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27.08.2021 | Ayham Kemand, Filip Beric

Drohne – Zukunft der Baustelle

Digitale Baustelle

Das enorme Potenzial der Drohnentechnologie liegt in der Bauwirtschaft noch weitgehend brach. Dabei eignen sich Drohnen optimal, um Baustellen zu digitalisieren.

Drohnen sind Flugroboter mit besonderen Eigenschaften. Auf den ersten Blick mag die Bedienfähigkeit Bedenken hervorrufen. Doch durch softwaregesteuerte Flugpläne, gekoppelt mit großer Wendigkeit, geringem Gewicht und einer verbauten Aufprall-Sensorik, wird eine hohe Benutzerfreundlichkeit erreicht. Daher sind die Einsatzbereiche vielfältig und zeigen ein hohes Potenzial für innovative Anwendungsmöglichkeiten im Bauwesen.

Zu den gängigen Einsatzbereichen gehören Inspektionen von Windkraftanlagen sowie gebäudetypische Begutachtungen (Dachhaut, Solaranlagen, TGA-Installationen). Dadurch werden Aufträge, die bisher mit viel Aufwand verbunden waren, mit geringeren Kosten schneller abgearbeitet und bieten für die Nachbereitung eine bessere und genauere Datenanalyse von Schadensverläufen.

Ein weiterer Anwendungsfall ist die Areal-Vermessung. Sie gehört mittlerweile zum Standard der Drohnentechnologie. Durch die Erfassung von Punktwolken können Punktraster und Orthophotos abgeleitet werden, die für eine Volumenmessung essenziell sind. Mit regelmäßiger 3D-Datenerfassung sind Abtrags- und Auftragsvolumen von Erdmassen über Drohnenflüge dokumentierbar.

Bild: Institut Baubetrieb und Baumanagement, Uni Duisburg-Essen


Drohnenanwendung in Planung, Bau und Betrieb

Wie sieht der Einsatz in Bezug auf den Bauphasenzyklus aus? In der Planungsphase eines Bauprojekts unterstützen Drohnendaten die Erfassung des Terrains besonderer Örtlichkeiten, beispielsweise für die Erstellung von Plänen für die Baustelleneinrichtung. In Verbindung mit der BIM-Planung kann ein Geländemodell in das BIM-Modell integriert werden und genaue Informationen über die Standortbedingungen vermitteln. Dadurch wird eine Grundlage geschaffen, um eine Überprüfung der verfügbaren Soll-GIS-Daten mit den tatsächlichen Ist-Daten zu ermöglichen.

Interessanter wird der Einsatz in der Bauphase. Die Erfassung von Echtzeitdaten unterstützt die Kollaboration aller Baubeteiligten und ermöglicht zum Beispiel die Überwachung des Baufortschritts. Dazu sind die Daten jedoch kontinuierlich während des gesamten Projektes zu erfassen und auszuwerten. Drohnendaten können aber nicht nur eine Basis für die Baufortschrittskontrolle schaffen, sondern auch die Beweissicherung durch eine nahezu lückenlosen Baudokumentation unterstützen. Das veranlasst Bauherren und Auftragnehmer, auf eine transparente Kommunikation zu setzen und gänzlich den Prozess des Anti-Claim-Managements zu fördern.

Zu weiteren Einsatzmöglichkeiten während der Bauphase gibt es durch einige Forschungsprojekte neue Erkenntnisse. Dazu zählt zum Bespiel das vom DFG-Förderprogramm geförderte Projekt „ProgressTrack“ an der TU München. Mithilfe des Reality Capture werden detaillierte Fotos, Videos und Laserscans analysiert. Dies trägt dazu bei, das BIM-Modell um weitere Eigenschaften und Dimensionen wie Zeit, Kosten und Mengen zu erweitern.

Im Bereich des Facility Managements bzw. der Betriebsphase kann eine dauerhafte Zustandserfassung von Bestandsgebäuden zu einer verbesserten Datenaufnahme für die Instandhaltung und Instandsetzung führen. Hierbei können die Drohnendaten idealerweise in Verbindung mit einem bereits vorhandenen BIM-Modell die entstandenen Schäden und aufgetretenen Änderungen mit einfachen Foto- und Videodaten erfassen.

Zudem ermöglicht der Einsatz verschiedener Sensoriken (z. B. Thermalkameras) die Aufnahme eines Thermographie-Modells. Dabei können bauphysikalische Erkenntnisse herangezogen und die Energieeffizienz eines Gebäudes abgeleitet werden. In diesem Zusammenhang führt eine automatisierte Dauerüberwachung in regelmäßigen Zeitabständen zu einer Effizienzsteigerung im FM und bewirkt eine Kostenminderung während des Gebäudebetriebs.

Die genannten Möglichkeiten der Drohnenanwendung zeigen, dass ein effizienter Einsatz der Drohne bereits heute umsetzbar ist. Um herauszufinden, wie weit die Drohnenanwendung in der Baupraxis fortgeschritten ist und in welcher Form sie stattfindet, wurde eine wissenschaftliche Studie vom Institut für Baubetrieb und Baumanagement der Universität Duisburg Essen durchgeführt. Neben der Drohnenanwendung erfolgte eine tiefergehende Untersuchung der Themenbereiche Baudokumentation und Bauprojektcontrolling. Teilnehmer der Studie waren Berufsgruppen, die direkt am Bau beteiligt sind. Der größte Anteil waren Bauleiter, gefolgt von Bauüberwachern.

Die Befragten gaben an, welche Daten für den jeweiligen Prozess aufgenommen werden. Die Fotodokumentation wird beispielsweise von 90 Prozent der Befragten durchgeführt. Außerdem wurden der Nutzen und der Zeitaufwand untersucht. Durch die genaue Erörterung der Ist-Situation auf den Baustellen konnte ein Konzept erstellt werden, wie die genannten Prozesse von einer Drohne automatisiert durchgeführt werden können.

Nutzungsstruktur der Drohne auf Baustellen

Die Drohne wird zurzeit von 30 Prozent der Befragten genutzt. Diejenigen, die bereits mit der Drohne arbeiten, nutzen sie entweder während der Initiierung und Planung für Bildaufnahmen und Vermessungsarbeiten oder während der Ausführung. Bei der Ausführung wird die Drohne hauptsächlich für die Baudokumentation und Inspektion genutzt. Dabei liegt der Hauptnutzen besonders in der Fotoaufnahme. Unzugängliche Stellen können präzise angeflogen und dadurch hochwertige Aufnahmen erfasst werden. Zwar lassen sich dadurch Zeit- und Kostenersparnisse erzielen, jedoch werden die aufgenommenen Daten händisch übertragen und ausgewertet.

Aktuelle Nutzungsstruktur der Drohne auf Baustellen, Bild: Institut Baubetrieb und Baumanagement, Uni Duisburg-Essen


Trotz der Möglichkeiten, die Drohne auf standardisierten Flugrouten automatisiert fliegen zu lassen, wird die Drohne von den Befragten noch manuell gesteuert. Auch hier zeigt sich der Wille, technologische Lösungen anwenden zu wollen, jedoch fehlt bisher das nötige Know-how, um das gesamte Potenzial ausschöpfen zu können. Die Erstellung von 3D-Modellen, die bei der Anwendung der BIM-Methode von großem Nutzen wäre, wird nur von 10 Prozent der Befragten durchgeführt.

Die am Anfang beschriebenen Einsatzmöglichkeiten während der Bauphase werden bis jetzt nur rudimentär angewendet. Neben Fotoaufnahmen liefert die Drohne aber ein weitaus größeres Anwendungsspektrum. Dennoch ist der wachsende Anteil der Drohnennutzer ein Indikator für die Machbarkeit eines effizienten Drohneneinsatzes. Daher ist es von hoher Bedeutung, die Drohnentechnologie so weiterzuentwickeln, dass sie eine flächendeckende Anwendung findet.

Arbeitsbelastung durch Digitalisierungsstau

Neben dem Drohneneinsatz wurden aktuelle Arbeitsabläufe erfragt. Dabei sollten die Befragten ihren Arbeitsalltag beschreiben. Besonders hervorzuheben ist ihre hohe Arbeitsbelastung. Durchschnittlich werden 7,23 Überstunden pro Woche geleistet. Einige Befragte gaben eine durchschnittliche Wochenarbeitszeit von 60 Stunden an. Durch diese Statistik wird die alarmierende Überbelastung von Baustellenführungskräften deutlich. Diese Zahlen belegen, dass durch Automatisierung von Arbeitsprozessen ein hohes zeitliches Einsparpotenzial besteht.

Für die Baudokumentation und das Bauprojektcontrolling werden diverse Daten aufgenommen. Hervorzuheben sind die Fotodokumentation und das Bautagebuch. Darin verschriftlichen Ausführende alle durchgeführten Arbeiten sowie die Stundenanzahl der Arbeiter und Maschinen. Interessant ist die Erkenntnis, dass die Datenaufnahme auch heute noch teilweise händisch auf Papier verschriftlicht wird. Ein Großteil der Befragten überträgt die aufgeschriebenen Daten anschließend auf einen digitalen Datenträger. Dies führt dazu, dass ein Arbeitsschritt doppelt ausgeführt wird.

Des Weiteren geht aus der Befragung hervor, dass Bauleitende in der Regel 30 Prozent ihrer Arbeitszeit für die Baudokumentation und das Bauprojektcontrolling aufwenden. Wird zum Beispiel die Drohne für diese Prozesse eingesetzt, so ist mit einer hohen Zeitersparnis zu rechnen. Bauleitende können die gewonnene Zeit für andere Aufgaben nutzen.

Der letzte Themenblock der Befragung waren Digitalisierungsthemen wie BIM und KI. Während 50 Prozent der Befragten die BIM-Methode einsetzten, ist die Anwendung von KI noch nicht in den Unternehmen angekommen. Die BIM-Methode versteht sich als Arbeitsmethode, die ein Projekt über den gesamten Projektzyklus begleitet. Diejenigen, die angaben, die BIM-Methode anzuwenden, nutzen diese meist in der Planungsphase und nur in einigen Fällen während der Ausführungsphase. Somit wird ersichtlich, dass das Potenzial der BIM-Methode noch nicht vollends ausgeschöpft wird.

Umgebungserkennung und autonome Datenerfassung durch Drohnen

Basierend auf den Ergebnissen der Befragung zeigt sich deutlich, dass die Drohne in der momentanen Lage als zweitrangiges Tool für die Datenerfassung dienen kann. Dies ist folglich auf die technischen und rechtlichen Aspekte, die mit der Drohnenanwendung einhergehen, zurückzuführen. Zudem erschweren datenschutzrechtliche Bedingungen den potenziellen Einsatz der automatisierten Datenerfassung.

Trotzdem bietet die Drohnentechnologie ein enormes Potenzial für die Aufnahme und Verarbeitung der Echtzeitdaten mit künstlicher Intelligenz. Unabhängig davon, ob der momentane Stand der Digitalisierung auf den Baustellen erlaubt, den Baufortschritt ausschließlich mit einem BIM-Modell zu messen, liefert die schwebende Sensorik den Bauleitenden bereits vielfältige Daten. Entscheidend ist dabei die richtige Zuordnung der gewonnen Daten zum Empfänger.

Mit dem erweiterten Ansatz der Drohne zur Schaffung einer verbesserten Methode und der automatisierten Baufortschrittserfassung und Baudokumentation können mit verschiedenen Applikationen objektive Daten erfasst werden. Der Ist-Zustand wird spezifisch durch die Fotogrammetrie und den Laserscan mittels Punktwolken erstellt, welche die Oberfläche des Bauzustands widerspiegeln. Dabei generiert die Drohne durch einen getakteten Flugzeitenplan Echtzeitdaten der Baustelle und liefert durch entsprechende Kenntnis mehr Transparenz auf der Baustelle. Somit kann sie bei regelmäßigen Flügen von Beginn bis zum Ende des Bauprojekts alle Beteiligten unterstützen.

Erst durch die Einbindung von KI (Deep Learning) können Drohnen gewissermaßen sehen und denken. Mit zunehmender Forschung im Bereich KI und Drohnen wird die interessante und kollaborative Nutzung des neuronalen Netzes für die Überwachung des gesamten Bauprozesses ermöglicht. Das trainierte Netzwerk kann u. a. die Anzahl der menschlichen Arbeitskräfte, Maschinen und Materialien, die für den geplanten Arbeitstag in der Bauphase des Projekts eingesetzt werden, beziffern. Dies verringert das Risiko logistischer Fehlinformationen und schafft Vertrauen zwischen den Verkäufern, Lieferanten und Baufirmen. Eine weitere wichtige Anwendung ist die Automatisierung des Bauzeitenplans, bei der das geschulte Netzwerk die fertiggestellten Bauobjekte auf den Baustellen (Häuser, Dach usw.) ermittelt und mit dem ursprünglichen Soll-Terminplan vergleicht.

© AndSus/stock.adobe.com
Autoren

Ayham Kemand, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Duisburg-Essen für das Institut Baubetrieb und Baumanagement. Er beschäftigt sich im Rahmen seiner Dissertation mit dem Einfluss der Drohnentechnologie im Bauwesen, insbesondere mit den Themenfeldern Robotik, BIM und der künstlichen Intelligenz aus baubetrieblicher Sicht. (Bild: privat) uni-due.de/baubetrieb


Filip Beric, M. Sc., studierte an der Universität Duisburg-Essen Bauingenieurwesen mit Schwerpunkt Baubetrieb und Wirtschaftswissenschaften. Im Rahmen seiner Tätigkeit als wissenschaftliche Hilfskraft am Institut für Baubetrieb und Baumanagement führte er die Studie zur Erfassung des aktuellen Drohneneinsatzes durch. Nach seinem Studium trat er eine Stelle als Bauleiter bei der Wilma Bau und Entwicklungsgesellschaft mbH an. (Bild: privat) wilma.de

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