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Transdisziplinär: Digitalisierte Bauprozesse und Methoden

Die Digitalisierung macht auch vor der Baubranche nicht Halt. So soll mit der digitalen Vernetzung aller am Bau Beteiligten, dem so genannten »Building Information Modeling«, kurz BIM, beim Planen, Entwerfen, Errichten und Verwalten von Gebäuden und Infrastrukturanlagen besser und effizienter kommuniziert werden. Doch Digitalisierung ist mehr: Sie umfasst auch die serielle Fabrikation maßgeschneiderter Bauelemente für den gesamten Bauprozess – vom Entwurf über die Baustellenlogistik und den Gebäudebetrieb bis hin zum Recycling. Das Spannungsfeld von Robotik bis zur Systemmontage führt zu neuen Potenzialen für die Vorfertigung und damit auch für den Bau selbst.

Am 24. November stellten fünf Experten aus Wissenschaft, Praxis und Verwaltung im Rahmen der Veranstaltungsreihe »Die Zukunft des Bauens« in München aktuelle Entwicklungen und Projekte zu »digitalisierten Bauprozessen und Methoden« vor. Ihre Ansätze unterscheiden sich auf den ersten Blick, die jeweilige Sichtweise auf die Prozesse liegt am Ende aber gar nicht so weit voneinander entfernt.

Einführung von BIM braucht Zeit
 
»BIM wird kommen.« Da ist sich Sebastian Goitowski vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung sicher. Das Institut unterstützt deutschlandweit zahlreiche BIM-Forschungsvorhaben. Bereits heute erlaube die Vergabeverordnung, Teillösungen mit BIM umzusetzen. Goitowski, der auch in der Geschäftsstelle des Gemeinsamen Ausschusses Elektronik im Bauwesen (GAEB) tätig ist, zieht Parallelen von GAEB zu BIM. BIM biete Potenziale für Projektabläufe und helfe, Zeit und Kosten zu sparen. Aber noch sieht er Unschärfen in Hinblick auf den Hochbau. »Es gibt kein Plug-and-Play-BIM. Wenn wir herstellerneutral sein und alle Prozessbeteiligten einbeziehen wollen, dauert das noch 10 bis 20 Jahre.«

Die generelle Einführung von BIM und die Forderung in Vergaben des Bundeshochbaus seien derzeit nicht angedacht. Zum einen fehle noch ein gemeinsames Verständnis für die Prozesse und Standards. Zum anderen seien viele rechtliche und strukturelle Fragen ungeklärt. Derzeit fließen Erfahrungen aus BIM-Pilotvorhaben wie dem Humboldt Forum in Berlin oder der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in neue Projekte ein. Als Beispiel führte Goitowski das Bundesamt für Strahlenschutz in Oberschleißheim bei München oder die Deutsche Botschaft in Wien an. Dort teste man u.a. das Zusammenführen der Modelle in einem Koordinationsmodell (Kollisionsprüfung), modellbasierte Mengenermittlung, Kostenkalkulation und die Bauablaufsimulation.

Die idealtypische Prozesskette
Für Anica Meins-Becker vom Baubetriebslehrstuhl der Bergischen Universität Wuppertal sind drei Dinge bei der Einführung von BIM wichtig: das Umdenken der Prozesse, die Technologie und der Mensch. Vier von derzeit sieben BIM-Forschungsprojekten in Wuppertal fördert das Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung. Anhand von Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA) entwickelt die Universität Checklisten für die Praxis: Welche Daten sind wirklich relevant? Wer braucht wann von wem welche Informationen in welcher Form und Detailtiefe für welchen Prozess? Vor eineinhalb Jahren liefen die ersten Projekte an. Die Untersuchung der Schnittstellen zwischen den verschiedenen am Planen und Bauen Beteiligten ließen unter anderem folgenden Schluss zu: Es gibt eine idealtypische Prozesskette.
Außerdem habe eine internationale Marktrecherche ergeben, dass Deutschland beim Thema BIM gar nicht so schlecht aufgestellt sei. Meins-Becker lobte die Standardisierungsaktivitäten der diversen Arbeitskreise, Ausschüsse und Verbände wie VDI, DIN, CEN und ISO. Vor allem die ISO 19650 »Information Management Using BIM« lasse sich auf nationale Anforderungen übertragen.

Adaptionen aus der Bionik
Am Institut für computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart arbeiten über 20 Architekten, Designer und Informatiker gemeinsam mit Ingenieuren und Biologen von Partnerinstituten an geometrisch komplexen, leistungsfähigen Konstruktionen. Dabei wird die oft im Zusammenhang mit BIM zitierte »digitale Kette der Daten« neu gedacht. Institutsdirektor Achim Menges sprach davon, dass das Informations-Gebäudemodell das Gebäude-Informationsmodell ersetzt. Mit Hilfe neuer Technologien denkt er Designprozesse völlig neu. Viele seiner Entwürfe sind von der Natur inspiriert. Sie werden mithilfe moderner Software weiterentwickelt und von Robotern gebaut. In Handarbeit ausgeführt wären diese Projekte unbezahlbar, eine industrielle Fertigung unmöglich.

Menges geht es nicht darum, bestehende Prozesse zu ändern, sondern »die Art des Bauens, des Konstruierens der Produktion neu zu denken, zugunsten einer Ästhetik der Architektur die aus den Mitteln unserer Zeit hervorgeht«. Am Beispiel des EU-Forschungsprojektes »Robotik im Holzbau« erläuterte er, wie verhaltensgesteuerte Modelle die bislang üblichen parametrische Modelle ersetzen. Nichts sei vordefiniert, jedes Modell suche sich seinen Platz im Raum.

Leichtgewichte waren bei der Konstruktion des Pavillons für den Innenhof des Londoner Victoria und Albert Museum gefragt, Käferflügel das Vorbild für die Gemeinschaftsentwicklung mit Transsolar. Karbonfasern übernehmen dabei die Funktion der biologischen Faser, Roboter wickelten das Garn um Glasfaserwaben, jede ein Unikat. Echtzeitsensoren untersuchen das Besucherverhalten, die 220 m2 große Dachfläche wird, wie ein lebendiger Organismus, immer wieder daran angepasst.     

Demokratisierung der freien Form
Der Lösungsansatz des Gramazio Kohler Research an der ETH Zürich ist für Hannes Mayer »gelebte Transdisziplinarität«. Im Vordergrund steht nicht vordergründig der Roboter, sondern die Flexibilität, die mit seiner Nutzung einhergeht: die Möglichkeit, immer komplexere Fabrikationsdaten zu verarbeiten. Die Form ergibt sich aus dem, was möglich, einfach und selbstverständlich ist. Architektur wird von ihrer materiellen und konstruktiven Grundlage her auf der technologischen Ebene weitergedacht.

Eines der Forschungsprojekte, die sein 60-köpfiges Team derzeit betreut, ist Mesh Mould: das Zusammenführen von Schalung und Bewehrung in ein robotergestütztes System für komplex geformte Betonstrukturen. In der ersten Projektphase entwickelten die Wissenschaftler ein räumliches Extrusionsverfahren für Polymere; dabei tragen 100 g Plastikgitter 100 kg nassen Beton. In Phase zwei, eingebunden in den Nationalen Forschungsschwerpunkt »Digitale Fabrikation«, wird untersucht, wie sich der Prozess in ein statisch wirksames Bewehrungssystem überführen lässt.

Für den Neubau des Arch_Tec_Lab des Instituts für Technologie in der Architektur (ITA) der ETH Zürich entwickelte Gramazio Kohler Research eine Dachkonstruktion aus 168 einzelnen Fachwerkträgern, die ein 2.308 Quadratmeter großes, freigeformtes Holzdach bilden. Realisiert wurde das Dach von Erne AG Holzbau. Die robotische Verarbeitung und Fügung der 48.624 Holzelemente zu einzelnen Trägern erlaubte es, die frei geformte Dachgeometrie effizient herzustellen. Struktur, statische Bemessung und das Bereitstellen der für die Produktion nötigen Daten wurden im digitalen Planungsprozess verbunden. Zum neuen Gebäude gehört auch das im Herbst 2016 eröffnete »Robotic Fabrication Lab«. Unter anderem können dort vier kooperierende Roboter Volumina von 45x17x6 m bearbeiten, Fabrikationsprozesse auf der Baustelle simulieren oder automatisierte Vorfabrikationsprozesse untersuchen. Wem das noch zu nah an der Realität ist, den beeindrucken vielleicht GPS-gesteuerte Drohnen, die ein Seil zu einer 7,40 m langen Hängebrücke verflechten und verknoten. Begehbar, versteht sich.

3D-Druck mit Beton
Beton ist einer der wichtigsten Baustoffe unserer Zeit. Weltweit wird mehr als die Hälfte des Betonvolumens als Transportbeton verarbeitet (46 Mio. m³ in Deutschland). Der übliche Transportbeton-Baustellenprozess fordert einen hohen Aufwand für Gerüst- und Schalungsarbeiten, hohe Personalkosten und einen immensen Verbrauch von wertvollen Rohstoffen wie Holz oder Kunststoffen.

Am Lehrstuhl für Baumaschinentechnik der TU Dresden arbeitet Prof. Dr. Günter Kunze an der Entwicklung eines neuen Bauverfahrens auf Grundlage einer kontinuierlichen, schalungsfreien Betontechnologie, die nicht nur für Bauunternehmen eines Tages ein interessanter Ansatz sein könnte. Der CONPrint 3D, das Konzept einer thermohydraulischen Freikolbenmaschine für den 3D-Druck von Beton, erhielt auf der BAUMA 2016, einen Innovationspreis. Gemeinsam mit dem Institut für Baustoffe und dem Institut für  Baubetriebswesen der TU Dresden untersuchen die Maschinenbauer die Eignung für die Baustellenfertigung, den Datenaustausch und das Datenmanagement, die für eine deklarative Beschreibung der Mensch-Maschine-Prozess-Interaktion essentiell sind. Sie erarbeiten Spezifikationen in einer frühen Projektphase und testen ihre Entwicklungen im Vorfeld im Virtual-Reality-Simulator. Im Fokus stehen Drucktechnologie (Profildruck für ein schalungsfreies Verfahren), Steuerung und Druckkopfentwicklung. Basis für die Wirtschaftlichkeitsberechnung ist ein Beispielgebäude, das auf einem Prüfgelände in Dresden errichtet werden soll.

DETAIL konzipiert und organisiert die Veranstaltungsreihe »Die Zukunft des Bauens« seit vier Jahren – in Kooperation mit der Forschungsinitiative Zukunft Bau, dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) und dem Bundesministerium für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR). Im Fokus steht der Austausch zwischen Architekten und Akteuren aus Forschung, Industrie und Politik. Fortsetzung folgt – ab Frühjahr 2017.

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