Warum Roboter und Building Information Modeling das perfekte Paar sind

Hadrian mauert schnell. In einer Stunde nimmt sich der Bauroboter der australischen Firma FBR 200 extragroße Porenbetonsteine oder Tonziegel von der Palette, schneidet sie falls nötig zu, trägt einen Spezialklebstoff auf und errichtet mit ihnen eine Mauer, für die Handwerker 2200 Standardziegel verarbeiten müssten. In seiner Heimatstadt Perth hat der Roboter-Kollege so zuletzt eine Kindertagesstätte in nur 57 Stunden gebaut. Für ein Einfamilienhaus bräuchte Hadrian knapp zwei Tage. Künftig geht es sogar noch schneller. Denn FBR arbeitet an einem Modell des Bauroboters, das bis zu 1000 übergroße Steine – also 11.000 vom Menschen verlegte Ziegel – verarbeitet.

Bauroboter brauchen Daten aus dem Building Information Modeling

Die Pläne, nach denen Bauroboter Hadrian arbeitet, bezieht er aus dem digitalen Modell des zu errichtenden Gebäudes. Solche Modelle entstehen, wenn Architekten, Planer und Bauunternehmer Projekte mit der Methode des Building Information Modeling (BIM) planen und umsetzen. Dabei entwerfen Architekten das Gebäude nicht am Zeichenbrett, sondern entwickeln zunächst einen digitalen Zwilling davon. „In diesem verknüpfen sie alle Bauteile und hinterlegen sie mit einer Fülle von Informationen“, erklärt Gunther Wölfle, Geschäftsführer des BIM-Branchenverbands buildingSMART in Berlin. Da das Modell die exakten Abmessungen und Positionen aller Bauteile kennt, lassen sich mit seinen Daten auch Bauroboter anleiten.

BIM leistet jedoch noch weit mehr. Mit den dabei erstellten digitalen Modellen lassen sich etwa die für ein Projekt benötigten Mengen an Baustoffen präzise berechnen. Bauunternehmer bestellen dann nur noch, was sie wirklich brauchen und sparen erheblich, wenn Baumaterial wie derzeit teuer ist. Da bei BIM alle an einem Bauvorhaben Beteiligten mit dem selben Modell arbeiten, erkennen sie zudem schon während der Planung, ob sich alle Gewerke wie vorgesehen installieren lassen. „Oder ob etwa der Sanitärplaner eine Wasserleitung dort verlegen will, wo sich der Statiker einen Stahlträger wünscht“, ergänzt buildingSMART-Geschäftsführer Wölfle. Werden solche Unstimmigkeiten erst auf der Baustelle entdeckt, müssen Arbeiter bereits gebaute Gebäudeteile nicht selten wieder abreißen.

Mit BIM steigern Bauunternehmen ihre Produktivität und den Gewinn

Da sich dies mit BIM vermeiden lässt, senken Unternehmen trotz ihrer anfänglich großen Investitionen in die erforderliche Hard- und Software ihre Kosten, wenn sie mit der Methode arbeiten. Das bestätigte 2019 jeder vierte Teilnehmer einer Umfrage der Unternehmensberatung PricewaterhouseCoopers (PwC). Jeder fünfte Teilnehmer steigerte sogar seinen Gewinn.

Das kommt nicht von ungefähr. Denn BIM ist die Grundlage der Digitalisierung und damit der längst überfälligen Steigerung der Produktivität in der deutschen Bauwirtschaft. Während Unternehmen in anderen Branchen seit 2006 im Schnitt jedes Jahr 1,32 Prozent produktiver wurden, wuchs die Produktivität am Bau mit mageren 0,26 Prozent pro Jahr gerade mal ein Fünftel so schnell, ergab eine Untersuchung der Unternehmensberatung McKinsey.

Weder Bauunternehmen noch ihre Auftraggeber sind allerdings noch länger bereit, mit diesem erschreckenden Rückstand zu leben. In einer weiteren Studie von PwC berichteten die befragten Bauunternehmen 2021, dass ein Drittel ihrer Kunden und damit drei Mal mehr als im Vorjahr bei Vergaben digitale Planungs- und Bauverfahren in „sehr starkem“ oder „starkem“ Maße nachfragen.

Wenn Fachkräfte fehlen, setzt die Baubranche auf den Kollegen Roboter

Weiterer Digitalisierungsdruck in der Baubranche entsteht durch den massiven Mangel an Mitarbeitern. Wie das Kompetenzzentrum Fachkräftesicherung am Institut der Deutschen Wirtschaft meldet, konnten Bauunternehmen zuletzt 42 Prozent der offenen Stellen nicht besetzen, weil sie die dafür benötigten Fachkräfte nicht fanden. In Dachdecker-Betrieben blieben sogar 61 Prozent der Positionen unbesetzt. Stellen, für die Arbeitgeber Spezialisten wie Bauelektriker, Sanitär-, Heizungs- und Klimatechniker suchten, blieben zu 54 Prozent offen.

Um das Problem zu lösen, wollen acht von zehn Bauunternehmen in Automatisierungstechnik und Robotik investieren, berichteten sie in einer Studie des Schweizer Maschinenbau-Konzerns ABB. Immerhin 55 Prozent der Befragten setzen auf ihren Baustellen bereits Roboter ein.

Kollege Roboter arbeitet unermüdlich, präzise und schnell

Diese erledigen vor allem Arbeiten präzise und schnell, die für den Menschen zwar körperlich anstrengend, zugleich aber monoton und damit besonders ermüdend sind. Da Kollege Roboter keine Pausen braucht, lassen sich mit seiner Hilfe zudem vor allem Arbeiten im Innenausbau schneller fertigstellen, als Handwerker dies bewerkstelligen könnten.

Anders als diese lassen sich die Blechkameraden auf Baustellen außerdem in Gefahrenzonen unter und in der Nähe großer Baumaschinen einsetzen. Insgesamt steigt dadurch die Arbeitssicherheit am Bau. Für Arbeitgeber und Berufsgenossenschaften ist dies ein ebenso menschliches wie finanzielles Anliegen. Immerhin starb laut Zahlen der Berufsgenossenschaft (BG) der Bauwirtschaft 2020 an mehr als jedem zweiten Arbeitstag ein Mensch auf einer deutschen Baustelle. Zudem bekamen 131.673 Bauarbeiter wegen eines Arbeitsunfalls oder einer Berufserkrankung eine Rente der BG. Beides treibt die Pflichtbeiträge der Arbeitgeber in die Höhe.

Bauroboter sind unermüdliche Multitalente

Auf den Baustellen erledigen Roboter mittlerweile eine breite Palette von Aufgaben. So haben ABB und das schwedische Bauunternehmen Skanska einen Roboter entwickelt, der mit den Daten eines BIM-Modells Stahlbewehrungskörbe für den Betonguss montiert. Da er dies auf der Baustelle tut, entfällt der klimaschädliche und teure Antransport der Körbe. Shimizu aus Japan bietet für diese Aufgabe auch Schweißroboter an.

Werkzeughersteller Hilti wiederum schickt seit 2020 seinen Bohrroboter Jaibot zu Kunden. Diese nutzen die Maschine in einem „as-a-Service“-Modell, um Löcher für die Befestigung von Zu- und Ableitungen der Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik sowie Elektrik zu bohren. Auch Jaibot bezieht die Informationen zur exakten Position und Tiefe der Löcher aus einem digitalen Modell. Mit seiner Arbeit nimmt er Handwerkern das gesundheitsschädliche und zugleich mental ermüdende Bohren von Löchern über Kopf ab. Ähnlich anstrengend und zugleich monoton ist es, Löcher für die Befestigung der Führungsschienen und Zugangstüren von Aufzügen zu bohren und Bolzen in sie zu setzen. Die Schindler Aufzüge AG entwickelte daher gemeinsam mit ABB einen Roboter für diese Aufgabe.

Transportroboter navigieren mit BIM über die Baustelle

Kollegen wie der Husky A200 von Clearpath Robotics oder die Baubots MR10-100 und MRS70-210 von Printstones in Wien wiederum transportieren auf der Baustelle schweres Material und Werkzeug dorthin, wo es benötigt wird. Die Baubots des österreichischen Startups schleppen bis zu 900 Kilogramm schwere Lasten. Ausgestattet mit dem entsprechenden Werkzeug können sie mit ihrem Roboterarm außerdem schweißen, bohren, fräsen, schleifen, Wände streichen und Fertigbausteine positionieren. Eine Lasereinheit erledigt Vermessungsarbeiten. Steuern lassen sich die cleveren Kerlchen über PC, Tablet oder das Smartphone.

Beim Transport von Lasten folgen solche mobilen Plattformen Handwerkern entweder mit Hilfe einer Follow-me-Funktion oder sie arbeiten eigenständig. Zur Orientierung nutzen sie dabei die Daten eines BIM-Modells. Pflegen Planer und Poliere in dieses ein, wann etwa ein Kabel- oder Aufzugschacht geöffnet ist, kann Kollege Roboter diesen umfahren.

Dennoch verändert sich sein Arbeitsumfeld auf einer Baustelle oft schneller, als sich dies in einem digitalen Modell abbilden lässt. Deshalb brauchen mobile Bauroboter auch Kameras, Bildverarbeitungssysteme und Sensoren.

Auf die Schnittstelle zwischen BIM und dem Robotic Operating System kommt es an

Damit das Robotic Operating System (ROS) der Blechkameraden die von ihnen aufgenommenen Informationen mit dem BIM-Modell austauschen kann, hat das Fraunhofer Italia Innovation Engineering Center - eine Tochter der deutschen Fraunhofer-Gesellschaft in Bozen - die Schnittstelle ROSBIM entwickelt. Sie überträgt die Daten aus dem Roboter-Betriebsystem in den bei BIM genutzten offenen Standard IFC.

Die Zusammenarbeit zwischen Robotern und digitalen Bauwerksmodellen ist dabei keine Einbahnstraße. Der US-Robotik-Spezialist Boston Dynamics und der Softwarekonzern Trimble Navigation schicken den gemeinsam entwickelten Robo-Dog „Spot“ ins Feld. Er ist mit 360-Grad-Kameras, Sensoren, einer Scanstation, einem System für die exakte Geopositionierung sowie mit Künstlicher Intelligenz ausgestattet. Mit der Technik erledigt er Flächenscans und Vermessungsarbeiten. Er nimmt Fotos der Baustelle auf und dokumentiert den Fortschritt der Arbeiten - eigenständig und fortlaufend. Auf großen Baustellen spart er der Bauleitung dadurch viel Arbeit.

Roboter liefern die Daten für jederzeit aktuelle BIM-Modelle

Da der Robo-Dog die von ihm aufgenommenen Daten und Bilder in Echtzeit ins Büro der Projektleitung übermittelt, kann diese falls erforderlich sofort in die laufenden Bauarbeiten eingreifen. Zudem lassen sich die am wirklich erstellten Gebäude gemessenen Maße fortlaufend in das BIM-Modell übertragen. Dadurch entsteht ein digitaler Zwilling, der nicht den Stand der Planung abbildet, sondern exakt dem tatsächlichen gebauten Bauwerk entspricht. Auch Roboter-Kollege Hadrian hat so jederzeit eine aktuelle Grundlage für seine Maurerarbeiten.