Automatisierung in der Vorfertigungs-Bauweise

Wenn Sie im Baugewerbe tätig sind, haben Sie vermutlich bereits von Building Information Modelling (BIM) gehört und wissen, wie es den traditionellen Ansatz beim Bauen infrage stellt. Diese intelligente, auf 3-D-Modellen basierende Methode erstellt einen „digitalen Zwilling“ eines Bauwerks und ermöglicht:

  • eine bessere Zusammenarbeit zwischen den Projektbeteiligten.
  • besser kontrollierte und gestraffte Wertschöpfungsketten.
  • verbesserte Ergebnisse durch datengestützte Entscheidungsfindung.

Kurzum: BIM hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir bauen, vollständig zu revolutionieren und den Prozess zugleich effizienter, straffer, kostengünstiger, flexibler und nachhaltiger zu gestalten. Bei all diesen Vorteilen fragen Sie sich womöglich: Warum ist BIM in der Baubranche nicht viel weiter verbreitet?

Die kurze Antwort lautet: mangelnde Automatisierung.

Die vollständige Realisierung der BIM-Vision erfordert ein solides digitales Fundament, woran es im klassischen Bausektor oft mangelt, mit einer Ausnahme der Vorfertigungs-Bauweise=Offsite construction (OSC). OSC ist ein vergleichsweise kleiner Sektor der Baubranche und kämpft immer noch mit seinen ganz eigenen Automatisierungsherausforderungen. Doch neue Technologien, vorteilhafte Rahmenbedingungen, zukunftsorientierte Unternehmen (wie Baufritz, Rubner haus, Entekra, BoKlok) und Projekte wie Build-in-Wood) tragen dazu bei, dass sich OSC schnell zu einer treibenden Kraft in der Baubranche entwickelt.

©Rubner haus: Pyramidenkogel

Angesichts eines prognostizierten Marktwerts von über 235 Mrd. US-Dollar bis 2030 und einer wachsenden Beliebtheit in Ländern wie China, Hongkong, Australien, Deutschland und den Niederlanden besteht wenig Zweifel daran, dass dieses junge, vielversprechende Segment im Begriff ist, einen Höhenflug zu erleben – und damit das digitale Gerüst zu schaffen, um das BIM Potenzial voll auszuschöpfen.

Werfen wir einen näheren Blick auf die Branchenentwicklungen und -Ansätze (z.B. Design for Manufacture and Assembly), die den Einsatz von automatisiertem OSC fördern und die Entwicklung neuer Lösungen vorantreiben, um die BIM-Vision Wirklichkeit werden zu lassen.

©Entekra: Fully Integrated Offsite Solutions®

Automatisierung in der Vorfertigungs-Bauindustrie (OSC)

Die Vorfertigungs-Bauweise (auch bekannt als Fertigbau-, Modulbau- oder Systembauweise) ermöglicht es, unterschiedliche Elemente eines Bauwerks in einer kontrollierten Fabrikumgebung zu konstruieren, zu planen und vorzufertigen, anstatt sie auf der Baustelle herzustellen. Die verschiedenen Bauelemente werden dann zur Baustelle gebracht und dort umgehend zusammengefügt (wie bei einem LEGO-Baukasten).

Die Vorteile von OSC sind umfassend dokumentiert und reichen von gesteigerter Produktivität, besserer Qualitätskontrolle, höherer Geschwindigkeit, Sicherheit und Effizienz bis hin zu geringerem Ausschuss. So haben Studien ergeben, dass die OSC-Methode im Vergleich zur konventionellen Bauweise Einsparungen von 30 bis 50% erzielt.

Automatisierung ist ein wichtiger Baustein dieses Prozesses. Sie wird vielfach von Computern, Robotern und Maschinen realisiert, die so programmiert sind, dass sie unterschiedliche, sich wiederholende Aufgaben ausführen können. Einige dieser automatisierten Prozesse umfassen:

  • die Herstellung von Bauelementen
  • die Montage dieser Komponenten
  • Die Prozesse, die Fertigung und Montage ermöglichen

Werden diese Prozesse zunehmend computerisiert und automatisiert, verringert sich das Risiko menschlicher Fehler, die Arbeitssicherheit wird erhöht und die Qualität steigt insgesamt.

©Baufritz: Machine based automation in the manufacturing stage

Hindernisse für die Automatisierung in der Vorfertigungs-Bauindustrie (OSC)

Trotz seines großen Potenzials und des wachsenden Interesses der Industrie an OSC scheiterte der breite Einsatz bislang an den Herausforderungen, die mit der Vollautomatisierung des Prozesses verbunden sind. Dazu gehören unter anderem:

Der Investitionsbedarf

Der Einstieg in OSC ist kostspielig, insbesondere für Unternehmen, die eine vollständige Automatisierung anstreben. Einige dieser Kosten sind:

  • Einrichtung der Produktion
  • Anschaffung der notwendigen Maschinen
  • Höher qualifizierte Arbeitskräfte (höhere Gehälter)
  • Kosten für Betrieb, Wartung und Abschreibung

Diese Faktoren zusammen genommen summieren sich und zwingen Unternehmen dazu, sich zweimal zu überlegen, ob sie diese Investition tätigen wollen.  

Die Prozesskomplexität

Um das Optimum aus der OSC-Methode herauszuholen, bedarf es der Rationalisierung zahlreicher Prozesse und eines hohen Maßes an Zusammenarbeit. Alles, vom Design über die Fertigung bis hin zur Montage, muss sorgfältig geplant und ausgeführt werden. Kleine Abweichungen können sehr kostspielig werden, zu erheblichen Verzögerungen führen und den gesamten Ablauf behindern.  

Der Bedarf an qualifizierten Arbeitskräften

Automatisierter OSC erfordert geschulte, gewissenhafte Fachkräfte, die mit der Technologie vertraut sind und über das nötige Know-how verfügen, um den reibungslosen Betrieb aufrechtzuerhalten. Das macht sie teurer und schwieriger zu finden.

©Entekra: Skilled labor based automation in the manufacturing stage

Mangel an Ausbildung und Berufserfahrung

OSC verlangt vielseitige Fähigkeiten in Bereichen wie digitales Design, Fertigung, Logistik, Bauleitung und Systemintegration. Vielen Beschäftigten in dieser Branche mangelt es an Ausbildung und einschlägiger Berufserfahrung. Daher ist die Weiterbildung ein zentraler Bestandteil des gesamten Vorhabens.

Regulatorische Anforderungen

Zwar werden die Rechtsvorschriften für OSC aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit immer vorteilhafter (z.B. in Japan oder Großbritannien), stellen aber in einigen Ländern weiterhin ein Hindernis dar.  

Triebkräfte für die Automatisierung in der Vorfertigungs-Bauindustrie (OSC)

Wir sind bereits auf einige der Vorteile eingegangen, die zur Automatisierung von OSC beitragen (wie erhöhte Nachhaltigkeit, höhere Kosteneffizienz, Schnelligkeit und eine bessere Gesamtqualität). Erwähnenswert sind darüber hinaus zwei weitere Treiber:

Skalierbarkeit

Mit einer vollautomatischen OSC-Umgebung ist es möglich, auch umfangreiche Bauprojekte in Angriff zu nehmen. Je kontinuierlicher und wiederkehrender das Projekt ist, desto besser ist die Rentabilität, weil Sie die Kosten für Maschinen, Transport und Facharbeiter amortisieren können.    

Raum für grenzenlose Innovation

Die Nutzeffekte, die OSC mit sich bringt, lassen sich durch die Kombination mit Robotik, KI und anderen Technologien noch erheblich steigern. Eine der vielversprechendsten davon ist BIM, das eine solide digitale Grundlage bietet und viele der Vorteile und Möglichkeiten fördert, die mit OSC einhergehen. Laut einer Studie von Goulding et al. aus dem Jahr 2012 wird der größte Produktivitätszuwachs im Baugewerbe durch automatisierte, durch BIM unterstützt Vorfertigungs-Bauweise erzielt.  

Das Problem ist, dass trotz des großen Brancheninteresses immer noch eine breite Kluft zwischen der BIM-Vision und der betrieblichen Praxis in den Bauunternehmen klafft. Sehen wir uns daher etwas genauer an, wie sich BIM-Vision und Wirklichkeit unterscheiden.  

BIM: Vision und Wirklichkeit

Zum Verständnis der Unterschiede zwischen BIM-Vision und Realität müssen wir zunächst die verschiedenen BIM-Reifegrade verstehen, die von Level 0 bis Level 3 reichen:

©United BIM: BIM Levels Explained
BIM Levels

BIM Level 3 repräsentiert die umfassend umgesetzte BIM-Vision, während viele Bauunternehmen in der Praxis meist auf dem Niveau von BIM Level 1 oder 2 arbeiten.  

Zwar bietet BIM auf jeder Stufe Vorteile, doch lässt das Fehlen eines digital integrierten Systems oftmals Raum für Fehler. So findet etwa auf BIM-Level 1 nur eine partielle Zusammenarbeit statt, welche zu Kommunikationsproblemen zwischen den Beteiligten führen kann, wie:

  • Iterationen sind unter Umständen nicht vollständig sichtbar oder werden nicht dem gesamten Projektteam mitgeteilt.
  • spätere Entscheidungen oder Änderungen sind im laufenden Prozess gegebenenfalls nicht mehr möglich.
  • selbst kleine Abweichungen vom Bauplan können sich später zu immensen Schwierigkeiten entwickeln.

Zwar bietet BIM Level 2 ein höheres Maß an Integration sowie die Möglichkeit, Zeitpläne und Budgets genau zu prognostizieren, doch greifen diese Faktoren nur, wenn eine solide 3D-BIM-Basis (d.h. ein gemeinsames Informationsmodell) vorhanden ist.  

Alles läuft auf eine unvermeidliche Schlussfolgerung hinaus: Soll die BIM-Vision Wirklichkeit werden, so müssen wir ein weitaus höheres Maß an digitaler Integration in unsere Baupraxis einführen. OSC fördert die Entstehung praktischer BIM-Lösungen und befriedigt damit den steigenden Bedarf an:

  • genauen Vorgaben
  • industrialisierter Fertigung
  • nahtloser Vor-Ort-Montage

Nachdem wir uns damit befasst haben, wie OSC hilft, das wahre Potenzial von BIM auszuschöpfen, lassen Sie uns kurz einen anderen Ansatz beleuchten, der die beiden Konzepte zusammenbringt: Design for Manufacture and Assembly (DfMA).

Was ist Design for Manufacture and Assembly?

Design for Manufacture and Assembly (DfMA)

Design for Manufacture and Assembly (DfMA), auch fertigungsorientierte Konstruktion, ist ein Konstruktionsansatz, der sich darauf konzentriert, die Herstellungs- und Montagephasen des Bauprozesses leichter und damit effizienter zu gestalten. Es verleiht dem OSC eine neue Dimension, indem es Schwerpunkte setzt auf:

  • einfache Fertigbarkeit der Einzelteile einer Konstruktion.
  • vereinfachte Montageabläufe bei der Herstellung des fertigen Produkts.

Bauwerke, die nach diesem Ansatz entworfen werden, maximieren die Vorteile von OSC, wie z.B. kürzere Bauzeit, geringere Kosten, bessere Qualität, höhere Produktivität und verbesserte Gesamteffizienz. DfMA kombiniert zwei Methoden:

Design for Manufacture (DFM)

DfM konzentriert sich auf die Konstruktion mit dem Ziel der „einfachen Herstellung“. Dabei wird jede Komponente, die in das Endprodukt eingeht, berücksichtigt und der effizienteste und kostengünstigste Weg zur Herstellung gefunden. Dadurch soll die Komplexität des Herstellungsprozesses minimiert werden.

Design for Assembly (DFA)

DfA konzentriert sich auf die Konstruktion mit Blick auf eine „einfache Montage“. Ziel ist es, den Montageprozess zu vereinfachen (z.B. durch Minimierung der Anzahl der zu montierenden Teile, Arbeitsgänge und Schritte) und die Montagekosten zu senken.

Kombiniert man beide Methoden mit BIM-gestütztem OSC, sind die Anwendungsmöglichkeiten schier endlos. Die Vorteile von BIM helfen dabei, die Defizite, Erfordernisse und Anforderungen von OSC zu überwinden. Betrachten wir einmal, was dies für die verschiedenen DfMA-Phasen bedeuten würde.

Die DfMA-Phasen

Different stages and their functions within DfMA

Die Entwurfsphase

Mitwirkende: Architekten, Designer und Ingenieure.

Genauigkeit spielt bei Vorfertigungs- und DfMA-Projekten eine wesentliche Rolle– und die beginnt bereits in der Entwurfsphase. In dieser Phase entwirft das Projektteam (i.R. unter der Leitung eines Architekten oder Ingenieurs) einen detaillierten digitalen Plan für alle Komponenten, die in das endgültige Bauwerk eingehen.

Digitale Entwürfe und 3-D-Modellierung (wir sprechen hier von BIM) ermöglichen es, die erforderliche Maßhaltigkeit der einzelnen Bauteile innerhalb einer digitalen Umgebung zu testen. So lasst sich überprüfen, ob die Herstellung und Montage später problemlos möglich sein wird.  

Fehler in dieser Entwicklungsphase führen oft zu umfangreichen Nacharbeiten oder zu einer Neuanfertigung, was viele der ursprünglichen Vorteile von OSC zunichtemacht. Dank der präzisen 3-D-Modellierung können Konstruktionsprobleme in einer digitalen Umgebung statt erst auf der Baustelle erkannt und gelöst werden. Dies wiederum gewährleistet einen reibungsloseren Arbeitsablauf mit weniger Korrekturaufwand und Verschnitt.

Konstruktionsplattformen wie AutoCAD® und Revit® sind ein zentraler Teil des DfMA -Konstruktionsprozesses. Es stehen unzählige Werkzeuge zur Auswahl, um noch detailliertere und genauere Entwürfe als je zuvor zu erstellen. hsbDesign, das sowohl für AutoCAD® als auch für Revit® verfügbar ist, bietet zahlreiche Vorteile, um DfMA innerhalb dieser Umgebungen zu realisieren:

  • Eliminiert unnötige Wiederholungen beim 2D- und 3D-Design.
  • Dient als Basisplattform für viele hsbDesign-Toolsets für die verschiedene Vorfertigungs-Bauweisen.
  • Mehr Transparenz, Detailgenauigkeit und Engagement im Designprozess.

Die Fertigungsphase

Mitwirkende: Hersteller, Ingenieure, Fabrikarbeiter, CNC-Maschinenspezialisten.

In dieser Phase werden die verschiedenen Teile einer Struktur nach den Vorgaben aus der Entwurfsphase gefertigt. Hier erleichtert die digitale Modellierung die Visualisierung des Designs, seiner Verbindungen und der Passform der Elemente, was einen effizienteren Herstellungsprozess ermöglicht. BIM-Software und CNC-Maschinen werden eingesetzt, um sicherzustellen, dass jedes Teil der fertigen Konstruktion korrekt und maßhaltig ist, damit die Montage so reibungslos wie möglich verlaufen kann.  

Plattformen wie und Offsight können hier helfen, indem sie Kommunikationsprobleme lösen, zeitliche Herausforderungen angehen, die Qualität verbessern und den Prozess verfolgbarer machen. Die hsbMake-Plattform leistet in dieser Phase einen weiteren wertvollen Beitrag. hsbmake vermeidet Fehler, indem es sicherstellt, dass die richtigen Informationen zur richtigen Zeit an die richtigen Personen weitergeleitet werden:

  • Produktionsplanung von Anfang bis Ende.
  • Ermittlung aller Engpässe im Arbeitsablauf.
  • Gewährleistet einen planmäßigen Projektablauf.
  • Warnung anderer Beteiligter über etwaige Abweichungen.
  • Justierung der Eingabe bei Sägemaschinen.
  • Verwendung weiterer hsbMake-Toolsets.

Die Montagephase

Mitwirkende: Bauherren, Bauunternehmer, Baufachleute.

In dieser Phase werden alle Komponenten auf die Baustelle verbracht, wo sie zum endgültigen Bauwerk zusammengefügt werden. Während dieser Phase dienen BIM-3-D-Modelle dem Bauteam als eine Art „digitaler Probelauf“, der veranschaulicht, wie die Montage ablaufen soll (Be- und Entladen von Lkws, Kranpositionen, Bauabläufe, provisorische Bauten usw.).

Einige der Plattformen, die hierbei zum Einsatz kommen, sind Autodesk Construction Cloud und Aconex. hsbShare ist eine weitere nützliche Plattform, die dabei hilft, diesen Teil Ihres Offsite-Bauprozesses zu rationalisieren und zu optimieren. hsbShare bietet:

  • Zusammenführung aller Projektdaten zu einem cloud-basierten „digitalen Zwilling“.
  • Eine papierlose Montage-Lösung.
  • Optimiert den Informationsfluss und reduziert Fehler.
  • Bereitstellung einer 3-D-Ansicht mit Funktionen wie Drehen, Zoomen, Suchen.
  • Ermöglicht die Verwendung weiterer hsbShare-Toolsets für die Montage.

Die Vorteile von BIM für DfMA

Vorteile von BIM

Hier sind nur einige der wichtigsten Vorteile der Einführung von BIM für DfMA:

Höhere Qualität und Präzision

Dank der 3-D-Modellierungsfunktionen von BIM lassen sich verschiedene Bauteile digital konstruieren, bevor sie in der Produktion gefertigt werden. Dieser zusätzliche Schritt sorgt für eine ordnungsgemäße Qualitätssicherung und reduziert Fehler, Verzögerung, Nacharbeiten oder unvorhergesehene Mehrkosten.

Geringere Kosten

BIM bringt ein höheres Maß an Effizienz in die Entwurfs-, Fertigungs- und Montagephasen und hilft so, den gesamten Prozess zu verschlanken und die Kosten zu senken.  

Zeitersparnis

Die Vorteile von BIM lassen sich nutzen, um verschiedene DfMA-Komponenten zu entwerfen, um Ihre Bauteile just in time für die Montage auf der Baustelle verfügbar zu haben. Hierdurch kann das Bauvorhaben erheblich beschleunigt werden.

Höheres Arbeitsschutzniveau

Dank der BIM-Modelle können einzelne Komponenten sowohl bei der Herstellung im Werk als auch bei der Montage auf der Baustelle unter Arbeitssicherheitsaspekten überprüft werden, was den Arbeitsschutz verbessert. Durch die Automatisierung des Herstellungsprozesses und die Möglichkeit, diesen in einer kontrollierten Fabrikumgebung durchzuführen, wird auch die Zahl der Sicherheitsverletzungen reduziert.

Nachhaltigkeit und wenig Verschnitt

DfMA legt bereits in der Entwurfsphase großen Wert auf eine effiziente und vereinfachte Materialverwendung. Zusammen mit BIM wird der Prozess umso präziser, was zu weniger Materialverschwendung führt.

Die BIM-Software fördert zudem einen höheren Automatisierungsgrad, der es einfacher macht, den CO2-Fußabdruck eines Projekts zu ermitteln und zu reduzieren.

Effizienter Personaleinsatz

Dank BIM lassen sich detaillierte Ablauf- und Zeitpläne erstellen. Dies gestattet eine effizientere Nutzung der verfügbaren Personalressourcen.

Höhere Produktivität

Dank BIM ist die Zusammenarbeit enger und der Austausch von Informationen schnell und einfach. Hierdurch wird der gesamte Prozess vom Entwurf bis zur Montage verschlankt und die Produktivität erhöht.

hsbcad's Beitrag zur BIM-Vision

Ungeachtet der Herausforderungen, die zahlreiche Bauträger weltweit an der Verwirklichung der BIM-Vision hindern, ist das Konzept bereits Realität. Wir bei hsbcad arbeiten seit über 20 Jahren an Lösungen, um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen.  

hsbcad Design-Lösungen

Unsere hsbdesign-Plattform arbeitet mit Revit® und AutoCAD® zusammen und sorgt für mehr Detailgenauigkeit, mehr Automatisierung und die Zentralisierung wichtiger Informationen, was zu weniger Fehlern und effizienteren Prozessen führt. Mit unseren verschiedenen Toolsets bietet die hsbDesign-Plattform erweiterte Funktionen, mit denen Benutzer Projekte in kürzester Zeit und mit höherem Detailgrad bearbeiten können.

Diese Toolsets helfen bei:

  • Entwurf bis zur Fertigteilproduktion
  • Bei der Erstellung detaillierter Fertigteil-Spezifikationen
Die Möglichkeit, mit hsbcad detailliert für Produktion und Montage zu entwerfen.

hsbcad-Produktionslösungen

Mit unserer hsbMake-Plattform stellen Sie die richtigen Daten, zur richtigen Zeit, am richtigen Ort zu Verfügung. Es ermöglicht Projektbeteiligten, Entwürfe zu speichern, neue Versionen zu erstellen und alle projektbezogenen Produktionsdateien zu verwalten und zu verfolgen. Die Software erleichtert den Herstellungsprozess von Anfang bis Ende, indem sie jeden Schritt überwacht und bei Planungsabweichungen Warnmeldungen ausgibt. Außerdem ist sie überall zugänglich, einschließlich automatisierter CNC-Arbeitsplätze und manueller Arbeitsstationen. Um den Produktionsprozess auf ein noch höheres Niveau zu heben, sind zusätzliche Toolsets verfügbar.

Diese Toolsets helfen bei:

  • Erstellen Sie präzise Details für verschiedene Bautechniken
  • Erstellen der CNC-Maschinendaten
  • Validierung der Konstruktion
  • Bessere Produktionskontrolle
  • Kombinieren mehrerer Projektzeitpläne (d.h. Projektverschachtelung)
Beispiel einer Fertigungszeichnung, die aus einem detaillierten 3D-Konstruktion erstellt wurde.

hsbcad Montage-Lösungen

Unsere hsbShare-Plattform wurde entwickelt, um alle Ihre Projektdaten in einem cloud-basierten digitalen Zwilling allen Projektbeteiligten zu Verfügung zu stellen. Die Plattform bietet eine 3-D-Ansicht des Bauvorhabens, mit der Möglichkeit zum Drehen, Zoomen, Dimensionieren, Suchen und vielem mehr. Zusätzliche Toolsets sind:

  • hsbLogistik, mit dem Sie die Produktion und Lagerung von Frachtgut in Ihrer Produktion verfolgen können, indem Sie den Standort der Frachtstücke per QR-Code direkt auf Ihrem Smartphone überwachen.
  • hsbVerladung ist unser Toolset zur cloudbasierten, graphischen Verladeplanung für Ihre Bauvorhaben - effizient und zeitsparend.

Diese Toolsets helfen bei:

  • Mit Verladung und Logistik
  • Bei der reibungslosen Montage vor Ort (wie Lego)
  • Bei der effizienteren Projektverwaltung
  • Beim Zugang zu allen Details im Produktions- und Ist-Zustand

Jede hsbcad-Softwarelösung ist so konzipiert, dass sie mit anderen kombiniert werden kann, um Sie Ihrer BIM-Vision ein Schritt näher zu bringen.

Example of hsbShare and its toolset: hsbStacking

Die verwirklichte BIM-Vision

Wenngleich BIM in der Baubranche noch nicht zum Alltag gehört, bewegen wir uns doch rasch in diese Richtung, angeregt durch Teilbereiche wie OSC und DfMA. Die Technologien und Fähigkeiten für BIM Level 3 sind bereits vorhanden - es ist nur eine Frage, die Herausforderung anzunehmen.

Bauunternehmen, die BIM als Vorreiter einführen, werden eine neue Ära des Bauens einleiten, weil sie transparenter, kooperativer, kostengünstiger, nachhaltiger und effizienter bauen.

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Autor:
Gill Gonnissen
Produktmanager