Ein neuer Lern- und Forschungsraum für die Baustelle 4.0

Die Ausgangslage: Fit für BIM oder fit für gestern?

Die digitale Transformation durchdringt alle Lebens- und Arbeitsbereiche. Im Bauwesen ist der Übergang von der analogen Zeichnung zur modellbasierten Planung im Hoch- und Ingenieurbau weitgehend vollzogen. In den Subdisziplinen der Freiraumplanung befinden wir uns jedoch noch in einer frühen Transformationsphase. Für die Praxis im Garten- und Landschaftsbau bedeutet dies oft ein Missverhältnis: Auf der einen Seite stehen komplexe Anforderungen an Dokumentationspflichten, Aufmaß und Abrechnung sowie die Forderung nach durchgängigen Datenketten (BIM). Auf der anderen Seite fehlt es oft an pragmatischen Lösungen, die diese Prozesse vom Entwurf bis zur Pflege abbilden.

Es reicht heute nicht mehr aus, Absolventinnen und Absolventen "nur" mit exzellenten Pflanzen- und Bautechnikkenntnissen in die Praxis zu entlassen. Der berufliche Nachwuchs benötigt ein Kompetenzprofil, das technologische Souveränität mit methodischem Verständnis verbindet. Die Hochschule Geisenheim reagiert darauf mit einer massiven Erweiterung ihrer Lehr- und Forschungsinfrastruktur, die den gesamten Lebenszyklus einer Freianlage abbildet – von der ersten Skizze bis zum Rückbau.

Das Dachkonzept: FAIR-SIM³D

Um die Komplexität moderner Bauprozesse didaktisch beherrschbar zu machen, wurde das übergeordnete Lehrkonzept FAIR-SIM³D entwickelt. Das Akronym steht für:

• F – Forschendes Lernen (Field-based Learning): Studierende konsumieren kein Wissen, sie generieren es durch Experimente und Analysen selbst.
• A – Autonome Systeme: Der Einsatz von Robotik und automatisierter Maschinentechnik wird entmystifiziert und praktisch erprobt.
• I – Intelligenz (KI): Künstliche Intelligenz wird als Werkzeug zur Prozessoptimierung und Entscheidungsunterstützung integriert.
• R – Realzeit: Simulationen und Rückmeldungen erfolgen ohne Zeitverzug, um Ursache und Wirkung direkt erfahrbar zu machen.
• SIM³D – Simulation in immersiven Umgebungen: Der Raum wird dreidimensional begriffen, erweitert um die Dimensionen Zeit (4D) und Kosten (5D).

Mehr als nur Technik: Ganzheitliche Kompetenz-entwicklung für die Praxis

Das Konzept FAIR-SIM³D zielt nicht nur auf die technologische Beherrschung von Geräten ab, sondern verfolgt einen ganzheitlichen Bildungsansatz zur Förderung essenzieller Schlüsselkompetenzen. Im Zentrum steht die Entwicklung einer umfassenden beruflichen Handlungskompetenz, die Absolventen befähigt, die "Baustelle 4.0" aktiv zu gestalten.

Durch die Verknüpfung von analoger Baupraxis und digitalem Zwilling werden vier zentrale Bereiche adressiert und ergänzen damit die Fachkompetenzen der Studierenden:

• Methoden- und Medienkompetenz: Über das "Forschende Lernen" (F) und den Einsatz von KI (I) lernen Studierende, komplexe Sachverhalte – wie hydrologische Prozesse in der AR-Sandbox – strukturiert zu analysieren. Sie werden befähigt, digitale Werkzeuge nicht nur zu bedienen, sondern deren Ergebnisse kritisch zu hinterfragen und ethisch einzuordnen.
• Sozial- und Selbstkompetenz: Da BIM vor allem Kommunikation erfordert, stärken kollaborative Module und Gamification-Ansätze wie "Projektopia" die interdisziplinäre Zusammenarbeit und Konfliktlösung. Gleichzeitig fördert das unmittelbare Feedback der Echtzeit-Simulationen (R) die Selbstreflexion: Fehler werden sofort sichtbar und erfordern eigenverantwortliches Handeln.

Das Ergebnis ist eine praxisnahe Ausbildung, die Fachkräfte hervorbringt, die in komplexen Situationen zielgerichtet, sachgerecht und verantwortungsvoll agieren können.

Unter dem Dach FAIRSIM³D gruppieren sich die im Folgenden genauer beschriebenen verschiedenen Labore und Lernorte, mit denen die oben genannten Kompetenzen entwickelt werden können. Diese Lernorte kreisen wie Satelliten um das zentrale didaktische Ziel: die Befähigung zur digitalen Souveränität im Planungs- und Bauprozess.

Die physische Basis: Der Lehr- und Forschungsgarten als Datenquelle

Trotz aller Digitalisierung bleibt der Landschaftsbau eine Disziplin, die im Außenraum stattfindet. Die methodische Basis des Geisenheimer Modells bildet daher der Lehr- und Forschungsgarten. Hier finden reale Tests und Anwendungsfälle für Material, Baukonstruktionen und Verfahrenstechnik statt. Doch dieser physische Ort ist längst digital durchdrungen und liefert die Datenbasis für die Simulationen.

Klimaanpassung und Wassermanagement

Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf der Adaption an den Klimawandel. In einer eigens errichteten Starkregensimulationsanlage testen Studierende die Leistungsfähigkeit von versickerungsoffenen Pflasterflächen unter realistischen Bedingungen. Sie untersuchen, bis zu welcher Niederschlagsmenge und bei welcher Neigung die Funktionalität unterschiedlicher Beläge und Fugenmaterialien gewährleistet ist.

Parallel dazu läuft ein umfangreicher Bewässerungsversuch. Hier wird der Frage nachgegangen: Wie viel Wasser braucht das Grün wirklich? Studierende vergleichen den Wasserverbrauch und das Pflanzenwachstum bei unterirdisch verlegten Tropfrohren gegenüber konventioneller Überkopfbewässerung oder auch beim Einsatz von gravimetrisch betriebenen Bewässerungsanlagen. Dabei kommen modernste Sensoren zur Bodenfeuchtemessung sowie BUS- und WLAN-basierte Steuerungen zum Einsatz, um das Wassermanagement zu optimieren. Die hier gewonnenen Daten (Wuchshöhen, Wasserverbrauch in m³) werden digital erfasst und dienen als Grundlage für Pflegemanagement-Modelle.

Barrierefreiheit erfahrbar machen

Digitalisierung heißt auch, Perspektiven zu wechseln. Im Rahmen des Moduls "Selbstbestimmtes Er-lernen" nutzen Studierende Hilfsmittel wie den AgeMan-Anzug, Rollstühle und Simulationsbrillen, um den Campus auf Barrierefreiheit zu prüfen. Sie erleben am eigenen Leib, was es bedeutet, mit Sehbehinderungen oder Bewegungseinschränkungen (simulierter Klumpfuß, Gelenkversteifung) Wege und Plätze zu nutzen. Diese haptischen Erfahrungen fließen direkt in die digitale Planung ein, um normgerechte (DIN 18040) und nutzerfreundliche Freiräume zu modellieren.

Digitales Management der Bauprozesse im Lehrlabor Baubetrieb

Die Landschaftsarchitektur beschäftigt sich mit Planung und Ausführung landschaftsbezogener Vorhaben. Der Baubetrieb übernimmt dabei die wichtige Scharnierfunktion zwischen Planung, Nutzung und Unterhaltung landschaftsarchitektonischer Objekte. Die ausführenden Unternehmen im Garten- und Landschaftsbau stehen unter anderem vor den Herausforderungen, den digitalen Wandel zu gestalten, dem Fachkräftemangel zu begegnen und nicht zuletzt einen nennenswerten Beitrag zur erfolgreichen Erreichung der oben genannten Nachhaltigkeitsziele zu leisten. Unterstützt wird dies durch das Lehrlabor für Baubetrieb und systemisches Projektmanagement, welches aus den Komponenten "BiG ROOM" und "Lean Room" besteht.

Modellbildung des Projektes in seiner Umgebung

Die vielfältigen Vorgänge der Planungs-, Bau- und Unterhaltungsprozesse sind eng miteinander verknüpft. Viele Probleme bei der Abwicklung oder späteren Nutzung von Großprojekten könnten ihre Ursache demnach in der Phase der Planung mit ihrem komplexen Wirkgefüge planerischer Einzelentscheidungen haben. Eine Optimierung muss in einen größeren Zusammenhang gestellt werden. Dazu ist ein interdisziplinärer Ansatz mit Instrumenten und Theorien anderer Wissenschaften notwendig. Der Lehransatz besteht darin, die wesentlichen Parameter des Projektgegenstands in ihrem Umfeld qualitativ abzubilden. Hierzu entwickeln Studierende einen digitalen Zwilling des Projektumfeldes. Im Gegensatz zum zuvor genannten digitalen Zwilling des zu bauenden Objekts (BIM) fokussiert dieser Ansatz auf das Umfeld mit seinen relevanten Wechselwirkungen.

Der BiG ROOM-Bereich des Labors ermöglicht kollaboratives Arbeiten im Rahmen studentischer Projekte. Projektbearbeitungsstände werden visualisiert und können im Plenum diskutiert und interaktiv bearbeitet werden.

Im Lean Room wird agiles Arbeiten mit digitalen Präsentations- und Interaktionswerkzeugen ermöglicht. Durch die Verwendung eines interaktiven Lean Boards wird die Projektplanung mittels Last Planner-Ansatz unterstützt.

Die ganze Baustelle auf einem Tisch – von 2D über 3D zu 4D im ViTaToM Lab

Das Virtual Table Top Model (ViTaToM) besteht aus einem Multi-Touch Smart Display Table, auf welchen mittels Computer Aided Design (CAD) Software die Pläne projiziert werden. Ergänzt wird dies durch digitale Endgeräte zur 3D AR-Visualisierung von Bauzuständen über dem Display, sowie unter anderem einem 4D-Software-Paket zur Steuerung und Visualisierung des Bauablaufs. Dabei greifen die Studierenden kollaborativ und interaktiv via Drag and Drop auf die Inhalte zu, einschließlich dem Austausch von Objekten zwischen Endgeräten und Smart Table. Damit werden zukünftige Führungskräfte in der Landschaftsarchitektur in die Lage versetzt, interdisziplinär Entwurfs- und Ausführungspläne zu diskutieren und kollaborativ zu bearbeiten, Schnittstellen und Kollisionen softwaregestützt zu vermeiden und die Planung in einem komplexen Umfeld in bauliche Realität umzusetzen. Störungen können im Vorfeld erkannt und vermieden werden. Damit ist es möglich, die bauliche Entwicklung des Planungsgegenstands zu projizieren, Änderungen vorzunehmen, den Baufortschritt zu kontrollieren oder Interdependenzen zu erkennen.

Haptik trifft Algorithmus: Die AR-Sandboxen

Ein technologisches Highlight, das die Brücke zwischen haptischem Erleben und digitaler Berechnung schlägt, sind die drei neuen interaktiven Augmented Reality (AR) Sandboxen. Was auf den ersten Blick spielerisch wirkt, ist ein mächtiges didaktisches Werkzeug für die Topographie und Hydrologie.

Das Funktionsprinzip ist so simpel wie genial: Studierende formen mit ihren Händen Landschaften im echten Sand. Ein Sensor (Tiefenkamera) über der Box erfasst die Oberfläche in Echtzeit. Eine angeschlossene Recheneinheit berechnet daraus sofort eine farbige Höhenschichtenkarte sowie Konturlinien und ein Beamer projiziert diese millisekundengenau zurück auf den Sand.

Der didaktische Mehrwert für den GaLaBau ist enorm:

• Echtzeit-Hydrologie: Per Handgeste über dem Sand lässt sich ein virtueller Regenschauer auslösen. Das Wasser fließt physikalisch korrekt die Modellberge hinab. Studierende sehen sofort, wo sich Wasser sammelt, wo Dämme brechen würden oder ob ihre geplante Entwässerungsmulde an der richtigen Stelle sitzt.
• Verständnis für Massen: Das Gefühl für Auftrag und Abtrag, für Böschungswinkel und Geländemodellierung wird intuitiv geschult – eine Fähigkeit, die am 2D-Plan oft nur schwer zu vermitteln ist.
• Blaue Infrastruktur: Die Sandboxen dienen als Rückmeldeinstrument für hydrologische Prozesse und helfen, komplexe Zusammenhänge von Topographie und Wasserfluss zu verstehen.

Vom Tablet in den Boden: Das "Real Lab Construction"

Verlässt man die Sandbox, betritt man das Real Lab Construction. Hier wird der Maßstab vergrößert (1:14 bis 1:16), die Komplexität gesteigert und der Prozess automatisiert. Auf einer circa 5 x 8 m großen Simulationsfläche mit einer 40 cm starken Sandauflage wird die Baustelle der Zukunft simuliert. Hier kommen nicht mehr die Hände, sondern ferngesteuerte (RC) und teils autonom agierende Modellbaumaschinen zum Einsatz: Hydraulische Kettenbagger, Radlader, Walzen und Muldenkipper bewegen den Boden. Diese Maschinen sind jedoch keine Spielzeuge, sondern Technologieträger. Sie sind mit Sensorik (IMU, GPS-Module) ausgestattet, um ihre Bewegungen und Arbeitszyklen zu erfassen.

Der digitale Zwilling bei der Arbeit: Das Ziel ist der Aufbau einer interaktiven Modellbaustelle mit Echtzeitrückmeldung. Die Bewegungen der Maschinen und die Veränderungen des Geländes werden überwacht und direkt in digitale Systeme (z. B. über die BIM-Plattform Catenda) zurückgespielt. So entsteht ein permanenter Soll-Ist-Vergleich:

• Wie koordiniere ich Maschineneinsätze effizient?
• Welche Verfahren eignen sich für eine spezifische Bauaufgabe?
• Wie wirken sich Störungen im Ablauf auf den Baufortschritt aus?
• Wie korreliert die physische Bewegung von Erde mit dem digitalen Kosten- und Zeitmodell (5D-Planung)?

Ergänzt wird dieser Fuhrpark durch einen selbstgebauten autonomen Scout-Roboter, ausgestattet mit LiDAR-Sensoren, Tiefenkameras und Jetson-Orin-Recheneinheiten. Dieser soll die Baustelle selbstständig vermessen und Fortschrittsdaten liefern.

Kollaboration im CDE: BIM über Hochschulgrenzen hinweg

Die Daten aus dem Garten und dem Real Lab müssen verarbeitet werden. Im ViTaToM Lab (Virtual Table Top Model) und den BIM-Laboren lernen Studierende die kollaborative Planung. Ein herausragendes Beispiel ist das Modul "BIM interdisziplinär anwenden": Hier arbeiten Geisenheimer Landschaftsarchitektur-Studierende gemeinsam mit Architektur-Studierenden der TU Darmstadt und TGA-Planern der FH Erfurt an einem Modell.

Die Zusammenarbeit findet ausschließlich digital in einem Common Data Environment (CDE) statt. Studierende lernen das Issue-Management kennen: Wenn eine Entwässerungsleitung des Landschaftsarchitekten mit dem Fundament des Architekten kollidiert, wird dies im digitalen Modell markiert und muss gelöst werden. Sie dokumentieren die Prozesse in einem BIM-Manual und simulieren so den realen Berufsalltag, in dem Fachplaner oft räumlich getrennt an einem Projekt arbeiten. Dies schult nicht nur die Software-Kompetenz, sondern vor allem die Kommunikationsfähigkeit und das Schnittstellenverständnis (IFC-Austausch).

Serious Games: "Projektopia" – Spielen als ernste Sache

Ein innovativer Baustein des FAIR-SIM³D-Konzepts, die methodisch neuen Wege geht, ist der Einsatz von Serious Games in der Lehre. Projektmanagement ist oft trockene Theorie. Im Modul "Projektopia" wird dieser Stoff zum Rollenspiel. Basierend auf dem Modell der Teamrollen nach Belbin schlüpfen Studierende in Charaktere eines Fantasy-Settings: Der "Baumeister" (Macher), der "Seher" (Neuerer/Erfinder) oder der "Händler" (Wegbereiter) und andere Rollen. Das Rollenspiel vereint Elemente klassischer Table-TopSpiele mit Lehrinhalten des Projektmanagements sowie der für das Berufsleben wichtiger Schlüsselqualifikationen. Die Studierenden durchlaufen einen Teambildungsprozess, planen eine Unternehmung und führen diese gemeinsam zum Erfolg.

Die Aufgabe: Ein komplexes Projekt (z. B. den Bau einer Brücke) planen und durchführen. Dabei müssen Budgets verwaltet, Risikomanagement betrieben und auf unvorhergesehene Ereignisse ("Störungen im Projektablauf") reagiert werden. Was spielerisch wirkt, trainiert harte Fakten: Zeitmanagement, Konfliktlösung, Kostenkalkulation und Kommunikation – Fähigkeiten, die auf jeder Baustelle über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. Unterstützt wird dies durch Tools wie Actionbound, die interaktive Lernpfade ermöglichen.

Künstliche Intelligenz als neues Teammitglied

Künstliche Intelligenz (KI) durchzieht als Querschnittsthema alle Bereiche des neuen Lehrkonzepts. In Geisenheim wird KI nicht als Bedrohung, sondern als Katalysator verstanden, der Kompetenzen neu definiert.

Szenario 1: Strategische Planung im GaLaBau Studierende simulieren den Einsatz von KI in den fünf Leistungsphasen eines Garten- und Landschaftsbauunternehmens. Von der automatisierten Marktanalyse und Akquise (Phase 1 & 2) über die Bauablaufplanung bis hin zum Service und der Kundenbindung (Phase 4 & 5). Die KI fungiert hier als "neues Teammitglied", das Daten analysiert, Marketingstrategien entwirft oder Pflegeanleitungen automatisiert erstellt, während der Mensch die kreativen und ethischen Entscheidungen trifft.

Szenario 2: Entwurf und Lichtplanung Im Modul "Sonderkonstruktionslehre" nutzen Studierende generative KI-Tools wie Midjourney, ChatGPT oder Firefly. Sie entwickeln Varianten von Themengärten, definieren Charakteristika und visualisieren komplexe Lichtkonzepte per Prompting.

Die Ergebnisse sind beeindruckend: Statt mühsamer Handskizzen entstehen stimmungsvolle Visualisierungen (z. B. "Tropical Garden Lighting Plan"), die die Vorstellungskraft anregen und dazu beitragen, die Kommunikation mit dem Bauherrn zu verbessern.

Szenario 3: Systemanalyse mit Vensim Auf einer abstrakteren Ebene nutzen Studierende KI und Simulationssoftware (Vensim PLE), um komplexe Systeme wie den "Rheingau" quantitativ zu modellieren. Mittels Causal Loop Diagrams (CLD) werden Rückkopplungen identifiziert – etwa wie sich Wohnraumverdichtung auf Freiflächenqualität auswirkt. Dies schult das systemische Denken, das für großräumige Landschaftsplanung unerlässlich ist.

Forschungsperspektive: TERRA³D

Während FAIR-SIM³D die Lehre strukturiert, zielt der geplante Forschungsantrag TERRA³D ("Technology-Enhanced Real-time Robotics and AI") auf die wissenschaftliche Weiterentwicklung der didaktischen Methoden/der Lehre ab. Als "Satellit" dockt dieses Projekt an die vorhandene Infrastruktur an.

Die zentrale Forschungsfrage lautet: Wie lassen sich durch den gezielten Einsatz von KI, immersiven Medien (AR/VR) und autonomer Technik neue didaktische Konzepte in Baubetrieb und Projektmanagement entwickeln und validieren?

Im Fokus stehen dabei:

• Autonome Scout-Systeme: Die Entwicklung und Erprobung kleiner Robotereinheiten, die Baustellen selbstständig vermessen und überwachen.
• KI-Didaktik: Die Entwicklung von Lehrbausteinen, die komplexe Datenströme einer digitalisierten Baustelle für den Menschen verständlich aufbereiten.
• Validierung: Experimentelle Erprobung maschineller Assistenzsysteme in simulierten Lernszenarien, um deren didaktischen Mehrwert messbar zu machen.

Fazit: Die Schnittstelle zwischen Tablet und Schaufel

Die Hochschule Geisenheim baut mit dieser neuen Infrastruktur in der Lehre eine Brücke zwischen Tradition und High-Tech. Wir bilden keine reinen IT-Spezialisten aus, sondern Landschaftsarchitekten und Landschaftsbauer, die das Handwerk verstehen, aber die digitalen Werkzeuge virtuos beherrschen.

Die Studierenden lernen den kompletten Workflow: Von der einfachen 3D-Aufnahme mittels Tablet (iPad Pro mit LiDAR) über die Modellierung in der Sandbox bis zur Übergabe in professionelle BIM-Software und die Rückkopplung auf die Baustelle. Sie verstehen, dass ein IFC-Austausch kein theoretisches Konstrukt ist, sondern die Voraussetzung dafür, dass der Bagger weiß, wo er graben muss.

Für Unternehmen des Garten- und Landschaftsbaus sowie Planungsbüros ist dies ein wichtiges Signal: Die Absolventen von morgen bringen das Rüstzeug mit, um die "Baustelle 4.0" Realität werden zu lassen – effizient, kostensicher und digital kompetent. Sie sind bereit für eine Praxis, in der das Tablet so selbstverständlich zur Ausrüstung gehört wie die Schaufel.