Nachhaltiges Bauen durch Technologie vorantreiben

Vom traditionellen Bauen zum digitalen Öko-Bauen

Das Baugewerbe ist im Allgemeinen eine sehr energie- und arbeitsintensive Tätigkeit, die erhebliche Umweltverschmutzung verursacht. Es handelt sich nach wie vor überwiegend um eine Offline-Tätigkeit, die im Vergleich zu anderen Wirtschaftstätigkeiten kaum digitalisiert ist.

Ein wissenschaftlicher Artikel, veröffentlicht in Sustainable Futures¹ untersucht, wie sich das Aufkommen von KI, Blockchain-Technologie, digitaler Fertigung und dem Trend zur Nachhaltigkeit auf diese Branche auswirken könnte.

Gemeinsam könnten digitale Technologien und Ökomaterialien die Entwicklung von Öko-Bautechnologien deutlich beschleunigen und die Umweltauswirkungen der Bauindustrie verringern.

Die Studie wurde von malaysischen Forschern der Asia Pacific University of Technology & Innovation (APU) und der National University of Malaysia (UKM) durchgeführt und unter dem Titel „Digitale Integration im Öko-Bau 2.0: Nachhaltigkeit durch Technologie vorantreiben".

Neue Produktionsmethoden

Baumaterialien wurden in der Vergangenheit in standardisierten Massenproduktion hergestellt, und für die Montage war qualifizierte menschliche Arbeitskraft erforderlich. Neue Technologien dürften diesen Status quo in naher Zukunft ändern.

Die ersten sind Produktionsmethoden, die über die fabrikmäßige Massenproduktion hinausgehen, mit cComputer nnumerisch cCNC-Bearbeitung, Laserschneiden und 3D-Druck. Jedes hat seine eigenen Vorteile und Schwächen und sollte je nach den Anforderungen einer bestimmten Aufgabe ausgewählt werden.

Quelle: Nachhaltige Zukunft

Durch diese Verfahren wird der Materialverlust bei der Verarbeitung von Rohmaterial zu fertigen Bauprodukten erheblich reduziert.

Sie ermöglichen außerdem ein viel höheres Maß an Flexibilität hinsichtlich des endgültigen Designs, wodurch individuelle Designs leichter zugänglich werden.

Und schließlich können sie in viel kleinerem Maßstab und vor Ort hergestellt werden, was möglicherweise zu einer drastischen Reduzierung des Materialtransports von den Rohstoffen über die Fabrik bis hin zur Baustelle führt.

„Diese Methode fördert nicht nur die Verwendung von Ökomaterialien, sondern steht aufgrund ihres von Natur aus geringen Abfallaufkommens auch in engem Einklang mit den Prinzipien des Lean Construction und den Netto-Null-Zielen.“

All diese neuen Produktionsmethoden profitieren in hohem Maße von der Verbesserung und Demokratisierung des computergestützten Designs (CAD) und der weit verbreiteten Einführung von Building Information Modeling (BIM). CAD und BIM bilden heute das digitale Rückgrat der meisten Bauprojekte.

Öko-Materialien

Eine weitere Veränderung, die die Bauindustrie betrifft, ist die Umstellung auf umweltfreundlichere Materialien.

Ein wichtiger Treiber des Wandels sind 3D-Drucker, die Materialien wie recycelte Kunststoffe, biologisch abbaubare Polymere und Verbundwerkstoffe mit Naturfasern verarbeiten können.

Bestimmtes, Geopolymere kann verwendet werden im 3D-DruckGeopolymere sind anorganische, typischerweise keramikartige Materialien, die aus industriellen Nebenprodukten wie Flugasche oder Schlacke hergestellt werden können, die sonst als Abfallprodukte von Kraftwerken und Stahlwerken anfallen. Sie können aus lokal gewonnenen Materialien hergestellt werden.

Dadurch wird die Bauindustrie in die Lage versetzt, Industrieabfälle zu recyceln, anstatt Ressourcen zu verbrauchen.

Die Entwicklung großformatiger 3D-Drucker hat den Bau ganzer Gebäudestrukturen direkt vor Ort ermöglicht, wodurch Transportkosten und die damit verbundenen CO2-Emissionen reduziert wurden.

Allerdings sind die Kosten der 3D-Drucker und ihre relativ geringe Geschwindigkeit nach wie vor schwerwiegende Einschränkungen dieser Technologie, die ihre Verbreitung im großen Maßstab verlangsamen.

Erneuerbare Ökomaterialien, wie Massivholz zum Bau von Holzwolkenkratzern, könnte auch dazu beitragen, die Kohlenstoffemissionen und den Ressourcenverbrauch der Bauindustrie zu reduzieren.

Neue Designs

3D-gedruckte Gebäude können auch komplexere individuelle Formen annehmen als Gebäude aus Massenproduktionselementen.

Dadurch kann die Integration natürlicher und ergonomischer Formen in Gebäude erleichtert werden, was durch eine bessere Wärmedynamik und Lichtverteilung zu einer Steigerung der Energieeffizienz führen kann.

Die Integration natürlicher Isolationsformen, wie beispielsweise Wabenstrukturen, verbessert die Isolation bei gleichzeitiger Reduzierung der Materialkosten und kann zudem den Wert des 3D-Drucks im Bauwesen steigern.

Der 3D-Druck ermöglicht außerdem die Herstellung von „Gradientenmaterialien“, bei denen die Materialeigenschaften innerhalb eines einzelnen Objekts variieren, um bestimmte Funktionsanforderungen ohne übermäßigen Materialverbrauch zu erfüllen.

Blockchain für nachhaltige Lieferketten im Bauwesen

Eine weitere wiederkehrende Herausforderung der Bauindustrie besteht wahrscheinlich darin, die Herkunft der verwendeten Materialien und ihr ESG-Profil nachzuverfolgen.

Dies ist ein Bereich, in dem die effizienten Aufzeichnungen, die die Blockchain-Technologie ermöglicht, hilfreich sein können.

Durch die Automatisierung und Sicherung von Transaktionen entlang der Lieferkette steigert Blockchain nicht nur die Betriebseffizienz, sondern schafft auch Vertrauen bei den Beteiligten, indem es eine klare und unveränderliche Aufzeichnung der Materialherkunft, -verarbeitung und des Transports bereitstellt.

Blockchain kann auch verwendet werden, um Smart Contracts zu ermöglichen, wodurch die Ausführung von Verträgen reibungsloser wird und die Technologie potenziell in jeden Schritt des Bauprozesses eingebunden wird, von der Beschaffung der Materialien bis hin zur Überprüfung und Zertifizierung des fertigen Gebäudes.

Quelle: Nachhaltige Zukunft

Durch die Unterstützung bei der Nachverfolgung und dem Nachweis der Beschaffung der im Bauwesen verwendeten Materialien kann Blockchain dazu beitragen, die Anforderungen fortschrittlicher Nachhaltigkeits-Benchmarks wie LEED, BREEAM oder ISO 21930 zu erfüllen und so die Einhaltung von Umweltvorschriften, Arbeitsschutzbestimmungen und Vorgaben zur Kohlenstoffreduzierung nachzuweisen.

Die größte Einschränkung beim Einsatz dieser Technologie ist weniger technischer als vielmehr kultureller Natur, da die Bauindustrie im Allgemeinen zögert, ihre Verfahren zu modernisieren.

„Der Bausektor weist einen strukturellen Widerstand gegen digitale Transparenz auf, insbesondere bei Beschaffungs- und Subunternehmerpraktiken, die auf veralteten Arbeitsabläufen, informellen Beziehungen und fragmentierten Dokumentationssystemen beruhen.“

Dies kann sich insbesondere auf bestehende Machtstrukturen und die in der Branche, insbesondere in einigen Ländern oder Regionen, weit verbreiteten Schwarzmarkt- oder Graumarktpraktiken auswirken.

„Viele Interessengruppen empfinden die dezentrale und unveränderliche Natur der Blockchain nicht als Vermittler, sondern als störende Kraft, die bestehende Betriebsnormen bedroht.“

Höchstwahrscheinlich wird der Einsatz von Blockchains und anderen digitalen Tracking-Tools in kritischen Infrastrukturprojekten schnell erfolgen, wo die Rückverfolgbarkeit nicht nur eine gesetzliche Anforderung, sondern eine Voraussetzung für das Haftungsmanagement und die Qualitätssicherung ist.

KI im nachhaltigen Bauen: Einsatzmöglichkeiten und Grenzen

Anwendungen

Da KIs immer vielseitiger werden, können sie jetzt zur Verbesserung von Bauprojekten eingesetzt werden.

Eine Anwendung ist die Integration von KI in Arbeitsabläufe der Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP). Es ermöglicht genaue Vorhersagen auf der Grundlage umfangreicher und heterogener Datensätze, einschließlich standortspezifischer Umweltindikatoren, historischer Projektdaten und regulatorischer Parameter.

Unterstützung bei rechtlichen Dokumenten und Vorschriften kann ebenfalls große Auswirkungen haben.

„Techniken der natürlichen Sprachverarbeitung (NLP) extrahieren strukturiertes Wissen aus Regulierungstexten und historischer UVP-Dokumentation, beschleunigen Konformitätsbewertungen und rationalisieren Überprüfungszyklen.“

Quelle: Nachhaltige Zukunft

Eine weitere Anwendung der KI ist die Vorhersage der Materialleistung hinsichtlich so unterschiedlicher Kriterien wie struktureller Integrität, Isolierung, Wasserbeständigkeit oder Haltbarkeit gegenüber verschiedenen Belastungen (Feuchtigkeit, Chlorideintritt, Frost-Tau-Zyklen, Temperaturgradienten usw.).

Einschränkungen

Eine Einschränkung für den Einsatz von KI stellt jedoch die allgemein geringe Qualität der in der Industrie verwendeten Daten dar, die die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit der Modelle verringert.

Da immer mehr Projekte digitalisiert werden, dürfte diese Einschränkung mit der Zeit verschwinden. Dasselbe gilt für die wachsende Datenmenge über die Leistung verschiedener Materialien unter realen Bedingungen über mehrere Jahrzehnte hinweg.

Ein weiteres potenzielles Problem besteht darin, dass Modelle mit Datensätzen trainiert werden, die historische Ungleichheiten widerspiegeln oder sensible ökologische Zonen nicht abbilden. Dies kann bei KI-Modellen besonders problematisch sein, deren interne Funktionsweise schwer zu verstehen ist und sie zu einer Art „Black Box“ macht.

„Die Effizienz und analytische Tiefe, die KI bietet, muss daher durch die Implementierung transparenter, überprüfbarer und kontextsensitiver Modellierungsrahmen gegen diese Risiken abgewogen werden.“

Synergie zwischen Ökomaterialien, Blockchain und KI

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Jede dieser Konstruktionsinnovationen greift in die anderen ein und macht sie so nützlicher, als wenn sie einzeln eingesetzt würden.

Da immer mehr Projekte Blockchain-Technologie zur Rückverfolgbarkeit integrieren, steigt die Menge hochwertiger Daten, die von der KI genutzt werden können.

Mit der zunehmenden Digitalisierung von Bauprojekten wird die Integration von CAD- und 3D-Drucktechnologie in die eigentliche Konstruktion erleichtert.

Durch die Verwendung umweltfreundlicherer Materialien und die Implementierung besserer Recyclingtechniken werden die ökologischen Auswirkungen von Bau- und Abbrucharbeiten verringert. Dadurch wird der Wert hochwertiger Daten erhöht, die zum Erwerb wertvoller Umweltzertifizierungen und zur Festlegung neuer Standards für die Branche verwendet werden können.

Quelle: Nachhaltige Zukunft

Beispiele für solche Synergien sind bereits in realen Projekten zu beobachten. Singapur beispielsweise nutzte viele neue Technologien für den Bau umweltfreundlicher Sozialwohnungen:

• Fortschrittliche KI-Systeme analysieren Umweltdaten wie Sonneneinstrahlung, Windmuster und städtische Wärmeinseleffekte, um die Gebäudeausrichtung und Materialauswahl zu optimieren.
• Nachhaltige Materialien wie recycelter Beton und nachhaltig geerntetes Holz. Diese Materialien werden strategisch in der Gebäudestruktur platziert, um die natürliche Belüftung und Beleuchtung zu maximieren.
• Hochleistungsisolierung und -fenster sowie Solarmodule und Gründächer werden mit KI-Systemen kombiniert, die den Energieverbrauch kontinuierlich überwachen und basierend auf den Echtzeit-Umgebungsbedingungen anpassen.

Beispiele aus der Praxis

Die Studie stellt außerdem echte Early Adopters dieser Technologien vor, um zu zeigen, dass wir uns nun mitten in der Implementierungsphase des Technologiezyklus befinden.

Ein Beispiel ist die Verwendung von Blockchain zur Lösung von Zahlungsstreitigkeiten mit Auftragnehmern und Lieferanten.

„Ein Vorzeige-Infrastrukturprojekt in Dubai hat Blockchain implementiert, um das Vertragsmanagement zu rationalisieren und meilensteinbasierte Auszahlungen durchzusetzen, was zu messbaren Verbesserungen der Verwaltungseffizienz und geringeren finanziellen Gemeinkosten führte.“

Blockchain half auch dabei, den ökologischen Fußabdruck von Materialien zu verfolgen.

„In den Niederlanden wurde Blockchain getestet, um die Qualität, Lieferung und Umweltbelastung von Kernmaterialien wie Stahl und Beton in Echtzeit zu verfolgen und sicherzustellen, dass sowohl Materialspezifikationen als auch Nachhaltigkeitsschwellenwerte ohne Engpässe bei der manuellen Inspektion eingehalten werden.“

Ein Anwendungsfall von IA wurde in Schweden demonstriert, wo Architekten und Ingenieure fortschrittliche Isoliermaterialien auswählten, die die Energiespeicherung im Winter optimierten und die Wärmeaufnahme im Sommer minimierten.

„Der Einsatz dieser optimierten Materialien führte zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs in neu errichteten Wohngebäuden um bis zu 25 %, wodurch der CO2-Fußabdruck dieser Häuser deutlich verringert wurde.“

Auch in Japan wurde KI eingesetzt, um automatisieren  die Recycling von Bauabfällen.

KI-gestützte Sortiersysteme mit fortschrittlicher Bildgebungs- und Sensortechnologie identifizierten und kategorisierten verschiedene Arten von Bauschutt präzise.

„In einem Pilotprojekt auf einer Abbruchbaustelle erhöhte das KI-System die Recyclingquote im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Sortiermethoden um 30 %.

Durch die Effizienz der Sortierung wurden auch die Gesamtzeit- und Arbeitskosten im Zusammenhang mit der Abfallbewirtschaftung gesenkt, wodurch der Recyclingprozess wirtschaftlicher und nachhaltiger wurde.“

Regulatorische Herausforderungen im nachhaltigen Bauen

Paradoxerweise zielen die meisten Vorschriften im Bauwesen zwar auf die Verbesserung der Sicherheit und der Umweltprofile ab, könnten aber auch ein Hindernis für den Einsatz dieser Technologien darstellen.

Ein Großteil der potenziellen Probleme resultiert aus der zunehmenden Standardisierung der Baumethoden. Maßgefertigte Designs mögen zwar das energetische und ökologische Profil verbessern, lassen sich aber nur schwer in die starren Kategorien und Bewertungsmethoden der Vorschriften einordnen.

Ein hilfreiches Element ist die sogenannte „regulatorische Sandbox“, in der Pilotprojekte ihren Wert mit weniger aufdringlicher Kontrolle unter Beweis stellen können.

„Diese Rahmenbedingungen ermöglichen es Bauunternehmen, digitale Methoden zu testen, ohne sich den vollständigen regulatorischen Auflagen unterwerfen zu müssen. So werden Innovationen gefördert und gleichzeitig die Aufsicht gewahrt.“

Eine weitere Verbesserung kann die Einbettung digitaler Bauanforderungen in öffentliche Ausschreibungsprotokolle sein. Auf diese Weise passen sich Regierungen nicht nur an, sondern steuern den Übergang zu einem digitalisierten und umweltbewussten Bausektor aktiv.

Diese regulatorischen Änderungen müssen auf lokaler, nationaler und internationaler Ebene verwaltet werden.

Quelle: Nachhaltige Zukunft

Sie müssen sich zudem schnell genug an technologische Neuerungen anpassen. Andernfalls könnte dies die Einführung innovativer Technologien wie KI und 3D-Druck im Bauwesen verlangsamen, da Unternehmen möglicherweise zögern, massiv in Technologien zu investieren, die möglicherweise nicht den zukünftigen Vorschriften entsprechen.

Zukünftige Bautechnologien

Noch eindrucksvollere Materialien könnten eines Tages in Bauprojekte integriert werden. Zum Beispiel Nanotechnologie in der Materialwissenschaft bietet das Potenzial, ultrastarke, leichte Baumaterialien zu entwickeln, die sowohl kostengünstig als auch umweltfreundlich sind.

Eine weitere Option ist intelligente Materialien die sich an Umweltveränderungen anpassen können, wie beispielsweise temperaturempfindliche Polymere, die ihre Isoliereigenschaften je nach Wetterbedingungen anpassen.

Diese Materialien könnten die Energieeffizienz und den Komfort in Gebäuden ohne zusätzliche mechanische Eingriffe drastisch steigern.

DDigitale Fertigungstechnologien Darüber hinaus könnten sie noch ausgefeilter werden und wahrscheinlich Echtzeit-Qualitätskontrollsysteme wie fortschrittliche Sensoren und KI-Algorithmen integrieren, um die Druckparameter im laufenden Betrieb anzupassen und so optimale Materialeigenschaften und strukturelle Integrität sicherzustellen.

Robotik Auch Roboter könnten große Auswirkungen haben, beispielsweise wenn sie Maurerarbeiten oder komplexe Rohr- und Kabelinstallationen durchführen, wodurch Geschwindigkeit und Präzision verbessert und gleichzeitig menschliche Fehler und Arbeitskosten reduziert werden.

Schließlich AI könnte einen großen Einfluss auf die Forschung nach neuen Materialien haben, von einem digitalen Zwilling eines Gebäudes, der die Entwicklung von Parametern im Laufe der Zeit beobachtet, bis hin zur Förderung der Entdeckung neuer Materialien, der Verbesserung der Lebensdauer von Materialien und der Verbesserung des Verständnisses der Umweltauswirkungen während des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes.

Fazit

Das Baugewerbe war historisch gesehen eine Branche mit relativ geringem Technologieaufwand, in der neue Materialien nur langsam integriert wurden und die Baumethoden relativ unverändert blieben.

Die gleichzeitige Weiterentwicklung von CNC, 3D-Druck, CAD, digitalem Fußabdruck und KI könnte dies bald ändern. Insbesondere in Kombination mit dem Streben nach geringerer Umweltbelastung, besserer Rückverfolgbarkeit, höherer Energieeffizienz und geringerem Materialverbrauch.

Im Gegensatz zu vielen anderen Wirtschaftssektoren ist es jedoch unwahrscheinlich, dass dadurch viel menschliche Arbeitskraft aus der Bauindustrie verdrängt wird.

Stattdessen wird es die Produktivität, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit neuer Gebäude verbessern und gleichzeitig bessere Designs und einen geringeren Ressourcenverbrauch ermöglichen – und das alles unter der Aufsicht von Menschen, die weiterhin direkt mit den chaotischen und sich ändernden Bedingungen einer Baustelle umgehen.

3D-Druckunternehmen

(Neben den unten besprochenen Unternehmen können Sie in unserem Artikel „Top 10 der Additive Manufacturing- und 3D-Druck-Aktien, die Sie im Auge behalten sollten")

Nano Dimension

Die meisten Unternehmen der additiven Fertigung konzentrieren sich auf Metall und Kunststoff und haben ein Auge für komplexe mechanische Teile. Nano Dimension hingegen konzentrierte sich auf 3D-gedruckte Elektronik. Dazu gehören hochspezialisierte Technologien wie leitfähige oder dielektrische Tinten und Keramik. Diese können beispielsweise für die Konstruktion optischer oder Funkkomponenten eingesetzt werden.

Dies ist eine der möglichen Anwendungen des 3D-Drucks im Nanomaßstab, die wir in „Der nanoskalige 3D-Druck scheint auf eine Kommerzialisierung vorbereitet zu sein".

Nano Dimension ist durch eine Mischung aus Akquisitionen und interner Forschung und Entwicklung gewachsen.

Quelle: Nanodimensionen

Diese Strategie änderte sich mit die Übernahme von Desktop Metal, angekündigt im Jahr 2024 angegeben und im Jahr 2025 abgeschlossen. Gemeinsam werden die beiden Unternehmen eine deutlich stärkere Position im 3D-Druck von Metall und Keramik in allen Größenordnungen einnehmen, von der Elektronik bis hin zu großen Industrieanlagen und der Luft- und Raumfahrt, mit einem starken Vorstoß in die industrielle Produktion.

Dies schafft auch Skaleneffekte durch die Zusammenführung des Kundenstamms, zu dem SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics usw. gehören.

Zudem waren die beiden Unternehmen in unterschiedlichen geografischen Regionen aktiv – Nano Dimension in Europa und Desktop Metal in den USA –, was durch die Zusammenlegung ihrer Vertriebsteams Synergien ermöglichte.

Quelle: Nano Dimension

Das Unternehmen behauptet, den ökologischen Fußabdruck der Produktion reduzieren zu können: Die CO2-Emissionen sollen um 94 %, der Wasserverbrauch um 100 %, die Materialkosten um 98 % und die Chemikalien um 82 % gesenkt werden. Insgesamt ist zu erwarten, dass Nano Dimension sich als Technologieführer etablieren wird.

Quelle: Nanodimensionen

Die fusionierten Unternehmen sind gut aufgestellt, um neue Erkenntnisse im 3D-Druck zu nutzen und stärkere Aluminiumlegierungen zu entwickeln. Diese Innovationen dürften den adressierbaren Markt erweitern.

Allerdings müssen sich die Anleger darüber im Klaren sein, dass sowohl Nano Dimension als auch Desktop Metal pro Akquisition einen negativen Cashflow aufwiesen. Das daraus hervorgehende Unternehmen muss also Kosten senken oder ausreichend wachsen, um in Zukunft Gewinne zu erzielen.

(Sie können lesen Eine ausführlichere Analyse von Nanodimension finden Sie im entsprechenden Anlagebericht)

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Nano Dimension (NNDM)-Aktie