Smarte Baustelle: KI in der Bauausführung

OpenSpace

Die Künstliche Intelligenz (KI) ist im Baubereich angekommen – und beeinflusst künftig auch den Alltag auf der Baustelle. Dieser Beitrag stellt Möglichkeiten und Potenziale der KI sowie aktuelle Werkzeuge für die Bauausführung und das Management von Bauprojekten vor.

Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ KI wird zunehmend auch in der Bauausführung eingesetzt.
■ Auf der Grundlage von BIM-Modellen, Mengen- und Kostenermittlungen oder Ausschreibungsdaten können Bauzeitenpläne erstellt und optimiert, Ressourcen geplant, potenzielle Probleme identifiziert und Lösungsvorschläge generiert werden.
■ Auch in der Baufortschrittskontrolle, Bauprozessoptimierung, Bauteilverfolgung Qualitätssicherung oder Baurobotik gibt es inzwischen KI-Lösungen.
■ Bei KI-Anwendungen auf der Baustelle kann es aber auch zu Performanceproblemen durch schlechte mobile Internetverbindungen oder große Datenmengen kommen. Auch die Quantität und Qualität der KI-Trainingsdaten, Datenverknüpfungen oder Entscheidungskriterien sind noch intransparent.
 

Die Bandbreite der KI-Anwendungen im Baubereich reicht von der Bestandserfassung, der Optimierung von Gebäudeentwürfen, über die Automatisierung der Projekt- und TGA-Planung, bis hin zur Gebäudenutzung (Smarter planen, bauen und nutzen in TGA+E 12-2022). Im Zusammenspiel verschiedener Technologien, wie Mobile Computing, Internet der Dinge (IoT) oder der modellorientierten Gebäudeplanung (BIM) ermöglicht die KI und deren Teilbereiche, wie Expertensysteme, die Mustererkennung, das maschinelle Lernen, das maschinelle Sehen, Künstliche Neuronale Netze oder die Robotik (siehe Info-Kasten), innovative Funktionen und Anwendungen auch in der Bauausführung.

Alice Technologies

Konkrete KI-Anwendungsmöglichkeiten bietet die Bauzeiten- und Ressourcenplanung oder das Projektmanagement. Daten realisierter Bauprojekte lassen sich mithilfe maschineller Lernalgorithmen oder der Analyse großer Datenmengen (Big Data) auswerten. Aus den Informationen abgeschlossener Projekte, wie Ausschreibungs- und Abrechnungsdaten, Bauzeitenplänen, Behinderungsanzeigen, Mängel- oder Bautagesberichten, Wetterdaten, Sensordaten etc. werden Muster und Trends erkannt und daraus Strategien für die effiziente Realisierung zukünftiger Bauvorhaben generiert.

Je mehr Daten ausgewertet und vernetzt werden können, umso höher ist die Verlässlichkeit der KI-Funktionen und Prognosen. Am konkreten Projekt können auf der Grundlage des BIM-Modells, der Mengen- und Kostenermittlungen sowie Ausschreibungsdaten Bauzeitenpläne erstellt und optimiert, Ressourcen effizient eingesetzt, potenzielle Probleme über KI-Risikoanalysen frühzeitig identifiziert und Lösungsvorschläge generiert werden. Simulationen der Baustellenlogistik, Bau- und Montageablaufplanung können ferner Materialflüsse und Ausführungsprozesse optimieren.

Flexxter

Bauprojektmanagement mit KI-Werkzeugen

Für das Projektmanagement gibt es inzwischen eine ganze Reihe von KI-Werkzeugen:

Alice ist eine KI-gestützte Software für die Bauprojektplanung, die Planer dabei unterstützt große Bauprojekte unter dem Zeit-, Ressourcen- und Kostenaspekt zu optimieren und Risiken zu minimieren. Auf der Grundlage von BIM-Modellen, Mengenermittlungen und Zeitvorgaben erstellt die Alice-Webplattform detaillierte 4D-BIM-Modelle und leitet daraus automatisch Bauzeitenpläne ab.

Simulationen unterschiedlicher Szenarien – etwa dem Einsatz zusätzlicher Arbeitskräfte und Maschinen oder Beeinträchtigungen und Verzögerungen – zeigen Konsequenzen auf den Projektablauf auf. Daraus werden Vorschläge für einen optimalen Baustellenablauf samt Ressourcenauslastung generiert. Potenzielle Engpässe und kritische Pfade werden angezeigt, sodass frühzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden können: www.alicetechnologies.com

Maschinelles Lernen und KI-Funktionen verleihen auch der BIM-Kollaborationsplattform Autodesk Construction Cloud smarte Fähigkeiten, Projektmängel und -risiken frühzeitig zu identifizieren, die sich negativ auf Kosten, Zeitpläne, Qualitäten und die Sicherheit auswirken können. Diese werden nach Prioritäten kategorisiert und dokumentiert, was Verzögerungen, Nacharbeiten und Kosten reduzieren, fundierte Entscheidungen und proaktive Maßnahmen unterstützen sowie eine effizientere, sicherere und qualitativ hochwertigere Bauausführung ermöglichen soll: construction.autodesk.de  

Specter

Die KI-gestützte Weblösung Flexxter erstellt auf der Basis detaillierter Beschreibungen eines Bauvorhabens einen Bauzeitenplan, inklusive aller erforderlichen Gewerke samt geschätzter Arbeitsdauer und einer Prognose möglicher Verzögerungen. Werden im Projektverlauf Unstimmigkeiten, Mängel oder Probleme gemeldet, erkennt Flexxter automatisch die Kategorie, erstellt eine Beschreibung und dokumentiert diese, schätzt Prioritäten, Kosten und mögliche Verzögerungen ab. Für Anschreiben, Behinderungsanzeigen oder E-Mails genügen Stichworte, auf deren Grundlage förmlich formulierte Texte verfasst werden. Nach Projektabschluss generiert Flexxter einen detaillierten Bericht über Verzögerungen und mögliche Gründe: www.flexxter.com

Auch Procore optimiert Baustellenabläufe und minimiert Projektrisiken. Die cloudbasierte Baumanagement-Plattform bietet einen Projektdatenzugriff für alle Beteiligten, eine einfache mobile Kommunikation sowie Projekt-, Ausschreibungs-, und Ressourcenmanagement-Funktionen für der Verfolgung und Analyse von Baustellen-Aktivitäten. KI-Funktionen optimieren die Informationssuche, vereinfachen Analysen und Risikovorhersagen: www.procore.com

Specter, ein modellbasiertes Assistenzsystem für Bauleiter, nutzt 3D-Modelle zur Optimierung von Bauprozessen. Per Klick auf ein 3D-Modellbauteil werden ausführungsrelevante Informationen wie Arbeitsschritte, Materialmengen, Zeit- und Kosteninformationen angezeigt. Basierend auf der Wochenplanung lassen sich wiederkehrende Organisationsprozesse automatisieren. Eine Baufortschritts-Erfassung vereinfacht die Kommunikation und Einschätzung von Bauverzögerungen. Die gesammelten Daten dienen schließlich der kontinuierlichen Optimierung zukünftiger Planungs- und Ausführungsprozesse: www.specter-automation.com

Contilio / TÜV SÜD

Baudokumentation mit KI

Der Einsatz von KI-Werkzeugen in der Bauausführung zielt darauf ab, Ausführungsqualitäten und die Termin- und Kostensicherheit zu verbessern sowie die Bauleitung, SiGe-Kontrolle oder die Abrechnung von Bauprojekten zu vereinfachen. Anwendungsbeispiele sind die Baufortschrittskontrolle und AsBuilt-Dokumentation, das Baustellen-Monitoring, die Bauprozessoptimierung, die Bauteilverfolgung und Baustellen-Logistik, die Qualitätssicherung oder die Baustellensicherheit.

Um zeitnah auf Baustellenentwicklungen reagieren zu können, müssen Ist-Zustände und der Fertigstellungsgrad auf der Baustelle kontinuierlich und ohne Medienbrüche erfasst werden. Das geschieht digital per Mobilcomputer, 3D-Laserscanner, LIDAR-Scanner, Baustellen-Kamera oder -Webcam, kamerabestücktem Bauhelm, Roboter oder Drohne. Damit entsteht ein aktuelles, visuelles und dreidimensionales digitales Abbild des aktuellen Zustands auf der Baustelle, das den Baufortschritt, aber auch Abweichungen dokumentiert.

Oculai

Werden die dabei gewonnenen Text-, Foto-, Video- oder Messdaten mithilfe von KI-Algorithmen ausgewertet und mit Planungsdaten abgeglichen, können insbesondere auf großen Baustellen mit vielen parallel arbeitenden Gewerken Ungenauigkeiten und Planabweichungen, Bauteil- und Ausführungsmängel oder Schäden schneller und mit weniger Aufwand erkannt werden. Abweichungen zwischen dem Bauzeitenplan und dem tatsächlichen Projektfortschritt werden dokumentiert und Prognosen für den weiteren Projektverlauf erstellt.

Unterschieden werden Monitoringlösungen unter anderem nach dem Erfassungssystem: Video-Kameras, die auf Kränen, Masten oder Gerüsten installiert werden, erfassen die Bausituation visuell jeweils von einem Standort aus. Für TGA- und Ausbaugewerke eignen sich allerdings nur mobile Kameras, die etwa auf Bauhelmen, Laufrobotern oder Drohnen montiert sind. Für die dreidimensionale geometrische Erfassung werden terrestrische 3D-Laserscanner oder mobile 3D Laser- oder LIDAR-Scanner verwendet.

Buildots

Baudokumentation mit KI-lösungen

Auch für das Bauausführung und -dokumentation gibt es schon zahlreiche Lösungen:

Buildots kombiniert eine 360°-Helmkamera, Bildverarbeitungstechnologien und Künstliche Neuronale Netze, um Bauabläufe, Baufortschritte und Abweichungen vom Plan automatisiert zu erfassen. Die Helmkamera erzeugt einen digitalen Zwilling und dokumentiert Baustellenaktivitäten in einer App, die detaillierte Berichte liefert, Abweichungen und Fehler markiert. Ein interaktiver KI-Assistent kann Fragen zum Status von Bauaktivitäten und zum Baufortschritt beantworten: www.buildots.com

Die zusammen mit dem TÜV Süd entwickelte Bauprojektkontrolle von Contilio automatisiert die aufwendige Qualitäts-, Baufortschritts- und Produktivitätskontrolle von Baustellen. KI-gestützte Echtzeit-Analysen der Installations- und Montagequalität, des Bau- und Montagefortschritt, von Leistungskennzahlen und Risiken machen Bauprojekte transparenter und produktiver. Dazu werden das kontinuierlich aktualisierte BIM-Modell, Bauzeitenpläne und andere Planungsdaten automatisiert mit den Baustellendaten abgeglichen, die per 3D Laserscanner und LIDAR-Scanner erfasst werden: www.contilio.com  www.tuvsud.com

Imerso

Die Cloud-Anwendung Imerso setzt auf einfache und schnelle 3D Scanning-Lösungen, deren Ergebnisse mit dem BIM-Modell abgeglichen und daraus automatisiert Abweichungsanalysen erstellt werden. Individuell einstellbare Parameter ermöglichen eine gewerkspezifische Qualitätskontrolle, beispielsweise bei der Überprüfung von Wänden, Decken oder Böden auf unzulässige Toleranzen oder von Durchbrüchen für die Gebäudetechnik auf Übereinstimmung mit den Planvorgaben: www.imerso.com

OpenSpace erstellt mit einer auf dem Bauhelm montierten 360°-Kamera beim Abschreiten der Baustelle einen digitalen Zwilling, der Baustellendetails dokumentiert. Die KI ordnet die aufgenommenen Bilder und Videos automatisch den Grundrissen oder BIM-Modellen zu und gleicht diese ab. OpenSpace kann damit den Baufortschritt in Echtzeit überwachen, Abweichungen vom Plan erkennen und detaillierte Berichte erstellen. Die mit gängigen Planungs- und BIM-Programmen kompatible Technologie unterstützt damit wöchentliche Baustellenbesprechungen: www.openspace.ai

OpenSpace

Die Baumanagement-Software OpenExperience verwendet mit einer selbst entwickelten Helmkamera erzeugte 360°-Bildaufnahmen für die Baufortschritts-Dokumentation und die Mängelerkennung. Die Software nutzt KI-Algorithmen zur Objekterkennung und Bildklassifikation, um Bauobjekte und deren Merkmale automatisch zu identifizieren und mit dem BIM-Modell abzugleichen. Dadurch können strukturelle Unterschiede zum BIM-Modell oder zum Beispiel Oberflächen-Mängel erkannt werden: www.openexperience.de

Mit Planradar SiteView während der Baustellenbegehung per Helmkamera erfasste Panoramafotos werden automatisch im 2D-Plan verortet, was eine detaillierte visuelle Aufzeichnung von Baustellenaktivitäten ermöglicht. Eine Vergleichsfunktion von an verschiedenen Tagen aufgenommen Bildern macht Fortschritte und eventuelle Abweichungen sichtbar: www.planradar.com

Imerso

Weitere Erfassungsmethoden

Neben visuellen und geometrischen Methoden der automatisierten Erfassung von Baustellenaktivitäten und der Baustellensituation gibt es auch andere Ansätze, etwa die Erfassung von Vor-Ort-Sensordaten. Damit kann die KI Daten analysieren, die von in Werkzeugen, Maschinen oder Bauteilen integrierten Sensoren gesammelt werden. Diese ermöglichen eine Verfolgung wichtiger Parameter wie Standort, Wetter, Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration etc., die das Bauteiltracking, Monitoring oder die Baufortschrittsverfolgung rationalisieren und automatisieren können.

Werden ferner smarte, zum Beispiel mit Transpondern für die Nahfeldkommunikation (RFID, NFC etc.) ausgestattete Objekte wie TGA-Bauteile, Türen oder Fenster verwendet, können Zustände und Eigenschaften automatisiert ausgelesen, deren jeweiliger Standort verfolgt und diese Daten beispielsweise für eine digitale Bauteilverfolgung und Baulogistik genutzt werden. So lassen sich logistische Prozesse innerhalb und außerhalb von Baustellen verfolgen und steuern.

Anhand arbeitsschutzrelevanter Sensordaten kann die KI ferner vor Gefährdungen am Arbeitsplatz, wie Glätte oder Hitze warnen und in Verbindung mit Kamerasystemen kontrollieren, ob alle Personen auf der Baustelle erforderliche Schutzausrüstungen korrekt tragen oder alle Absturzsicherungen vorhanden sind. Inzwischen gibt es auch schon Ansätze in Richtung einer digitalen Baufortschrittskontrolle mithilfe KI-basierter akustischer Vorgangserkennung [3]. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mithilfe neuronaler Netze (Deep Learning) akustische Vorgänge auf der Baustelle zu erkennen, diese zu klassifizieren und daraus auf die auf der Baustelle stattfindenden Aktivitäten, Arbeitsschritte und letztlich den Baufortschritt zu schließen.

PlanRadar

KI in der Baurobotik

Roboter können auf der Baustelle eine Vielzahl von Aufgaben übernehmen – von der Materialhandhabung bis hin zur Ausführung komplexer Bau-, Ausbau- und Montagearbeiten (Hadrian mauert, Jaibot bohrt: Bauroboter tasten sich vor, TGA+E 08-2023). Durch den Einsatz Künstlicher Intelligenz können Mauer-, Estrich-, Bohr- und Anstrichroboter oder 3D-Drucker noch präziser, selbständiger und effizienter arbeiten.

Um komplexe Tätigkeiten autark ausführen und auch unvorhergesehene Situationen auf der Baustelle meistern zu können, müssen smarte Roboter über mehrere Sensoren und Scanner verfügen, die das Umfeld erfassen und Daten in Echtzeit auswerten. So können auch plötzliche und unvorhergesehene Probleme vor Ort erkannt und in Echtzeit gelöst werden.

Anstrichroboter sind beispielsweise in der Lage, über mehrere Sensoren und Scanner ihre Umgebung selbstständig zu erfassen und sich zu orientieren. Damit können sie per Sprühpistole beliebige Oberflächenanstriche auftragen, wobei Fenster- und Türöffnungen oder andere auszusparende Flächen erkannt werden. Im 3D-Betondruck kann KI-gestützte Software verschiedene Druckvarianten analysieren und optimale Abläufe und Parameter für den Druckprozess ermitteln – von der Betonmischung, über die Druckgeschwindigkeit bis zur Schichtdicke.

Durch die Simulation verschiedener Szenarien kann die Software potenzielle Probleme im Voraus erkennen und Lösungen vorschlagen. Während des Druckprozesses überwachen Sensoren und die KI kontinuierlich die Qualität des Betonauftrags. Abweichungen werden sofort erkannt und korrigiert. Die KI hilft auch dabei, den Materialeinsatz zu optimieren: durch die Analyse der Druckdaten kann die Software den Betonverbrauch minimieren und gleichzeitig die Stabilität der gedruckten Bauteile gewährleisten. Auch komplexe und außergewöhnliche Strukturen können mit minimalem Materialeinsatz gefertigt werden. Das reduziert den Ressourcenverbrauch und die Umweltbelastung. www.baubot.com  www.bostondynamics.com  www.cobod.com  www.fischer.de  www.hilti.de  www.kuka.com  www.okibo.com  www.trimble.com  www.unitree.com

Strabag

Chancen und Herausforderungen

Die Einsatzmöglichkeiten der KI auf Baustellen sind vielversprechend und werden koordinierende Tätigkeiten und Abläufe in den nächsten Jahren verändern. Allerdings werden sie eine von Menschen durchgeführte Vor-Ort-Kontrolle, beispielsweise der Ausführungsqualität, nicht ersetzen, sondern nur ergänzen können. Auch die dahinter stehende KI-Technologie wirft noch Fragen auf. Unklar sind beispielsweise juristische Konsequenzen, wenn eine KI-Anwendung Fehler macht.

Hilti

Da die KI-Lösungen Cloud-basiert sind, kann es bei schlechten (mobilen) Internetverbindungen und großen Datenmengen auf der Baustelle zu Performance-Problemen kommen. KI-Systeme setzen ferner große Datenmengen voraus, anhand derer sie ihre Algorithmen, etwa zur Mustererkennung, trainieren und optimieren können. Je größer diese Datenbasis ist, umso besser sind die KI-Ergebnisse. Allerdings sind detaillierte digitale Daten abgeschlossener Bauprojekte derzeit Mangelware.

Welche Quantität und Qualität Trainingsdaten haben, wie sie verknüpft sind und welche Bewertungs- und Entscheidungskriterien, etwa für eine Risikowarnung herangezogen werden, bleibt häufig intransparent. Viele der hier vorgestellten Lösungen berücksichtigen zudem nicht immer europäische Standards oder Richtlinien und stammen häufig von meist US-amerikanischen Startup-Unternehmen, die sich erst am hiesigen Markt behaupten und etablieren müssen. Marian Behaneck

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Building Information