Die vergangenen Jahre ist ein Trend feststellbar, dass immer mehr Bauunternehmungen einen Teil ihrer Baumaschinen mit Steuermesssystemen aufrüsten lassen. Insbesondere bei zeitkritischen oder komplexen Projekten bietet dies den Unternehmungen eine Möglichkeit, um ihre Aufträge noch effizienter und speditiver durchführen zu können.
Bei intelligentem Einsatz der Mess- und Steuersensoren, können beachtliche Mengen an Material und Materialbewegungen eingespart werden. Zudem werden damit auch Personalstunden reduziert, da bspw. bei Erdbewegungen der Maschinenführer die Hauptarbeiten alleine durchführen kann. Die Produktivität und Wirtschaftlichkeit kann gesteigert werden, womit die Baubetriebe den Anforderungen des heutigen Marktumfeldes noch besser gewachsen sind.
Trotz den innovativen Vermessungslösungen und der teilweise einfachen Bedienung der Sensoren, ist bei seriösem Einsatz der Technologie fundiertes Vermessungsfachwissen von Vermessungsfachleuten nach wie vor unabdingbar.

Die Baumaschinensteuerung kann in 2D- und 3D-Steuerung unterteilt werden. Je nach dem, ob in 2D oder 3D gearbeitet wird, je nach Genauigkeit, Verfügbarkeit, Maschinengrundtyp und Projekt, werden unterschiedliche Messsensoren eingesetzt.

 

Mögliche Messsensoren und -komponenten

Baumaschinentypen

2D-Steuerung

Rotationslaser, Laserempfänger, Rotations-, Neigungs- und Ultraschallsensor, Kompass, 2D-Display

Bagger, Dozer, Grader, Belagsfräse, Belagsfertiger, Gleitschalenfertiger

3D-Steuerung

Rotations-, Neigungs- und Ultraschallsensoren, Kompass, GNSS/GPS mit PowerBox, motorisierte Totalstation(en), 3D-Rechner/Display

2D-Steuerung

Bei 2D-Steuerungen wird anhand einer lokalen Höhenreferenz, die Höhenkorrektur mitgeteilt. Informationen über die Lage werden nicht übermittelt. Die Maschine wird dabei nicht automatisch gesteuert. D.h. die Software greift mit den Korrekturdaten nicht in die Maschinenhydraulik ein, ausser wenn bei Gradern und Dozern Abtastsensoren und Abstandsreglern eingesetzt werden. Die benötigte Höheninformation wird dem Maschinisten akustisch per Laserempfänger oder visuell auf dem 2D-Display mitgeteilt.

Der Höhenbezug kann folgendermassen hergestellt werden:

1)    Mittels Rotationslaser und Laserempfänger bei Bagger, Dozer oder Grader

2)    Mittels Abtastsensor oder Abstandsregelung über Boden, Fahrdraht oder Belagsrand bei Grader oder Fertiger

3)    Mit der Baggerschaufel wird von einem Höhenfixpunkt die Referenzhöhe bezogen.

Beim Bagger gilt zu beachten, dass sobald sich dessen Lage der Hauptdrehachse verschoben hat, muss der Bezug zur Referenzhöhe wieder hergestellt und abgenommen werden.

Die Genauigkeit von 2D-Steuerungen liegt bei ca. ±1cm.

Bsp. 2D-Steuerung Dozer mit Rotationslaser

3D-Steuerung

Bildschirm 3D-Baggersteuerung

Der Vorteil von 3D- gegenüber der 2D-Steuerung liegt auf der Hand: Der Maschinist kann sich mit seiner Maschine frei bewegen und erhält jederzeit und überall Lage- und Höheninformationen in Bezug zum Bauprojekt. Je nach Anwendung, Genauigkeitsanforderung und Verfügbarkeit wird die Maschine per Totalstation oder GPS/GNSS gesteuert. Wobei auch hier beim Bagger, aus offensichtlichen Gründen, nicht automatisch in die Hydraulik eingegriffen wird.

Das Steuerungskonzept funktioniert wie folgt: Auf dem Rechner der Baumaschine ist das 3D-Modell des Projektes geladen. Ein externes Vermessungsinstrument (Totalstation oder GPS/GNSS) bestimmt die Position der Maschine und übermittelt die Daten an den Rechner. Dieser vergleicht die Position mit den Soll-Daten des 3D-Modelles. Beim Bagger werden die Korrekturen visuell auf dem Rechner angezeigt und manuell durch den Maschinist durchgeführt. Bei den restlichen Maschinen (Dozer, Grader; Fräse und Fertiger) wird die Hydraulik vollautomatisch angesteuert und das Schild, respektive die Schar oder Bohle direkt korrigiert.

3D-Baggersteuerung mit GPS/GNSS

Die Genauigkeit der 3D-Steuerung per GPS/GNSS beträgt ±3-5cm, per Totalstation ±0.5-1cm.

Datenaufbereitung und Vermessungsarbeiten

Die Datenaufbereitung und Vermessungsarbeiten bei 2D-Steuerungen sind minimal, da lediglich ein Höhenbezug benötigt wird.

Bei 3D-Steuerungen ist der Aufwand grösser, da eine digitale 3D-Oberfläche (DGM/DTM) des Bauprojektes erstellt werden muss. Diese wird danach auf den Maschinenrechner geladen. Vor dem Maschineneinsatz werden die Steuerungskomponenten eingerichtet, kontrolliert und eventuell eine Feinkalibrierung durchgeführt.

Zum Aufbereiten der 3D-Vermaschungsmodelle werden die entsprechenden CAD-Planungsgrundlagen benötigt, bspw. Aushubplan, Deckenbuch Trasse, Längen-, Quer- und Normalprofile oder bereits gerechnete Koordinatenpunkte. Aufgrund dieser Grundlagen muss es möglich sein, die Oberfläche georeferenziert als 3D-Modell zu konstruieren. Für eine einwandfreie Aufbereitung des 3D-Modelles sind zudem möglichst genaue Grundlagen des bestehenden Geländes notwendig.

Die Steuerung per GPS/GNSS kann entweder über den swipos-Korrekturdienst erfolgen, oder es wird eine mobile Referenzstation auf der Baustelle eingemessen, welche die Korrekturdaten liefert. Die Beschaffungskosten und Vorbereitungsarbeiten sind mittels swipos geringer. Hingegen läuft die Funkverbindung zu einer mobilen Referenzstation in den meisten Fällen sehr stabil, bei Satellitenverlust ist sehr rasch wieder eine initialisierte Lösung vorhanden und das System kann auch in Gebieten ohne Handyempfang eingesetzt werden.

Die Steuerung per Totalstation ist etwas aufwendiger. Je nach Projekt und Baumaschine werden ein, zwei oder sogar drei Totalstationen miteinander eingesetzt. Falls mehrere Totalstationen zusammen eingesetzt werden, wird ein Instrument zur Kontrolle und Feinjustierung der Steuerung gebraucht. Erschwerend kommt hinzu, dass jederzeit der Sichtkontakt zum Maschinen-Prisma, auch während des Baustellenverkehrs, gewährleistet sein muss.

3D-Steuerung Einbaumaschine mit Totalstation

Grundvoraussetzung für einen reibungslosen Ablauf während der Steuerung ist dabei ein dichtes und präzises Fixpunktenetz, an gut ausgewählten Standorten.

Wo liegen die Vorteile?

Sicher nicht auf jeder Baustelle und bei jedem Projekt macht es Sinn eine digitale Datenaufbereitung durchzuführen und die erwähnten Instrumente und Steuerungssensoren einzusetzen. Bei länger andauernden, komplexen oder grösseren Projekten kann der Einsatz jedoch für die Bauunternehmung sehr interessant sein und rechtfertig die doch relativ hohen Investitionskosten.

Umständliche und aufwendige Absteckungen, wie Pflöcke, Eisen, Drähte, Schnüre usw., welche im Weg stehen oder rückversichert werden müssen, können auf ein Minimum reduziert werden. Die Bauarbeiter haben eine ständige Kontrolle und Rückversicherung ihrer Arbeit. Je nach System kann die Ausführung, Absteckung und Kontrolle von einer Person durchgeführt werden. Falls die Mittel richtig in den geeigneten Projekten eingesetzt werden, ist dieses selbständige Arbeiten mit modernsten Hilfsmitteln für die Bauunternehmung sehr effizient und speditiv. Auch Material und Materialbewegungen können durch den präzisen Aushub und Einbau eingespart und reduziert werden, was wiederum Zeit, Personal- und Betriebskosten einspart.

Wo liegen nun die Aufgaben für den Vermesser?

Auch mit diesen beeindruckenden neuen Technologien, sind weiterhin unabhängige Kontrollen, bei seriöser Ausführung, unbedingt durchzuführen. Bspw. sind beim Einsatz einer 3D-Baggersteuerung mit GPS/GNSS, ausgewählte Koten per Nivellier oder Totalstation zu überprüfen.

3D-Steuerung Grader mit Totalstation

Für die oben genannte Aufgabe, die Datenaufbereitung (insbesondere der 3D-Modelle), Vorbereitung und Einrichtung der Maschinensteuerung, Steuerung per Totalstation(en), Betreuung der unterschiedlichen Sensoren und Software, Aufnahme des Urgeländes, oder die Erstellung, Verdichtung und Unterhalt der Fixpunktnetze, sind gut ausgebildete Vermessungsfachleute gefragt.

Oftmals wird die Entwicklung der vergangenen Jahre eher kritisch betrachtet, dass Baubetriebe gewisse Vermessungsaufgaben inzwischen selbständig erledigen. Hingegen öffnet dies Möglichkeiten für weitere neue, interessante Aufgaben für den Vermesser. Gutes, fundiertes Vermessungs-„Know-How“ und flexible, professionelle vermessungstechnische Unterstützung ist nach wie vor sehr gefragt und dies wird in Zukunft auch so bleiben.

Gilbert Roulier, KIBAG Bauleistungen AG