninterviews, Konsortium BIM Center Aachen
37
Lechner and Winter, “Bauen mit WEITBLICK”.
38
Viana, Tommelein, and Formoso, “Using Modularity to Reduce Complexity of Industrialized Building Systems for Mass Customization”.
39
Bonvoisin et al., “A systematic literature review on modular product design”.18
Prozesstechnische Eigenschaften von Systemen, die dazu 5.4 Einordnung von modularen TGA-Verbundsystemen
beitragen den Bauablauf zu beschleunigen sind Transportfähigkeit, nach Fertigungsprinzipien
Wiederholbarkeit und Toleranzflexibilität. Transportfähigkeit kann
beim technischen Entwurf berücksichtigt werden, indem Lademaße Beim modularen Bauen besteht ein Spannungsfeld zwischen in-
und Gewichte eine vereinfachte Transportierbarkeit zur und auf der dividuellen, projektspezifischen Kundenanforderungen und der
Baustelle ermöglichen. Die Parallelisierung von Montageprozessen Integration dieser in den technischen Entwurf. Projektspezifische
entsteht durch Wiederholfaktoren, bspw. durch eine Rasterfest- Anforderungen lassen sich durch den Hersteller nur teilweise in
legung. Eine im Entwurf berücksichtigte Einbringungsflexibilität der modularen Produktarchitektur antizipieren oder durch Varian-
ermöglicht bei der Montage flexibel auf Toleranzen am Rohbau zu ten abdecken. Spät an den Anbieter übermittele Anforderungen,
reagieren, z.B. durch Verstellbarkeit von Aufhängungen bei einem haben lange Liefer- und Durchlaufzeiten oder gar die Rückverla-
Trassenmodul, um Unebenheiten der Decke zu kompensieren. gerung von Produktionsschritten auf die Baustelle zur Folge (sie-
he Abbildung 5).
Produkttechnische Eigenschaften wie Schnittstellenreduktion,
Individualisierungsgrad und Vorfertigungsgrad können ebenfalls zur Allgemein lassen sich Fertigungsprozesse nach dem Zeitpunkt der
Adaption von Lösungen beitragen. In der Reduktion von Schnitt- Kundeneinbindung klassifizieren (Entkopplungspunkt) und vier ver-
stellen liegt ein großes Einsparpotential sowohl in der Planung als schiedenen Fertigungsprinzipien zuordnen. Vorfertigung von Bau-
auch im Bauablauf. Schnittstellen können durch gewerkeübergrei- gruppen findet jeweils im Rahmen von Assemble-to-Order (A-t-O),
fende Funktionsintegration bspw. durch bereits angelegte Kabel- Make-to-Order (M-t-O) und Engineer-to-Order (E-t-O) Prozessen
bäume oder integrierte Befestigungstechnik reduziert werden. Die statt.40 Die Bandbreite des Modularen Bauens klammert die Mas-
Konfigurierbarkeit von Lösungen mit einer hohen Variantenvielfalt senfertigung von Einzelteilen, Unterbaugruppen und Komponenten
ermöglicht es systematisch einen hohen Individualisierungsgrad zu aus. Tabelle 2 grenzt diese weiter nach Kundeneinbindung, Art der
erreichen. Ein hoher Vorfertigungsgrad von Lösungen geht mit der Produktion und Produktionstyp voneinander ab.
Vorverlagerung von einzelnen Montage- und Installationsprozessen
einher, die zur Koordinationsreduktion auf der Baustelle beitragen.
Auf Grundlage der vorgestellten Indikatoren haben Baugruppen,
die den funktionalen TGA-Zonen Technikraum, vertikale und ho-
rizontale Verteilungen und Verteilung innerhalb des Bauwerks, zu-
geordnet sind, ein hohes Potential zur Modularisierung.
Abbildung 5: Vorgefertigte Rohrelemente
40
Barg, “Kontextbezogene Auslegung von Produktbaukästen”.19
Komplexe Verbundsysteme
ETO Technikräume, Lüftungszentralen, …
Range of off-site
construction
Volumetrische Vormontage
MTO
Grad der Individualität
Nasszelle, Duschraum, …
Variantenvielfalt
Nicht-Volumetrische Vormontage
ATO Medientrassen, Schächte, …
niedrig hoch
Herstellkosten
niedrig hoch
Funktionsumfang
Einzelteile, Unterbaugruppen, Komponenten niedrig hoch
MTS Fittings, Ventile, … Vorfertigungsgrad
niedrig hoch
Liefer- und Durchlaufzeit
Abbildung 6: Fertigungsprinzipien des modularen Bauens, Eigene Darstellung
Einordnung der TGA-Baugruppen, Eigene Einordnung, angelehnt an Peltokorpi et al. (2018)41
Bandbreite der Vorfertigung nach Ryan E. Smith (2016)42
Klassifikation Wertschöpfungsprozesses nach Wortmann (1983)43
Eigene Einordnung Variantenvielfalt, Herstellkosten, Funktionsumfang Vorfertigungsgrad, BIM Center Aachen
Legende: Make-to-Stock (M-t-S), Assemble-to-Order (A-t-O), Make-to-Order (M-t-O) und Engineer-to-Order (E-t-O)
41
Peltokorpi et al., “Categorizing modularization strategies to achieve various objectives of building investments”.
42
Ryan E. Smith, “Off-Site and Modular Construction Explained | WBDG - Whole Building Design Guide”.
43
Wortmann, “A Classification Scheme for Master Production Scheduling” Wortmann, “A Classification Scheme for Master Production Scheduling”.20
Fertigungsprinzip Kundeneinbindung Art der Produktion Produktionstyp
Engineer-to-Order (ETO) Technischer Entwurf Auftragsgetrieben Einzelfertigung
Beispiele: Energiezentrale
n Stark individualisierte Produkte, die noch im Details entworfen und entwickelt werden müssen
n Das System wird als Unikat speziell für die Anforderungen des Kunden hergestellt
n Komplexes Endprodukt -> stetige Kommunikation mit dem Auftraggeber über alle Entwicklungs- und Herstellungsphasen
hinweg, um Anforderungen und Spezifikationen abzusprechen
Auftragsfertigung /
Make-to-Order (MTO) Vorfertigung Auftragsgetrieben
Serienfertigung
Beispiel: Nasszelle
n Standardisiertes Produktdesign, dessen finale Herstellung spezifisch auf die Kundenwünsche angepasst wird
n Einige der benötigten Bestandteile sind auf Lager, während individuelle Komponenten separat hergestellt werden
Variantenfertigung /
Assemble-to-Order (ATO) Vormontage Auftragsgetrieben
Serienfertigung
Beispiele: Medientrasse
n Eine große Anzahl von Baugruppen kann durch standardisierte Komponenten hergestellt werden
n Schlüsselkomponenten werden geplant und je nach antizipierten Bestellungen vorproduziert und gelagert
n Bei eingehender Bestellung wird die Trasse nach Projektanforderungen hergestellt
Make-to-Stock (MTS) Lieferung Vorhersagegetrieben Massenfertigung
Beispiel: Gasanschluss
n Das Produkt wird auf Grundlage von Marktstudien und Nachfragevorhersagen entworfen, hergestellt und verkauft
n Hergestellt aus Warenbestand
Tabelle 2: Einordnung der Fertigungsprinzipien in Anlehnung an CODP-Modell von Wortmann (1983)44
44
Wortmann, “A Classification Scheme for Master Production S21
Die Vorfertigung von Baugruppen ist im Gegensatz zur Massen- 5.5 Mehrwerte entlang der Wertschöpfungskette Bauen
fertigung auftrags- und nicht vorhersagegetrieben. Entscheidend
ist hierbei, dass mit steigendem Bedarf nach Individualisierung, Zu Vorteilen des Modularen Bauens wurden und werden viele
der Anbieter zur Fertigungsplanung entsprechend früh in den Pla- Untersuchungen durchgeführt. Im Vergleich zu traditionellen Bau-
nungsprozess eingebunden werden muss. Andernfalls können die verfahren ergeben sich als Vorteile kürzere Bauzeitenpläne, größere
projektspezifischen Anforderungen nur spät an die Fertigung über- Vorhersagbarkeit der Kosten, weniger Materialabfall, geringere
geben werden, woraus längere Liefer- und Durchlaufzeiten resultie- Beeinträchtigung der Umgebung und eine höhere Sicherheit der
ren. Im Resultat können Verzögerung auf der Baustelle ausgelöst Arbeiter. In der folgenden Darstellung werden Mehrwerte in die
werden und positive Effekte der Vorfertigung zunichtemachen. entsprechenden Phasen der Wertschöpfungskette eingeordnet
und hinsichtlich ihres Einflusses auf Akteure (Bauherr, Planer, Bau-
unternehmen und Hersteller) und Ziele (Kosten, Qualität, Zeit und
Umwelt) kategorisiert (Tabelle 3).
Die Abkürzungen folgen hierbei folgender Nomenklatur: Direkter Einfluss
K – Kosten, Q – Qualität, Z – Zeit, EI – Umwelt/Environmental Impact,
BH – Bauherr, PL – Planer inkl. Projektsteuerer, BU – Bauunternehmen,
Hoch
HS – Hersteller Gering
Mehrwerte Beschreibung Bewertung
Planungsphase
Wiederverwendbarkeit Die Bauindustrie ist zwar noch nicht darauf eingestellt, Ziele
von Entwürfen mit modularen Entwürfen zu arbeiten, langfristig wird
jedoch die Wiederverwendung von modularen Bau- K Q Z EI
gruppen in verschiedenen Projekten zu Einsparungen
bei der Planung führen. In der Zukunft werden Bau
gruppenkataloge bzw. Konfigurationslösungen dabei
Baubeteiligte Akteure
helfen.
BH PL BU HS
Beschaffung
Vereinfachtes Aus anderen Industrien ist bekannt, dass eine verstärk- Ziele
Zulieferermanagement te Modularisierung zur Intensivierung der Lieferanten-
beziehungen führt. Höhere Volumina ermöglichen die K Q Z EI
Entwicklung strategischer Lieferantenbeziehungen,
die zu Vereinfachungen, wie bspw. verlängerten Zah-
lungsfristen, höheren Handelskrediten und besseren
Baubeteiligte Akteure
Preisen niederschlagen, die letztlich Kostenvorteile
ergeben, die im Wettbewerb an den Markt weiter BH PL BU HS
gegeben werden können.22
Intensivierung des Die Entwicklung von modularen Einheiten setzt hö- Ziele
Zulieferer-Hersteller- here Anforderungen an Zulieferer und Hersteller, die
Verhältnisses bei einer Vielzahl von Projekten/Produkten/Systemen K Q Z EI
zusammenarbeiten. Durch die engere Einbindung von
Zulieferern, können neue, tiefere technische Fähigkeiten
erlernt werden und Wettbewerbsvorteile entstehen.
Baubeteiligte Akteure
BH PL BU HS
Schnellere Markteinführung Modulare Systeme verkürzen die Lieferzeit, die benötigt Ziele
wird, um eine Baugruppe an die individuellen Anfor-
derungen des Projektes anzupassen, da auf bereits K Q Z EI
entwickelte Elemente und Fertigungsabläufe zurück-
gegriffen werden kann.
Baubeteiligte Akteure
BH PL BU HS
Vorfertigung
Geringere Kosten Höhere Standardisierung führt zu einer Verringerung Ziele
für Lagerhaltung der Anzahl von Einzelteilen, die für die Konstruktion
benötigt werden und reduziert auch den Bestand an K Q Z EI
benötigten Ersatzteilen. Die Konsolidierung von ein
gekauften Komponenten führt auch zu einer einfa-
cheren Lagerhaltung und Bestandsverwaltung, da es
Baubeteiligte Akteure
weniger Produktkategorien zu verwalten gibt.
BH PL BU HS
Diversifikation des Obwohl die Anzahl der einzelnen Komponenten in einer Ziele
Produktportfolios Baugruppe durch die modulare Bauweise typischer-
weise abnimmt, erhöht sich die Anzahl der möglichen K Q Z EI
Produktvariationen, wodurch ein vielfältigeres Produkt-
portfolio entstehen kann.
Baubeteiligte Akteure
BH PL BU HS23
Reduktion von Ein höheres Volumen von mehr standardisierten Mo Ziele
Komplexitäts- und dulen führt zu einer Reduzierung der Umrüstkosten
Umrüstungskosten und der Anzahl der für die Produktion benötigten Werk- K Q Z EI
zeuge.
Baubeteiligte Akteure
BH PL BU HS
Errichtung
Reduktion der Die modulare Bauweise hat bereits bewiesen, dass Ziele
Gemeinkosten der sie die Projektlaufzeiten verkürzt, was wiederum die
Baustelle Baustellengemeinkosten (z. B. Sicherheit und Ma- K Q Z EI
nagement witterungsbedingter Probleme) und das
Baumanagement niedrig hält.
Baubeteiligte Akteure
BH PL BU HS
Reduktion der Bauzeit Je nach Projekttyp ermöglicht die Installation von vor- Ziele
gefertigten TGA-Verbundsystemen auf der Baustelle
erhebliche Personal- und Zeiteinsparungen von bis K Q Z EI
zu 60 %. Die traditionellen Bauabläufe werden durch
einen modularen Ansatz vereinfacht und beschränken
sich im Wesentlichen auf die Montage von Baugrup-
Baubeteiligte Akteure
pen und den Anschluss der Versorgungsleitungen an
die Hauptanschlüsse. BH PL BU HS
Höhere Flexibilität und Die Produktion der vorgefertigten TGA-Baugruppen/- Ziele
Agilität auf der Baustelle Verbundsysteme erfolgt gleichzeitig mit anderen Aktivi-
täten auf der Baustelle, was zu zusätzlicher Reduktion K Q Z EI
der Bauzeit führt.
Baubeteiligte Akteure
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