KI-basierte Förderung nachhaltiger Bauweisen in der Quartiersentwicklung (QuKiBau)
Projektdurchführung
Hochschule Bielefeld
Institute for Data Science Solutions IDaS
Interaktion 1
33619 Bielefeld
Zielsetzung
Nachhaltige Quartiersentwicklung erfordert frühe Entscheidungen über Bauweisen, Materialeinsatz, Transportwege und technische Infrastruktur. Im Tief- und Erdbau entstehen relevante Umweltwirkungen bereits durch Rohstoffgewinnung, Herstellung, Materialmengen und Lieferwege. Bauweisen mit Geobaustoffen sind in der Planungspraxis jedoch noch nicht so selbstverständlich verankert wie klassische Verfahren mit mineralischen Baustoffen, Stahlbeton oder zementgebundenen Konstruktionen. Das notwendige Know-how für Geokunststoffe und geokunststoffbewehrte Systeme liegt verteilt in Produktunterlagen, Projekterfahrungen, technischen Dokumenten und Expertenwissen vor und ist in frühen Konzeptphasen schwer zugänglich.
Anlass des Vorhabens war deshalb die Frage, wie dieses Wissen früher nutzbar gemacht werden kann. Planende sollen nachhaltigere Bauweisen bereits dann prüfen können, wenn grundlegende Entscheidungen über Bauprinzipien, Materialmengen und Transportaufwand noch offen sind. Bestehende CO₂-Rechner bieten hierfür nur begrenzt Unterstützung, da sie häufig spezialisierte Eingaben, getrennte Datenquellen und fachliche Interpretation voraussetzen.
Ziel von QuKiBau war die Entwicklung eines KI-basierten Kommunikations- und Analysetools mit vereinfachter Chatbot-Oberfläche, domänenspezifischer Wissensbasis und angebundenem CO₂-Calculator. Das System sollte Fachwissen nutzbar machen, fehlende Projektparameter dialogisch erfragen und Bauweisen hinsichtlich ihres CO₂-Fußabdrucks vergleichbar machen. Als Einstieg diente der Bautyp Baustraßen, bei dem herkömmliche Bauweisen und Varianten mit Geobaustoffen gegenübergestellt werden können.
Arbeitsschritte
Das Vorhaben gliederte sich in vier Teilprojekte.
Im Teilprojekt Dialogstrategie und Retriever wurden Infrastruktur, Frameworks und Vektordatenbank ausgewählt und eingerichtet. Anschließend entstand ein KI-basierter Systemkern, der dem Ansatz der "Retrieval Augmented Generation" (RAG) folgend Nutzeranfragen verarbeitet, relevante Inhalte aus der Wissensbasis abruft, fehlende Angaben erkennt und Rückfragen an das Chatbot Interface auslöst. Das Sprachmodell dient dabei als Vermittlungsschicht zwischen dokumentengebundenem Fachwissen, Dialogführung und Werkzeugaufrufen.
Im Teilprojekt CO₂-Calculator wurde ein eigenständiges Berechnungsmodul entwickelt. Es übernimmt strukturierte Angaben aus dem Dialogsystem, insbesondere Bauvorhaben und Baustellenstandort, und führt daraus Varianten, Materialmengen, Produktinformationen, Transportdistanzen und Emissionsfaktoren zusammen. Produkt-CO₂ und Transport-CO₂ werden getrennt ausgewiesen, sodass herkömmliche und alternative Bauweisen nachvollziehbar vergleichbar werden.
Im Teilprojekt Datenbasis wurden geeignete Dokumente analysiert, ausgewählt und technisch aufbereitet: Produktdatenblätter, technische Dokumentationen, projektbezogene Unterlagen, Tabellen und grafische Darstellungen. Eine automatisierte Pipeline beobachtet den Dokumentenbestand im Datenmanagementsystem, erkennt neue oder geänderte Dokumente, extrahiert Inhalte, erzeugt ihre semantische Repräsentation und überführt diese mit Metadaten in den Wissensspeicher.
Da technische Dokumente im Bauwesen relevante Informationen häufig in Zeichnungen, Tabellen und Detailskizzen enthalten, wurde die Wissensaufbereitung multimodal erweitert. Grafiken werden erkannt, Textpassagen zugeordnet und gemeinsam für den Dialog nutzbar gemacht. Ergänzend wurden Testreihen, fachliche Reviews und Rückmeldungen von Mitarbeitenden genutzt, um die Nutzbarkeit des Prototyps zu prüfen.
Ergebnisse
Im Projekt wurde ein funktionsfähiger Prototyp entwickelt, der dialogische Oberfläche, domänenspezifische Wissensbasis und CO₂-Calculator zu einem durchgängigen System verbindet. Für den Bautyp Baustraßen wurde dieser Durchstich vollständig umgesetzt: Nutzende beschreiben ein Bauvorhaben im Chatbot Interface, das Backend wertet die Angaben aus, fragt Fehlendes nach, ruft Inhalte aus der Wissensbasis ab und übergibt berechnete Varianten an den Calculator. Das im Antrag vorgesehene Zusammenspiel aller Komponenten wurde damit realisiert.
Ein wesentliches Teilergebnis ist die automatisierte Wissensbasis. Neue oder geänderte Dokumente werden ohne manuellen Eingriff erkannt, aufbereitet und in den Wissensspeicher übernommen. Die multimodale Erweiterung des RAG-Ansatzes verbessert die fachliche Nutzbarkeit des Systems, da relevante Informationen in technischen Dokumenten häufig in Grafiken und Tabellen vorliegen. Durch die automatisierte Verarbeitung ist zudem die einfache Weiternutzung sichergestellt.
Der CO₂-Calculator wurde als fachlich kontrolliertes Modul umgesetzt und vollständig als Service nach dem Model Context Protcol (MCP) angebunden. Eingaben zu Bauweise, Materialien, Mengen und Standort fließen aus dem Backend ein; Produkt- und Materialdaten wie Umweltproduktdeklarationswerte (EPD), Produktionsorte, Gewichte und Volumina stammen aus der Wissensbasis. Transportemissionen werden über Materialmengen, Bezugsorte, Distanzen und mobitool-Emissionsfaktoren berechnet. Ausgegeben werden Gesamtwerte sowie getrennte Anteile für Produkt- und Transport-CO₂. Die Ergebnisse wurden anhand manuell erstellter Vergleichsrechnungen validiert und zeigten konsistente Übereinstimmung.
Die Grenzen des Prototyps sind zu berücksichtigen. Der Betrachtungsrahmen umfasst die Bau-Phasen Rohstoffversorgung, Transport zur Herstellung, Produktion sowie Transport zur Baustelle. Einbau, Nutzung, Rückbau und Verwertung sind noch nicht vollständig modelliert, da diese Phasen stark projektspezifisch sind. Auch die automatisierte Nutzung öffentlicher Datenquellen wie ÖKOBAUDAT erwies sich als anspruchsvoll. Insgesamt wurde das Projektziel erreicht: QuKiBau zeigt, wie nachhaltigere Bauweisen in frühen Planungsphasen mit herkömmlichen Methoden vergleichbar gemacht und durch eine modulare KI-Architektur unterstützt werden können.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Öffentlichkeitsarbeit konzentrierte sich auf die Vorstellung des Projektansatzes in fachlichen, wissenschaftlichen und anwendungsnahen Kontexten. Auf dem Kongress "KI@HSBI2025" wurde das Projekt innerhalb der Hochschule Bielefeld sowie gegenüber einem Publikum aus Wissenschaft, Transfer und Praxis präsentiert. Beim Informatik Festival 2025 an der Universität Potsdam stand die Verbindung von KI-gestützter Wissenserschließung, RAG-Architektur, Werkzeuganbindung und Nachhaltigkeitsbewertung im Bauwesen im Vordergrund.
Parallel dazu wurden Zielgruppen für die weitere Verbreitung identifiziert: die geotechnische Fachcommunity, Stadtplanung und Quartiersentwicklung, regionale Nachhaltigkeitsnetzwerke wie Circular OWL sowie das Umfeld der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik. Für die Naue GmbH & Co. KG ergibt sich eine Verwertungsperspektive durch die Integration in ein auf Planer und Ingenieure ausgerichtetes Serviceportal. Das Projekt bildet damit eine Grundlage, CO₂-bezogene Entscheidungsunterstützung in Beratungs-, Planungs- und Transferprozesse einzubringen
Fazit
QuKiBau hat gezeigt, dass ein KI-basiertes Planungsassistenzsystem zur frühen Bewertung nachhaltiger Tief- und Erdbauweisen beitragen kann. Bauweisen mit Geobaustoffen besitzen ökologische Entlastungspotenziale, erfordern aber spezialisiertes Fachwissen, das in frühen Planungsphasen häufig nicht verfügbar ist. Der Prototyp adressiert diese Lücke durch dialogische Nutzerführung, domänenspezifische Wissensbasis und angebundenen CO₂-Calculator.
Die Projektziele wurden erreicht. Für Baustraßen liegt ein Durchstich vor, der Bauparameter dialogisch erfasst, Fachwissen aus einer wachsenden Dokumentenbasis nutzt und Varianten hinsichtlich Produkt- und Transport-CO₂ vergleichbar macht. Die Wissensbasis umfasst über 300 Dokumente und ist erweiterbar. Die multimodale Verarbeitung technischer Dokumente hat sich als wesentlicher Qualitätsfaktor erwiesen. Mit dem Calculator als MCP-Service ist eine Architektur entstanden, in der fachliche Werkzeuge kontrolliert angebunden und künftig erweitert werden können.
Der Prototyp ersetzt noch keine vollständige Ökobilanzierung. Einbau, Nutzung, Rückbau und Verwertung müssen ergänzt werden. Auch die Pflege belastbarer Emissionsfaktoren und die Evaluation mit realen Planungsteams bleiben offene Aufgaben. QuKiBau bildet damit ein Fundament für ein Folgeprojekt, das MCP-Technologie tiefer integriert, weitere Bautypen abbildet und nachhaltige Bauweisen noch früher vergleichbar macht.