Die Baustelle 4.0

Noch ist vieles Vision. Doch schon jetzt können Roboter
mauern sowie Holz pass­genau zuschneiden und verbinden.
Schalungen kommen aus dem 3D-Drucker und die nötigen Daten aus dem BIM-Modell.

 

von Robert Schütz

Gerne orientiert man sich an der Automobil- und Maschinenbauindustrie, wenn von der Produktion 4.0 die Rede ist. Auch hier ist alles im digitalen Modell hinterlegt, und die Interaktion von CAD und Produktion funktioniert wie ein Schweizer Uhrwerk. Dort trifft man kaum noch auf Menschen. Roboter bewegen sich zackig und punktgenau durch den digitalisierten Raum. Und das Material, das von selbstfahrenden Staplern aus den Hochregalen entnommen wird, bewegt sich auf selbstfahrenden Paletten, geleitet von Induk­tionsschleifen – zur rechten Zeit, exakt zum rechten Ort. Willkommen in der Fabrik 4.0. Und auf der Baustelle? Agieren hier ­immer noch Menschen mit viel Erfahrung, Gefühl und Augenmass? Sicher nicht. Denn die digitale Transformation hat auch die Baubranche längst erreicht. Nicht nur GPS-gesteuerte Vermessungsgeräte und Totalstationen gehören längst zur Grundausrüstung. Vor allem BIM hält Einzug und wird als digitale Planungsmethode bei immer mehr Projekten erfolgreich eingesetzt. Dabei ist das BIM-Modell immer öfter direkt mit den Geräten und Maschinen auf der Baustelle vernetzt (siehe auch
S. 64 ff). Noch schreitet die Einführung von BIM in der Schweiz eher langsam voran. Und doch gibt es Hoffnung: «Die Schweiz hat enorm aufgeholt», das erklärte kürzlich Alar Jost. Er ist u.a. Vorstand von «Bauen digital Schweiz» und Verfasser des Stufenplans, eines Papiers, das die schrittweise Einführung von BIM beschreibt. Hierin heisst es u.a.: «Der Stufenplan Schweiz – Digital Bauen, Planen und Betreiben – als zen­trales Instrument liefert die Struktur, die alle Beteiligten Stufe für Stufe mit Inhalten füllen» (siehe auch S. 7 ff.). Im letzten Schritt, der Stufe 4, sollen dann Systeme sogar miteinander kommunizieren. So soll eine eigene vernetzte virtuelle Welt
entstehen. Zu dieser neuen Bauwelt gehören dann, wenn der Plan aufgeht, auch das Internet of Things (IoT) und cyberphysische Systeme (CPS) einschliesslich Ma­schinensteuerung, Sensorik und Echtzeitmonotoring. Willkommen
in der schönen neuen Bauwelt.

 

Vom BIM-Modell auf die Baustelle
Doch bereits heute sind die technischen Möglichkeiten weit fortgeschritten. Im Zentrum aller Planungen und technischen Anwendungen steht das BIM-Modell, auch digitaler Zwilling genannt, mit seinen vielen Terabytes an ­Daten. Von der ersten Idee bis hin zum Rückbau kann mit diesen digitalen Informationen so ziemlich alles dokumentiert, berechnet und simuliert werden. Dieses wertvolle Datenpaket dient längst auch als Grundlage für die Dokumentation der Arbeiten, die Bestellungen, die Kostenerstellung und für das BIM2Field. Hierunter versteht man die Transformation der Informationen vom Datenmodell auf die Baustelle, wo die Bits und Bytes die Steuerung von Baumaschinen füttern oder als verlässliche Quelle für die Vermessung und Absteckung dienen. Mit den Plandaten aus dem digitalen Zwilling sind heute Anwendungen möglich, wie wir sie bisher nur aus der Automobil- und Maschinenbauindustrie kennen. Der Professor für Architektur und Digitale Fabrikation am Departement für Architektur der ETH Zürich, Matthias Kohler, erklärte hierzu: «Der Bauprozess läuft immer noch ­äusserst konventionell ab.» Doch sieht er sehr wohl gute Chancen für den Einzug der Automatisation auf Baustellen und fügt hinzu: «Die Digitalisierung bringt eine neue Baukultur, für den Architekten ist esein Paradigmenwechsel.» Gemeinsam mit seinem Architektenkollegen Professor Fabio Gramazio untersucht Kohler die Auswirkungen der sich verändernden Produktionsbedingungen auf die Architektur. Gemeinsam mit Fabio Gramazio gründete Kohler im Jahr 2000 das Büro Gramazio Kohler Architects. Ihre Forschungseinheit an der ETH, Gramazio Kohler Research, schreibt auf der eigenen Website: «Unser besonderes Interesse gilt der Verzahnung von ­Daten und Material und der sich daraus ergebenden Implikationen für den architektonischen Entwurf. Am Computer beschriebene und direkt maschinell gefertigte Bauteile erweitern nicht nur das konstruktive Spektrum, sondern begründen durch den unmittelbaren Einbezug der Material- und Fabrikationslogiken in den Entwurfsprozess einen eigenen architektonischen Ausdruck und eine neue Ästhetik.» Das Architekturbüro Gramazio Kohler Architects realisierte seit seiner Gründung viele ausgezeichnete Projekte. Eines der bekannteren Bauwerke, ist das das NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technologies), ein Forschungs- und Technologiegebäude der Empa in Dübendorf ZH, bei dem exakt diese digitalen Planungs- und Fertigungsmethoden erfolgreich in der Praxis angewendet wurden.

 

Das digital fabrizierte Haus
Die Forschungsplattform gilt in der Bauindustrie als wichtige Hürde vor der Marktreife. Hier werden unterschiedliche Baustoffe und Techniken unter realen Bedingungen getestet und wissenschaftlich bewertet. «Unter realen Bedingungen» heisst, dass hier Studierende und ausgesuchte Personen wohnen, die im Alltag ihre persönlichen Erfahrungen und die objektiven Entwicklungen faktisch dokumentieren. Auch hier kommen moderne 3D-Planungsdaten und digitale Planungsmethoden zum Einsatz. Wie z.B. beim DFAB House. Das digital fabrizierte Haus, wurde vor kurzem auf das bestehende NEST-Gebäude der Empa und ­Eawag aufgestockt. Kohler ist ehemaliger Direktor des NFS Digitale Fabrikation auch der Initiator des DFAB House, des Forschungsbaus des Schweizerischen Natio­nalen Forschungsschwerpunktes  (NFS) Digitale Fabrikation. Im Rahmen dieses Gemeinschaftsprojekts arbeiten Forschende von acht Professuren der ETH Zürich mit Branchenexperten und Planungsfachleuten zusammen, um gemeinsam zu erforschen und zu testen, wie die digitale Fabrikation das Entwerfen und Bauen verändern kann. Das gesamte DFAB House wurde mit digitalen Prozessen entworfen und geplant. Dabei kamen insgesamt sechs digitale Techniken zum Einsatz. Im Rahmen der ­projekteigenen Website (dfab.ch) heisst es hierzu: «Die Kombination dieser neuartigen  Bauprozesse in einem Bauwerk ermöglicht es, die Gesamtplanung  und den Bauprozess zu überdenken und die Vorteile der digitalen Kette von Gestaltung, Planung und Fabrikation auszunutzen: ­Gestaltungsflexibilität, sparsamer Materialeinsatz, Zeit- und Kosten­effizienz sowie eine verbesserte Qualitätskontrolle.» Unter ande­rem entstand so eine s-förmige Wand mit der sogenannte Mesh-Mould-Technologie, die bereits 2016 mit dem Swiss Technology Award ausgezeichnet wurde. Schalung und Bewehrung sind dabei eins. Ein industrieller Roboter (In situ Fabricator) erstellt hierfür eine 3D-Gitterstruktur, die mit einem Beton ausfüllt wird, der über ­spezielle Fliesseigenschaften verfügt. Auf diese digital fabrizierte, doppelt gekrümmte Wand wurde dann wiederum eine statisch optimierte und funktional integrierte Geschossdecke mit einer ebenfalls ungewöhnlich komplexen Form aufgelegt. Dabei handelt es sich um eine 78 Quadratmeter grosse Leichtbau-Betonplatte mit dem passenden Namen Smart Slab. Hier kommt eine weitere Innovation ins Spiel: Die Schalung wurde im 3D-Druckverfahren hergestellt; die Daten stammen wiederum aus einem algorithmisch erstellten CAD-Modell.

Komplexe Schalung für die
«intelligente» Betondecke wurde im 3D-Druckverfahren erstellt

Eines der wenigen Unternehmen, die diese innovative Technik des 3D-Schalungsdrucks perfekt beherrschen, gehört auch zu den Ersten, die sie erfolgreich einsetzten: die Voxeljet AG aus der Nähe von Augsburg in Deutschland. Im NEST konnte das Team Digital Building Technologies um Professor Benjamin Dillenburger einmal mehr belegen, wie sehr sich der 3D-Druck speziell für die Erstellung hochkomplexer Schalungen eignet. Das Schalungssystem wurde jedoch zu 100 Prozent von der Professur DBT entwickelt und dann extern gedruckt. Vorrausetzung waren auch hier die Daten aus dem 3D-Modell. Für die Schalung wurden mehrere Einzelteile 3D-gedruckt, anschliessend mit einem Polyesterharz an der Schalungsfläche beschichtet und danach zusammengesteckt. Nun wurde ein faserverstärkter Spritzbeton dünnwandig aufgetragen und im Anschluss die lasergecuttete Holzschalung für die Verstrebungen aufgesetzt und ebenfalls vergossen. Nach dem Ausschalen wurden die so hergestellten Fertigteile auf die Baustelle transportiert und montiert.
Gedruckt wurde mit dem ­Furan-Direct-Binding-Verfahren, bei dem Sand mit einer Korngrös­se von 140 Mykrometern selektiv mit organischem Harz verklebt wird. Die Einzelschalungen werden bei Voxeljet im 3D-Druck vorgefertigt, dann auf der Baustelle verbunden und später mit faserverstärktem Beton ausgegossen. Es sind exakt derartige digitale Fertigungsmethoden, die auf Grundlage von optimierten CAD-Daten  helfen, erheblich Material zu  sparen. Decken können für bis zu 80 Prozent des Gewichts der Struktur eines Gebäudes verantwortlich sein. Entsprechend gross ist das Einsparpotenzial. Beim DFAB House ist die Decke an jedem Punkt nur so stark, wie es am jeweiligen Punkt statisch nötig ist. Der 3D-Druck im Power-Binder-Jetting Verfahren war für diese hochkomplexen und dreidimensional gebogenen Betonelemente im DFAB House die optimale Lösung. Smart Slab soll der Bauindustrie helfen, in Zukunft mate­rialsparender zu bauen.

 

Revolution im Betonbau
Tobias King, Projektleiter bei ­Voxeljet, fasst den Nutzen von ­digitalen Fertigungsverfahren wie folgt zusammen: «Der 3D-Druck im Power-Binder-Jetting-Verfah­ren spart Zeit, Material und Kosten. Der Einsatz der 3D-gedruckten Schalungen wird den Betonbau somit auf lange Sicht ­revolutionieren und den Unternehmen, den entscheidenden Marktvorteil bringen.» Die Projektleitung für die Smart Slab des DFAB hatte der Professor für Digitale Bautechnik an der ETH in Zürich, Ben­jamin Dillenburger. Er nennt als Vorteile des 3D-Druckverfahrens: «Eine Anpassung ist ohne Mehrkosten möglich, und man kann sehr komplexe Geometrien abbilden, was zuvor nicht denkbar war.» Mit dem Voxeljet-Drucker VX4000, dem weltweit grössten 3D-Drucksystem für Sandformen, lassen sich Schalungselemente von 4 × 2 × 1 Metern drucken, die nach dem entsprechenden Post-Processing jeweils einem Betondruck von 100 kN/m² standhalten. Ein weiterer innovativer Produktionsprozess, der hier am DFAB House erfolgreich getestet wurde, ist das Spatial Timber Assemblies. Dabei handelt es sich um einen roboterbasierten Vor­fabrikationsprozess für Holzrahmenbau-Module. Dieses Verfahren kombiniert bestehende Methoden im Holzrahmenbau mit der Präzision und der Geschwindigkeit der robotischen Fabrikation. Dabei spielt die strukturelle Komplexität der Bauelemente keine Rolle. Das Spatial Timber Assemblies ist ein gemeinsames Projekt von Gramazio Kohler Research, ETH Zürich, und der Erne AG Holzbau. Die hier genannten Techniken sind nur ein Auszug, dessen, was heute bereits möglich ist. Es könnte also durchaus sein, dass die digitale Baustelle ­gegenüber der Automobil- und der Maschinenbauindustrie schon bald mächtig aufholt. ●