Fortschritt im nachhaltigen Bau durch Technologie

Von traditionellem Bau zum digitalen Öko‑Bau

Bauwesen ist im Allgemeinen eine sehr energie‑ und arbeitsintensive Tätigkeit, die erhebliche Umweltverschmutzung verursacht. Es ist nach wie vor hauptsächlich eine „offline“ Tätigkeit, die im Vergleich zu anderen Wirtschaftssektoren nur wenig digitalisiert ist.

Ein wissenschaftliches Papier, veröffentlicht in Sustainable Futures¹, untersucht, wie das Aufkommen von KI, Blockchain‑Technologie, digitaler Fertigung und der Trend zur Nachhaltigkeit diese Branche beeinflussen könnten.

Zusammen könnten digitale Technologien und Eco‑Materialien eine erhebliche Beschleunigung der Öko‑Bautechnologien bewirken und die Umweltauswirkungen der Bauindustrie reduzieren.

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” veröffentlicht.

Neue Produktionsmethoden

Materialien im Bauwesen wurden historisch in standardisierten Formen in Massenproduktion hergestellt, und jede Montage erforderte qualifizierte Arbeitskräfte. Neue Technologien werden diesen Status quo voraussichtlich in naher Zukunft verändern.

Die ersten sind Produktionsmethoden jenseits der Fabrik‑Massenproduktion mit computer numerical control (CNC)-Bearbeitung, Laserschneiden und 3D‑Druck. Jede hat ihre eigenen Vor‑ und Nachteile und sollte je nach den Anforderungen einer jeweiligen Aufgabe ausgewählt werden.

Quelle: Sustainable Futures

Diese Methoden reduzieren den Materialverlust bei der Verarbeitung von Rohmaterial zu fertigen Bauprodukten erheblich.

Sie ermöglichen zudem ein viel höheres Maß an Flexibilität beim Enddesign, wodurch individuelle Gestaltung leichter zugänglich wird.

Schließlich können sie in viel kleinerem Maßstab und lokaler produziert werden, was potenziell zu einer drastischen Reduzierung des Transport‑Fußabdrucks von Rohmaterialien über die Fabrik bis zu den Baustellen führt.

“Diese Methodik ist nicht nur förderlich für die Nutzung von Eco‑Materialien, sondern stimmt aufgrund ihres inhärent geringen Abfallprofils auch eng mit Lean‑Construction‑Prinzipien und Netto‑Null‑Zielen überein.”

All diese neuen Produktionsmethoden profitieren stark von der Verbesserung und Demokratisierung von Computer‑Aided Design (CAD) und der weit verbreiteten Einführung von Building Information Modeling (BIM). CAD und BIM bilden heute das digitale Rückgrat der meisten Bauprojekte.

Eco‑Materialien

Eine weitere Veränderung, die die Bauindustrie betrifft, ist die Verlagerung zu umweltfreundlicheren Materialien.

Ein wesentlicher Treiber des Wandels sind 3D‑Drucker, die Materialien wie recycelte Kunststoffe, biologisch abbaubare Polymere und Verbundwerkstoffe, die natürliche Fasern integrieren, verwenden können.

Insbesondere Geopolymere können verwendet werden im 3D‑Druck. Geopolymere sind anorganische, typischerweise keramisch wirkende Materialien, die aus industriellen Nebenprodukten wie Flugasche oder Schlacke hergestellt werden können, welche sonst Abfallprodukte von Kraftwerken und Stahlwerken sind. Sie können aus lokal bezogenen Materialien formuliert werden.

Durch diese Vorgehensweise wird die Bauindustrie in die Lage versetzt, Industrieabfälle zu recyceln, anstatt Ressourcen zu verbrauchen.

“Die Entwicklung von großskaligen 3D‑Druckern hat den Bau kompletter Gebäudestrukturen direkt vor Ort ermöglicht, wodurch Transportkosten und damit verbundene CO₂‑Emissionen reduziert werden.”

Allerdings sollten die Kosten für 3D‑Drucker und ihre relativ geringe Geschwindigkeit als nach wie vor ernsthafte Einschränkungen dieser Technologie beachtet werden, die ihre großflächige Einführung verlangsamen.

Erneuerbare Eco‑Materialien, wie Mass Timber, das für den Bau von Holz‑Wolkenkratzern verwendet wird, könnten ebenfalls dazu beitragen, die CO₂‑Emissionen und den Ressourcenverbrauch der Bauindustrie zu senken.

Neue Designs

3D‑gedruckte Gebäude können zudem komplexere, individuelle Formen annehmen als Gebäude, die aus massenproduzierten Elementen bestehen.

Infolgedessen kann es die Integration natürlicher und ergonomischer Formen in Gebäude erleichtern, was die Energieeffizienz durch bessere thermische Dynamik und Lichtverteilung steigern kann.

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

3D‑Druck ermöglicht zudem die Herstellung von „Gradientenmaterialien“, bei denen die Materialeigenschaften über ein einzelnes Objekt hinweg variieren, um spezifische funktionale Anforderungen zu erfüllen, ohne übermäßigen Materialeinsatz.

Blockchain für nachhaltige Lieferketten im Bauwesen

Eine weitere wiederkehrende Herausforderung der Bauindustrie ist wahrscheinlich die Verfolgung der Herkunft der verwendeten Materialien und deren ESG‑Profil.

Dies ist ein Bereich, in dem die durch Blockchain‑Technologie ermöglichten effizienten Aufzeichnungen helfen können.

“Durch die Automatisierung und Sicherung von Transaktionen entlang der Lieferkette erhöht Blockchain nicht nur die operative Effizienz, sondern schafft auch Vertrauen unter den Interessengruppen, indem sie ein klares und unveränderliches Protokoll über Materialherkunft, -verarbeitung und -transport bereitstellt.”

Blockchain kann zudem zur Ermöglichung von Smart Contracts verwendet werden, wodurch die Vertragserfüllung reibungsloser abläuft und die Technologie potenziell in jedem Schritt des Bauprozesses eingesetzt werden kann, von der Materialbeschaffung bis zur Verifizierung und Zertifizierung des fertigen Gebäudes.

Quelle: Sustainable Futures

Durch die Unterstützung bei der Verfolgung und Nachweisführung der Herkunft von im Bau verwendeten Materialien kann Blockchain dazu beitragen, die Anforderungen fortgeschrittener Nachhaltigkeitsstandards wie LEED, BREEAM oder ISO 21930 zu erfüllen und nachzuweisen, dass sie den Umweltvorschriften, Arbeitsschutzbestimmungen und CO₂‑Reduktionsmandaten entsprechen.

Die größte Einschränkung bei der Einführung dieser Technologie ist weniger technischer als kultureller Natur, da die Bauindustrie im Allgemeinen zögert, ihre Praktiken zu modernisieren.

“Der Bausektor zeigt strukturellen Widerstand gegenüber digitaler Transparenz, insbesondere bei Beschaffungs‑ und Subunternehmerpraktiken, die auf veralteten Arbeitsabläufen, informellen Beziehungen und fragmentierten Dokumentationssystemen beruhen.”

Insbesondere kann dies bestehende Machtstrukturen und Schwarz‑ oder Graumarktpraktiken, die in der Branche verbreitet sind, insbesondere in einigen Ländern oder Regionen, beeinträchtigen.

“Für viele Interessengruppen wird die dezentralisierte und unveränderliche Natur von Blockchain nicht als Förderer, sondern als disruptive Kraft wahrgenommen, die bestehende betriebliche Normen bedroht.”

Wahrscheinlich wird die Einführung von Blockchains und anderen digitalen Verfolgungswerkzeugen in kritischen Infrastrukturprojekten schnell erfolgen, wo Rückverfolgbarkeit nicht nur eine regulatorische Anforderung, sondern eine Bedingung für das Haftungsmanagement und die Qualitätssicherung ist.

KI im nachhaltigen Bauwesen: Anwendungen und Grenzen

Anwendungen

Da KI immer vielseitiger wird, kann sie nun eingesetzt werden, um Bauprojekte zu verbessern.

Eine Anwendung ist die Integration von KI in Arbeitsabläufe der Umweltverträglichkeitsprüfung (EIA). Sie ermöglicht genaue Vorhersagen aus umfangreichen und heterogenen Datensätzen, einschließlich standortspezifischer Umweltindikatoren, historischer Projektdaten und regulatorischer Parameter.

Hilfe bei Rechtsdokumenten und Vorschriften kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen haben.

“Natural Language Processing (NLP)-Techniken extrahieren strukturiertes Wissen aus regulatorischen Texten und historischer EIA-Dokumentation, beschleunigen die Konformitätsbewertungen und rationalisieren die Prüfzyklen.”

Quelle: Sustainable Futures

Eine weitere Anwendung von KI ist die Vorhersage von Materialleistungen für Kriterien wie strukturelle Integrität, Isolation, Wasserbeständigkeit oder Haltbarkeit gegenüber verschiedenen Belastungen (Feuchtigkeit, Chlorideintritt, Frost‑Tau‑Zyklen, thermische Gradienten usw.).

Einschränkungen

Eine Grenze für den KI‑Einsatz wird jedoch die allgemein geringe Datenqualität für Eingaben in der Branche sein, was die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit der Modelle reduziert.

Da immer mehr Projekte zunehmend digitalisiert werden, wird erwartet, dass diese Einschränkung im Laufe der Zeit abnimmt. Gleiches gilt für die wachsende Datenbasis über die Leistungen verschiedener Materialien unter realen Bedingungen über mehrere Jahrzehnte.

Ein weiteres potenzielles Problem besteht darin, dass Modelle auf Datensätzen trainiert werden, die historische Ungleichheiten widerspiegeln oder empfindliche ökologische Zonen nicht repräsentieren. Dies kann besonders problematisch sein bei KI‑Modellen, deren innere Funktionsweise schwer zu verstehen ist, was sie zu einer Art „Black Box“ macht.

“Die von KI gebotene Effizienz und analytische Tiefe muss daher gegen diese Risiken abgewogen werden, indem transparente, prüfbare und kontextsensible Modellierungsrahmen implementiert werden.”

Synergie zwischen Eco‑Materialien, Blockchain und KI

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Jede dieser Innovationen im Bauwesen verknüpft sich mit den anderen, wodurch sie nützlicher sind, als wenn sie einzeln eingesetzt würden.

Wenn immer mehr Projekte Blockchain‑Technologie zur Rückverfolgbarkeit integrieren, steigt die Menge an hochwertigen Daten, die von KI genutzt werden können.

Mit zunehmender Digitalisierung von Bauprojekten wird die Integration von CAD‑ und 3D‑Drucktechnologie in den eigentlichen Bau erleichtert.

Der Einsatz umweltfreundlicherer Materialien und die Implementierung besserer Recyclingtechniken reduzieren die ökologischen Auswirkungen von Bau und Abriss, wodurch der Wert hochwertiger Daten steigt, die zur Erlangung wertvoller Umweltzertifikate und zur Festlegung neuer Branchenstandards genutzt werden können.

Quelle: Sustainable Futures

• Fortschrittliche KI‑Systeme zur Analyse von Umweltdaten, wie Sonneneinstrahlung, Windmuster und städtische Hitzeinseln, um die Gebäudeausrichtung und Materialauswahl zu optimieren.
• Nachhaltige Materialien wie recycelter Beton und nachhaltig geerntetes Holz. Diese Materialien werden strategisch innerhalb der Gebäudestruktur platziert, um natürliche Belüftung und Licht zu maximieren.
• Hochleistungs‑Isolation und Fenster sowie Solarpanels und Gründächer werden mit KI‑Systemen kombiniert, die den Energieverbrauch kontinuierlich anhand von Echtzeit‑Umgebungsbedingungen überwachen und anpassen.

Praxisbeispiele

Die Studie präsentiert zudem reale Frühadopter dieser Technologien, um zu zeigen, dass wir uns nun fest in der Implementierungsphase des Technologiekreislaufs befinden.

Ein Beispiel ist der Einsatz von Blockchain zur Lösung von Zahlungsstreitigkeiten mit Auftragnehmern und Lieferanten.

Ein Vorzeige‑Infrastrukturprojekt in Dubai setzte Blockchain ein, um das Vertragsmanagement zu optimieren und Meilenstein‑basierte Auszahlungen durchzusetzen, was zu messbaren Verbesserungen der administrativen Effizienz und zu reduzierten finanziellen Aufwendungen führte.

Blockchain half zudem bei der Verfolgung des ökologischen Fußabdrucks von Materialien.

“In den Niederlanden wurde Blockchain getestet, um die Echtzeit‑Qualität, Lieferung und den ökologischen Fußabdruck von Kernmaterialien wie Stahl und Beton zu verfolgen, sodass sowohl Material‑spezifikationen als auch Nachhaltigkeits‑schwellenwerte ohne manuelle Inspektionsengpässe erfüllt werden.”

Ein Anwendungsfall von KI wurde in Schweden demonstriert, bei dem Architekten und Ingenieure fortschrittliche Dämmmaterialien auswählten, die die Energie im Winter optimal speichern und die Wärmeaufnahme im Sommer minimieren.

“Die Implementierung dieser optimierten Materialien führte zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs um bis zu 25 % in neu errichteten Wohngebäuden, wodurch der damit verbundene CO₂‑Fußabdruck erheblich gesenkt wurde.”

KI wurde zudem in Japan eingesetzt, um das Recycling von Bauschutt zu automatisieren.

KI‑gestützte Sortiersysteme, ausgestattet mit fortschrittlicher Bild‑ und Sensortechnologie, identifizierten und klassifizierten verschiedene Arten von Bauschutt exakt.

“In einem Pilotprojekt auf einer Abbruchstelle erhöhte das KI‑System die Recyclingquote um 30 % im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Sortiermethoden.

Die Effizienz des Sortierens reduzierte zudem die Gesamtzeit und die Arbeitskosten im Zusammenhang mit der Abfallwirtschaft, wodurch der Recyclingprozess wirtschaftlicher und nachhaltiger wurde.”

Regulatorische Herausforderungen im nachhaltigen Bauwesen

Paradoxerweise können die meisten Vorschriften im Bauwesen, die auf die Verbesserung von Sicherheit und Umweltprofilen abzielen, gleichzeitig ein Hindernis für die Einführung dieser Technologien darstellen.

Ein großer Teil der potenziellen Probleme resultiert aus dem Rückgang der Standardisierung von Baumethoden. Individuelle Designs können das energetische und ökologische Profil verbessern, sind jedoch schwer in die von Vorschriften vorgeschriebenen starren Kategorien und Bewertungsmethoden zu integrieren.

Ein Element, das helfen kann, ist das sogenannte „regulatorische Sandbox“, das Pilotprojekte ermöglicht, ihren Wert mit weniger übermäßiger Kontrolle zu beweisen.

“Diese Rahmenwerke ermöglichen es Bauunternehmen, digitale Methoden zu pilotieren, ohne vollständig regulatorischen Vorgaben ausgesetzt zu sein, wodurch Innovation gefördert und gleichzeitig Aufsicht gewährleistet wird.”

Eine weitere Verbesserung kann darin bestehen, digitale Bauanforderungen in öffentliche Ausschreibungsprotokolle zu integrieren. Auf diese Weise passen sich Regierungen nicht nur an, sondern steuern aktiv den Übergang zu einem digital unterstützten und umweltverantwortlichen Bausektor.

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

Quelle: Sustainable Futures

Sie müssen sich auch schnell genug an technologische Fortschritte anpassen. Andernfalls könnte dies die Einführung innovativer Technologien wie KI und 3D‑Druck im Bauwesen verlangsamen, da Unternehmen zögern könnten, stark in Technologien zu investieren, die möglicherweise nicht mit zukünftigen Vorschriften konform gehen.

Zukünftige Bautechnologien

Zukünftig könnten noch beeindruckendere Materialien in Bauprojekte integriert werden. Beispielsweise bietet die Nanotechnologie in der Materialwissenschaft das Potenzial, ultra‑starke, leichte Baumaterialien zu schaffen, die sowohl kosteneffizient als auch umweltfreundlich sind.

Eine weitere Option sind intelligente Materialien, die sich an Umweltveränderungen anpassen können, etwa temperaturresponsive Polymere, die ihre Dämmeigenschaften je nach Wetterbedingungen anpassen.

Diese Materialien könnten die Energieeffizienz und den Komfort in Gebäuden dramatisch steigern, ohne zusätzlichen mechanischen Eingriff.

Digitale Fertigungstechnologien könnten ebenfalls noch anspruchsvoller werden und voraussichtlich Echtzeit‑Qualitätskontrollsysteme integrieren, wie fortschrittliche Sensoren und KI‑Algorithmen, die Druckparameter in Echtzeit anpassen, um optimale Materialeigenschaften und strukturelle Integrität zu gewährleisten.

Robotik könnte ebenfalls einen großen Einfluss haben, indem beispielsweise Roboter das Mauern oder komplexe Installationen von Rohren und Kabeln übernehmen, was Geschwindigkeit und Präzision verbessert und gleichzeitig menschliche Fehler und Arbeitskosten reduziert.

Schließlich könnte KI einen bedeutenden 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 Beschleunigung der Entdeckung neuer Materialien, Verbesserung der Materiallebensdauer und Vertiefung des Verständnisses der Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes.

Fazit

Das Bauwesen war historisch gesehen ein relativ „Low‑Tech“-Sektor, der neue Materialien nur langsam integrierte und die Baumethoden weitgehend unverändert ließ.

Die gleichzeitige Reifung von CNC, 3D‑Druck, CAD, digitalem Fußabdruck und KI könnte dies bald ändern, insbesondere in Kombination mit dem Bestreben nach geringerem Umweltausstoß, mehr Rückverfolgbarkeit, höherer Energieeffizienz und reduziertem Materialverbrauch.

Allerdings ist es im Gegensatz zu vielen anderen Wirtschaftssektoren unwahrscheinlich, dass dies einen erheblichen Wegfall menschlicher Arbeitskraft im Bauwesen bewirken wird.

Stattdessen wird es die Produktivität, Sicherheit und die Umweltbilanz neuer Gebäude verbessern, während es bessere Designs und geringeren Ressourcenverbrauch ermöglicht, alles unter Aufsicht von Menschen, die weiterhin die unordentlichen und wechselnden Bedingungen einer Baustelle direkt handhaben.

3D‑Druckunternehmen

(Neben den unten diskutierten Unternehmen können Sie in unserem Artikel “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch” lesen)

Nano Dimension

Die meisten Unternehmen für additive Fertigung konzentrieren sich auf Metall und Kunststoff und zielen auf komplexe mechanische Bauteile ab. Nano Dimension hingegen fokussierte sich auf 3D‑gedruckte Elektronik. Dazu gehören sehr spezialisierte Technologien wie leitfähige oder dielektrische Tinten & Keramiken. Diese können beispielsweise beim Bau von optischen oder Funkkomponenten eingesetzt werden.

Dies ist eine der möglichen Anwendungen von 3D‑Druck im Nanomaßstab, die wir weiter in „Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization“ untersucht haben.

Nano Dimension ist durch eine Mischung aus Akquisitionen und interner F&E gewachsen.

Quelle: Nano Dimensions

Diese Strategie änderte sich mit der Übernahme von Desktop Metal, ankündigt im Jahr 2024 und dem Abschluss im Jahr 2025. Zusammen werden die beiden Unternehmen eine deutlich stärkere Position im Metall‑ und Keramik‑3D‑Druck in allen Maßstäben haben, von Elektronik bis zu großen Industrieanlagen und Luft‑ und Raumfahrt, mit einem starken Schritt in die industrielle Produktion.

Dies schafft zudem Skaleneffekte, indem die Kundenbasis, zu der SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics usw. gehören, zusammengeführt wird.

Schließlich waren die beiden Unternehmen hauptsächlich in unterschiedlichen geografischen Regionen aktiv, wobei Nano Dimension in Europa und Desktop Metal in den USA tätig war, was durch die Zusammenlegung ihrer Vertriebsteams Synergien ermöglicht.

Quelle: Nano Dimension

Das Unternehmen behauptet, den ökologischen Fußabdruck der Fertigung reduzieren zu können, mit einer Verringerung von 94 % bei CO₂‑Emissionen, 100 % beim Wasserverbrauch, 98 % bei Materialien und 82 % bei Chemikalien. Insgesamt können wir erwarten, dass Nano Dimension als Technologieführer hervorgeht.

Quelle: Nano Dimensions

Die fusionierten Unternehmen sind gut positioniert, um neue Entdeckungen im 3D‑Druck zu nutzen und stärkere Aluminiumlegierungen zu entwickeln, wobei diese Innovationen voraussichtlich den adressierbaren Markt erweitern werden.

Investoren sollten jedoch beachten, dass sowohl Nano Dimension als auch Desktop Metal bei der jeweiligen Akquisition einen negativen Cashflow aufwiesen, sodass das resultierende Unternehmen in Zukunft Kosten senken oder ausreichend wachsen muss, um profitabel zu werden.

(Sie können eine ausführlichere Analyse von Nano Dimension im dedizierten Investitionsbericht lesen)

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Nano Dimension (NNDM) Aktien

Desktop Metal hatte einen negativen Cashflow, sodass das resultierende Unternehmen Kosten senken oder ausreichend wachsen muss, um in Zukunft profitabel zu werden. (Sie können eine ausführlichere Analyse von Nano Dimension im dedizierten Investitionsbericht lesen) Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Nano Dimension (NNDM) Aktien