Baurobotik/Hightech Automatisierte Hochbaustellen

BAU - R AT I O N A L I S I E RU N G
Baurobotik/Hightech
Automatisierung und Roboterisierung
von Produktionsprozessen wird zunehmend ein Thema in der Bauindustrie, da
weltweit steigende Grundstücks- und
Rohstoffpreise sowie der Bedarf an im
Hinblick auf die Haustechnik gut ausgestatteten Gebäuden eine Steigerung
der Effizienz des Bauen selbst unumgänglich werden lassen – wenn man
nicht möchte, dass die Preise für den
Erwerb von Wohnraum ins Unermessliche steigen. Auch ist die Bauindustrie
gut beraten, darin ihre Produktionsprozesse zu verbessern, um so den
Anschluss an andere produzierende
Industrien nicht zu verlieren. An vielen
Spitzenuniversitäten weltweit wurden
deshalb in den letzten Jahren Institute
eingerichtet, die sich explizit mit Fertigungstechnik, Automatisierung und Robotik im Bauwesen beschäftigen (z. B.
Harvard University, ETH Zürich, Tokyo
University, Seoul National University,
MIT). Führend in diesem Bereich ist unter anderem die Technische Universität
München, an der bereits seit über zehn
Jahren in diesem Bereich intensiv geforscht wird.
Geschichtlicher Hintergrund
Automatisierte Hochbaustellen sind
die Spitze einer Entwicklung, welche in
den 1970er Jahren in Japan mit dem
Aufkommen einer auf Automatisierung
und Fließband-Fertigung beruhenden
Vorfertigungsindustrie im Wohnungsbau begann (Ausgabe Nr. 4 September
2011). In den 1980er Jahren wurden zunächst in Japan und anschließend weltweit Baurobotersysteme entwickelt, die
einzelne Prozesse auf der Baustelle wie
Schweißen, Betonglätten, Beschichten, Streichen und Transportieren von
Baumaterialien voll-, teilautonom oder
im Remotebetrieb durchführen konnten (Ausgabe 5/6 Dezember 2011). In
den 1990er Jahren entwickelten sich
schließlich die automatisierten Hochbaustellen. Diese Feldfabriken schafften
eine für einen hohen Automatisierungsgrad notwendige strukturierte Umgebung auf der Baustelle und bedienten
sich sowohl Elementen der Vorfertigung
als auch der bereits vorher entwickelten
Bauroboter als Sub-Systeme.
© Prof. T. Bock
Automatisierte Hochbaustellen
truktion. Der typische Bauablauf sieht
vor, dass sich ein automatisiertes Arbeitsgeschoss sozusagen als vertikal
bewegende Fabrik nach oben arbeitet.
Die Ansätze von Skanska und Kajima
operieren ebenfalls mit automatisierten
Systemen, kehren den Prozess jedoch
im Wesentlichen um und heben die
ebenerdig fertiggestellten Geschosse
mittels hydraulischer Vorrichtungen geschossweise in die Höhe.
Ursprünge der eingesetzten
Technologien
Bild 1: Das Bild zeigt die mit dem Gebäude
nach oben wandernde automatisierte Feldfabrik der Firma Shimizu (System SMART).
Automatisierte Hochbaustellen wurden
bis heute sowohl hinsichtlich der eingesetzten Technologien als auch hinsichtlich der möglichen Anwendungsszenarien weiterentwickelt. So sind diese heute
nicht mehr nur auf die Anwendung zur
Erstellung vertikal orientierter und orthogonaler Gebäudeformen reduziert, sondern können die unterschiedlichsten Gebäudetypen und Formen realisieren. Seit
2008 werden modifizierte (und gewissermaßen im Rückwärtsmodus ablaufende)
automatisierte Hochbaustellen auch
zum Rückbau von Gebäuden eingesetzt.
Verbreitung der Systeme
Fast alle großen japanischen, US-amerikanischen, französischen und skandinavischen Bauunternehmen arbeiten
seit mehr als zwei Jahrzehnten an der
Entwicklung automatisierter Hochbausysteme. Wie die Beispiele von NCC
und Skanska zeigen, gibt es auch in
Europa interessante, bereits realisierte
Ansätze. Einige Unternehmen demonstrieren die Leistungsfähigkeit derartiger
Systeme anhand von Experimentalbaustellen und Computersimulationen.
NCC, Skanska, Obayashi, Shimizu,
Kajima, Fujita, Taisei, Takenaka, Maeda und Hazama haben bereits (Hoch-)
Häuser im automatisierten Verfahren
errichtet. Die meisten Systeme basieren auf einer Stahlskelettbau-Kons-
Automatisierte Hochbaustellen folgen
dem Prinzip der Baustellenfertigung,
das auch in anderen Industrien bei
der Erstellung sehr großer und unbeweglicher Produkte benutzt wird wie
beispielsweise großer Flugzeuge, oder
Schiffe. Baustellenfertigung bedeutet,
dass die Teile oder Komponenten an
einem Ort zusammen kommen, positioniert und montiert werden – im Gegensatz zur Fließfertigung. Sowohl in
der Flugzeugindustrie als auch in der
Schiffsbauindustrie wird dabei mit automatisierten Deckenkränen als auch
mit Positionier- und Schweißsystemen
gearbeitet. Bei der Entwicklung von
automatisierten Hochbaustellen waren
deshalb auch häufig Unternehmen aus
diesen Branchen sowie aus der Elektronik oder Roboterindustrie beteiligt.
Beispiele für automatisierte
Hochbaustellen
Um die Funktionsweise von automatisierten Hochbaustellen zu verdeutlichen, sind im Folgenden einige Systeme und deren Ansätze exemplarisch
erklärt. Die Systeme unterscheiden
sich sowohl hinsichtlich der Baustruktur,
die sie in der Lage sind zu verarbeiten
(Stahlkomponenten, Betonkomponenten, Mischsysteme), als auch hinsichtlich der Lage und Ausprägung der Feldfabriken.
SMART, Shimizu Corp.: Shimizu experimentierte bereits Ende der 1980er auf
dem Firmengelände mit automatisierten
Hochbaustellen. Schließlich wurde so
SMART (Shimizu Manufacturing Sys-
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Bild 4a: Obayashi’s Big Canopy in Singapur
im Einsatz, 1990er Jahre
© Prof. T. Bock
Big Canopy, Obayashi Corp.: Obayashi hat neben seinem ABCS, das für
Stahlkonstruktionen eingesetzt werden
kann und vom Grundprinzip her SMART
ähnelt, auch ein automatisiertes Hoch-
© Prof. T. Bock
Baustellenlogistiksystem (Parallel Delivery System, PDS), das sicherstellt,
dass die Materialien vom Boden auf
automatisiertem Wege an den Einbauort gelangen. Ferner arbeitet das ABCS
mit einem System für die automatisierte
und hochpräzise Ausrichtung von Stützen und anderen Bauteilen.
© Prof. T. Bock
tem by Advanced Robotics Technology) entwickelt und im Laufe der 1990er
zur Errichtung zahlreicher Hochhäuser
eingesetzt. Beim SMART System sitzt
die Feldfabrik auf dem Gebäude und
wandert mittels Klettersystemen mit
dem Gebäude nach oben. In der Feldfabrik wird das Gebäude Geschoss für
Geschoss erstellt. Die Positionierung
der Stahlkomponenten der Tragstruktur
wird mittels automatisierter Deckenkräne bewerkstelligt, welche sich über ein
Schienensystem am Dach der Fabrik
autonom bewegen können.
Bild. 2: SMART Roboterkräne-System wurde in den 1990er von Shimizu zur Erstellung zahlreicher Bürogebäude verwendet.
© Prof. T. Bock
Bild 4b: Mehrere Roboterkräne bewegen sich parallel im Schienensystem der Big Canopy
Feldfabrik.
Bild 3a: Explosionsdarstellung von Obayashis ABCS.
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bausystem entwickelt, das sich für Gebäude eignet, die aus Betonelementen
bestehen. Die Feldfabrik bewegt sich
mit dem Gebäude nach oben, sitzt aber
nicht auf ihm, sondern umspannt das
Gebäude. Wie bei SMART und ABCS
stellen die automatisierten Deckenkräne das zentrale Subsystem dar.
AMURAD, Kajima Corp.: Bei AMURAD
(Automatic Up-Rising Construction by
Advanced Technique) bewegt sich die
Feldfabrik nicht mit dem Gebäude noch
oben, sondern sie befindet sich erdgeschossig. Hier wird das Geschoss
jeweils durch Robotersysteme aus Betonfertigteilen erstellt und anschließend
wird das gesamte Geschoss sowie die
darüberlegenden bereits erstellten Geschosse durch computergesteuerte und
hochpräzise hydraulische Presssysteme nach oben gedrückt.
© Obayashi
ABCS, Obayashi: Das ABCS (Automated Building Construction System)
wird seit 1990 kontinuierlich weiterentwickelt, um Montagevorgänge vor Ort
in hohem Maße zu automatisieren. Das
geschieht durch den Aufbau einer sich
vertikal nach oben bewegenden Fabrik
vor Ort mit automatisierter Logistik, automatisierter Positionierung von Stützen
und Trägern, automatisierter Schweißtechnik und digitaler Echtzeit-Prozessüberwachung. Eine vertikal bewegliche
„Fabrik“ (SCF, Super Construction Factory) befindet sich am oberen Ende des
Gebäudes und bewegt sich während
des Bauprozesses Geschoss für Geschoss nach oben. Ein zentrales Element des SCF ist das automatisierte
Bild 3b: An Schienen verfahrende Robotersysteme platzieren und montieren Komponenten in der Super Construction Factory
des ABCS. 2001, Japan.
System Skanska: Die Grundidee des
Systems der Firma Skanska ist es, ein
möglichst langes Geschoss zu errich-
© Prof. T. Bock
© Prof. T. Bock
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Bild 5a: AMURAD’s erdgeschossiges
schienengeführtes Produktionssubsystem,
1996–2006 im Einsatz durch die Firma Kajima
© Skanska
ten, die primäre Baurichtung ist also
horizontal. Mithilfe von horizontalen
Führungsschienen kann eine Montagemaschine die Elemente beliebig
weit in y-Achse bewegen, während ein
Subsystem aus kleinen Kränen das Geschoss nach oben drücken kann, um
ein weiteres Geschoss anzubauen. Der
Montageprozess besteht aus 4 Schritten. Ein Lkw liefert die vorgefertigten
Elemente an, welche dann zunächst
von einem sich in z- und y-Richtung bewegenden Portalkran übernommen und
auf einer fahrbaren Plattform abgelegt
werden. Diese Plattform bewegt sich
in x-Richtung und bringt die Elemente
zu der horizontalen Montagemaschine,
die sich in y-Richtung bewegt. Der letzte
Schritt besteht daraus, dass die kleinen
Kräne, die entlang der Führungsschienen der Montagemaschine stehen, die
Elemente in z-Richtung bewegen.
© Skanska
Bild 6a: Skanskas Systematischer
Bauablauf (2004)
Bild 6b: Skanskas erdgeschossiges schienengeführtes Produktionssystem (2004)
NCC Komplett: Die Grundidee dieses
Systems ist eine Feldfabrik, die von der
NCC Vorfertigungsfabrik „just-in-time“
und „just-in-sequence“ beliefert wird.
Die benötigten Elemente werden schon
in der NCC Vorfertigungsfabrik komplett
ausgestattet und mit Installationen versehen. Die Feldfabrik stellt quasi eine
Ummantelung der Baustelle dar, innerhalb derer man vor sich ändernden
Witterungsbedingungen geschützt ist.
Innerhalb der Baustelle muss wegen
der komplett und sehr präzise vorgefertigten Betonelemente sehr auf Sauberkeit geachtet werden – die Bauarbeiter
tragen alle Handschuhe und Schuhüberzieher. Auch bei diesem System
folgt die Anlieferung der Notwendigkeit
© Prof. T. Bock
Bild 5b: AMURAD’s schienengeführtes Logistiksubsystem
Bild 7a: Betonelemente werden in der
Fabrik komplett vorgefertigt.
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bäudeteils von außen. Somit kann die
Fassade parallel von außen bearbeitet
und fertiggestellt werden und ein fertiges Gebäude verlässt die Fabrik.
RCACS, Korea: Das RCACS (Robotic
and Crane Based Automated Construction System) wurde 2008 bis 2012
anhand einer Experimentalbaustelle
von einem Zusammenschluss aus koreanischen Firmen (Bau-, Elektronik- und
Baumaschinenfirmen),
Universitäten
und Forschungsinstituten entwickelt.
Bei diesem System wird zunächst der
Betonkern eines Hochhauses mittels
automatisierter Gleitschalungssysteme
erstellt. An diesem Kern wird dann die
Feldfabrik, in der die Kern umgebende
Stahlkonstruktion des Gebäudes mittels
roboterisierter Positionier- und Montagesysteme erstellt wird, Geschoss für
Geschoss nach oben gezogen.
Modularisierung der Feldfabriken
Viele der automatisierten Hochbausysteme wurden entweder von Beginn
an als modulare Produktionssysteme
entwickelt oder mit der Zeit zu solchen
weiterentwickelt. Die Modularität der
Feldfabrik und der Subsysteme er-
Bild 9: RCACS Roboterkran im Einsatz,
Korea, 2012.
© Prof. T. Bock
© Prof. T. Bock
BAM, Netherlands: Die Grundidee
dieses Systems ist die geschossweise
Abarbeitung der Baustelle, das heißt
die primäre Baurichtung ist vertikal.
Besonders in dichten urbanen Gefü-
gen ist diese Art des Bauens wesentlich effizienter als die konventionelle,
weil sich Baustelle und Materialien geschossweise mitbewegen und dadurch
zum einen Platz gespart wird und zum
anderen die Baustelle vor Witterung
geschützt ist. Was die Logistik angeht,
folgt man dem Pull-Prinzip, das heißt
es werden nur die Elemente geliefert,
die in dem Moment tatsächlich gebraucht werden. Organisatorisch betrachtet folgen Gerüst, Baustoffe und
Schalungen der Arbeitsebene, befinden sich also nur dort, wo sie benötigt
werden. Die Anlieferung erfolgt just in
time. Als sekundäres System gibt es
einen Brückenkran, der schwere Bauteile bewegt und dem Menschen so die
schwere körperliche Arbeit abnimmt.
Wie bei den meisten anderen Feldfabriken auch umgreift die Feldfabrik nicht
nur das Arbeitsgeschoss (Geschoss, in
dem die Baukomponenten platziert und
montiert werden) sondern auch 1 bis 2
Stockwerke des darunterliegenden Ge-
© Prof. T. Bock
auf der Baustelle, was auch hier das
Lagern der Materialien/Bauteile unnötig macht. Ebenfalls gibt es auch bei
diesem System einen Brückenkran als
zentrales Subsystem. Bedingt durch die
Feldfabrik waren die durch NNC Komplett gefertigten Gebäude auf 8 Stockwerke in der Höhe und 60 Meter in der
Breite beschränkt.
Bild 8a: Die on Site Factory von BAM
klettert mit dem Gebäude nach oben und
schafft eine wetterunabhängige und
strukturierte Umgebung (2011, Holland).
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Bild 8b: Wie bei den meisten anderen
Feldfabriken auch umgreift die Feldfabrik
ebenfalls 1 bis 2 Stockwerke des darunterliegenden Gebäudeteils zur parallelen
Bearbeitung von außen.
© Prof. T. Bock
Bild 7b: Baustellenfabrik von NCC (2006).
Bild 10: Shimizus SMART wurde als modulares Produktionssystem weiterentwickelt.
Japan, 2000.
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verschiedenen Kranrobotern und diese
wiederum je nach Bauaufgabe mit unterschiedlichen Endeffektoren bestückt
werden konnten.
Zunehmende Flexibilisierung
Bild 11: Heute werden auch Gebäude
mit nicht-orthogonalen Grundrissen und
Fassadenformen mittels vertikal nach oben
wandernder Feldfabriken realisiert, 2007,
Japan.
Diffusion von Basistechnologien
Eine interessante Entwicklung ist auch
die zunehmende Diffusion der in automatisierten Hochbaustellen eingesetzten Basistechnologien. Immer häufiger
werden so einzelne Sub-Systeme, die
eigentlich für die automatisierten Hochbaustellen entwickelt wurden (wie bei© Obayashi
© Prof. T. Bock
möglichte, dass das System auf verschiedene Grundrissabmessungen und
Konfigurationen der Gebäude angepasst werden konnten. Auch erlaubte
die Modularität, dass die Feldfabrik mit
Obwohl die meisten automatisierten
Hochbausysteme modular aufgebaut
waren und so unterschiedliche Gebäudeabmessungen realisieren konnten,
war es doch bisher notwendig, dass der
Entwurf Prinzipien der orthogonalen
Anordnung folgte. Jüngst konnten aber
auch Gebäude mit nicht-orthogonalen
Grundrissen und Fassadenformen
realisiert werden. Es ist zu erwarten,
dass sich diese Entwicklung fortsetzt
und sich der Ansatz der flexiblen produzierenden Industrien, der sich derzeit
durchsetzt, auch bei den automatisier-
ten Hochbausystemen durchsetzen
wird. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung wurde 2007 bei der Erstellung
eines nicht-orthogonalen Gebäudes in
Tokio gemacht. Grundlage für die Erreichung eines hohen Automatisierungsgrades war hier die geschickte Modularisierung, welche eine Automatisierung
in der Vormontage als auch in der Logistik und Positionierung der Module
auf der Baustelle ermöglichte.
Bild 12b: Beispiele für ABCS-Basistechnologien.
spielsweise automatisierte Logistikaufzüge, automatisierte Ausrichtungs- und
Genauigkeitsmessung, automatisierte
Positioniersysteme,
SchweißroboterSysteme) als Einzelsysteme zur Effizienzsteigerung auch in mehr oder
weniger konventionellen Baustellen
eingesetzt. So setzen heute die Firmen
Shimizu und Obayashi in zahlreichen
laufenden Bauprojekten Subsysteme
von SMART, ABCS und Big Canopy ein.
Das wohl bekannteste Beispiel stellt
hier die Erstellung des 634 Meter hohen Tokyo Sky Tree dar, dessen sicherer und schneller Aufbau nicht zuletzt
durch die Verwendung verschiedenster
ABCS-Subsysteme ermöglicht wurde.
Automatisierter Rückbau
Bild 12a: Bei der Erstellung des 634 Meter hohen Tokyo Sky Tree kamen einzelne Basistechnologien, welche ursprünglich für Obayashis ABCS entwickelt wurden, zum Einsatz.
Seit 2008 werden modifizierte Versionen
von automatisierten Hochbaustellen
www.ibr-rgb.de – ibr · März 2012
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© Prof. T. Bock
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Bild 13: Automatisierter Rückbau von 3 Bürohochhäusern in Tokio, 2008.
auch zum Rückbau von Hochhäusern
in dichten innerstädtischen Gebieten
eingesetzt. Die japanische Firma Kajima verwendete das AMURAD System
gewissermaßen in rückwärts ablaufender Form zum Rückbau von drei Bürogebäuden in Tokio.
Referenzen
Dabei wurden die Geschosse mittels
computergesteuerter
hydraulischer
Pressen nun nicht geschossweise nach
oben gedrückt, sondern geschossweise im Erdgeschoss zerlegt und dann
jeweils um ein Geschoss abgesenkt.
Der Abtransport der Materialien konnte
so jeweils im Erdgeschoss geschehen
und in den oberen Geschossen konnte
parallel dazu – was Zeit sparte – bereits
der Ausbau der Materialien vorbereitet
werden.
• Linner, T., Bock, T. (2012) Evolution
of large-scale
Industrialization and Service - Innovation in Japanese Prefabrication
Industry. In: Journal of Construction
Innovation: Information, Process,
Management, Volume 12 Issue 2
Seit 2012 setzt nun mit Takenaka bereits die zweite große japanische Baufirma ein System zum automatisierten
Rückbau von Gebäuden ein. Der automatisierte Rückbau im Allgemeinen hat
neben der höheren Rückbaugeschwindigkeit den Vorteil, dass im Vergleich
zum konventionellen Rückbau (oder
besser Abriss) extrem hohe Recyclinggrade erreicht werden. Erste Schätzungen gehen davon aus, dass diese
Systeme ca. 8 mal eingesetzt werden
müssen, bis sich ihre Entwicklung für die
betreibende Baufirma bezahlt macht.
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• Bock, T., Linner, T., Lauer,
W., Eibisch, N. (2010) Automatisierung und Robotik im Bauen. Arch+
Zeitschrift für Architektur und Städtebau, Mai 2010, pp. 34-39
• T. Bock, T. Linner, S. Miura (2011)
Robotic High-Rise Construction of
Pagoda Concept: innovative earthquake-proof Design for the Tokyo
Sky Tree. In: Proceedings of CTBUH
2011 World Conference, October
2011, Seoul, Korea
• Bock, T., Linner, T. (2010) Mass
Customization in a knowledge-based
Construction Industry for sustainable
high-performance Building Production. CIB World Congress 2010,
Manchester/Salford, May 2010
• Bock, T., Linner, T., Lee, S. (2009)
Integrated Industrialization
Approach for lean Off-/On -site
Building Production and Resource
Circulation. 7th World Conference
on Sustainable Manufacturing, India,
November 2009
Prof. Prof. h.c./SRSTU Dr.-Ing./
Univ. Tokio Thomas Bock
Thomas Linner
Lehrstuhl für Baurealisierung
und Baurobotik
Fakultät für Architektur
Technische Universität München
Arcisstr. 21
80290 München
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