Kreativ werden mit Bautechnologie: So entwickeln Sie Prototypen

Im Bau neue Technologien einzusetzen, muss nicht riskant sein. VDC-Stratege Renzo di Furia zeigt uns, wie man neue Tools einführt und Prozesse für sie entwickelt, indem man zuerst Prototypen für kleine Projekte erstellt. Ihn haben dabei Studierende der University of Washington unterstützt.

Gemeinsam mit Studierenden der University of Washington untersuchte Renzo, wie das Opernhaus von Sydney heute mit modernen Technologien gebaut werden könnte. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend auf Prozesse für neue Projekte angewendet.

Architekt:innen sind bekannt für ihre hochgesteckten Ziele. Mit ihren Designs möchten sie gesellschaftliche Veränderungen und eine umweltfreundlicher Zukunft herbeiführen – doch umsetzen muss diese Ideen das Bauunternehmen. Der optimale Weg vom Konzept bis hin zum Betongießen ist eine kreative Herausforderung für sich. Wenn das Architekturbüro beim Entwurf Neuland betritt, muss auch das Bauunternehmen an die Grenze des Machbaren gehen. Hier wird dann gefragt: Ist der Entwurf tragfähig? Wie koordinieren wir effizient Teams verschiedener Disziplinen? Wie können wir Beton am besten in komplexe, organische Formen gießen? Die Bereitschaft, neue Technologien auszuprobieren, ist im Bauwesen durchaus vorhanden, doch oft mangelt es an Zeit und Geld – und die Geschäftsleitung möchte nicht, dass mit Experimenten Ressourcen verschwendet wurden. Dafür sind die Margen meist zu klein.  

Und doch ist es auch in engen Terminkorsetts und mit knappen Budgets möglich, Raum zum Ausprobieren zu finden. Renzo di Furia, Eigentümer von RDF Consulting Services und Berater für Turner Construction, hat sein gesamtes Geschäftsmodell um neuartiges Denken aufgebaut. Er stellte fest: Mithilfe von Studierenden, 3D-Technik für alle Projektphasen und Technologie-Ökosystemen für die Kommunikation können innovative Bauprozesse entwickelt werden.

Prototyp entwickeln, dann immer und immer wieder iterieren. 

Wer im Bauwesen tätig ist, muss ständig neue Technologien erlernen, um Zeit zu sparen und nachhaltig zu bauen. Doch oft ist es so mühsam, eine neue Richtung einzuschlagen, dass man doch bei den alten Prozessen bleibt. An dieser Stelle kommt die angewandte Forschung ins Spiel. Derartige Lösungen sind eine langfristige Investition, die sich nicht nur für ein Projekt auszahlen, sondern auch für künftige Projekte genutzt und für kleine wie für große Gebäude skalieren werden können. In Zusammenarbeit mit Studierenden der University of Washington fand Renzo eine Methode zum Experimentieren mit kosteneffektiver Bautechnologie, bei der die Studierenden wertvolle Berufserfahrung sammeln können. Er weiß genau: Wenn seine Teams nicht kontinuierlich an Innovationen arbeiten, werden es andere tun, und darunter würde sein Unternehmen leiden. 

„Was die NASA entwickelt hat, um ins Weltall zu gelangen, hat ein innovatives Umfeld geschaffen, aus dem eine ganz neue Technologiegeneration hervorgegangen ist. Eine ähnliche Revolution brauchen wir im Bauwesen. Dabei geht es aber nicht nur darum, in neueste Technik zu investieren. Stattdessen muss die Technologie an die tatsächlichen Probleme angepasst und mit Prototyping ein wiederholbarer Prozess entwickelt werden. Außerdem brauchen wir grundsätzlich ein System, in dem es normal ist, Neues einzuführen und zu erlernen.

Renzo di Furia

Studierende und Fachkräfte aus dem Bauwesen mit einem Modell der Oper von Sydney, das bei ihrem Forschungsprojekt entstand 

Forschung und Praxis vereint.

Warum Studierende?

Studierende sind die perfekte Gruppe zum Testen neuer Bautechnologien, denn da die meisten mit Smartphones und Computern aufgewachsen sind, fällt es ihnen leicht, sich in neue Technik einzuarbeiten. Die weltweite Klimakrise wird ihre Generation am meisten treffen, deshalb sind sie hochmotiviert, neue Lösungen zur Müllvermeidung und zum Gestalten einer nachhaltigeren Zukunft zu finden. Da Studierende außerdem nicht mit veralteten Prozessen vorbelastet sind, wird man von ihnen kein „Das haben wir aber schon immer so gemacht!“ hören. Sie sind eher geneigt, sich auf innovative Lösungen einzulassen.

„Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der Forschung und Praxis Hand in Hand unsere gebaute Umwelt gestalten.“

Applied Research Consortium (ARC) der University of Washington 
 

Katalysator für Veränderungen

Professorin Carrie Dossick, Associate Dean of Research an der University of Washington, weiß, wie viel ungenutztes Potenzial in Studierenden steckt. Sie gründete das Applied Research Consortium (ARC), das sowohl die Studierenden beim Berufseinstieg unterstützt als auch Bauunternehmen zugutekommt. Als Renzo von diesem Programm hörte, trat er sofort bei – als Branchenvertreter und als Mitwirkender. 

„Das ARC bringt eine interdisziplinäre Gruppe von Firmen aus dem Bauwesen mit Expert:innen und forschenden Absolvent:innen aus dem College of Built Environments (CBE) der University of Washington zusammen. Gemeinsam befassen sie sich mit den größten Herausforderungen, vor denen Bauunternehmen heute stehen. Die nächste Generation aus Praxis und Wissenschaft setzt ihre Kreativität und ihre Kenntnisse über die neuesten Verfahren ein, um den Fortschritt zu beschleunigen und den Boden zu bereiten für ein Bauen auf dem neuesten Stand der Technik.“

Applied Research Consortium (ARC) der University of Washington
 

Studierende, Turner Construction und das Opernhaus von Sydney

Die Theorie, dass aus der Zusammenarbeit zwischen Studierenden und Unternehmen innovative Prozesse entstehen, wurde 2018 auf die Probe gestellt. Turner Construction hatte gerade eine neue CNC-Maschine angeschafft und brauchte ein Team zum Testen verschiedener Baumethoden, bevor sie für einen großen, risikoreichen Auftrag eingesetzt werden konnte.

Damals arbeitete Renzo in der VDC-Abteilung (Virtual Design and Construction) von Turner. In Zusammenarbeit mit den Studierenden entwickelte er einen besseren Prozess für die Vorfertigung von Schalungen mit der CNC-Maschine. Das Team beschloss, das berühmte Opernhaus von Sydney in Australien mit modernen Baumethoden nachzubauen.

Das von 1959 bis 1973 errichtete Kulturzentrum ist weltweit für seine ikonischen, mit weißen Keramikfliesen verkleideten Segel bekannt. Die Fertigteilrippen und die Dachpaneele wurden alle in einer damals sehr modernen Betonfabrik vor Ort hergestellt. Was viele nicht wissen: Im Projekt gab es von Anfang an ein Problem nach dem anderen.  Das Podium, auf dem die Dachschalen sitzen, wurde viele Jahre vor Fertigstellung der Tragwerksplanung gebaut, weshalb die meisten Dachstützen bis hinunter zum Festgestein verstärkt werden mussten und sich der Bau erheblich verzögerte.

„Es gab keine Anleitung dafür, was wir mit unserer CNC-Maschine herstellen wollten. Wir mussten vieles ausprobieren und aus Fehlern lernen. Die ganze Sache war sehr komplex. Am meisten haben wir gelernt, indem wir die Maschine auseinandergenommen und wieder zusammengesetzt haben.“

Renzo di Furia

Rippenelemente der Dachschale, vom 3D-Modell zur fertigen Rippe im Maßstab 1:4. Abgebildet sind Dachschale und Rippensegment, Bewehrungsmodellierung, Schalung, Zusammenbau, Ausschalung und die fertige Rippe (zum Blättern auf die Pfeile klicken)

Renzo und die Studierenden schauten sich zuerst den Bauprozess an und überlegten, wie er sich mit der CNC-Maschine nachempfinden ließe. Sie übertrugen die 2D-Bauzeichnungen des Opernhauses in 3D-Modelle. Anschließend modellierten sie Bewehrung und Schalung. Nachdem das 3D-Modell stand, konnte das Team mit der CNC-Maschine die Schalungen fräsen und dann mehrere Rippenelemente im Maßstab 1:4 gießen. 

Aus dem Forschungsprojekt des Teams entstand so ein modellbasierter digitaler Vorfertigungsprozess. Derartige Arbeiten sind komplex und erforderten früher einen hohen Personaleinsatz, der sich kaum rentierte. Der Einsatz der CNC-Maschine neben anderen Prozessverbesserungen machte das Betongießen effizienter und trug dazu bei, dass sich die Arbeit in einen realistischen Bauzeitplan integrieren ließ. Diese Ergebnisse gewannen mehrere Branchenauszeichnungen, zum Beispiel 2018 den PreisBuild Washington Excellence in Innovation vom Verband der US-Bauunternehmen, AGC.

Impulse geben

Bei Turner Construction entwickelte Renzo gemeinsam mit dem ARC einen Fortbildungskurs zur virtuellen Modellierung für die digitale Fertigung, mit dem die Studierenden noch tiefer in das Thema einsteigen können. Er geht auf die wichtigsten Werkzeuge ein: Laserscanning zur Realitätserfassung, Bezugnahme auf historische Dokumente, fortgeschrittene Modellerstellung, Dateiformatierung für das Laserschneiden, CNC-Fräsen und 3D-Druck. Mit dieser Weiterbildung können derzeitige und künftige Studierende auf fortgeschrittenem Niveau und praxisnah Modellentwicklung üben und ihre Problemlösefähigkeiten für neue Vorfertigungstechnologien trainieren. 

Mit SketchUp für die 3D-Modellierung und Scan Essentials zum Importieren von Punktwolken lernen die Studierenden, ein historisches Gebäude zu modellieren. Der Kurs richtet sich an Studierende, die mehr über den Prozess vom Entwurf zum Bau lernen oder sich praktische Kenntnisse für eine entsprechende Rolle aneignen möchten. SketchUp stellt die Software sowie Anleitungsvideos bereit. Dieses Programm ist ein weiteres positives Ergebnis aus der Zusammenarbeit mit der University of Washington und unterstützt Renzos Aussage, dass ein authentisches, forschungsorientiertes Umfeld sowohl Lernen als auch Lehren beinhalten muss.
Blick vom Wasser auf Seattle, mit dem in die Bucht ragenden Aquarium im Vordergrund. 

Forschung angewandt auf ein Wahrzeichen

Die Erkenntnisse, die bei der Modellierung und beim Gießen der Rippen der Oper Sydney gewonnen wurden, konnten inzwischen auf viele verschiedene Projekte angewendet werden. Ein Beispiel: die umfassende Sanierung sowie Erweiterung des Seattle Aquariums. Das 1977 gebaute zentrale Aquarium am Ufer von Seattle ist sowohl bei Einheimischen als auch bei Touristen sehr beliebt. Im Anbau soll ein größeres Becken für den derzeitigen und künftigen Bedarf geschaffen werden. Turner Construction wurde als Hauptunternehmer beauftragt und goss im November 2022 in einem 23 Stunden dauernden Prozess das neue Becken aus Beton. 

Modelle des neuen Anbaus für das Seattle Aquarium (zum Blättern auf die Pfeile klicken)

„Alles, was wir über die zwei Jahre bei der Oper von Sydney gelernt haben, konnten wir auf das Seattle Aquarium anwenden: wie die Struktur und die Bewehrung modelliert werden muss, wie man die Schalung angeht usw.“

Renzo di Furia

Die Herausforderung: eine komplexe geometrische Form 

Was das geplante Becken so schwer zu bauen machte, war unter anderem seine organische, von der natürlichen Ozeanumgebung inspirierten Form, die den Besuchenden einen faszinierenden Blick auf die darin lebenden Meeresbewohner bietet. Angesichts der enormen Größe des Beckens war dem Team bewusst, dass die Bewehrung eine Herausforderung darstellen würde. Turner entwickelte dafür intern einen eigenen Modellierungsprozess. Die Struktur besteht aus einer 60 Zentimeter dicken gebogenen Betonmauer, 355 Tonnen Bewehrung und 520 Kubikmeter Beton. Damit wurde laut Angaben von Turner etwa vier Mal mehr Bewehrung verwendet als üblich. Die Strukturmatrizen entstanden aus Strukturschaum mit Glasfaserbeschichtung. Der Schaum wurde direkt vom 3D-Modell mit großen Industrie-CNC-Maschinen gefräst. Schalungen für die Fensteröffnungen, Wendeltreppen und das beeindruckende Rundfenster im Eingangsbereich wurden mit digitalen Fertigungsmethoden direkt bei Turner hergestellt. 

Die Vorarbeit, die die Studierenden und Turner zur parametrischen Modellierung komplexer, organischer Betongeometrie, zur Bewehrungskonstruktion und zur digitalen Fertigung von Schalungen mit CNC-Maschinen geleistet hatten, half dem Team bei diesem einzigartigen Bauprojekt für das Seattle Aquarium, wodurch viel Zeit und Geld gespart werden konnte. 
Bild vom Bau der Bewehrung 

3D-Methoden von Anfang bis Ende 

Eine der Herausforderungen beim Bau – und einer der Gründe, warum Bauen so teuer ist – ist die zum Teil enorme Anzahl beteiligter Personen und die große Menge zu verarbeitender Informationen. Oft hört man, dass Architekten, Bauunternehmen und Eigentümer jeweils mit ihren eigenen Problemen beschäftigt sind und kein Austausch stattfindet. Was man weniger oft höher: dass es auch auf der Baustelle Silos gibt. Gut und gerne 50 Gewerke können hier beschäftigt sein, die jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt Material und Geräte benötigen. Werden diese Bedarfe nicht effektiv koordiniert, gehen wertvolle Zeit und Ressourcen verloren.  

„Ein fehlerfreies 3D-Modell zu erstellen, das sich dann für den gesamten Entwurfs- und Bauprozess einsetzen lässt, braucht einiges an Übung und Engagement – etwa so, als würde man ein Instrument spielen lernen.“

Renzo di Furia

Renzo und Turner nutzten für das Seattle Aquarium Daten in einer 3D-Umgebung, um die Zusammenarbeit zwischen den Teams zu verbessern. Damit war es das erste Projekt, das Turner von Anfang bis Ende mit 100 % modellbasierter Kommunikation durchführte. Renzo und das Team von Turner verwendeten ein SketchUp-Modell mit Hunderten Szenen für die Bauplanung. Später im Bauprozess wurden alle Materialmengen aus den Maßangaben in den 3D-Modellen des Beckens gezogen, darunter einzelne 3D-Modelle für Beton, Holz und Bewehrung. Zuerst wurde vom Becken ein Modell aus Schaum hergestellt. Dieses wurde mit einer riesigen CNC-Maschine gefräst – eine spätere Iteration des Prozesses, den die Studierenden bei ihren Forschungen zur Oper von Sydney entwickelt hatten.

„Beim Seattle Aquarium zwang das komplexe Design die Bauleitung, von Anfang bis Ende 3D zu nutzen. Dadurch wurden Informationssilos aufgebrochen, und alle Probleme konnten von einem sehr viel geeinteren Team gelöst werden. Dass auch in einer großen, heterogenen Gruppe Probleme effektiv gelöst werden können, ist selten und zeigt den enormen Wert eines echten 3D-Prozesses.“

Renzo di Furia

Das 3D-Modell, das von Beginn des Prozesses bis hin zum Bau immer wieder aktualisiert wurde, hielt den Kommunikationskanal mit allen Stakeholdern über die gesamte Zeit offen. Das Team von Turner setzte sich einmal pro Woche mit den Architekten und anderen Disziplinen zusammen, um das 3D-Modell zu überprüfen und eventuelle Schwierigkeiten zu lösen. 

Ein vernetztes Tech-Ökosystem

Die Kompatibilität der Designsoftware war genauso wichtig wie die Kommunikation zwischen den Beteiligten. Das Team nutzte Trimble Connect, ein cloudbasiertes CDE (Common Data Environment) und eine Plattform für die Zusammenarbeit, über die stets alle Zugriff auf synchronisierte Modellversionen haben. Neben Trimble Connect kamen unter anderemSketchUp für die 3D-Modellierung, LayOut zum Generieren der 2D-Dokumente, Tekla für die Tragwerksplanung, Trimble Total Stations und Trimble Laser Scanning Solutions für die Überwachung und Revit für detaillierte Baudokumente zum Einsatz. 

„Unser VDC-Weg begann vor Jahren mit der Koordinierung von MEP-Systemen. Was wir dabei gelernt haben, konnten wir dann auf unsere eigene Fertigung von Betonteilen anwenden. Wir stellten fest, dass der eigentlich kritische Teil jedes Bauprojekts das Informationsmanagement ist. Seitdem arbeite ich am Prototypen für einen verbessertes strukturorientiertes Workflow-System, dass die Qualitätskontrolle erheblich verbessert und sich auf Projekte jeder Größe anwenden lässt.“

Renzo di Furia

Mit der richtigen Technologie gelang es Turner, die Modellierung und Koordinierung für das Seattle Aquarium auf eine neue Stufe zu heben. Die Qualitätskontrollprozesse wurden gestärkt und der Informationsaustausch während des gesamten Entwurfs- und Bauprozesses verbessert.

Strukturorientierte Koordination vereint Vertragsdokumentation, Werkstattplanung und Leistungsanfragen; Gebäudeleittechnik; Beton-Schalungsmodell; Stahl- und MEPF-Fertigungsmodelle von Subunternehmen; versch. von Turner entwickelte Modelle sowie Realitätserfassung (Laserscanning, Dronen, 360°-Fotografie). 

Der Weg in die Zukunft: strukturorientierte Systeme 

Die Baubranche geht in ein neues Zeitalter der Zusammenarbeit über, in dem es neue Technologien und Prozesse anzunehmen gilt. Renzo ist der Überzeugung, dass strukturorientierte Systeme die Koordinierung verbessern und Modellinformationen zusammenbringen werden. 

„Im VDC-Management haben wir über Jahre immer mit MEP-Koordinierung begonnen und das dann auf unsere eigene Fertigung von Betonteilen angewendet. Ich glaube aber, dass das noch besser geht: Ich habe den Prototypen für ein strukturorientiertes Workflow-System entwickelt, das Daten und Disziplinen anhand eines zentralen Strukturmodells zusammenbringt.“

Renzo di Furia

Bei einem anderen Projekt, an dem Renzo gearbeitet hat – Dexter Yards –, kam ein stärker strukturorientierter Modellierungsprozess zum Einsatz. Das Team nutzte 3-D-Modelle zum Koordinieren von Bautechnik und Systemen wie Stahl-, Wand- und Plattenelementen (zum Blättern auf die Pfeile klicken).

Der strukturorientierte Modellierungsprozess muss noch weiter ausgearbeitet werden, bevor er von den Bauteams verschiedener Disziplinen eingesetzt werden kann. Zum Glück kennen wir Studierende, die dabei helfen können! 

Kreativität und Bau gehen Hand in Hand. 

Die Baubranche hat immer noch große Schwierigkeiten mit Brüchen in Prozessen, dem Finden von Einsatzmöglichkeiten für neue Technologien und die Einarbeitung verschiedener Teams in diese Technologien. Diese Herausforderungen müssen überwunden werden, um eine bessere, umweltfreundlichere Zukunft bauen zu können. 

Liebe Kolleg:innen aus dem Bauwesen: Es ist an der Zeit zu zeigen, wie kreativ Sie beim Bauen sein können. Wenden Sie sich an Ihre Universität vor Ort – dort warten schon Studierende, die nach einem Thema für ihre Abschlussarbeit suchen. Probieren Sie innovative Lösungen zunächst bei kleineren Projekten aus, um Ihre Erkenntnisse anschließend mit fortgeschrittenen 3D-Workflows und intelligenter Technologie zu kombinieren und Projekte damit schneller und effizienter zu bauen. All das lässt in Ihrem Unternehmen eine Kultur des Lernens entstehen, die Verschwendung reduziert und besser für die Umwelt ist. Zeigen wir der nächsten Generation von Ingenieuren, Bauunternehmern und Beratern, dass kreative Lösungen auf der Baustelle der Zukunft genauso wichtig sind wie im Architekturbüro der Zukunft.

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Über Renzo di Furia

Renzo di Furia ist Spezialist für virtuelles Bauen und Fertigungstoleranzmodellierung. Seit mehr als 18 Jahren nutzt er 3D-Modellierungstools und hat in dieser Zeit eine vereinfachte BIM- und VDC-Implementierungsmethode entwickelt. Dabei werden unterschiedliche Mitarbeiterrollen einbezogen, betriebliche Exzellenz in den Mittelpunkt gestellt und Qualität, Produktivität und Sicherheit maximiert. Renzo di Furia entwickelt zudem in Zusammenarbeit mit dem Department of Built Environments der University of Washington, dem Trimble Visiting Professionals Program sowie dem Carpenters’ International Training Center in Las Vegas eine Reihe von BIM- und VDC-Schulungen.

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