Virtual Construction

Virtual, Augmented und Mixed Reality sind mittlerweile geläufige Begriffe und finden in den verschiedensten Branchen Anwendung. Alle drei sind sogenannte immersive, also eindringende, Technologien und haben das Potenzial (oder sind bereits dabei), die Interaktion zwischen Menschen und Organisationen sowie deren Produkte und Dienstleistungen zu revolutionieren. Während Virtual Reality schon länger bekannt ist und weitläufig Anwendung findet, stellt Mixed Reality die neuste und am weitesten fortgeschrittene Technologie dar – sie kombiniert Ansätze von Virtual Reality und Augmented Reality mit der realen Umgebung.

Am Bau bereits verschiedenst angewendet, bieten die immersiven Technologien noch ein hohes Potenzial entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Durch die Interaktion von virtuellen Daten und Objekten mit Elementen aus der realen Welt können beispielsweise 3D-Daten als virtuelle Gebäude auf der Baustelle abgebildet werden. Dabei eröffnen sich viele Möglichkeiten, wie beispielsweise der frühen Fehleridentifizierung, vereinfachter Kollaboration zwischen den einzelnen Projektteams und effizienteren Prozessen durch besseren Informationsaustausch. Mittlerweile gibt es auch verschiedene Anwendungsbeispiele von immersiven Technologien im Bau. So wurde zum Beispiel die Migros-Filiale in Schlieren/ZH mittels Virtual Reality im Vornherein virtuell «gebaut» und besichtigt.

Im Abschnitt «Anwendungen entlang der Wertschöpfungskette Bau» werden die potenziellen und realisierten Einsatzmöglichkeiten von Virtual, Augmented und Mixed Reality aufgezeigt und erläutert. Schweizer Bauunternehmer, die z.B. ihre Ausbildungsprozesse schlanker und moderner gestalten möchten, können auf dieser Basis überlegen, ob eine der Technologien einen potenziellen Mehrwert für sie darstellen kann. Für das Bauhauptgewerbe wird dabei insbesondere auf Augmented Reality eingegangen.

Theoretisches Grundgerüst

Was sind immersive Technologien?

Immersiv ist eine Technologie, wenn der Nutzer mit deren Hilfe ins virtuelle Geschehen eindringen kann. Immersiv wird daher auch eindringend genannt. Während früher dafür bereits ein Fernseher ausreichte, ist das heute deutlich umfassender – die virtuelle Realität ist nicht mehr nur in 3D sichtbar, sondern begehbar, veränderbar und zum Teil auch spürbar. In der Unterhaltungsindustrie werden immersive Technologien genutzt, um den Spieler mittels einer speziellen Brille vollständig in die virtuelle Welt einzutauchen. Aber auch verschiedene Industrien profitieren immer mehr von diesen Technologien. Ein Beispiel betrifft die Ausbildung: Durch den rasant steigenden Bedarf an stetig neuem Fachwissen müssen neue Skills rasch erlernt werden. Mit Virtual, Augmented oder gar Mixed Reality können spezifische Situationen ohne Risiko und ohne Reisebedarf simuliert und erlernt werden.

Virtual, Augmented und Mixed Reality

Im Folgenden werden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Mixed Reality, Augmented Reality und Virtual Reality erläutert. Anmerkung: Die Definition von MR ist nicht einheitlich. Zum Teil wird MR auch als Überbegriff für alle Mischformen zwischen realer und virtueller Welt verwendet, wonach sowohl VR als auch AR ein Teil von MR wären. Wir verwenden hier jedoch die gängige Definition von MR als eigene, fortgeschrittene Ausprägung.

Virtual Reality

VR ist die bekannteste Form der immersiven Technologien. Der Nutzer findet sich dabei in einer vollständig computer-generierten, also einer virtuellen Realität. Mit einem VR-Headset bewegt man sich inmitten von virtuellen Objekten auf einem Bildschirm. Meist ist das Headset an einen Computer oder eine Konsole angeschlossen, die die virtuelle Erfahrung ermöglicht. Es gibt aber auch schon eigenständige VR-Headsets, wie z.B. die Oculus Go. In der Luftfahrt, Medizin und im Militär wird Virtual Reality bereits grossflächig in der Ausbildung angewendet. Virtuell erstellte Cockpits ermöglichen eine realistische Simulation ohne die Gefahren eines echten Flugzeugs. Chirurgen praktizieren mit virtuellen Tools und Patienten und können die so erlernten Fähigkeiten in den Operationssaal mitnehmen. Polizei und Militär stürmen zum Beispiel virtuelle Gebäude als Übung und minimieren so das Verletzungsrisiko.

Augmented Reality

AR überträgt digitale Informationen in die reale Welt. Anstatt eine komplett immersive virtuelle Erfahrung darzustellen, ergänzt AR die reale Welt mit Bildern, Text und anderen virtuellen Informationen. Mittels Smartphones, Tablets, Smart Lenses und AR-Brillen können so virtuelle Objekte in der realen Umgebung festgestellt werden. Eines der bekanntesten Beispiele von AR fand im Jahr 2016 seinen Höhepunkt: Das Smartphone-Spiel Pokemon GO erlaubt dem Benutzer, in seiner bekannten Umgebung auf die Jagd nach virtuellen Pokemon-Figuren zu gehen und diese einzufangen. Ausserhalb der Unterhaltungs-Branche wird AR beispielsweise von IKEA für die Entwicklung einer App genutzt, die eine Visualisierung von gewissen Produkten im eigenen Heim ermöglicht, bevor sie gekauft werden. Die App legt dazu virtuelle Versionen von Einrichtungsgegenständen über echte Bilder der eigenen Wohnung. Auch für Tourismus wird AR genutzt, beispielsweise mit einer App, die anhand der Smartphone-Kamera die umstehenden Berge erkennt und benennt.

Mixed Reality

MR geht noch einen Schritt weiter als AR. Benutzer können in Echtzeit mit den virtuellen Objekten, die in die reale Welt platziert werden, interagieren und diese verändern. Diese virtuellen Objekte reagieren auf die Interaktion mit dem Benutzer, wie wenn sie selbst auch real wären. Zur Benutzung ist ein MR-Headset erforderlich, das eine holographische Darstellung mittels transluzenter (lichtdurchlässiger) Brille ermöglicht. Die Brille deckt das Sichtfeld des Benutzers komplett ab, nimmt es aber gleichzeitig auf und vermischt es mit den virtuellen Objekten. Da MR verschiedene Technologien zur Erkennung von Bewegungen, Blicken und Stimmen verwendet, benötigt sie deutlich mehr Rechenleistung als VR und AR. MR stellt die neuste Entwicklung der immersiven Technologien dar und ist daher in der Anwendung noch nicht weit verbreitet. Dennoch gibt es bereits einige Unternehmen, die MR mittels Microsofts MR-Anwendung, der HoloLens, einzelne Prozesse verbessern. Renault beispielsweise verbessert Prozesse zur Qualitätskontrolle in der Motorenmontage, indem die Qualitätskontrolleure mittels HoloLens alle Motorenteile integrieren und Entscheidungshilfen für die komplexen Schritte erhalten. Beim deutschen Lift- und Treppenproduzent ThyssenKrupp werden Feldtechniker mit HoloLens ausgestattet, um alle notwendigen Informationen wortwörtlich vor den Augen zu haben. So können die Maschinen so effizient und effektiv als möglich repariert werden. BAE Systems ist eine multinationale Verteidigungs-, Sicherheit- und Luftfahrtfirma und wendet HoloLens im Aufbau von elektronischen Antriebssystemen an. Die Herstellungszeit konnte dadurch um 50% reduziert werden.

Die Unterschiede zwischen Virtual, Augmented und Mixed Reality

Anwendungen entlang der Wertschöpfungskette Bau

Planung

Konflikterkennung

Eines der offensichtlichsten Probleme in der Planung tritt auf, wenn sich zwei Elemente des Designs überschneiden – zum Beispiel Heizung/Ventilation und Elektronik in der gleichen Wand. Ähnlich schwerwiegend, aber schwieriger zu identifizieren, ist eine Lücke im Design. Wie können derartige Konflikte identifiziert werden? Zum einen auf die traditionelle Weise: Pläne studieren, Design begutachten, erfahrene Kollegen zu Rate ziehen. Dann gibt es automatische Konflikterkennungssoftware, wie zum Beispiel Navisworks. Für gewisse Konflikte kann das gut funktionieren, solange die BIM-Daten korrekt und richtig modelliert sind. VR ermöglicht eine Begehung mitten ins Design – man kann sich frei darin bewegen und alle beteiligten Personen erleben das virtuelle Modell gleich. Verschiedene Tools ermöglichen eine Virtual Reality-Begutachtung von 3D-Modellen, wie z.B. Revit Life, Enscape, InsiteVR, IrisVR und Revizto. Mittels einer am Helm montierten VR-Brille lässt sich das Modell somit wie ein reales Gebäude begehen. Ersichtliche Konflikte, wie z.B. eine zu geringe Raumhöhe, lassen sich gleich selbst erkennen, während kleinere Konflikte mit der Software identifiziert werden. Änderungen sind so deutlich einfacher realisierbar und mit niedrigeren Kosten verbunden. Dies hilft, den Gesamtprozess zu beschleunigen, Nachbesserungen zu reduzieren und Kosten zu senken.

Virtuelle Gebäudeführung im Verkauf / Vermietung

Mangelnde Transparenz war bis vor kurzem eine häufige Erscheinung im Bauprozess für Auftraggeber. Das Studieren von Plänen in 3D oder gar noch 2D sowie gelegentliche Besuche auf der Baustelle geben selten ein genaues Bild vom anstehenden Bau wieder. Das ist einerseits aus Kontrollgründen mühsam und andererseits beschränkt es die Visualisierungsoptionen für potenzielle Endkunden. Virtual Reality ermöglicht eine komplette Darstellung des Endprodukts lange vor der tatsächlichen Realisierung. Dies erlaubt dem Auftraggeber, virtuelle Führungen mit Interessenten durch das Gebäude zu machen – inklusive Aussichten, Belichtung und Möblierung. Der Auftraggeber kann die kommerzielle Komponente somit früher im Bauprozess angehen und finanziell besser planen.

Virtuelle Gebäudebesichtigung mittels VR (Quelle: Connect&Construct)

Anwendungsbeispiel

Die neue Migrosfiliale in Schlieren wurde vor dem tatsächlichen Bau vollständig in der Virtual-Reality Halle «Fusion Arena» in Zürich-Altstetten abgebildet. Der virtuelle Rohbau war vollständig begehbar – so konnten die Manager über Aspekte wie die Deckenhöhe, Inneneinrichtung und Raumgrösse diskutieren. Wo nötig, wurden bereits Anpassungen gemacht und damit potenzielle Baufehler von vornherein eliminiert.

«Fursion Arena» in Zürich-Altstetten (Quelle: pandally.com)

Ausführung

Effizienzsteigerung und genaueres Arbeiten

Immersive Technologien, hier vor allem Augmented Reality, können das Bauen durch präzise Angleichung von holographischen Daten auf der Baustelle fördern, z.B. mit speziellen Bauarbeiterhelmen, die mit einer Trimble Connect HoloLens ausgestattet sind. Dies gewährt dem Nutzer Zugang zu kritischen BIM-Daten, die im Projekt integriert sind. So können Teams z.B. während dem Bau durch das virtuell fertiggestellte Projekt spazieren und potenzielle Fehler und Pain Points im Voraus entdecken. Ebenso werden dadurch zusätzliche Workflows wie Vor-Ort-Installationen, Fortschrittskotrolle mittels 4D-Modellen und Asset Management unterstützt. Anstelle von manuellen Markierungen, was wo installiert werden muss, erhält der Arbeiter die Anweisungen millimetergenau durch die AR-Brille.

Moderne Ausbildung

Auch für die Ausbildung von Bauarbeitern stellt AR ein massives Verbesserungspotenzial dar. Auszubildende können mit einer HoloLens virtuell geschult werden – und das vermittelte Wissen direkt auf der Baustelle einsetzen. Zum Beispiel kann ein virtueller Überwacher die Bildung einer Mauer kontrollieren. Dank 3D-Daten ist die Mauer bereits in der HoloLens visualisiert. Wenn der Auszubildende vom Plan abweicht kann der virtuelle Überwacher sofort Feedback geben. Bei guter Ausführung kann er auch eine positive Rückmeldung geben.

Bessere Kollaboration zwischen Büro und Baustelle

Ausgestattet mit AR, wissen die Bauarbeiter stets welche Aufgaben wie erledigt werden sollen. Feedback kann in Echtzeit kommuniziert werden, um potenzielle Fehler oder Abweichungen vom Modell sofort zu identifizieren. Die Möglichkeit, das Modell virtuell über der realen Baustelle zu betrachten, erlaubt präzisere Kollaboration, bessere Projektkontrollen und Projektkoordination. Zudem wird der Reisebedarf deutlich eingeschränkt, wenn die Baustelle auch virtuell besichtigt werden kann.

Anwendungsbeispiele

In Frankreich hat GA Smart Buildings durch Augmented Reality mittels der Trimble Connect HoloLens ein 3.300 qm grosses Bürogebäude erstellt. Einige Bauelemente wurden dabei in einer Fabrik vorgefertigt und dann auf der Baustelle direkt installiert. Eine Herausforderung dabei war die Aufrechterhaltung der besten Qualität. Fehler, die erst im Nachhinein identifiziert werden, führen zu Verzögerungen, erhöhten Kosten und Unzufriedenheit beim Kunden. Anstatt die Qualität auf der Baustelle mittels traditioneller zweidimensionaler Dokumente zu prüfen, wurde die Trimble Connect Lösung für HoloLens angewendet. So konnten die 3D-Daten mit BIM zur Prüfung verwendet werden, was das Potenzial für Humanfehler massiv eingeschränkt hat. Gleichzeitig wurde die Effizienz der Qualitätskontrolle stark erhöht. Durch die 1:1-Abbildung des 3D-Modells konnten Entscheide schneller getroffen werden und es wurde effizienter zwischen den Stakeholdern und Projektteams kommuniziert.

Trimble selbst hat in der Nähe von Denver, Colorado, ein 11.000 qm grosses Geschäftsgebäude durch JE Dunn bauen lassen. Dabei wurden verschiedene AR-Lösungen wie die Microsoft HoloLens und Trimble Connect for HoloLens getestet und in der Konzeptvisualisierung und für die visuelle Konflikterkennung verwendet. Mit diesen Technologien waren Trimble, JE Dunn und alle involvierten Partner in der Lage, die zukünftigen Bauten im Kontext der aktuellen Situation zu betrachten und notfalls Anpassungen zu machen. Zum Beispiel wurde ein Konflikt im Leitungssystem zwischen dem Hologram-Modell und dem vorhandenen Stahl festgestellt. Darauf wurde ein virtuelles Meeting mit dem Stahllieferanten abgehalten und die Situation virtuell visualisiert. So konnte eine Lösung gefunden werden, ohne das Büro verlassen zu müssen.

Bauarbeiterhelme mit HoloLens ausgestattet

Verwaltung

Effiziente Instandhaltung und vereinfachtes Umbauen

Sofern das BIM-Modell während dem Bau aktuell gehalten wird, kann es beim Abschluss an den Besitzer des Gebäudes übergeben werden. Sobald dann Umbauten oder Reparaturen notwendig sind, kann der Besitzer zum Beispiel mit einer AR-Brille durch die Wände und Decke schauen, um zu sehen, wo die strukturellen Elemente sind oder wo die Leitungen durchlaufen. Zudem können elektronische Geräte mit einer Internetverbindung im Gebäude, wie z.B. Boiler oder Zentralheizung, mit der Augmented Reality verbunden werden. Der Verwalter kann somit durch die AR-Brille den aktuellen Zustand der vernetzten Geräte erkennen und bei Bedarf Reparaturen oder Aktualisierungsarbeiten in die Wege leiten.

Erhöhte Sicherheit

Durch die vereinfachte Form von Unterhaltskontrollen können diese häufiger und effizienter durchgeführt werden. Mehr Checks führen zu früherer Erkennung von potenziellen Gefahrenquellen, wie Feuerrisiken oder Einsturzgefahren.

Einfache Mieterwechsel

Bei einem Mieterwechsel kann mit der AR-Brille einfach festgestellt werden, ob die Wohnung Mängel aufweist. Zudem können potenzielle Nachmieter früh im Prozess virtuell die Wohnung besichtigen. Somit lassen sich Leerstände besser vermeiden.

Anwendungsbeispiel

Die schottische Wohnungsbaugesellschaft Kingdom Housing Association nutzt seit Kurzem das AR-Tool XMReality Remote Guidance, um Mietern aus der Ferne zu helfen. Die Technology erlaubt die virtuelle Präsenz von einem Firmenvertreter im Heim des Mieters. Probleme und Schäden können so sofort begutachtet werden und der Vertreter kann die Mieter virtuell unterstützen. Kleinere Schäden, wie die Reparatur einer Tür oder Verbindung mit der Waschmaschine können somit gelöst werden – ohne, dass je ein Vertreter die Wohnung betritt. Dies ist insbesondere auch in Zeiten von Social Distancing relevant.

 

Fazit

Immersive Technologien wie Virtual, Augmented und Mixed Reality vereinfachen Prozesse, sind vielfach anwendbar und ermöglichen Problemlösungen in Echtzeit. Dadurch erhöhen sie auch die Nutzbarkeit von BIM. Während momentan mehrheitlich VR und AR Anwendung im Bau finden, ist Mixed Reality noch keine verbreitete Lösung. Auch bei VR und AR gibt es noch Einschränkungen – so ist zum Beispiel die Visualisierung von einem virtuellen Gebäude zu Marketing- oder Verkaufszwecken noch relativ teuer. Es lohnt sich also nicht immer, auf die immersiven Technologien zu setzen. In Zukunft werden diese jedoch einfacher und günstiger verfügbar sein, was die Attraktivität und Anwendbarkeit für die besprochenen Bereiche entsprechend erhöhen wird.

Prinzipiell lässt sich feststellen, dass Virtual Reality eher in der Planungsphase einsetzbar ist, während Augmented Reality mehrheitlich in der Realisierung und Verwaltung zum Einsatz kommt – wobei es auch hier Überschneidungen gibt. Für Schweizer Bauunternehmen kann eine Investition in AR-Möglichkeiten zum jetzigen Zeitpunkt durchaus Sinn machen. Insbesondere die vereinfachten Ausbildungsmöglichkeiten, effizienteren Projektabläufe und exakteren Arbeitsinstruktionen sind gute Argumente, sich zumindest mit den Möglichkeiten von Augmented Reality auseinanderzusetzen. Der Preis für ein AR-Gerät liegt dabei im tiefen vierstelligen Bereich für die neusten Geräte wie die Microsoft HoloLens 2 und die Trimble XR10 HoloLens 2. Dazu kommen monatliche Abo-Kosten für die jeweiligen Softwarelösungen.

 

 

Moritz Lüscher leitet digitale Transformationsprojekte beim Schweizerischen Baumeisterverband und analysiert in dieser Rolle auch aktuelle Trends und deren Einfluss auf die Baubranche.

Er verfügt über mehrjährige Erfahrung in der Unternehmensberatung und in verschiedenen Industrien.

 


Quellen

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J. Lawver. "Transforming the construction industry with mixed reality" BDTechTalks (2019)

S. Mair. "Diesen Migros-Shop gibt es nur in der virtuellen Realität" Philipp Wieting Werknetz Architektur (2018)

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Autor: Moritz Lüscher

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