Roboter bauen Mauern und legen Plättli

Die ETH konstruiert Maschinen, die auf Baustellen eingesetzt werden können. Ersetzen die Geräte bald die Arbeiter?

Präzisionsarbeit: Der Roboterarm saugt einen Ziegelstein an und legt ihn auf die Mauer. Fotos: Doris Fanconi

Präzisionsarbeit: Der Roboterarm saugt einen Ziegelstein an und legt ihn auf die Mauer. Fotos: Doris Fanconi

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Es ist eine leicht geschwungene Ziegelmauer. Ohne Mörtel. Die Steine liegen präzise aufeinander, zwischen den Fugen ist viel Luft. Bereits kommt der nächste Stein, der Maurer legt ihn sanft hin. Millimetergenau arbeitet er, aber langsam. Nach jedem Stein hält er inne, orientiert sich, verschiebt sich leicht und holt mit seinem Arm den nächsten Ziegel in der Reihe, die dank einem Förderband stets ergänzt wird.

Die Hand des Maurers hat eine Saugvorrichtung, seine Beine sind Raupen wie bei einem Minibagger. Der Bauroboter steht derzeit im Robotischen Fertigungslabor auf dem Hönggerberg, dem Science City Campus der ETH Zürich. Die Maschine selber hat auf den ersten Blick nichts Aufregendes. Ähnliche Roboterarme sind in der Industrie seit langem im Einsatz. Es ist der künftige Arbeitsort des Roboters, der überrascht: die Baustelle.

Optisch gleicht er einem Minibagger: Der Bauroboter der ETH.

Es ist eine leicht geschwungene Ziegelmauer. Ohne Mörtel. Die Steine liegen präzise aufeinander, zwischen den Fugen ist viel Luft. Bereits kommt der nächste Stein, der Maurer legt ihn sanft hin. Millimetergenau arbeitet er, aber langsam. Nach jedem Stein hält er inne, orientiert sich, verschiebt sich leicht und holt mit seinem Arm den nächsten Ziegel in der Reihe, die dank einem Förderband stets ergänzt wird.

Die Hand des Maurers hat eine Saugvorrichtung, seine Beine sind Raupen wie bei einem Minibagger. Der Bauroboter steht derzeit im Robotischen Fertigungslabor auf dem Hönggerberg, dem Science City Campus der ETH Zürich. Die Maschine selber hat auf den ersten Blick nichts Aufregendes. Ähnliche Roboterarme sind in der Industrie seit langem im Einsatz. Es ist der künftige Arbeitsort des Roboters, der überrascht: die Baustelle.

Soll die Maschine den Arbeiter ersetzen? Das war das Szenario mancher Science-Fiction-Autoren bereits Anfang des letzten Jahrhunderts. Der Begriff Ersatz gefällt Matthias Kohler nicht. Der Professor für Architektur und Digitale Fabrikation am Departement Architektur der ETH Zürich sieht den Roboter als Ergänzung: «Es wäre weder sinnvoll noch innovativ, einfach die Handarbeit des Menschen zu kopieren.» Die Maschine soll das machen, was sie besser machen kann – komplexe, mathematisch beschreibbare Strukturen hoher Präzision.

Chance für Architekten

Die Baustelle blieb bisher weitgehend von einer Digitalisierung verschont. «Der Bauprozess läuft immer noch äusserst konventionell ab», sagt Matthias Kohler. Obwohl Ingenieure und Architekten seit bald dreissig Jahren mit der CAD-Software (Computer-Aided Design) ein Instrument zur Hand haben, das die Designarbeit veränderte und vereinfachte, auf die Machart hatte das bisher keinen grossen Einfluss.

Das könnte sich in Zukunft ändern. «Die Digitalisierung bringt eine neue Baukultur, für den Architekten ist es ein Paradigmenwechsel», sagt Kohler. Für den Architekten der Zukunft steht nicht mehr nur der architektonische Entwurf im Vordergrund, sondern auch dessen Realisierung. Das heisst: Material- und Fabrikationslogik fliessen bereits beim Entwerfen ein. «Das vergrössert nicht nur den Gestaltungsspielraum grundlegend, sondern ermöglicht auch völlig neue Bauweisen», so Kohler.

Die Maschinen haben ein Stahldrahtgeflecht als Armierung konstruiert, in das später Beton eingegossen wird.

Das Zauberwort in der Architektur heisst digitale Fabrikation. Roboter machen bereits heute Formen und Strukturen möglich, die ohne Maschine undenkbar wären. Mit der Professur für Architektur und Digitale Fabrikation der ETH Zürich mischt das Team um Matthias Kohler und Fabio Gramazio seit 2005 weltweit ganz vorne mit. Auf Initiative der Gruppe konnte im letzten Jahr überdies ein Nationaler Forschungsschwerpunkt «Digitale Fabrikation» lanciert werden, womit das Thema nun unter den ehrgeizigsten Projekten des Schweizerischen Nationalfonds rangiert. Das Projekt soll als Katalysator für die digitale Fabrikation im Gebäudemassstab dienen.

Einen Schub für die Forschung erwarten die ETH-Wissenschaftler zudem mit dem Neubau Arch_Tec_Lab des Instituts für Technologie in der Architektur, dessen Forschungsinfrastruktur nächsten Herbst eröffnet wird. Im Neubau soll laut Information der ETH das weltweit erste Forschungslabor für «grossmassstäbliche, roboterbasierte Fabrikation in der Architektur und im Bauwesen» entstehen. Das ETH-Architektenteam entwickelte die Dachkonstruktion des ­Neubaus gleich selbst. Diese wurde zu einem Demonstrationsprojekt und zeigt die Vorteile der digitalen Fertigungstechniken. Das gut 2300 Quadratmeter grosse, frei geformte Holzdach besteht aus 168 einzelnen Fachwerkträgern, die durch Roboter der Schweizer Holzbaufirma Erne aus insgesamt 48'624 Holzelementen zusammengefügt wurden.

Fliegende Roboter im Einsatz

Eine Multi-Robotik-Anlage im Neubau erlaubt es, Konstruktionen zu testen, an denen vier Roboter in Kooperation arbeiten. Für Bauroboter kann die Umgebung einer Baustelle simuliert werden. Zum Zuge kommt nicht nur der Mauerbauer. Da die «Hand» des Roboters ausgetauscht werden kann, gibt es auch den Fliesenleger oder die Maschine, die ein Stahldrahtgeflecht konstruiert, in das flüssiger Beton eingegossen wird. Das Drahtgitter dient nach der Aushärtung als Armierung. «So können wir ohne Verschalung Betonmauern bauen und Material sparen», sagt ETH-Architekt Matthias Kohler. Selbst mit fliegenden Robotern experimentieren die Architekten zusammen mit dem ETH-Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik.

Fliegende Roboter bauen eine Seilbrücke. Video: ETH. (Quelle: Youtube/Aerial Construction)

Soll die Maschine den Arbeiter ersetzen? Das war das Szenario mancher Science-Fiction-Autoren bereits Anfang des letzten Jahrhunderts. Der Begriff Ersatz gefällt Matthias Kohler nicht. Der Professor für Architektur und Digitale Fabrikation am Departement Architektur der ETH Zürich sieht den Roboter als Ergänzung: «Es wäre weder sinnvoll noch innovativ, einfach die Handarbeit des Menschen zu kopieren.» Die Maschine soll das machen, was sie besser machen kann – komplexe, mathematisch beschreibbare Strukturen hoher Präzision.

Chance für Architekten

Die Baustelle blieb bisher weitgehend von einer Digitalisierung verschont. «Der Bauprozess läuft immer noch äusserst konventionell ab», sagt Matthias Kohler. Obwohl Ingenieure und Architekten seit bald dreissig Jahren mit der CAD-Software (Computer-Aided Design) ein Instrument zur Hand haben, das die Designarbeit veränderte und vereinfachte, auf die Machart hatte das bisher keinen grossen Einfluss.

Das könnte sich in Zukunft ändern. «Die Digitalisierung bringt eine neue Baukultur, für den Architekten ist es ein Paradigmenwechsel», sagt Kohler. Für den Architekten der Zukunft steht nicht mehr nur der architektonische Entwurf im Vordergrund, sondern auch dessen Realisierung. Das heisst: Material- und Fabrikationslogik fliessen bereits beim Entwerfen ein. «Das vergrössert nicht nur den Gestaltungsspielraum grundlegend, sondern ermöglicht auch völlig neue Bauweisen», so Kohler.

Die Maschinen haben ein Stahldrahtgeflecht als Armierung konstruiert, in das später Beton eingegossen wird.

Das Zauberwort in der Architektur heisst digitale Fabrikation. Roboter machen bereits heute Formen und Strukturen möglich, die ohne Maschine undenkbar wären. Mit der Professur für Architektur und Digitale Fabrikation der ETH Zürich mischt das Team um Matthias Kohler und Fabio Gramazio seit 2005 weltweit ganz vorne mit. Auf Initiative der Gruppe konnte im letzten Jahr überdies ein Nationaler Forschungsschwerpunkt «Digitale Fabrikation» lanciert werden, womit das Thema nun unter den ehrgeizigsten Projekten des Schweizerischen Nationalfonds rangiert. Das Projekt soll als Katalysator für die digitale Fabrikation im Gebäudemassstab dienen.

Einen Schub für die Forschung erwarten die ETH-Wissenschaftler zudem mit dem Neubau Arch_Tec_Lab des Instituts für Technologie in der Architektur, dessen Forschungsinfrastruktur nächsten Herbst eröffnet wird. Im Neubau soll laut Information der ETH das weltweit erste Forschungslabor für «grossmassstäbliche, roboterbasierte Fabrikation in der Architektur und im Bauwesen» entstehen. Das ETH-Architektenteam entwickelte die Dachkonstruktion des ­Neubaus gleich selbst. Diese wurde zu einem Demonstrationsprojekt und zeigt die Vorteile der digitalen Fertigungstechniken. Das gut 2300 Quadratmeter grosse, frei geformte Holzdach besteht aus 168 einzelnen Fachwerkträgern, die durch Roboter der Schweizer Holzbaufirma Erne aus insgesamt 48'624 Holzelementen zusammengefügt wurden.

Fliegende Roboter im Einsatz

Eine Multi-Robotik-Anlage im Neubau erlaubt es, Konstruktionen zu testen, an denen vier Roboter in Kooperation arbeiten. Für Bauroboter kann die Umgebung einer Baustelle simuliert werden. Zum Zuge kommt nicht nur der Mauerbauer. Da die «Hand» des Roboters ausgetauscht werden kann, gibt es auch den Fliesenleger oder die Maschine, die ein Stahldrahtgeflecht konstruiert, in das flüssiger Beton eingegossen wird. Das Drahtgitter dient nach der Aushärtung als Armierung. «So können wir ohne Verschalung Betonmauern bauen und Material sparen», sagt ETH-Architekt Matthias Kohler. Selbst mit fliegenden Robotern experimentieren die Architekten zusammen mit dem ETH-Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik.

Morgen kommen diese Innovationen allerdings noch nicht auf den Markt. «Das sind alles Prototypen, wir reden von einem Zeithorizont von zehn bis fünfzehn Jahren», sagt der ETH-Architekt. Die grosse Herausforderung ist denn auch nicht die Hardware, die grundsätzlich auf Industrierobotern aufbaut. «Es ist die Software, welche die Millionen Daten von Sensoren, Kameras und Lasern schnell verarbeiten und dem Roboter ein Feedback geben muss», sagt Jonas Buchli, Leiter des ETH-Labors für Agile Robotik und ebenfalls am Nationalfondsprojekt beteiligt.

So muss zum Beispiel der Roboter auf der Baustelle ständig auf Veränderungen etwa des Untergrunds reagieren. Dafür tastet er regelmässig mithilfe eines Laserscanners die Umgebung ab. Mit den Daten baut der Computer eine virtuelle Umwelt auf. Allerdings braucht das System dafür derzeit 30 bis 60 Sekunden. Das ist noch zu langsam, um auf einer Baustelle effizient zu arbeiten.

Der Kostendruck steigt

Entscheidend aber wird sein, wie diese Technologie in der Architekur und Bauwirtschaft umgesetzt wird. Einen ersten Schritt machten die ETH-Forscher. Sie entwickelten eine Software, die es ermöglicht, gängige CAD-Programme mit robotischer Fertigung zu kombinieren.

Der Kostendruck jedenfalls wird in Zukunft in der Bauwirtschaft weiter steigen, und die Suche nach qualifizierten Fachleuten wird schwieriger werden. Möglicherweise wird in weiter Zukunft der Bauarbeiter auf manchen Baustellen zum Qualitätskontrolleur des Roboters.

Erstellt: 19.10.2015, 00:00 Uhr

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