Zukunft des Bauens

Mit Bauen 4.0 zur digitalisierten Baustelle

Illustration: Verschiedene Baumaschinen mit Datenpunkten und ihr digitales Abbild auf dem Screen eines Tablets.
Schematische Darstellung einer Baustelle 4.0 mit kollaborativen Baumaschinen, ihren Datenpunkten und ihrem digitalen Abbild auf dem Screen eines Tablets
Bildquelle: TUD-FMS

 

Unterschiedliche Akteure, dynamische Abläufe und eine heterogene Technik stellen Herausforderungen für die Digitalisierung von Bauprozessen dar. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „Bauen 4.0“ arbeiten 30 Projektpartner an digitalen Innovationen für die Baustelle der Zukunft.

Drei Themenfelder stehen dabei im Fokus: Prozesse und Tools, dezentrale Vernetzungstechnologien sowie automatisierte Arbeitsmaschinen. Anhand von Demonstratoren auf einer Testbaustelle zeigt das Konsortium, wie alle Ergebnisse zusammenwirken.

 

Im Vergleich zur industriellen Güterproduktion ist die Digitalisierung von Bauprozessen mit komplexeren Anforderungen verbunden. In einem örtlich und zeitlich veränderlichen Umfeld agieren verschiedene Beteiligte arbeitsteilig miteinander. Kleine bis sehr große Gewerbe arbeiten gleichzeitig mit unterschiedlichster Technik vor Ort – oft jedes für sich als Insellösung, da eine digitale Kommunikation aus verschiedenen Gründen nicht möglich ist. Zu diesen Gründen zählen unterschiedliche Automatisierungsgrade und Softwarelösungen, das Fehlen standardisierter Schnittstellen sowie eine ungenügende Mobilfunk-Netzabdeckung.

 

Seit Juli 2019 arbeiten in dem auf drei Jahre Laufzeit ausgelegten Verbundprojekt „Bauen 4.0“ 20 Unternehmen, fünf Professuren und fünf Verbände daran, die Vision einer digitalisierten Baustelle umzusetzen. Dabei verfolgt das Projektkonsortium die folgenden konkreten Ziele:

  • durchgängige, zuverlässige und robuste digitale Signalketten vom Auftrag bis zur Ausführung,
  • vertikale Integration von Maschinendaten von der Erfassung bis zur Verarbeitung im Baustellenleitsystem sowie die Anbindung an das Back-Office,
  • maschinenübergreifende, zuverlässige und robuste Kommunikation mit baustellentauglichen Lösungen über standardisierte Schnittstellen,
  • Unterstützung des Baustellenpersonals durch geeignete Programme, Assistenz- und Automatikfunktionen.

Durch die Digitalisierung der Baustelle werden nicht nur erhebliche Produktivitäts- und Effizienzsteigerungen, sondern auch die Reduzierung sicherheitskritischer Arbeiten erwartet.

 

Effizientere Abläufe durch digitale Tools

Mit Tracking & Tracing, Bauprozess-Simulationen und einem digitalen Baustellen-Zwilling haben die Bauen-4.0-Projektpartner Lösungen entwickelt, die die Digitalisierung von Baustellenabläufen ermöglichen. Die Technologien, die zum Tracking & Tracing von Objekten eingesetzt werden, richten sich nach deren Werthaltigkeit.

Bei preiswerten Objekten kommen einfache Technologien wie z. B. Barcodes zum Einsatz. Bei teureren Objekten werden Smart Tracker genutzt. Mithilfe einer Simulation lassen sich Baustellenabläufe in verschiedenen Detailstufen abbilden und vorab Varianten und Parameterstudien durchführen [1], [2]. Dazu werden Abhängigkeiten und Einschränkungen analysiert und bewertet. In Zukunft sollen Maschinendaten via Telematik als As-built-Daten analysiert und in die Simulation eingebunden werden. Dieser digitale Zwilling der Baustellenabläufe ist dann in der Lage, Handlungsempfehlungen zu geben. Ein weiterer Schwerpunkt besteht in der Umsetzung von BIMsite. Die mithilfe von Building Information Modelling (BIM) erstellte statische Bauobjektbeschreibung wird um Baumaschinen und Bauablaufdaten [3] zum digitalen Zwilling der Baustelle ergänzt und den Bauausführenden per hologrammbasiertem Fahrerleitsystem zur Verfügung gestellt.

 

Durchgängige digitale Signalketten

Damit die digitale Kommunikation auf der Baustelle klappt, müssen die verschiedenen Baumaschinen, Materialien und Arbeitenden untereinander sowie mit dem zentralen Leitstand – dem Baustellenleitsystem – vernetzt sein [4]. Um die Kommunikation trotz der Dynamik, die mit Bauprozessen verbunden ist, aufrechtzuerhalten, ist eine robuste und flexible IT-Infrastruktur erforderlich. Mit 5G steht eine Technologie zur Verfügung, die sich aufgrund ihrer Funktionalitäten „Campus-Netze“ sowie „Network Slicing“ besonders gut dafür eignet. „Campus-Netze“ bieten die Möglichkeit, lokal ein privates 5G-Netz unabhängig vom öffentlichen Betreiber aufzubauen.

Das Problem einer mangelnden Netzabdeckung und der damit einhergehenden Unterbrechungen der Funkverbindungen lässt sich damit lösen. Unter „Network Slicing“ versteht man, dass jeder Teilnehmende im Netzwerk, z. B. ein Gewerbe auf der Baustelle, ein speziell auf die individuellen Anforderungen zugeschnittenes Netzwerkstück erhält, z. B. für verzögerungsfreies Videostreaming. Um die Vorteile von 5G auf der Baustelle nutzen zu können, wurde ein für Baumaschinen optimiertes Konnektivitätsmodul entwickelt.

Es gewährleistet eine zuverlässige Funkkommunikation durch den Einsatz zusätzlicher Funkschnittstellen wie WLAN oder Bluetooth. Zudem bietet es die Möglichkeit, Cloud-Software direkt auf der Baumaschine auszuführen, z. B. zur Verarbeitung von Maschinendaten.

 

Illustration: Baumaschinen wie Betonmischfahrzeug, LKW, Bagger, Kran übermitteln per Funk oder WIFI Echtzeit-Daten an die Baustellen-Cloud.
Illustration: Baumaschinen wie Betonmischfahrzeug, LKW, Bagger, Kran übermitteln per Funk oder WIFI Echtzeit-Daten an die Baustellen-Cloud.
Bildquelle: TUM-fml

 

Arbeitserleichterung durch kollaborative Baumaschinen

Der Weg zur autonomen Baustelle führt über diverse Vorstufen, bei denen Baumaschinen eine zentrale Rolle einnehmen. Baumaschinen arbeiten bereits heute effizient, nachhaltig und stehen dem Menschen als optimiertes Werkzeug rund um die Uhr zur Verfügung. Durch die zunehmende Automatisierung und Vernetzung der Maschinen – untereinander „Machine-to-Machine“ (M2M) oder mit Netzwerken „Machine-to-X“ (M2X) – entwickeln sich die Baumaschinen immer mehr zum kollaborativen IoT(Internet-of-Things)-Device. Zukünftig werden sie als Messinstrument wichtige Informationen bereitstellen und bei der Lösung komplexer Arbeitsaufgaben assistieren.

Im Verbundprojekt wurden vier Baumaschinen- Demonstratoren aufgebaut:

  • Ladekran der Firma Herrmann Paus Maschinenfabrik GmbH,
  • Drehbohrgerät der Firma BAUER Maschinen GmbH,
  • Radlader der Firma Wacker Neuson SE,
  • Mobilbagger der Firma Liebherr Hydraulikbagger GmbH.

Die Vernetzung der Maschinen untereinander erfolgt auf Basis des Datenaustausch- Standards OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) [5]. Die Bauen-4.0-Lösung zur selbstständigen Orientierung in der Umgebung setzt auf die automatische Objekterkennung und den Einsatz von SLAM (Simultaneous Localization and Mapping)-Methoden. Nachdem der Auftrag übermittelt wurde, kommen die Trajektorienplanung sowie Automatisierungsfunktionen auf der Maschine zum Einsatz, um die Bewegungen auszuführen. Mit dem Ziel, die Sicherheit am Bau zu verbessern, ist in der verbleibenden Projektlaufzeit geplant, weitere Untersuchungen zur lokalen Umfelderkennung auf den Maschinen durchzuführen sowie Gefahrenanalysen im Leitsystem durch die Überlagerung von Planungsdaten und Echtzeitdatenvorzunehmen.

 

Demonstratormaschine „Bagger 4.0“

Der Liebherr-Mobilbagger vom Typ A918 wurde mit neuesten Technologien der Projektpartner aus- und umgerüstet, z. B. mit 3-D-Maschinenbewegungssystemen und einem Kamerasystem zur Vermessung des Bauobjekts. Zudem wurden Bauen-4.0-Lösungen integriert, wie das Connectivity-Modul, die Software für die vertikale Datenintegration mittels OPC UA sowie erste Automatisierungsfunktionen. Letztere führen dazu, dass sich der Bagger per Knopfdruck anhand einer von der Bauplanung vordefinierten Geometrie bewegen kann. Ein satellitengestütztes Navigationssystem hilft bei der Orientierung im cm-Bereich.

Diese Assistenzfunktionen reduzieren die Belastung für die Fahrerin oder den Fahrer, denn die Bewegung mehrerer Joysticks und Knöpfe ist auf Dauer sehr anstrengend.

Darüber hinaus haben die Projektpartner einen digitalen Zwilling des Baggers erstellt, mit dessen Hilfe die Bauraumüberwachung im lokalen Baustellenleitsystem erfolgt. Dies ist ein weiterer wichtiger Baustein für die autonome Baustelle, auf der der Mensch vom zentralen Leitstand aus die automatisiert ablaufenden Bauprozesse koordiniert.

 

Illustration: Diverse Zusatzgeräte am Mobilbagger und Signalketten zur Datenübermittlung von der Maschine zur Baustellen-Cloud.
Illustration: Diverse Zusatzgeräte am Mobilbagger und Signalketten zur Datenübermittlung von der Maschine zur Baustellen-Cloud.
Bildquelle: TUD-FMS

 

Testfelder und Bauen-4.0-Demo-Szenario

Bis zum Ende der Projektlaufzeit entsteht ein Gesamtszenario für Bauen 4.0, in das alle Ergebnisse der einzelnen Themenschwerpunkte einfließen. Es geht darum, eine durchgängig digitale Bauablaufkette anhand typischer Bauaufgaben zu demonstrieren. Diese Aufgaben reichen von repetitiven Tätigkeiten wie einem Werkzeugwechsel bis hin zu komplexeren Aktivitäten wie der Herstellung einer Entwässerungsleitung. Bei den komplexen Aufgaben soll gezeigt werden, wie sich durch digitalisierte Abläufe der Anteil sicherheitskritischer Arbeiten deutlich reduzieren lässt.

 

Illustration: Umfelderkennung beim Demonstrator Radlader. Automatisierbare und vernetzte Arbeitsmaschinen minimieren sicherheitskritische Situationen.
Automatisierbare und vernetzte Arbeitsmaschinen minimieren sicherheitskritische Situationen. Im Bild: Umfelderkennung beim Demonstrator Radlader.
Bildquelle: TUD-FMS

 

Die verschiedenen Bauen-4.0-Demonstrationsanwendungen werden auf der Fläche des „5G Lab Germany Forschungsfeld Lausitz“ (5GFOLA) – einem vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur BMVI geförderten Projekt – umgesetzt [6]. Zudem sind weitere Aktivitäten im „Construction Future Lab – CFLab“ geplant. Dabei handelt es sich um eine vom Sächsischen Staatsministerium für Regionalentwicklung unterstützte Initiative zur Errichtung einer Bauen-4.0-Testeinrichtung in Görlitz [7], [8].

 

Glossar: Fachbegriffe – kurz erklärt

  • Ist eine elektronische Einheit, die Maschinendaten einsammelt und diese meist über Mobilfunk einem Server eines Betreibers bereitstellt.

  • Das sind die Daten zum tatsächlich errichteten Bauobjekt (u. a. Geometrie).

  • Ist eine Erweiterung der statischen Bauobjektbeschreibung von Building Information Modelling (BIM) um die Baumaschinen und -geräte und um weitere Beschreibungen für den Bauablauf.

  • Ist ein Abbild eines realen/physischen Objektes in der digitalen Welt in verschiedenen Ausbaustufen (Datenblattangaben, 3D-Modell, mit physikalischem Verhalten usw.).

  • Ist ein Algorithmus, der aus einem vorgegebenen Bauobjekt Pfade berechnet, entlang derer sich die Werkzeugspitze in einer vorgegeben Zeit bewegen soll.

  • Ist ein Assistenzsystem, das dem Maschinen-Bedienpersonal die aktuelle Werkzeugposition in Relation zu einer Soll-Kontur darstellt. Teilweise fallen unter diesen Begriff auch teilautomatisierte Funktionen wie die Abziehautomatik.

Das Connectivity-Modul verbindet Baumaschinen mit der Baustellen-Cloud.
Das Connectivity-Modul verbindet Baumaschinen mit der Baustellen-Cloud.
Bildquelle: TUD-FMS

Das Projekt „Bauen 4.0“ wird mit Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 02P17D230 gefördert.

Literaturhinweise
[1]
Fischer, A. et al.: Begleitende Prozesssimulation für das Kellybohrverfahren. In: Proceedings of „8. Fachtagung Baumaschinentechnik“, Dresden, 2020.
[2]
Fischer, A., Li, Z., Wenzler, F., Kessler, S., Fottner, J.: Cyclic update of project scheduling by using equipment activity data. In Proc. 17th IFAC Symp. Inform. Control Problems Manufact., 7 – 9 Juni 2021, Budapest, Ungarn.
[3]
Schöberl, M., Kalla, T., Sauermann, T., Rimböck, F., Kessler, S., Fottner, J.: The Process-oriented Digital Twin of Construction Machinery. In: Proceedings of „8. Fachtagung Baumaschinentechnik“, Dresden, 2020.
[4]
Waurich, V., Will, F.: The Role of Construction Machinery on an Automated and Connected Construction Site. White Paper within 4th International VDI Conference “Smart Construction Equipment”, München, 2020.
[5]
Köhler, S. et al.: Netzwerkschnittstellen für mobile Arbeitsmaschinen im Kontext der digitalisierten Baustelle. In: Proceedings of „8. Fachtagung Baumaschinentechnik“, Dresden, 2020.
[6]
Website des Projekts: https://forschungsfeld-lausitz.de/medien/, abgerufen am 14.06.2021.
[7]
Beutler, S.: Ein Forschungshaus fürs moderne Bauen. Zeitungsartikel in Sächsische Zeitung, Online-Artikel: https://www.saechsische.de/plus/forschungshaus-tu-dresden-goerlitz-bauen-der-zukunft-5232419.html, abgerufen am 14.06.2021.
[8]
Schmidt, S.: Bauen 4.0. Webauftritt des Sächsisches Staatsministeriums für Regionalentwicklung, https://www.simulplus.sachsen.de/bauen-4-0-27394.html, abgerufen am 14.06.2021.
Autoren

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber

TU München, Lehrstuhl für Fördertechnik, Materialfluss Logistik

Dipl.-Ing. Stephan Kessler

TU München, Lehrstuhl für Fördertechnik, Materialfluss Logistik

Dipl.-Ing. Benjamin Beck

TU Dresden, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik

Dipl.-Ing. Richard Jacob

TU Dresden Vodafone Stiftungslehrstuhl Professur für Mobile Nachrichtensysteme

Dr.-Ing. Claudia Weise

rubicondo, Agentur für Kommunikation und Projektmanagement


Ausgabe

BauPortal 3|2021