Digitalisierung

Maschinen digital gesteuert

Seit langem halten auf den Baustellen Maschinensteuerungen Einzug. Die Verbreitung von 2D- und 3D-Systemen stieg besonders im letzten Jahrzehnt deutlich an. Wo lohnt sich der Einsatz für Bauunternehmen?

Grader © MOBA Mobile Automation

Wie wirkt sich die Digitalisierung der Baustellen auf die Baumaschine aus? Ein Rückblick sowie ein Ausblick auf Assistenz- und Automationssysteme für Baumaschinen.

Mit den 1990ern begann im Erdbau der Einzug von ersten Assistenzsystemen zunächst auf Gradern und bald schon auf Kettenraupen sowie Baggern. Da Asphaltfertiger mit Abstand das teuerste Material auf der Baustelle verarbeiten, wurden ersten Abtastungen zur Nivellierung bereits Ende der 1960 beziehungsweise 1970er eingesetzt. In den Anfängen waren das noch einfache Anzeigen der Werkzeughöhe (Schar, Bohle oder Schild), basierend auf mechanischer oder Ultraschall-Abtastung einer Referenzhöhe. Alternativ wurden Horizontallaser als Höhenreferenz aufgestellt und ein Laserempfänger an der Maschine angebracht. Diese 2D-Systeme sind im Laufe der Jahre deutlich verbessert worden. Aufgrund der geringeren Kosten wird für viele „einfachere“ Bauvorhaben wie Planumsarbeiten, Baugruben oder beim Grabenaushub auch im neuen Jahrzehnt in 2D-Systeme investiert werden.

Einschränkung der 2D-Systeme ist die fehlendende Lageinformation. Mittels der Höhenreferenz können 2D-Steuerungen eine Anzeige oder automatische Werkzeugsteuerung für die Höhe und Neigung verlässlich und genau bieten. Da die Maschine aber nicht „weiß“, wo sie steht, funktioniert es nur mit wiederkehrenden Abfragen der Höhenreferenz durch Laserempfänger oder Abtastung.

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Pausen aufgrund mangelndem Kontakt zu einem Satelliten gehören längst der Vergangenheit an. © MOBA Mobile Automation

Digitales Geländemodell
Bereits in den 1990ern wurde daran gearbeitet, diese Einschränkung zu überwinden, damit der Bauunternehmer auch bei komplexeren Arbeiten fast vollständig auf seine physischen Absteckungen und Markierungen verzichten kann. Das erste einsatzfähige System entstand in Deutschland unter dem Namen „Wirth-System“. Das Bausoll wurde damals bereits in Form eines digitalen Geländemodells in die ersten 3D-Systeme eingespielt. Damit war es möglich, das Arbeitswerkzeug einer Baumaschine aufgrund einer digitalen Information mittels eines Bordcomputers zu automatisieren.

Ende der 1990er wurden mit diesem digitalen Konzept den ersten satellitengestützten 3D-Bagger zum Einsatz gebracht. Da die Genauigkeitsanforderungen an Baggerarbeiten geringer sind, funktionierten diese frühen Baggersteuerungen schon sehr gut, auch wenn damals ungünstige Satellitenkonstellationen noch zu Arbeitspausen führten. Arbeitspausen aufgrund von Satellitenkonstellationen gibt es heute nicht mehr. Mit insgesamt vier verfügbaren Satellitensystemen – GPS, Glonass, Galileo, und Beidou/Compass – empfängt man jederzeit eine ausreichende Anzahl an Positionierungssignalen. Mit der aktuellen Software-Generation besteht in der realen Genauigkeit kein relevanter Unterschied zwischen einem 3D-System mit einer Positionierung per Totalstation oder per Satellit.

Der Nutzen eines 3D-Systems für den Bauunternehmer gleicht grundsätzlich dem eines 2D-Systems. Er reduziert seine Kosten für die beauftragte Baustelle deutlich durch eine fast vollständige Einsparung von statischen Absteckungen und Markierungen. Lediglich einige wenige Festpunkte sind, in Abhängigkeit von der Baustellengröße, noch erforderlich.

In den 2000er Jahren wurde zusätzlich zur stetigen Weiterentwicklung der Systeme bereits der Grundstein für den nächsten Entwicklungsschritt gelegt. Als Anwender von insbesondere 3D-Baggersteuerungen hat das finnische Bauunternehmen Destia 2007 einige Partner mit einer Idee kontaktiert. Mit den präzise positionierten Maschinen müssten die Daten für die Baustellenüberwachung, -dokumentation und -abrechnung lieferbar sein, ohne nach jedem Ab- beziehungsweise Auftrag einen Vermesser über Fläche schicken zu müssen. Zusammen mit der Universität von Oulu und der finnischen Gesellschaft der MOBA Mobilen Automation hat Destia zunächst in Forschungsprojekten, später in Piloten und schlussendlich mit einsetzbaren Systemlösungen die Idee realisiert. Es wurden Erweiterungen an der MOBA Xsite Maschinensteuerung vorgenommen als auch eine Cloud-basierte Plattform zur Überwachung des Baufortschritts, zur Dokumentation und Datenverteilung geschaffen. Für die neue Dekade stehen damit vier Arbeitsweisen auf der Baustelle zur Verfügung, die sich im Zeit- sowie Kostenaufwand für die Umsetzung des Bausolls und im Grad der Digitalisierung unterscheiden.

1. Konventionell
Die Planung wird lagenweise mittels Absteckungen und Markierungen komplett in die Örtlichkeit übertragen. Die Höhenkontrolle erfolgt durch den Fahrer und einen Facharbeiter. Die „wie-gebaut“ Erfassung erfolgt mit Vermessungsgeräten. Eine Reduzierung der Absteckung- und Markierungsarbeiten sowie ein Entfallen der Höhenkontrollen ist durch Einsatz von 2D-Systemen möglich.

2. 3D-Maschinen
Für bestimmte Arbeiten – zum Beispiel Böschungen oder Profilierungen – werden 3D-Baumaschinen eingesetzt. Damit reduzieren sich viele Absteckungen, Markierungen und Höhenkontrollen.

3. 3D-Baustelle
Die gesamte Planung wird in digitale Geländemodelle übertragen. Auf der Baustelle werden nur Festpunkte gesetzt, das Bausoll wird digital auf die Örtlichkeit übertragen. Die Aufnahme der Leistung erfolgt mit Messungen durch die Baumaschine oder den Vermesser.

4. Modellbasiert
Planung, Übertragung auf die Örtlichkeit, „wiegebaut“-Aufnahme, Abrechnung und Dokumentation einschließlich der täglichen Baufortschrittsüberwachung erfolgen digital auf Basis von Modellen. Auf der Baustelle werden nur Festpunkte gesetzt. Datenübertragung und -austausch erfolgen via Internet – auch von und zur Baumaschine oder mit Vermessungsgeräten. Vorarbeiter und Bauleiter sehen am Rechner oder Smartphone, wo es Abweichungen bei der Ausführung gibt.

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