Digitalisierung und Industrie 4.0
Marktforschungsunternehmen haben für die kommenden Jahre mehrere Techniktrends ausgemacht. An erster Stelle steht die digitale Transformation. Werden Informationen und Prozesse über alle Bauphasen hinweg konsequent digitalisiert und miteinander vernetzt, lassen sich Arbeitsabläufe optimieren, Produktivität steigern, Mehrfacheingaben und Fehlerquellen minimieren.
Als wichtiger Baustein der Digitalisierung gilt der Einsatz mobiler Hard- und Software (Mobile Computing). Mit ihnen lassen sich Informationen genau dort eingeben, abrufen oder modifizieren, wo sie gerade anfallen oder benötigt werden. Wer Vor-Ort-Daten unmittelbar digital erfasst und zuordnet, kann zeitnah Angebote erstellen, schnell Anfragen beantworten oder früh Leistungen abrechnen.
Die Digitalisierung von Prozessen ist auch eine wichtige Voraussetzung für die Baustelle 4.0, dem auf den Bausektor übertragenen Pendant zur vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0). Die digitale Baustelle macht Unternehmen flexibler, verbessert und optimiert Bau-, Montage- und Planungsabläufe. Wichtige Bausteine sind unter anderem digitale Zwillinge, mit denen Bauvorhaben optimiert werden, smarte Bauprodukte, welche die Baufortschrittskontrolle, Bestellung, Logistik und Montage vereinfachen, oder selbstlernende Systeme, zum Beispiel Bauroboter, die flexibel auf sich ändernde Situationen reagieren können.
Bild: Autodesk
Bild: Logic Instrument
Cloud Computing und SaaS
Auch in der Bereitstellung von Hard- und Software oder Serviceleistungen per Internet, dem Cloud Computing und Software as a Service (SaaS), sehen IT-Expert:innen noch viel Potenzial. Die Cloud ermöglicht eine flexible stationäre oder mobile Nutzung von Daten, Dienstleistungen oder Programmen – im Büro, unterwegs, beim Kunden oder auf der Baustelle. Ein Datenabgleich zwischen Mobil- und Bürorechner ist ebenso wenig erforderlich wie regelmäßige Software-Updates.
Mittel- bis langfristig wird die Cloud den PC als Aufbewahrungsort für Daten und Programme ablösen. Sie ist ein Bindeglied zwischen mobilen und stationären Rechnern und ermöglicht über Desktop-PCs oder Mobilgeräte einen Zugriff auf stets aktuelle Inhalte. Außerdem sind Cloud-Dienste eine zwingende Voraussetzung für die kollaborative BIM-Planung über entsprechende Projektplattformen.
IoT und Smart Home
Populäre Anwendungen des Internets der Dinge (Internet of Things, kurz: IoT) sind die Online-Sendungsverfolgung oder im Baubereich das Werkzeug-Tracking und das Flottenmanagement. Mit IoT-Sensoren ausgestattete Geräte und Maschinen können auf Basis erfasster Tätigkeitsprofile, Auslastungs-, Abnutzungs- und Ruhezeit-Daten optimal eingesetzt, Instandhaltungs- und Wartungszyklen optimiert werden.
Das Internet der Dinge verknüpft smarte, reale Objekte mit einer digitalen Entsprechung im Internet. Damit lassen sich beispielsweise Räume oder Gebäude von der Ferne überwachen und steuern (Smart Home). Sensoren erfassen das Umfeld und geben per Datenleitung oder Funk digitale Signale direkt oder über eine Steuerzentrale an Aktoren (Antriebe, Schalter etc.) weiter, die daraufhin eine programmierte Aktion ausführen, wie etwa das Herunterfahren des Sonnenschutzes. Gebäudetechnische Bauteile wie Rollladen-, Tor- oder Türantriebe melden ihren aktuellen Status, kontrollieren ihre Wartungsintervalle und melden Defekte. Per Fernzugriff können sie zudem kontrolliert und konfiguriert werden.
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Smart City und Smart Grid
Smarte Gebäude sind Teil der Smart City. Der Begriff steht für Konzepte, mit denen Städte lebenswerter, nachhaltiger und sozialer werden sollen. Die „intelligente“ Stadt ist mit Sensoren versehen, deren Messdaten online verfügbar sind, was eine permanente Interaktion zwischen den Stadtbewohner:innen und den sie umgebenden smarten Objekten ermöglicht. Dadurch lassen sich unterschiedliche Bereiche optimieren, etwa die Taktzeiten öffentlicher Verkehrsmittel, die Versorgung mit elektrischer Energie oder die Entsorgung von Müll.
Smart Grids verbinden die Gebäudetechnik auch von benachbarten Gebäuden und städtischen Quartieren, sodass Energieströme optimiert werden können. Erzeugen beispielsweise Solarmodule in einem Gebäude zu viel Strom, lässt er sich an Batteriespeicher benachbarter Gebäude weiterleiten, wo zum Beispiel Elektroautos oder Elektroräder gerade ihre Akkus aufladen.
BIM und digitale Zwillinge
Die modellorientierte Planungsmethode BIM reduziert Fehlerquellen und verbessert Planungs- und Ausführungsqualitäten – beispielsweise dank automatisierter Ausschreibungen, Dokumentationen sowie Kosten-, Massen- beziehungsweise Mengen- oder Stücklistenberechnungen. Werden alle relevanten Informationen sukzessive in das BIM-Modell des digitalen Zwillings eingepflegt, lassen sich entsprechende Prozesse optimieren. So lassen sich beispielsweise Bau- und Montageabläufe oder die Gebäudenutzung simulieren, um sie akustisch, bauphysikalisch oder energetisch zu optimieren (GEB 06/21: Am digitalen Double optimieren).
Der Einsatz virtueller oder erweiterter Realitäten (VR/AR/MR) in der Akquisitions-, Entwurfs- und Planungsphase ermöglicht interaktive Präsentationen, die Projekte anschaulich machen, Entscheidungsprozesse verkürzen sowie Missverständnisse und Fehler vermeiden. In Realbilder eingeblendete digitale Informationen bieten die Möglichkeit, virtuelle Baubesprechungen oder eine Vorab-Ansicht der Ausbauplanung durchzuführen. Zu den weiteren Einsatzgebieten der VR/AR zählen die Optimierung von Montageabläufen oder Inspektionen.
Digitale Fertigung und 3D-Druck
Werden 3D- oder BIM-Planungsdaten für die digitale Fertigung über 3D-Drucker, Bearbeitungszentren oder CNC-Maschinen genutzt, lassen sich nicht nur Prozesse beschleunigen. Die digitale Fertigung ermöglicht neben einer präzisen Vorfertigung und Montage auch eine neue Formensprache, neuartige Produkte und Herstellungsmethoden. Prototypen oder Kleinserien individueller Objekte lassen sich ebenso drucken wie nicht mehr lieferbare Ersatzteile, komplexe Bauteile oder komplette Häuser.
Mit neu entwickelten Druckmedien, wie etwa Beton-, Holz- oder Steinwerkstoffen, teilweise mit Eisen-, Glasfaser- oder Textilarmierung, oder der Beimischung recycelter Materialien etabliert sich die additive Fertigung (auch Generative Fertigung, Rapid Prototyping oder 3D-Druck genannt) zunehmend auch im Baubereich. Spezielle, großformatige Portalkran-Drucker können auch mehrstöckige Gebäude an Ort und Stelle fertigen (GEB 08/21: Gebaut wie gedruckt).
Baurobotik
Ob bei der Produktion von Baustoffen, der Bewehrung von Betonbauteilen, der Montage von Schalelementen, Holzständer- oder Fachwerkkonstruktionen – Roboter sind in der Bauindustrie längst im Einsatz. Auch auf die Baustelle drängen sie inzwischen – in Form von Abriss-, Aufmaß-, Bohr- und Mauerrobotern, die auf der Grundlage von 3D-CAD- oder BIM-Daten Arbeiten ausführen, entweder autonom oder per Fernbedienung unterstützt.
Bohrroboter beispielsweise orientieren sich selbstständig im Raum und bohren Löcher für Montage- und Installationsarbeiten, was körperlich anstrengende Über-Kopf-Arbeiten erübrigt. Um noch komplexere Tätigkeiten autark ausführen und unvorhergesehene Situationen auf der Baustelle meistern zu können, müssen Roboter über mehrere Sensoren verfügen und lernfähig sein. Aktuelle Laufroboter etwa können vorgegebene Wegstrecken auf der Baustelle selbstständig ablaufen und dabei den Bestand per 3D-Laserscan erfassen, den Baufortschritt und Soll-/Ist-Zustände fotografisch dokumentieren.
Bild: DJI
Künstliche Intelligenz
Der Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) ermöglicht smarte Dienstleistungen, Produkte oder Programme, die aus Abläufen Rückschlüsse ziehen und das dabei Erlernte kreativ anwenden können. Damit lassen sich beispielsweise Funktionsabläufe optimieren, Ereignisse aus bisher gewonnenen Daten vorhersagen oder Aufgaben von Maschinen und Robotern autonom erledigen.
Praktische Anwendungen im Bausektor sind beispielsweise KI-gestützte Prozesse zur Optimierung von Gebäudeentwürfen, automatisierte Kontrollen von BIM-Modellen auf Normenkonformität oder das Management von Baustellen. Im Rahmen der Bau- und Montageablaufplanung kann KI unter Berücksichtigung von Erfahrungen aus vorangegangenen Projekten, Mängel- und Bautagesberichten oder Logistikdaten dabei helfen, Bau- und Montageprozesse zu optimieren. KI-gestützte Projektmanagementsoftware ist in der Lage, erste Anzeichen für Kostenüberschreitungen, Behinderungen oder Verzögerungen des Projektablaufs frühzeitig zu erkennen und Ressourcen effizienter einzusetzen. Smarte Baustellen-Drohnen können „verstehen“, was sie sehen, und beispielsweise Bauschäden melden (GEB 10/21: KI plant künftig mit).
Big Data
Als Datenbasis für KI-Prozesse dienen große Datenmengen (Big Data), anhand derer KI-Systeme ihre Algorithmen trainieren und optimieren können. Je größer die Datenbasis ist, desto zuverlässiger sind KI-basierende Systeme. Baustellen sind wertvolle Datenquellen, die gespeist werden von Aufmaß-, 3D- Scanner- und Sensordaten, (BIM)-Planungs- und Ausschreibungsdaten, Fotos, Mängel- und Stücklisten, etc. Werden diese Informationen in der richtigen Kombination verknüpft, ausgewertet und genutzt, können sie neben der Bauausführung auch den Gebäudebetrieb optimieren.
Die Auswertung, Dokumentation und Verknüpfung der Daten eröffnet neue Möglichkeiten, beispielsweise in der Optimierung von Bau- und Montageprozessen, bei der Vermeidung von Baumängeln oder bei der Steigerung von Planungs- und Ausführungsqualitäten. Big Data eröffnet Handwerksbetrieben und Planungsbüros ebenso die Möglichkeit, ihre Leistungen kritisch zu beleuchten und im Hinblick auf künftige Projekte zu optimieren.
Chancen und Herausforderungen
Den neuen Technologien stehen herausfordernde globale Entwicklungen gegenüber, wie der Klimawandel und die Umweltverschmutzung, und damit eine wachsende Notwendigkeit zur Kreislaufwirtschaft. Hinzu kommen gesellschaftliche Herausforderungen, wie das Bevölkerungswachstum, die Gentrifizierung oder die Urbanisierung.
Für einige dieser Entwicklungen können die Technologien Teil der Lösung sein. Manchmal sind sie aber auch Teil des Problems. So kosten beispielsweise die Bereitstellung, Datenhaltung und Verarbeitung großer Datenmengen über das Internet und die damit zusammenhängenden technischen Systeme in den Rechenzentren sehr viel Strom. Auch das Smart Home führt durch den wachsenden Strombedarf einer zunehmenden Zahl vernetzter smarter Objekte letztlich zu einem Mehrverbrauch an Energie.
(GEB 07/20: Häuser sind ständig unter Strom).
IT-Technologien bergen zudem Sicherheitsrisiken – etwa hinsichtlich Datensicherheit und Datenschutz. Kritiker warnen vor Missbrauch und dem blinden Vertrauen in die Ergebnisse von Datenanalysen im Zusammenhang mit Big Data und KI. Da immer mehr stationäre und mobile Computer oder smarte Geräte miteinander vernetzt sind, werden sie zu leichten Zielen für Cyberangriffe. IT-Sicherheitsmaßnahmen werden in den kommenden Jahren deshalb immer wichtiger, aber auch mehr Aufwand und Kosten verursachen. Klar ist: Durchsetzen können sich die neuen Technologien nur, wenn Hochgeschwindigkeits-Datennetze wie die 5G-Mobilfunktechnik flächendeckend verfügbar sind.
