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Automation auf der Baustelle So könnten Roboter das Bauen verändern

Sie errichten Ziegelmauern, drucken Betonbauten oder schweißen Bewehrungen – Roboter automatisieren die Baustelle und könnten gegen den Fachkräftemangel helfen. Doch noch steckt vieles in der Forschung fest.

In der französischen Stadt Nantes kam es im vergangenen Jahr zu einer Premiere: Die erste Familie ist dort in ein Haus eingezogen, das komplett von einem 3-D-Drucker gebaut wurde. Nur 54 Stunden benötigte der Roboter "Yhnova“, um das einstöckige Gebäude mit fünf Zimmern auf einer Fläche von 95 Quadratmetern fertigzustellen. Lediglich beim Einbau von Dach und Fenstern war noch der Einsatz von echten Handwerkern nötig. Mit dem Gemeinschaftsprojekt wollen die örtliche Stadtverwaltung und die Universität Nantes zeigen, wie künftig kostengünstiger Wohnraum geschaffen werden kann.

Neben kürzeren Bauzeiten verspricht der 3-D-Druck geringere ­Ausgaben. Von bis zu 70 Prozent niedrigeren Baukosten sprechen die Projektverantwortlichen. Das Budget des Einfamilienhauses in Nantes lag bei nur 195.000 Euro. Ein Folgeprojekt ist bereits in Planung. So sollen im Norden von Paris mithilfe von 3-D-Druckern 18 Wohnhäuser und ein Gewerbegebäude entstehen.

Forschungsprojekte zu Robotik

3-D-Druck (siehe Foto unten links) ist aber längst nicht die einzige Technologie, die die Arbeit auf den Baustellen verändern könnte. Mehrere Universitäten und Forschungseinrichtungen in Deutschland entwickeln und erproben Roboter, die Ziegelmauern errichten, Hebeprozesse erleichtern, Bewehrungen schweißen oder andere Arbeiten erledigen, für die bisher Bauhandwerker erforderlich sind. Die (teil)automatisierte Baustelle könnte Realität werden.

Am Lehrstuhl für Mechatronik und dem Institut für Baubetrieb und Baumanagement der Universität Duisburg-Essen werden beispielsweise im Rahmen eines zweijährigen Forschungsprojekts die Einsatzmöglichkeiten von Seilrobotern getestet. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Dabei soll der an Seilen und Stahlrahmen befestigte Roboter über der Baustelle schwebend Kalksteine transportieren und versetzen, eine Mörtelschicht auftragen und letztendlich selbstständig ein Mauerwerk errichten. Neben der Universität Duisburg sind auch das Institut für Angewandte Bauforschung Weimar und die Forschungsvereinigung Kalk-Sand an dem Vorhaben beteiligt. Derweil untersucht die RWTH Aachen wie CNC-Maschinen zu Robotern weiterentwickelt werden können, die schwierige Materialien bearbeiten oder abbrechen können.

Ein Aushängeschild in Europa bei der Entwicklung von Baurobotern ist die ETH Zürich in der Schweiz. Die Hochschule hat den "In situ Fabricator (IF)“ konstruiert – einen umgebungsintelligenten, mobilen Bau­roboter für die Fabrikation von Bauelementen direkt auf der Baustelle. Mit seinen integrierten Kameras und dem Sensoren- und Steuerungssystem kann er eigenständig navigieren, seinen Einsatzort lokalisieren und beim Bau auf unvorhergesehenes Materialverhalten reagieren. Für das mit Robotern gebaute DFAB House, eine dreigeschossige Wohneinheit, hat der In situ Fabricator ein doppelt gekrümmtes Stahlgitter als Armierung für eine tragende Betonwand gefertigt.

Auch die EU unternimmt Anstrengungen, damit Europa beim Thema Robotik und Automation der Baustelle international vorne dabei ist. Im Rahmen des Förderprogramms Horizont 2020 wurde das Projekt "European SMEs Robotics Applications“, kurz ESMERA, aufgelegt. Es soll insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen dabei unterstützen, Robotik-Lösungen zu entwickeln und in den nächsten Jahren auf den Markt zu bringen.

Entlastung von monotonen Aufgaben

Außerhalb Europas bekannt ist etwa die Entwicklung des Maurerroboters Hadrian X, der nach Angaben des australischen Herstellers Fastbrick Robotics bis zu 1.000 Mauersteine in einer Stunde legen soll. Im Februar dieses Jahres hat das Unternehmen verkündet, mit dem Roboter sein erstes Wohnhaus mit drei Schlafzimmern und zwei Bädern errichtet zu haben.

"Deutschland befindet sich hier noch in der Entwicklung und hat Aufholbedarf“, sagt Christine Buddenbohm, Geschäftsführerin Unternehmensentwicklung/Technik beim Zentralverband Deutsches Baugewerbe (ZDB). Die Expertin ist überzeugt, dass der Einsatz von Robotern auf der Baustelle den mittelständischen Bauunternehmen in Zukunft große Chancen bieten.

Sie nennt einige zentrale Vorteile der Automatisierung: schnellere und wirtschaftlichere Bauprozesse durch mehr Effizienz, weniger Fehler am Bau und Entlastung von monotonen, körperlich anstrengenden und gefährlichen Arbeiten, bei denen es häufig Arbeitsunfälle gibt. "Roboter können das Arbeiten auf der Baustelle nicht nur leichter und sicherer machen, sondern außerdem Teil einer Antwort auf den zunehmenden Fachkräftemangel sein“, sagt Buddenbohm. Derzeit sei der Einsatz aber noch teuer und bei kleineren Bauvorhaben unwirtschaftlich.

Ähnlich sieht das Eric Brehm, der als Professor für Stahlbeton- und Mauerwerksbau an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft doziert und sich intensiv mit dem Einsatz von Robotern zur Erstellung von Mauerwerkswänden beschäftigt.

Brehm schätzt jedoch, dass die Roboter nicht "die menschliche Problemlösungskompetenz und die Fähigkeiten, die die menschliche Hand als Werkzeug bietet“, mittelfristig ersetzen können. Dennoch sieht Brehm in der Robotik eine Chance, mehr junge Leute für die Baubranche zu begeistern und den Fachkräftemangel ein Stück weit zu kompensieren. "Roboter können einiges bewirken, um das vermeintliche Low-Tech-Image der Baubranche loszuwerden und den jungen Menschen klarzumachen, was für wunderbare Berufe der Bau bietet“, so Brehm.

Neue Berufsbilder entstehen

Sowohl Brehm als auch ZDB-Expertin Buddenbohm gehen davon aus, dass sich durch den Einsatz von Robotik die Inhalte der Berufsausbildung im Bauhandwerk deutlich verändern werden und verändern müssen. "Digitale Technik und Spezialisierungen werden im Vordergrund stehen“, sagt Buddenbohm. Fachkräfte von morgen müssten mit Tablet-PCs und entsprechender Software für Building Information Modeling (BIM) qualifiziert umgehen können. Zudem brauche es eine Mentalität, die Digitalisierung als fortwährenden Prozess zu begreifen.

Experteninterview

Im Gespräch mit Christine Buddenbohm, Geschäftsführerin Unternehmensentwicklung/Technik im ZDB und Eric Brehm, Professor für Stahlbeton- und Mauerwerksbau an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft.

DHZ: Was spricht für oder gegen den Einsatz von Robotern auf deutschen Baustellen?

Buddenbohm: Der Einsatz von Robotern auf Baustellen bietet den mittelständischen Bauunternehmen für die Zukunft große Chancen. Ist der Einsatz von Robotern in der Fertigungsindustrie längst Stand der Technik, so befindet er sich für den Bereich Baustellen noch in einer frühen Entwicklungsphase. Für den Einsatz von Robotern sprechen eine Menge von Gründen. Sie können das Arbeiten auf der Baustelle nicht nur leichter und sicherer machen, sondern außerdem Teil einer Antwort auf den zunehmenden Fachkräftemangel sein. Der Einsatz von Robotern auf Baustellen ist zurzeit aber noch teuer und im Bereich gerade von kleineren Bauvorhaben unwirtschaftlich. Darüber hinaus erfordert es in der Regel auch einen hohen Grad an Digitalisierung im Bauunternehmen. Voraussetzung für Roboter auf der Baustelle ist neben einer einfachen Bedienbarkeit vor allem auch dessen Mobilität und Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Einsatzbedingungen. Hier ist man noch mitten in der Forschung.

Brehm: Generell spricht nichts gegen den Einsatz von Robotern, sondern viel dafür. Allerdings sind die aktuell verfügbaren Roboter noch nicht ausreichend ausgereift, um flächendeckend und bezahlbar verwendet werden zu können. Auch die sehr kleinteilige Organisation deutscher Baustelle macht den Einsatz nicht leichter.

DHZ: Welche Einsatzmöglichkeiten auf der Baustelle sind für Roboter (in Zukunft) vorstellbar?

Buddenbohm: Sie können ihren Einsatz finden bei körperlich schweren, gefährlichen oder eintönigen Tätigkeiten, bei Arbeiten im Umgang mit schadstoffbelasteten Stoffen oder Arbeiten unter widrigen Witterungsverhältnissen. Beispielhaft sei auf den Bauarbeiter im Hochbau verwiesen, der bei sommerlichen Höchsttemperaturen oder bei Nieselregen im Außenbereich großflächig alte Putzschichten von Wänden eines Gebäudes zu entfernen hat. Die RWTH Aachen forscht aktuell zu den Einsatzmöglichkeiten von Robotern auf Baustellen: Im Fokus steht die Weiterentwicklung von CNC-Maschinen zu Robotern, die verschiedene, insbesondere schwierige Materialien bearbeiten oder abbrechen können. So wird passende Steuerungssoftware, z.B. auch für die Koordination zwischen Mensch und Roboter, entwickelt

Brehm: Ich habe mich hauptsächlich mit Robotern zur Erstellung von Mauerwerkswänden beschäftigt. Dort gibt es vielversprechende Ansätze, also Roboter, die geschossweise die Wände erstellen können. Es gibt aber auch jede Menge andere Roboter, die vielfältige Aufgaben wahrnehmen. Es gibt 3D-Drucker für Betonarbeiten, es gibt hochentwickelte Roboter, die Bewehrung schweißen können, um so freigeformte Betonbauteile zu ermöglichen. Generell jede Aktivität, die unangenehm für den Menschen ist oder in menschlicher Arbeit zu aufwändig, wird versucht durch Roboter zu ersetzen.

DHZ: Ist es denkbar, dass Roboter und Handwerker auf der Baustelle "Hand in Hand" arbeiten oder müssen Roboter in getrennte Sicherheitszonen?

Buddenbohm: Eine vollautomatisierte Baustelle wird es nicht geben, dazu sind die Gewerke am Bau zu umfangreich und gleichzeitig sehr individuell und spezifisch. Roboter können Tätigkeiten übernehmen, die den Menschen entlasten. Dabei wird es immer ein „Hand in Hand“ bzw. ein Nebeneinander von Mensch und Roboter geben müssen. Das beide in getrennten Sicherheitszonen arbeiten müssen, kann und wird daher nicht das Ziel des Einsatzes sein.

Brehm: Aktuell müssen die Roboter still stehen, sobald ein Mensch in ihre Nähe kommt. Das hängt mit Regulierungen zum Arbeitsschutz zusammen und ist ein z.B. aus der Autoindustrie bekanntes Problem.

DHZ: Laut einer Studie der TU München von 2017 sind weltweit schon 5.000 Bauroboter im Einsatz. Wie sieht es in Deutschland aus?

Buddenbohm: Deutschland befindet sich hier noch in der Entwicklung und hat Aufholbedarf, sodass der Einsatz von Baurobotern derzeit noch die Ausnahme ist. Allerdings wird Forschung und Entwicklung an mehreren Hochschulen und Universitäten auf diesem Gebiet vorangetrieben. Neben der RWTH Aachen arbeitet ein Forschungsteam aus Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V. (FV KS), dem Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Duisburg-Essen (MEC), dem Institut für Baubetrieb und Baumanagement der Universität Duisburg-Essen (IBB) sowie dem Institut für Angewandte Bauforschung Weimar (IAB) gemeinsam an der „Entwicklung von Seilrobotern für die Erstellung von Kalksandstein-Mauerwerk auf der Baustelle“.

Brehm: Meine Kenntnisse liegen vor allem auf dem Gebiet der Mauerwerksroboter. Dort ist bisher kein Roboter für die Baustelle im echten Praxiseinsatz. Dasselbe gilt m.W. nach für Betonroboter. Für den Mauerwerksroboter gilt zudem, dass die z.B. in den USA eingesetzten Roboter eher Werkzeuge darstellen als autonom agierende Roboter, welche man sich ja normalerweise unter dem Begriff "Roboter" vorstellt. In der Vorfertigung von Mauerwerkswänden oder auch bei Stahlbetonfertigteilen sind allerdings schon einige stationäre Roboter im Einsatz.

DHZ: Es gibt Beispiele aus dem Ausland, wie z.B. den Maurer-Roboter Hadrian X, der 1.000 Mauersteine in einer Stunde legen kann. Wird Robotik auch das Bauen in Deutschland beschleunigen?

Buddenbohm: Ja, mit dieser Technologie (die ja noch in der Testphase ist) könnte sich das Bauen von Wohnraum zukünftig schneller und wirtschaftlicher gestalten. Ein Roboter arbeitet rund um die Uhr, ist unter Umständen beim Einsatz von Ressourcen effizienter und könnte schneller und genauer arbeiten. Allerdings ist dies eine Vorstellung, die noch einige Jahre auf sich warten lassen wird.

Brehm: Die pure Quadratmeterleistung beim Erstellen von Wänden ist eigentlich nicht das Problem. Dort gibt es auch schon seit Jahren viele Möglichkeiten für eine effizientere Gestaltung, seien es vorgefertigte Wandtafeln oder großformatiges Mauerwerk. Man kann noch gar nicht sagen, wie sich solche Roboter unter realen Bedingungen schlagen werden. Natürlich ist eine Effizienzsteigerung durch Beschleunigung eines der Ziele des Robotereinsatzes, aber ob dies tatsächlich auch erreicht wird, bleibt abzuwarten. Andere Ziele sind z.B. die Verbesserung der Qualität oder die Entlastung der menschlichen Arbeitskräfte.

DHZ: Können durch Automatisierung Fehler beim Bauen verhindert und Kosten eingespart werden?

Buddenbohm: Mit Sicherheit können in der Zukunft Fehler beim Bauen durch Automatisierung verhindert werden, allerdings ist dazu ein System von der digitalen Bauplanung bis zur digitalen Überwachung und Abnahme eines Bauwerkes erforderlich. Auch hier bedarf es noch einer langen Entwicklungsphase. Ziel muss es sein, wirtschaftlicher zu bauen. Dies kann durch effizientere Arbeitsabläufe und Materialkosteneinsparungen im Rahmen der Automatisierung von Bauabläufen erreicht werden.

Brehm: Wenn die Datengrundlage stimmt, d.h. eine gute Planungsgrundlage vorhanden ist, bestimmt. Aber auch hier muss die Digitalisierung voranschreiten und die richtigen Prozesse entwickeln. Es hilft alles nichts, wenn der Architekt ein BIM-Modell verwendet, dass dann vielleicht in den Roboter übernommen wird, welcher dann in guter Qualität mauert, um am Ende doch wieder händische Schlitze in allen Variationen vorzufinden, weil die Haustechnik dieses Modell nicht verwendet hat.

DHZ: Wäre es möglich, dass Roboter die Aufgaben übernehmen, die häufig Arbeitsunfälle verursachen?

Buddenbohm: Selbstverständlich ist gerade im Bereich der "gefährlichen" Arbeiten, also Arbeiten, bei denen es u.a. häufig Arbeitsunfälle gibt, für den Einsatz von Robotern prädestiniert. Das Gleiche gilt für Arbeiten im Umgang mit gefährlichen Stoffen.

Brehm: Es gibt ja auch schon jetzt Roboter bzw. Drohnen, die z.B. bei Inspektionen von hohen Bauwerken oder Brücken eingesetzt werden. Auf den kleineren Baustellen in Deutschland passieren Unfälle oft in Form z.B. des Absturzes. Das wird sich schlecht durch Roboter vermeiden lassen. Aber: Wenn eine Effizienzsteigerung dazu führt, dass weniger menschliche Arbeitskräfte auf der Baustelle benötigt werden, dann nimmt natürlich auch die Anzahl der Unfälle ab.

DHZ: Werden Bauprojekte durch Robotik an Individualität verlieren und der Trend zur gleichförmigen Massenbauweise gehen?

Buddenbohm: Die Einsatzbereiche von Robotern auf der Baustelle können vornehmlich im Bereich des seriellen und gleichförmigen Bauens ihre Vorteile voll entfalten. Solange der Mensch jedoch individuell wohnen möchte, wird sich auch hier der Markt nicht alleinig über den Preis, sondern die Gestaltung des Bauwerks regulieren. Eigenschaften wie menschliche Intelligenz und Kreativität werden Roboter in absehbarer Zeit nicht haben.

Brehm: Der Bauherrenwunsch nach individuellen Gebäuden, der in Deutschland ja wesentlich stärker ist als in anderen Ländern, wird sich nicht ändern. Die Roboter, die momentan in der Erprobung oder in der Erforschung sind, lassen auch eine freigestaltete Grundrissform zu. Ganz davon abgesehen, ist der Trend zur Wiederholung von Strukturen z.B. im Geschosswohnungs- oder Reihenhausbau seit Langem vorhanden und dies unabhängig von Roboterentwicklungen.

DHZ: Müssen sich Ausbildungsinhalte verändern, damit Handwerker auf der digitalisierten Baustelle noch zurecht kommen?

Buddenbohm: So wie die Bautätigkeiten immer digitaler werden, muss auch eine Anpassung in der Ausbildung erfolgen. Eine zunehmende Bedeutung nimmt hier die Fähigkeit zum fachgerechten Umgang mit einschlägigen digitalen Medien ein. Darüber hinaus braucht es eine Mentalität, die Digitalisierung als fortwährenden Prozess begreift, der das Bisherige verändert und nicht als zusätzlicher Arbeitsschritt fungiert. Die Fachkräfte von morgen sollen mit Tablets sowie entsprechender BIM-Software qualifiziert umgehen können.

Brehm: Das wird sich nicht umgehen lassen. Die Berufsbilder werden sich zwangsläufig verändern müssen. Das bedeutet z.B. das ein Maurer vielleicht auch in der Lage sei muss, einen Mauerwerksroboter zu warten oder das bei der Arbeitsvorbereitung Maschinenwege etc. miteingeplant werden müssen. Gerade davon erhoffe ich mir ja die zuvor erwähnte Attraktivitätssteigerung der Bauberufe.

DHZ: Kann Automatisierung (Robotik) in Zukunft den Fachkräftemangel in der Bauwirtschaft kompensieren?

Buddenbohm: Robotik allein kann den Fachkräftemangel auch in Zukunft nicht ausgleichen, jedoch erheblich zu einer Entlastung beitragen. Dazu gehört auch, dass sich Berufsbilder verändern werden. Durch die Digitalisierung und den Einsatz von Robotertechnik werden an die "herkömmlichen" bauhandwerklichen Berufe völlig neue Anforderungen gestellt werden. Die Anwendung digitaler Technik und Spezialisierungen werden im Vordergrund stehen. Dadurch bleibt zu erwarten, dass die Bauberufe wieder an Attraktivität für die neue Generation gewinnen. Es wird jedoch immer so sein, dass Roboter nur bestimmte Tätigkeiten ausführen können, nie ganze Berufe.

Brehm: Das ist nun ein Blick in die Glaskugel. Ich glaube nicht, dass wir die menschliche Problemlösungskompetenz und die Fähigkeiten, die die menschliche Hand als Werkzeug bietet, mittelfristig ersetzen können werden. Das ist aber auch nicht weiter schlimm. Was vielmehr gesteigert werden muss, ist die Attraktivität der gewerblichen Bauberufe für junge Menschen. Und da können Roboter einiges bewirken, um das vermeintliche "Low-Tech-Image" der Baubranche loszuwerden und den jungen Menschen klarzumachen, was für wunderbare Berufe der Bau bietet.

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