concepts
01 | 2021
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Künstliche Intelligenz

„Wir kommen zu ganz neuen Fragestellungen“

Deutschlands führender KI-Forscher Kristian Kersting und Nexplore-CEO David Koch möchten künstliche Intelligenz in die Bauindustrie bringen. Im Gespräch mit concepts-Chefredakteur Torsten Meise erläutern sie die Kooperation im Forschungsprojekt „Artificial Intelligence in Construction“ (AICO) an der TU Darmstadt.

conceptsHerr Kersting, wie erklären Sie einem Laien, was künstliche Intelligenz ist?

Kristian KerstingGemäß der ursprünglichen Definition von John McCarthy geht es darum, dass wir Computerprogramme haben wollen, die intelligentes Verhalten zeigen oder nachbilden. Der Mensch muss dabei nicht das Vorbild sein. Denken Sie an das autonome Fahren. Wenn wir uns da nur am Menschen orientieren würden, bekämen wir wahrscheinlich genauso viele Unfälle wie jetzt.

conceptsWo begegnen wir denn der KI heute schon?

KerstingWenn sich das Smartphone per Gesichtserkennung freischaltet, dann ist das künstliche Intelligenz. Oder bei Sprachassistenten. Wenn Sie einen Satz sagen, der muss ja verstanden werden. Sprache zu verstehen ist eine sehr schwierige Aufgabe. Aktuell gibt es dank KI auch spannende Durchbrüche in der Biologie, der Medizin oder der Biochemie.

conceptsHerr Koch, wie kann KI in der Bauindustrie sinnvoll eingesetzt werden?

David KochWir stehen zwar noch relativ am Anfang, können aber schon jetzt sehen, dass KI uns in vielen Bereichen helfen kann. Etwa dort, wo man über Bilderkennung Qualität herauslesen kann. Ein wichtiges Thema ist die automatische Kontrolle des Baufortschritts. Da bedarf es intelligenter Systeme, die in der Lage sind, aus den Bildern, Videos oder Punktwolken etwas herauszulesen. Oder nehmen Sie das Thema Sicherheit. Wir arbeiten in Hongkong gerade an einem Use Case, bei dem es um den Sicherheitsabstand zu schweren Maschinen geht. Auf den Baumaschinen werden Kamerasysteme installiert, und die Mitarbeiter haben Armbänder, die Vibrations- und Akustiksignale aussenden, sobald sie in den Gefährdungsbereich kommen. Auch das Thema Robotik, das uns beschäftigt, wird stark von KI-Systemen geprägt sein.

conceptsWelche KI-Projekte realisiert HOCHTIEF denn mit Herrn Kersting und der TU Darmstadt?

KochWir haben gemeinsam das AICO-Zentrum gegründet, das steht für Artifical Intelligence for Construction. Dem zugrunde liegt ein Programm, das wir intern als „Dual PhD“ beschreiben. Es ist eine praxisnähere Einbindung von PhD-Studierenden, die während der Erarbeitung ihrer Dissertation zeitweise mit uns an konkreten Lösungen arbeiten. Das ist ein relativ neues System.

KerstingDer „Dual PhD“ ist vorbildlich, um für Digitalisierungsfragen neue Partnerschaften einzugehen. Der Transfer von Wissen geht nicht nur über die Ergebnisse, sondern auch über die Köpfe. HOCHTIEF braucht in Zukunft sein eigenes KI-Team. Das wird aber nicht aus der Luft gezaubert. Dort frühzeitig in Kontakt zu sein und Verständnis aufzubauen ist ganz wichtig.

Koch  Wir erhoffen uns natürlich auch, dass wir entlang der aktuellen Forschung Produkte und Anwendungen entwickeln können. Wir haben zum Beispiel ein Projekt, das befasst sich mit den Risiken in der Vertragsanalyse. Das ist ein automatisiertes Tool, das Verträge einliest und dann die darin enthaltenen Risiken klassifiziert.

conceptsWie umfangreich ist so ein Vertrag, von dem Sie sprechen?

KochBauverträge können mitunter bis zu 20.000 Seiten umfassen. Das ist dann mit einer gewissen Fehleranfälligkeit behaftet. Da gibt uns das KI-System substanzielle Hilfestellung für die Bearbeiter und Projektleiter.

conceptsGibt es andere Beispiele?

KochWir haben ein spannendes Projekt, bei dem wir in BIM-Modellen Deep Learning anwenden wollen, um möglicherweise fehlende Informationen oder noch nicht vorhandene Informationen zu simulieren. Das ist ein sehr vielversprechender Use Case, denn die Bauindustrie ist ein komplexes Business, bei dem viele Partner zusammenarbeiten. Da existieren Fehlerquellen durch teilweise nicht abgestimmte Unterlagen, nicht voll durchdrungene Planungen oder auch aufgrund von Kommunikationsproblemen.

conceptsDas heißt, die Konflikterkennung in BIM-Modellen erfolgt dann über eine KI?

KochGanz genau. Wenn man solche Modelle mit KI vorsimulieren und konsolidieren könnte, gäbe es deutlich verringerte Risiken und optimierte Prozesse auf der Baustelle. Wir haben außerdem zwei Projekte im Bereich Robotik. Beim ersten arbeiten wir mit autonomen Geräten – also Drohnen, Lafetten oder einem Roboterhund –, die Baustellen ablaufen und automatisiert gewisse Zustände erkennen. Bei einem zweiten geht es um Tätigkeiten, bei denen man eine Art Sensorik, vielleicht sogar fühlende Roboter braucht, um Dinge genau einpassen zu können.

conceptsHerr Kersting, hat denn die Zusammenarbeit auch Vorteile für die TU Darmstadt?

KerstingIch habe meinen Postdoc am Massachusetts Institute of Technology (MIT) gemacht und dort gesehen, wie Firmen und Leute anderer Fachdisziplinen vorbeikommen und ihre Probleme vorstellen. Durch diese Diskussionen wird man als Wissenschaftler herausgefordert und kommt zu ganz neuen Fragestellungen. In der Kooperation mit HOCHTIEF sehe ich genau das. Man redet gemeinsam über die Probleme, und beide bekommen plötzlich ein Glitzern in den Augen, weil man sieht: Hier könnten wir eine Win-win-Situation herstellen.

conceptsSie streben eine Kombination von Grundlagen- und Anwendungsforschung an?

KerstingGenau das passiert hier! All diese Projekte haben eine ganz starke Forschungskomponente. Wir entwickeln allgemeine Konzepte, die unsere Doktorandinnen und Doktoranden dann bei HOCHTIEF auf spezielle Daten und Problemstellungen anwenden. Die Roboterhunde, die den Baufortschritt überblicken und vielleicht auch Gefahrenstellen feststellen, wurden ja schon erwähnt. Die nächste Aufgabe ist jetzt, diese Daten mit dem BIM-System zu verknüpfen, was in der Zukunft ganz sicher passieren wird. Und da kommen wir zu Aspekten, die in der internationalen KI-Forschung, zum Beispiel von dem Nobelpreisträger Daniel Kahnemann, derzeit besonders diskutiert werden, nämlich wie man Schlussfolgern und Weltwissen mit Lernen und Aktion zusammenführt. Sie sehen, gemeinsam mit HOCHTIEF machen wir sowohl den Grundlagenforscher als auch die anwendungsorientierte Forscherin glücklich.

conceptsGibt es bei Digitalisierungsprozessen Besonderheiten der Infrastruktur- und Bauindustrie? Sind andere Branchen nicht schon weiter?

KochEs gibt von der „Harvard Business Review“ eine Übersicht, bei der wir in Sachen Digitalisierung auf dem vorletzten Platz sind, nach uns kommt nur noch „Fishing and Hunting“. Die Digitalisierung hat in der Bauindustrie noch nicht wirklich Einzug gehalten, weil unser Geschäft so schwierig ist. Es ist ein Projektgeschäft. Das bedeutet jedes Mal neue Bedingungen, neue Projektaufgaben, neue Partner. Außerdem sind die Aufgaben sehr komplex und verändern sich dynamisch. Mit den bisherigen Techniken der Digitalisierung ist dem nicht beizukommen. Aber mit der Revolution durch KI, durch neue Programmiertechniken oder beispielsweise Drohnen ändert sich das. Unser Vorteil ist jetzt, dass wir in diesem Bereich kein Legacy-System, also veraltete Technik, haben. In der Bauindustrie können wir neue Systeme auf dem aktuellen Stand der Technik entwickeln.

conceptsWie wird die Arbeit auf Baustellen, aber auch in den Planungs- und Bauleitungsbüros in 10 oder 20 Jahren aussehen?

KochKurzfristig steht die Optimierung der Prozesse im Vordergrund. Die neuen Technologien werden zur Kosten-, Termin- und Qualitätsstabilität beitragen und möglicherweise auch den Preis des Bauens etwas senken. In der nächsten Instanz wird es mehr um Automatisierung gehen, und zwar erstens über Robotik und zweitens über die stärkere Vorfertigung und Modularisierung. Das Thema 3-D-Druck könnte in dem Bereich von sehr großer Bedeutung sein. Dann wird Bauen irgendwann zu einer Art Zusammenbauen, bekannt unter dem Schlagwort „Construction as Assembly“. Das wird circa in 10 bis 15 Jahren passieren. Dann haben wir auch viel mehr autonome Maschinen.

KerstingMan kann ja schon Beispiele dafür sehen. Etwa in den großen Minen in Australien, wo besonders riesige Massen von A nach B bewegt werden müssen. Das wird dort schon gut vorangetrieben, natürlich in einem einfachen Setting, weil eine Mine ein abgeschlossener Bereich ist.

conceptsRund um „Proptech“ entsteht derzeit ein wachsendes Ökosystem an Start-ups. Welche Rolle spielt KI in diesem Bereich? Sollte sich die Branche frühzeitig mit diesen jungen Unternehmen auseinandersetzen?

KerstingDeswegen bauen wir in Darmstadt ja auch das Hessische Zentrum für KI, an dem HOCHTIEF Nexplore sich ebenfalls beteiligt. Wir streben ein möglichst großes Ökosystem an, auch um Start-ups zu unterstützen. Unsere Frage ist: Wie bekommen wir die aktuelle Forschung in diese Unternehmen? Da geht es zum Beispiel auch um den Aufbau einer leistungsfähigen Computing-Infrastruktur. Einige Fragestellungen, die wir haben, rechnet man nicht auf einem normalen Rechner in zwei Tagen durch. Wenn man hier Partnerschaften eingeht, kann man die Lücken zwischen anderen KI-Playern in der Welt, wie China oder die USA, locker füllen.

KochEs tut sich enorm viel im Proptech- und auch im Constructiontech-Markt. Die Bauindustrie wird mittlerweile von vielen Investoren als eines der letzten „Greenfields“ angesehen. Da fließen jetzt enorme Gelder rein, die vielen Start-ups zugutekommen, und es werden auch spannende Dinge entwickelt. Wir scannen die Start-up-Szene seit drei Jahren und sind auch im intensiven Austausch. Die Firmen haben aber zwei Probleme. Die realen Aufgaben und Probleme sind nicht einfach zu lösen und zu verstehen. Das bringt mit sich, dass die Produkte nicht vollumfänglich auf die Anforderungen der Baustelle oder der Firmen passen. Außerdem fehlen den Start-ups oft auch die Daten.

conceptsUnd große Datenmengen sind notwendig, vor allem für KI-Anwendungen.

KochGenau, ich gebe Ihnen ein Beispiel: Wir entwickeln eine Qualitätsuntersuchung von Beton, die über Bilderkennung funktioniert. Wir beobachten, wie der Beton über eine Rutsche aus dem Mischer fließt. Anhand des Fließverhaltens und anderer Parameter lässt sich die Qualität beurteilen. Das funktioniert aber nur, wenn Tausende Kubikmeter an Beton verbaut werden. Das heißt, ein Start-up müsste erst einmal an die Daten rankommen, um das leisten zu können. Deshalb haben diese Firmen meines Erachtens in diesem Bereich noch keinen durchschlagenden Erfolg. Aber wir beobachten das und sind interessiert an Kooperationen.

KerstingIch kann dem nur zustimmen. Auch deshalb sind wir froh über die Kooperation mit HOCHTIEF. Weil es ein international agierender Konzern ist, können wir Daten aus Hamburg und Hongkong miteinander vergleichen. Das ist eine echte Chance.

conceptsHerr Kersting, Sie haben bereits die Konkurrenz zu den USA und China in Sachen KI-Forschung angesprochen. In welchen Bereichen könnten Deutschland und Europa denn noch punkten?

KerstingViele deutsche und europäische Forscherinnen und Forscher sind in der KI-Forschung sehr prominent. Wir müssen uns hier nicht verstecken. Der entscheidende Faktor ist, das Ökosystem zu entwickeln. Ich glaube, dass wir in Deutschland sehr viele Möglichkeiten haben und schnell ähnliche Erfolge aufbauen können wie andere Länder.

conceptsHerr Koch, wird Nexplore sein Know-how sowie seine Produkte und Softwarelösungen anderen zur Verfügung stellen?

KochWir machen so gut wie alle Großprojekte in Arbeitsgemeinschaften. In dem Moment, in dem wir ein Tool für ein Projekt bauen, wird das automatisch auch von unserem Wettbewerber genutzt. Und das ist gut so, denn am Ende müssen wir das operative Modell der gesamten Industrie verändern. Es reicht nicht, nur anders zu operieren. Wir sind in ein Netzwerk aus Zulieferern und Nachunternehmern eingebunden, und die müssen wir mitnehmen. Wir wollen dabei jedoch an der Spitze stehen, indem wir das gemeinsam mit unseren Fachleuten entwickeln und dann anderen zur Verfügung stellen.

conceptsWelchen Beitrag kann die Digitalisierung für das nachhaltige Bauen leisten?

KochWir sind überzeugt, dass sich das recht ressourcenintensive Baugeschäft mit Blick auf Nachhaltigkeit weiter optimieren lässt. Das Feld ist sehr weit, und wir sind daran auch sehr interessiert. Nexplore ist unter anderem eines der 13 Mitglieder im Climate and Sustainability Consortium des MIT – als einziger Vertreter unserer Industrie. Dort arbeiten wir an Visionen, wie wir unsere Industrie, aber eben auch andere Bereiche in der Zukunft nachhaltiger gestalten können. Als Bauindustrie können wir durchaus einen Beitrag leisten. So entwickelte das Fraunhofer-Institut gemeinsam mit unserer HOCHTIEF-Engineering-Einheit IKS eine Batterietechnik, die große Betonkugeln unter Wasser mit einer Turbine kombiniert. Ein sehr nachhaltiges Projekt, das im Meer sogar noch wie ein künstliches Riff wirkt. Diese riesigen Kugeln werden so schwer sein, dass sie vor Ort hergestellt werden müssen, was mit traditionellen Schalungsmethoden enorm schwierig ist. Wir würden da jetzt gerne 3-D-Druck testen.

KerstingDie wirklich großen Herausforderungen der Menschheit müssen wir interdisziplinär angehen. Ich möchte, dass wir solche Fragen irgendwann in den Lehrbetrieb bringen. Die Studierenden sollen frühzeitig sehen, dass man vernetzt und global denken sollte und kann. Und wir müssen sie darauf vorbereiten, dass sie in Zukunft in interdisziplinären Teams arbeiten werden.

KochGenau deshalb sind wir bei dem KI-Zentrum Hessen dabei. Mit Nexplore haben wir über die letzten zwei Jahre eine digitale Plattform entwickelt, und die wollen wir auch gemeinsam nutzen mit Industrie, Universitäten und Start-ups, um die Kräfte zu bündeln. Es gibt viele Fragen, bei denen es keinen Sinn macht, sie individuell zu betrachten. Autonomes Fahren ist so ein Thema. Wir glauben, dass wir uns da gegenseitig befruchten.

KerstingDie Kooperation mit HOCHTIEF war ein Türöffner, um das Ökosystem um die Hochschule herumzubauen. Wir wollen ja auch ein Riff bauen, auf dem verschiedene Tiere und Pflanzen leben, und da ist jetzt der erste Schritt getan. Und ich würde natürlich gern eine Elbphilharmonie in Darmstadt haben, aber das ist wieder eine andere Frage.

conceptsHerr Kersting, Herr Koch, vielen Dank für das Gespräch!


PROF. DR. KRISTIAN KERSTING
Der 48-jährige Informatiker leitet das Artificial and Machine Learning Lab an der Technischen Universität Darmstadt und ist Co-Sprecher des Hessischen Zentrums für KI (hessian.AI). Für seine Arbeiten erhielt er 2019 den Deutschen KI-Preis.


DAVID KOCH
Der Architekt ist Chief Risk, Organization and Innovation Officer bei HOCHTIEF und CEO von Nexplore. Bis 2015 war er Partner beim Architekturbüro Herzog & de Meuron und dort unter anderem mitverantwortlich für den Bau der Hamburger Elbphilharmonie.


AICO
Die HOCHTIEF-Gesellschaft Nexplore hat eine in ihrer Art einzigartige Forschungspartnerschaft mit der Technischen Universität Darmstadt geschlossen. Im Zentrum der Zusammenarbeit steht die Frage, wie sich künstliche Intelligenz in der Bauindustrie einsetzen lässt. Gestartet im April 2020, ist das Collaboration Lab „Artificial Intelligence in Con­struction“ (AICO) von TU Darmstadt und HOCHTIEF auf zunächst vier Jahre angelegt.


HESSISCHES ZENTRUM FÜR KI
Dem an der TU Darmstadt angesiedelten „hessian.AI“ sind 13 hessische Hochschulen angeschlossen. 20 Professuren wurden eingerichtet. Zu den mehr als 40 Partnern gehört HOCHTIEF Nexplore.


ZUSAMMENARBEIT
Zu den Partnern von Nexplore zählen neben der TU Darmstadt unter anderem das Massachusetts Institute of Technology in Boston, die Polytechnische Universität in Madrid und die Minnesota State University.


NEXPLORE: EINE GLOBALE PLATTFORM
Nexplore ist 2018 von HOCHTIEF als gruppenweite Plattform für digitale Innovationen gegründet worden und arbeitet mit Wissenschaftlern und führenden Universitäten weltweit zusammen, um den Übergang in die digitale Zukunft der Bau- und Serviceaktivitäten zu gestalten.