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Digital bauen, bevor man real baut: Durchgängige digitale Prozessketten sind ein wichtiger Schritt in Richtung der Baustelle 4.0

Baustelle 4.0: Erst digital, dann real

29.01.2018

Auch die Baubranche hat die vierte industrielle Revolution eingeläutet: neue Technologien und rationellere Abläufe, mehr Termin- und Kostensicherheit, mehr Produktivität und Qualität.
 

Neuartige Fertigungssysteme wie der 3D-Druck werden so manche Baustelle nachhaltig verändern.
Mobile und Cloud Computing ermöglichen die digitale Vor-Ort-Erfassung von Daten und den mobilen Zugriff auf aktuelle Planungsdaten.

Medienbrüche, Mehrfacheingaben, mangelnde Absprachen der Projektbeteiligten, unterschiedliche Kommunikationswege, Daten und Software-Tools bestimmen den Planungs- und Baualltag. Fehler, Termin- und Kostenüberschreitung sowie eine geringere Produktivität in der Baubranche sind die Folge. Während andere Industriezweige durchgängige digitale Prozessketten definierten – von der Konzeption über Planung und Entwicklung bis zur Fertigung –, gibt es hier Aufholbedarf. Aber auch der Bau muss sich Herausforderungen wie Globalisierung, Urbanisierung, Klimawandel, Ressourcenverknappung und dem demografischen Wandel stellen. Die industriellen Fertigungsabläufe lassen sich kaum mit Bauvorhaben vergleichen. Auf der Baustelle werden keine Massenprodukte hergestellt, sondern im Rahmen arbeitsteiliger, handwerklicher Tätigkeiten individuelle Projekte meist in der Stückzahl eins realisiert; dennoch sind Teile der Industrie 4.0 auf den Baubereich übertragbar. Einige ihrer wesentlichen Merkmale sind eine durchgängige Digitalisierung der Fertigung und Logistik, die Vernetzung autonomer, „intelligenter“ Objekte oder auch die Nutzung selbstlernender Systeme mit dem Ziel, Prozesse zu flexibilisieren und zu optimieren. Auf den Baubereich übertragen, ist somit die Digitalisierung sämtlicher Bauabläufe über alle Projektphasen hinweg ein wichtiger Schritt hin zur Industrie 4.0. Die Digitalisierung umfasst die ganze Wertschöpfungskette und schließt alle Planungs-, Produktions-, Bestell-, Liefer- und Montageprozesse, aber auch betriebswirtschaftliche Abläufe ein. Werden Informationen und Prozesse über alle Gewerke und Bauphasen hinweg konsequent digitalisiert und miteinander vernetzt, lassen sich Arbeitsabläufe optimieren, Produktivitäten steigern, Datenredundanzen vermeiden und Fehlerquellen minimieren. Einen bedeutenden Schritt in diese Richtung hat die Bauplanung mit dem Einsatz von IT-, CAD-, AVA-, Berechnungs- und Simulationswerkzeugen vollzogen. Mit der Planungsmethode Building Information Modeling (BIM) wurde die nächste Etappe beschritten.
BIM wird sich mittelfristig auch hierzulande zum Standard entwickeln und so den nächsten technologischen Schritt unterstützen. Auf Grundlage von 3D-Gebäudedatenmodellen, klar definierten Verantwortlichkeiten, Qualitätsvorgaben, Koordinations- und Kommunikationsabläufen ermöglicht BIM statische, bauphysikalische oder energetische Optimierungen. Kosten, Massen und Mengen- bzw. Stücklisten werden aus dem 3D-Modell generiert und bei Änderungen aktualisiert, ebenso wie Ausführungs- und Montagepläne. BIM-Modelle lassen sich nicht nur auf Kollisionen und Fehler überprüfen, sie können darüber hinaus auch für Prüfungen auf Normenkonformität (Brandschutz, Schallschutz, Energieeinsparung, Barrierefreiheit etc.) eingesetzt werden. Mithilfe von 3D-Laserscannern und Drohnen lassen sich auch der Gebäudebestand und das bauliche Umfeld in den digitalen BIM-Prozess schnell integrieren. BIM-Modelle ermöglichen virtuelle Baustellenbesichtigungen und verbessern die Kommunikation mit Projektbeteiligten. Simulationen optimieren im Vorfeld Gebäude, deren Statik oder Haustechnik und ermöglichen die Vorwegnahme von Baustellenabläufen oder Nutzungsszenarien. Werden BIM-Fachmodelle (z. B. für den Rohbau, das Baugelände, die Baustelleneinrichtung etc.) mit den geplanten Vorgängen im Bauzeiten- und Terminplan verknüpft, lassen sich zeitlich-räumliche Abhängigkeiten der Bauprozesse visualisieren und optimieren. Bei dieser 4D-Simulation werden zeitliche Abläufe über eine definierte Projektphase hinweg visualisiert. Dadurch lassen sich gewerkeübergreifend geometrische oder zeitliche Konflikte aufdecken. Wird die 4D-Simulation zusätzlich um Baustoff-, Maschinen-, Ressourcen- oder Logistikdaten ergänzt, kann man per 5D-Simulation das komplette Bauvorhaben virtuell realisieren und beispielsweise Engpässe bei den Ressourcen oder der Logistik erkennen. Baustellen-, Montage- und Logistikabläufe wie die Baukranaufstellung, die Lagerflächenbelegung oder die Materialanlieferung können so optimiert werden. Werden Abläufe vorab simuliert, lassen sich später nur schwer zu behebende Fehler rechtzeitig erkennen und Folgekosten vermeiden. Kontinuierliche Visualisierungen von Soll- und Ist-Ständen erleichtern die Steuerung der Baustelle, das Nachtragsmanagement oder Wirtschaftlichkeitsrechnungen.

Von BIM zu CIM

Werk- und Detailpläne, Massen-, Mengen- und Stücklisten bilden derzeit den Endpunkt der CAD-/BIM-Planung. Auf dieser Grundlage werden Baustoffe und -produkte bestellt und verbaut. Einen Schritt weiter geht die digitale Fertigung (Computer Integrated Manufacturing/Building, CIM/CIB). Dabei werden Planungsdaten digital an die Produktion übergeben. Die durchgängige Datennutzung ist bereits Standard im Holz- oder Betonfertigteilbau. CAD-Konstruktionsdaten bilden die Basis für verschiedene Produktionsschritte: Steuerdaten für Maschinen und Anlagen werden berechnet, Abläufe optimiert und der aktuelle Status kontinuierlich dem Unternehmensressourcen- und Produktionsplanungssystem zurückgemeldet. Über Tablets lässt sich der Stand eines Auftrags abfragen, sodass die Fertigung optimal gesteuert wird. Maschinen, Anlagen und Fertigungsabläufe können so schneller an neue Anforderungen angepasst werden. Firmen können flexibler auf Kundenwünsche oder Markterfordernisse reagieren. Eine absolut medienbruchfreie digitale Fertigung, insbesondere komplex geformter Bauteile, ermöglicht die additive Fertigung, auch als 3D-Druck bekannt. Diese auf 3D-CAD- bzw. BIM-Konstruktions-Daten basierende Technologie ermöglicht eine schnelle Herstellung individueller Einzelobjekte oder Kleinserien, die mit anderen Verfahren nicht oder nur aufwendig produziert werden könnten. Dabei werden Objekte aus flüssigen, pulverförmigen oder festen Ausgangsmaterialien (Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Beton, Metall etc.) mithilfe chemisch-physikalischer Prozesse schichtweise aufgebaut. Erste kommerzielle Anwendungen beginnen sich bereits im Baubereich zu etablieren.
Werden Daten direkt auf der Baustelle digital erfasst oder Ressourcen und Material von der Baustelle aus gesteuert, sind Mehrfacheingaben, unterschiedliche Datenstände und Terminverzögerungen zu vermeiden. Mit mobiler Hard- und Software sowie drahtloser Kommunikation werden Infos genau dort eingegeben oder abgerufen, angezeigt oder modifiziert, wo sie anfallen oder benötigt werden. Mit dem Einsatz von Mobile Computing sind digitale Prozesse auf der Baustelle bereits möglich – von der Auftragserfassung über die Planung und Ausführung bis zur Realisierung. Immer mehr Bausoftwarelösungen inkludieren mobile Funktionen für die Zeiterfassung, das Aufmaß, die Material- und Ressourcenplanung etc. und ermöglichen den durchgängigen Datenfluss vom Büro auf die Baustelle und zurück. Unterstützt wird der Mobilitätstrend durch internetbasierte Dienste und das Cloud-Computing. Programme und Daten, die nicht mehr auf der Festplatte des eigenen PC gespeichert, sondern in der Cloud abgelegt sind, bieten den Vorteil des plattform-, zeit- und ortsunabhängigen Zugriffs auf Programme und Daten. Virtuelle Projekträume sind Beispiele für Cloud-Computing-Anwendungen und ein wichtiger Baustein der BIM-Planung, mit denen räumlich getrennte Teams an Bauprojekten auf identischer Datenbasis arbeiten können.
Zudem ermöglichen satellitengestützte Maschinensteuerungen den präzisen Abtrag bei Erdbewegungen oder beim Planieren ohne zeitaufwendige Absteckungen, Verpflockungen und Nachmessungen. Sie sorgen für eine Steigerung der Produktivität und Ausführungsqualität. Zwei Systeme werden unterschieden: Anzeige- bzw. Leitsysteme, bei denen Menschen mithilfe GNSS-gestützter Display-Infos Maschinen manuell steuern. Ferner automatische Systeme,
bei denen Satellitendaten und Sensorinformationen in Echtzeit für die Hydrauliksteuerung genutzt werden, um beispielsweise den Schild einer Raupe selbstständig auf Sollniveau zu halten. Je nach System arbeiten diese globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS) wie GPS, GDPS, Glonass, Gallileo, Beidou etc. zentimetergenau. So sind sie in der Lage, präzis anzugeben, wo und bis auf welches Niveau gegraben werden muss. Das Cockpit-Display zeigt exakt den augenblicklichen Standort, den Sollstandort und den Ort, an dem gegraben oder planiert werden soll. Diese Maschinensteuerungssysteme werden bereits vielfach genutzt, etwa beim Bau von Abwasserkanälen, Böschungen, Rampen, beim Fundament­aushub, dem Abtrag an schlecht einsehbaren Stellen, für den Erdbau sowie für Straßenbauarbeiten. Schnittstellen zu Vermessungsgeräten sowie Planungs- und CAD-Systemen ermöglichen die Übernahme von Messdaten bzw. Planungsinfos. Allerdings wird ein breiterer Einsatz smarter Baumaschinen noch ausgebremst durch die mangelnde Nutzung von 3D-Planungssystemen und unzureichender 3D-Gelände- und Gebäudedaten. Doch werden sich in naher Zukunft vernetzte Maschinen untereinander abstimmen, um Arbeitsabläufe noch besser zu optimieren.

Smarte Werkzeuge, Maschinen und Bauteile

Ein weiterer Teil der Baustelle 4.0 sind smarte Werkzeuge, Maschinen und Geräte, aber auch Baustoffe und Bauteile sowie deren Vernetzung. Sie helfen, die erbrachten Leistungen, verbauten Materialien und Bauteile über die gesamte Bauzeit zu dokumentieren und in das BIM-Modell der Planer bzw. in ERP- und PPS-Systeme der Ausführenden zurückzumelden. Das geschieht halbautomatisch per mobiler Hardware oder mittels automatisierter Identifikation und Datenerfassung. Dabei kommen RFID- (Radio-Frequency Identification) oder Bluetooth-Funksysteme zur berührungslosen Objektidentifizierung und -lokalisierung zum Einsatz. Werden diese auf oder in Bauteile, Maschinen, Werkzeuge oder Fahrzeuge aufgebracht oder eingebaut, lassen sie sich mit stationären oder mobilen Lesegeräten berührungslos identifizieren und orten. Die Möglichkeiten reichen von der Steuerung von Bau- und Montageprozessen, der Echtzeitverfolgung von Bauteilen (Lieferung, Lagerung, Einbau), Abnahmen oder Leistungsverfolgungen über die Geräte- und Maschinenverbuchung, die Wartungs- und Instandhaltungskontrolle, die Rückverfolgbarkeit eingebauter Materialien bis hin zur Abbruchplanung. Einen Schritt weiter geht das „Internet der Dinge“ (Internet of Things, IoT). Darunter versteht man die Vernetzung physischer Objekte mit dem Internet. Direkt am Objekt angebrachte Sensoren ermöglichen zusätzlich eine Erfassung von Zuständen für deren Weiterverarbeitung im Netzwerk oder die koordinierte Ausführung von Aktionen. Das ermöglicht unter anderem eine wechselseitige Abstimmung von Geräten und Maschinen untereinander – etwa zur Optimierung von Wegen, Abläufen oder des Material- und Energieverbrauchs.
Technologien wie BIM, IoT, Mobile und Cloud Computing oder auch die Robotik werden Baustellen nachhaltig verändern und rücken folgende Szenarien auch hierzulande in greifbare Nähe: Erst nachdem das Bauvorhaben mithilfe intelligenter, wissensbasierter Kontroll- und Simulationssysteme wirtschaftlich, bautechnisch, statisch, haustechnisch, bauphysikalisch und energetisch optimiert auf der virtuellen Baustelle als „digitaler Zwilling“ erstellt und die meisten Fehler im Vorfeld beseitigt wurden, beginnt die Bauausführung. Auf Basis des digitalen Modells werden Materialien und Bauteile bestellt, just in time an die Baustelle geliefert und von Kran- und Transportrobotern an den Montageort befördert. Anschließend werden die Teile von Montagerobotern identifiziert, positioniert und eingebaut. Alle Planungs- und Bauabläufe werden dokumentiert und überwacht. Durch die Vernetzung der Daten können jederzeit Änderungen vorgenommen und sowohl Bauabläufe als auch das Bauobjekt optimiert werden. Jede Änderung
am BIM-Modell hat zugleich eine Veränderung damit verknüpfter Vorgänge und Abläufe zur Folge, woraus Handlungsanweisungen für alle Beteiligten abgeleitet werden. Bauleiter werden bei ihren Controlling-Tätigkeiten durch automatische Analysen und Soll-Ist-Vergleiche ebenso unterstützt wie Bauunternehmer bei der Arbeitsvorbereitung, Bestellung, Lieferung und Montage. Smarte Bauteile melden ihren Status an das BIM-Modell, Baumaschinen und -fahrzeuge stimmen sich untereinander ab, sodass Kollisionen vermieden und Probleme schnell gelöst werden. Ähnlich wie in der Automobilindustrie gewährleisten automatisierte Prozesse einen reibungslosen Ablauf, und auf der Baustelle werden zeit-, kosten-, qualitäts- und lebenszyklusoptimierte Bauvorhaben realisiert.
Szenen wie aus einem Science-Fiction-Film? Keineswegs. Auf Großbaustellen in Japan oder China sind Teilbereiche davon längst Alltag.
Wichtige Teile der Baustelle 4.0 sind also bereits realisierbar. Doch für die praktische Umsetzung der digitalen Transformation fehlen übergreifende Standards. Eine Herausforderung besteht darin, die vielen Arbeitsschritte, Akteure, Tools, Abhängigkeiten und unterschiedlichen Anforderungen abzustimmen. Mit der Digitalisierung einhergehende Rationalisierungspotenziale lassen sich aber nur dann maximal ausschöpfen, wenn sich alle planenden und ausführenden Unternehmen beteiligen. Andererseits ist die Digitalisierung nicht die Lösung aller Probleme – auch auf der Baustelle 4.0 wird es Fehler geben. Zeitmangel, Preisdumping, unzureichende Planung u. Ä. werden weiterhin Probleme verursachen. Dazu kommt, dass zum Bau immer noch das Handwerk gehört und industrielle Prozesse schon wegen des unberechenbaren Faktors Wetter nicht eins zu eins übertragbar sind. Dennoch kommt man an einer konsequenteren Umsetzung der digitalen Transformation nicht vorbei, denn sie macht Unternehmen und den Bausektor fit für künftige Herausforderungen und Entwicklungen auf internationaler Ebene.

 

 

 

Autor/in:
Dorian Kreicic
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