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2. SCHWEIZER DIGITALTAG
25. OKTOBER 2018

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DAS MAGAZIN ZUM 2. SCHWEIZER DIGITALTAG 25. OKTOBER 2018

In Dübendorf baut der Büezer-Bot
Adrian Meyer und Gabi Schwegler

Im zürcherischen Dübendorf entsteht das Haus der Zukunft: Am Computer mittels Algorithmen programmiert – und mit Robotern erbaut.

Die Köpfe hinter dem DFAB House: Thomas Wehrle (l.) und Matthias Kohler.
NFS Digitale Fabrikation

Der Kran hebt das Modul aus Holzbalken an. Sanft gleitet es hinauf zur Baustelle, die im dritten Stock dieses seltsam geformten, baukastenartigen Hauses liegt: des Forschungs- und Innovationsgebäudes NEST auf dem Gelände der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf ZH. Zufrieden betrachtet Architekt und Projektleiter Konrad Graser, wie Bauarbeiter das Holzmodul fixieren. «Auch wenn man es nicht auf den ersten Blick sieht, steckt sehr viel Hightech und Innovation dahinter», sagt er. «Ich bin sehr stolz.»

Tatsächlich wirkt der Bauvorgang unspektakulär. Bis man erfährt, welche technischen Wunderwerke dahinterstecken. Denn das Holzmodul, genauer gesagt das ganze Appartement, das diesen Sommer auf dem NEST-Gebäude errichtet wurde, ist weltweit einzigartig. Insgesamt drei Stockwerke – am Computer mittels Algorithmen geplant und mit Robotern und 3D-Druckern fabriziert: Sie bilden das sogenannte DFAB House, das von Forschenden der ETH Zürich gemeinsam mit Industriepartnern bei einem Budget von 2,4 Millionen Franken gebaut wurde. «DFAB» steht für «Digitale Fabrikation» – ein Forschungsschwerpunkt des Schweizerischen Nationalfonds, der sich der Frage widmet, wie man in Zukunft Häuser baut.

NFS Digitale Fabrikation
NFS Digitale Fabrikation
NFS Digitale Fabrikation
NFS Digitale Fabrikation

Die Winkel der Holzbalken errechnete ein Algorithmus, die Balken sägten und positionierten zwei Roboter gemeinsam im freien Raum in einem Hightech-Labor an der ETH Zürich. Menschen überwachten den Prozess und verschraubten die Balken miteinander – Hand in Hand mit den Robotern. Sechs dieser Holzmodule bilden am Ende ein zweistöckiges Appartement. Die Schalung einer wild gewölbten Decke, auf der das Appartement zu liegen kommt, stammt aus dem 3D-Drucker.

Die Wand, die die Decke und die zwei Holzbau-Geschosse trägt, hat ein Roboter direkt auf der Baustelle geformt. Wie eine hingemalte Welle aus Beton steht sie spektakulär anmutig im Raum. Sie ist zwar bloss zwölf Zentimeter dick, doch sie trägt die rund 100 Tonnen Last des Appartements über ihr zu 99 Prozent alleine.

«Wir wollen mit diesem Haus zeigen, was mit der Digitalisierung im Bauwesen möglich ist», sagt Projektleiter Graser. «Und zwar schon heute.» Das DFAB House soll ein Denkanstoss für die gesamte Bauwirtschaft sein. Acht Lehrstühle sind daran beteiligt, sie wenden fünf brandneue, digitale Fabrikationstechnologien erstmals auf dem Bau an (siehe Kasten). Ein Mega-Projekt, an dem über 40 Forschende teilnehmen sowie mehr als zwei Dutzend Partner aus der Industrie.

5 digitale Bauinnovationen des DFAB House

1 In situ Fabricator

Ein mobiler Bauroboter fabrizierte beim DFAB House selbstständig ein doppelt gekrümmtes, dreidimensionales Stahlgitter, das als Armierung einer tragenden Betonwand dient.

2 Mesh-Mould-Technologie

Die vom Roboter fabrizierte Gitterstruktur dient gleichzeitig als Schalung und Bewehrung der Betonwand. Die Gittermaschen sind so eng, dass der Beton darin gehalten und geformt werden kann. Somit sind komplexe Geometrien möglich – ohne grosse Kosten und Bauabfälle. Für das zwölf Meter lange, wellenförmige Stahlgitter benötigte der Bauroboter circa 120 Stunden «Arbeit».

3 Smart Slab

Die Schalung und Unterseite der 80 Quadratmeter grossen, gewölbten Betondecke stammt komplett aus dem 3D-Drucker. Dies erlaubt neue Freiheiten bei Geometrien und spart zudem Material und Zeit.

4 Smart Dynamic Casting

Dieses Verfahren schalt und verfüllt auto­matisch den Beton von Säulen mit unterschiedlichen Querschnitten. Die Schalung passt sich jeweils selbstständig an.

5 Spatial Timber Assembly

Ein sogenanntes Multi-Roboter-System greift, sägt und platziert Holzbalken selbstständig frei im Raum. Die Roboter bohren sogar die Löcher für die Schrauben selber. Die Anordnung der Balken errechnete zuvor ein Algorithmus.

Und der Transfer scheint zu gelingen: Einige der Innovationen wollen Industriepartner weiterentwickeln und kommerziell einsetzen. Forschung und Industrie fanden bereits im Labor der ETH Zürich zusammen. So wollten Matthias Kohler, Professor für Architektur und Digitale Fabrikation an der ETH, und Thomas Wehrle, Geschäftsleitungsmitglied der ERNE AG Holzbau in Laufenburg AG, voneinander lernen, um in Zukunft erfolgreich digital bauen zu können.

Wir testen die Forschung live im Massstab 1:1

Die bewohnbaren Holzmodule des DFAB House sind nun der Schritt aus dem Labor in ein tatsächliches Bauprojekt. «Wir testen die Forschung live im Massstab 1:1», sagt Professor Kohler. «Die Enden eines drei Meter langen Holzbalkens an die richtige Position zu bringen, ist selbst für einen Roboter nicht selbstverständlich», sagt er. «Besonders mit einem Naturbaustoff wie Holz, der selten zu hundert Prozent gerade ist.»

Das Zusammenbauen der Holzbalken durch Roboter wurde deshalb stets von Forschenden der ETH Zürich und Mitarbeitenden der ERNE AG Holzbau überwacht. Sie kontrollierten, dass die Roboter nicht sich selber oder die Struktur beschädigten, und verschraubten die Balken von Hand. «Mit dem Eindrehen der Schraube erteilte der Mensch dem Roboter eine Art Freigabe, dass der Balken korrekt platziert ist und die von Algorithmen generierten Pfade funktioniert haben», sagt Industriepartner Thomas Wehrle.

NFS Digitale Fabrikation
NFS Digitale Fabrikation

Genau das ist für ihn Sinnbild, wie in der Holzindustrie künftig gearbeitet werden soll. Wehrle führt bei Erne immer wieder Diskussionen mit Mitarbeitenden, die ihren Job durch die Digitalisierung bedroht sehen. «Ich frage sie dann, ob sie wirklich die ganze Zeit am Computer Holzständer einzeichnen und Platten verlegen wollen. Diese nervige Fleissarbeit können wir den Algorithmen überlassen und uns stattdessen auf die Gestaltung und Ausführung konzentrieren. »Entscheidend blieben ausgebildete Fachleute, die ihr Handwerk von der Pike auf gelernt haben, sagt Wehrle. «Das ist die Bedingung, um Roboter überhaupt bedienen zu können.»

Nervige Fleissarbeit können wir künftig Algorithmen überlassen.

Auf der Seite der Architekten ergeben sich genauso grosse Veränderungen. Bis jetzt sind Entwurf und Ausführung meist entkoppelte Vorgänge: Der Architekt gestaltet, die Industrie setzt um. Nachträgliche Änderungen sind aufwändig. Neu würden Pläne nicht mehr gezeichnet, sondern programmiert, sagt Professor Kohler. «Wir müssen bereits beim Entwerfen wissen, wie etwas gebaut wird. Etwa, in welcher Reihenfolge die Elemente zusammengesetzt werden.» Steht der finale Entwurf, geht man in Produktion.

NFS Digitale Fabrikation

Interessanterweise wussten die Forschenden zu Beginn gar nicht, wie das DFAB House am Ende genau aussehen würde. Sie speisten zunächst bloss die Grundrisse, die Raummasse, verschiedenste Vorschriften und Lasten in die Programme ein. Dann errechneten diese die optimale Geometrie der Bauwerke von alleine. Nach diesem Modell wurde schliesslich gebaut.

Auf der Baustelle in Dübendorf wird einem daher schon ein wenig mulmig, wenn man durch die Holzmodule spaziert und weiss: Das wird hier alles nur von einer handbreiten Betonwand getragen. Selbst die Holzbalken der Module sind alle statisch. Das heisst: Kein einziges Stück Holz ist zur Zierde verbaut, sie alle haben tragende Wirkung. Die Balken sind so angeordnet, dass sie eine schräge Fassade bilden, die sich mal nach innen, mal nach aussen lehnt. Die Roboter haben sie in Winkeln aneinander geschraubt, die ein Mensch nur unter grosser Mühe setzen könnte. Er bräuchte dafür unzählige Hilfsmittel, müsste stets nachmessen.

Die neuen Technologien ermöglichen eine völlig neue Ästhetik.

Die Angst, sagen die Forschenden, dass Bauroboter und Digitalisierung Häuser am Fliessband produzieren, sei unbegründet. Das DFAB House zeigt: Genau das Gegenteil von uniform und vollautomatisiert ist der Fall. Die neuen Technologien ermöglichen eine völlig neue Ästhetik. Dank ihnen könnten künftig selbst komplizierte, extravagante Formen wie jene des berühmten spanischen Architekten Antoni Gaudí (1852–1926) günstig gebaut werden. «Die Digita-lisierung macht möglich, dass nicht jedes Modul gleich sein muss», sagt Thomas Wehrle von Erne Holzbau. «Wir haben Freiheiten in der Planung und trotzdem eine hohe Vorfertigung, was für uns wie für Bauherren sehr attraktiv ist.»

Auch Projektleiter Konrad Graser ist auf der Baustelle begeistert von den neuen Möglichkeiten. In den nächsten zehn Jahren, glaubt er, werde sich die Art des Bauens radikal ändern. Und sagt: «Wir wollen zeigen, dass Mensch und Maschine auf dem Bau super kollaborieren können.» Der neue Hilfsarbeiter auf dem Bau: Er ist wohl bald ein Roboter.