Digital auf der Baustelle
Mit Assistenzsystemen Bauprozesse erfolgreich optimieren

Waldemar Zeitler, Bernd Oeltjenbruns, Hendrik Rump, Timo Teschke, Michael Lütjen und Michael Freitag

Baustellen zeichnen sich durch einen sehr hohen Anteil analoger Bauprozesse aus. Doch auch hier wächst der Druck zu Digitalisieren. Schaut man sich die Elektroinstallation an, so ist die direkte Verknüpfung mit einem BIM-Modell trotz digitaler Entfernungsmesser noch weit weg. So wird beispielsweise der Verlauf von Stromleitungen immer noch vor Ort vom Installateur bestimmt, der die Stromleitungspläne entsprechend händisch an den Wänden zeichnet, um die Schächte im Anschluss aufstemmen zu können. Da erst einmal das Aufmaß genommen werden muss, ist der Prozess sehr zeit- und kostenintensiv. Zudem findet in der Regel nur eine sehr sporadische Dokumentation der tatsächlichen Leitungsverläufe statt, was dann sowohl für weitergehende Installationsarbeiten als auch im Bestand zu großen Problemen führen kann. Wie kann die Digitalisierung hier nun die händischen Schritte ersetzen?

Auf Baustellen sollen mehr und mehr Tätigkeiten digitalisiert werden. Sie sollen informationstechnisch vereinfacht werden und schneller zu erledigen sein. Außerdem ist das Ziel, die einzelnen Arbeiten besser zu vernetzen sowie zu dokumentieren [1]. Unter dem Stichwort „Assistenzsysteme“ subsumieren sich alle Arten von Systemen, die den Nutzer bei seinen Handlungen durch Informationen und falls notwendig Handlungsanleitungen in komplexen Prozesssituationen unterstützen, ohne ihn ersetzen zu wollen. Mit Schwerpunkt der Visualisierung finden sich mit der erweiterten Realität (engl.
Augmented Reality), der sogenannten AR-Technologie, Beispiele für eine Unterstützung direkt am Menschen. Das geschieht mittels mobilen Endgeräten (Brillen, Smartphones etc.), aber auch mit verschiedene AR-Lösungen, die auf eine Videoprojektion mittels Projektor in den realen Raum bzw. auf eine Fläche setzen [2, 3]. Beispielsweise werden im Forschungsprojekt „KlimAR“ AR-Brillen eingesetzt, um den Nutzer bei der Instandhaltung von Heiz- und Lüftungssystemen zu unterstützen. Hierzu findet eine Selbstlokalisierung der AR-Brille im Raum statt, um dann Informationen aus dem CAD-Raummodell maßstabsgetreu auf Wände und Decken zu projizieren [4]. Bei dem Forschungsprojekt „AxIoM“ wird der Nutzer bei der Montage von Kleinteilen durch eine Videoprojektion eines stationär aufgebauten Projektors unterstützt, die das teilweise unangenehme Tragen von AR-Brillen hinfällig macht [5].  Im Rahmen dieses Beitrags werden Inhalte des AR-Assistenzsystems „WireWizard“ vorgestellt, welches über eine dynamische Videoprojektion verfügt, die maßstabs- und ortsgerecht Informationen für die Elektroinstallation direkt auf Wandflächen projiziert. 


Nutzungskonzept und Systemaufbau

Das Assistenzsystem „WireWizard“ unterstützt den Installateur beim Aufmaßnehmen, dem Anzeichnen der Leitungsbahnen, der Dokumentation der getätigten Arbeitsschritte sowie mit einem Soll-/Ist-Abgleich zwischen Realität und BIM-Modell (BIM: Building Information Modeling). Wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung des „WireWizard“-Systems ist die notwendige Anzeigegenauigkeit von unter einem Zentimeter auf der Wandfläche mit einem Arbeitsabstand des Projektors von zwei bis fünf Metern zu erreichen. Entsprechend müssen die drei Teilsysteme Selbstlokalisierung, Laser-Verfahreinheit und Laserprojektion hinsichtlich ihrer Genauigkeiten bestmöglich aufeinander abgestimmt werden.


Bild 1: Konzeptgrafik zum „WireWizard“ mit dem Laser
für die Laserprojektion, der Tiefenbild-Kamera zur Aufnahme
der Umgebung und einem Empfänger zur Steuerung des Systems

Die Selbstlokalisierung des „WireWizard“-Systems im Raum wird durch eine Kombination von extrem genauem Entfernungsmesser und LiDAR-Kamera (Light Detection And Ranging) realisiert, die auf einem mechanischen Stativ mit Verfahreinheit montiert sind. Die Laserprojektion erfolgt mittels eines einfarbigen Laserprojektors mit der Laser-Schutzklasse 2M, was ein direktes Arbeiten ohne Schutzbrille erlaubt. Durch die Verwendung der LiDAR-Kamera kann zusätzlich das zu bearbeitende Bauelement anhand von Bildern erkannt und ein vollständiges 3D-Modell des Arbeitsraumes erstellt werden, was insbesondere bei der Arbeitsdokumentation und dem Soll-/Ist-Abgleich Anwendung findet. Die Steuerung des Gesamtsystems wird drahtlos über Tablet oder Smartphone erfolgen [6]. Der konzeptionelle Aufbau zum Gesamtsystem ist in Bild 1 dargestellt.

Hinsichtlich der Arbeitsdokumentation unterstützt das „WireWizard“-System den Installateur durch das Festhalten der Zustände vor und nach der Tätigkeit. Dies wird durch die Kamerabilder und das 3D-Modell des Raumes bewerkstelligt. Somit ist immer ein Vergleich mit dem Zustand vor und nach dem Arbeitsschritt möglich. Hierbei ist auch ein Abgleich der Daten möglich, wobei anhand der Zustände die Änderungen farblich gekennzeichnet werden und so eine direkte Rückmeldung zum getätigten Prozess angezeigt werden kann. Abweichungen zwischen der tatsächlichen Umsetzung und den Plänen können so minimiert und durch eine zusätzliche Versionierung auch zukünftig einfach nachvollzogen werden. Die Daten werden dazu in einer dafür bereitgestellten Cloud aufbereitet und in passenden Formaten bereitgestellt. Mit der digitalen Ablage des digitalisierten Raumes und der Kabelverlegungen ergeben sich die verschiedensten Vorteile. Pläne müssen nun nicht wie zuvor auf Papier gedruckt und mitgeführt, sondern können auf einem Endgerät jederzeit angezeigt werden. Außerdem ermöglicht dieses Vorgehen eine beständige Sicherung aller relevanten Informationen sowie eine Gewährleistung der Aktualität und Vollständigkeit. Zusätzlich wird eine umfangreiche Benutzeroberfläche bereitgestellt, welche allen beteiligten Personen eine intuitive, leicht verständliche Interaktion mit dem System ermöglicht. Über eine Weboberfläche melden Unternehmen Mitarbeiter für das System und die unternehmensinterne Dateiablage an. Einzelne Mitarbeiter können nun für jedes Bauprojekt einen Unterbereich einrichten 

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