Hoe autonome machines de bouwsector de toekomst in kunnen duwen

• Samenvatting
• De opkomst van bouwautomatisering
• Hoe automatisering de bouw ten goede komt
• Voorbeelden: Van autonome robotische graafmachines tot elektrisch aangedreven kiepwagens
• Een “nieuwe Industriële Revolutie?”
• Gestimuleerd door tekorten aan arbeidskrachten
• De toekomst van automatisering in de bouw
• Geleerde lessen

Samenvatting

Het beeld van bouwvakkers die zware machines bedienen, maakt langzaam plaats voor een nieuwe generatie arbeiders: autonome machines. Van zelfrijdende bulldozers die een terrein tot op de millimeter nauwkeurig kunnen egaliseren tot metselrobots die sneller muren kunnen bouwen dan hun menselijke collega’s. Deze machines bewijzen hun waarde in veel verschillende toepassingen:

• Built Robotics heeft een autonome graafmachine ontwikkeld die computer vision, machine learning en geavanceerde sensoren gebruikt om graafwerkzaamheden uit te voeren.
• Onderzoekers van ETH Zurich hebben een autonome machine ontwikkeld die snel droge stenen muren kan bouwen.
• 81 procent van de bouwbedrijven is van plan om binnen de komende tien jaar bouwautomatisering te implementeren.
• 68 procent van de bouwbedrijven heeft moeite om openstaande vacatures in te vullen vanwege een gebrek aan gekwalificeerde kandidaten.
• “De eerste Industriële Revolutie was meer dan honderd jaar geleden, en we staan absoluut aan het begin van een nieuwe Industriële Revolutie die draait om robotica en kunstmatige intelligentie”, zegt Jeremy Searock, mede-oprichter van Advanced Construction Robotics.

Het lijkt zeker dat automatisering een betekenisvolle rol zal spelen in de bouwsector van morgen. Maar hoe groot zal die rol zijn? Gaan we binnenkort bouwplaatsen zien zonder menselijke arbeiders? Of zal de sector altijd afhankelijk blijven van een goede samenwerking tussen mens en machine?

De opkomst van bouwautomatisering

Er is een stille maar krachtige verschuiving gaande in de bouwsector. Het vertrouwde beeld van menselijke operators die zware machines bedienen, maakt langzaam plaats voor een nieuwe generatie arbeiders: autonome machines. Deze geavanceerde entiteiten, uitgerust met sensoren, camera’s en intelligente software, blijken meer te zijn dan een pure noviteit. Ze worden een integraal onderdeel van het bouwproces.

De opkomst van autonome bouwmachines is geen plotselinge ontwikkeling. Het is het resultaat van jaren van onderzoek en ontwikkeling om de efficiëntie, veiligheid en precisie op bouwplaatsen te verbeteren. Van zelfrijdende bulldozers die een terrein tot op de millimeter nauwkeurig kunnen egaliseren tot robotische metselaars die sneller muren kunnen bouwen dan hun menselijke collega’s. Deze machines bewijzen hun waarde in veel verschillende toepassingen.

De bouwsector staat onder toenemende druk om meer te bouwen met minder financiële middelen, waardoor de invoering van autonome machines een aantrekkelijke oplossing wordt. Deze machines kunnen de behoefte aan menselijke arbeid bij gevaarlijke of repetitieve taken aanzienlijk verminderen, waardoor de veiligheid verbetert. Daarnaast kunnen bouwbedrijven hun menselijk talent anders inzetten en hen zich meer laten richten op taken die kritisch denken en creativiteit vereisen.

“De eerste Industriële Revolutie was meer dan honderd jaar geleden, en we staan absoluut aan het begin van een nieuwe Industriële Revolutie die draait om robotica en kunstmatige intelligentie”

Jeremy Searock, mede-oprichter van Advanced Construction Robotics

Hoe automatisering de bouw ten goede komt

Automatisering heeft een breed scala aan voordelen voor de bouwsector, waaronder verbeterde productiviteit en veiligheid, minder afval en een verminderde impact op het milieu.

Hoewel het misschien een relatief recente ontwikkeling lijkt, is het idee van gemechaniseerde geautomatiseerde bouw eigenlijk al enkele eeuwen oud. De oorsprong ervan gaat terug tot het einde van de derde eeuw voor Christus, toen de eerste Chinese keizer, Qin Shi Huang, prefabricatietechnieken gebruikte om zijn terracottaleger te bouwen. Maar pas met de uitvinding van de eerste industriële robots in de jaren vijftig ontstond automatisering zoals we die nu kennen. De auto-industrie was de eerste die de trend omarmde, en de bouw volgde in de jaren zestig en zeventig.

In de jaren zeventig en tachtig maakte de geautomatiseerde bouw een enorme sprong voorwaarts met de ontwikkeling van robots en op afstand bestuurbare machines voor een breed scala aan bouwtaken. De drijvende krachten achter de verandering waren vaak Japanse bedrijven zoals Shimizu Corporation, Obayashi Corporation en Takenaka Corporation. Japan kampte destijds met een ernstig tekort aan arbeidskrachten in de bouw als gevolg van een vergrijzende bevolking en desinteresse bij jongere generaties. Als reactie op deze problemen investeerde het land fors in onderzoek en ontwikkeling, waarbij innovatieve geautomatiseerde oplossingen werden gecreëerd om de arbeidscrisis aan te pakken en de sector draaiende te houden.

Automatisering in de bouw kan vele vormen aannemen, waarvan de meest eenvoudige fysiek werk ter plaatse is, zoals graven, metselwerk en het plaatsen van wapeningsstaal. Automatisering van de bouw buiten de locatie wint echter aan populariteit, waarbij modulaire bouwcomponenten in fabrieken worden geproduceerd via moderne technieken zoals 3D-printen. Het is ook mogelijk om ontwerp-, plannings- en beheerprocessen te automatiseren door gebruik te maken van digitale tools en platforms zoals Building Information Modeling (BIM). In dit artikel zullen we ons voornamelijk richten op fysiek werk op de bouwplaats en de manieren waarop bedrijven hiervoor automatisering in kunnen zetten.

Er zijn tal van manieren waarop automatisering bouwbedrijven ten goede kan komen. Op het meest basale niveau verbetert het de productiviteit en vermindert het de tijd die nodig is om projecten af te ronden. Het kan bouwbedrijven echter ook helpen hun middelen beter te benutten en afval te minimaliseren, wat weer kan helpen de impact van de sector op het milieu te verminderen. Tot slot kan automatisering ook helpen om de bouwplaats veilig te houden door blootstelling aan gevaarlijke taken en situaties te verminderen.

Van autonome robotische graafmachines tot elektrisch aangedreven kiepwagens

Er is een groeiend aantal geautomatiseerde machines dat een breed scala aan bouwtaken kan uitvoeren.

Een van de meest opmerkelijke recente ontwikkelingen in bouwautomatisering komt van technologiebedrijf Built Robotics, dat een autonome graafmachine heeft ontwikkeld die gebruik maakt van computer vision, machine learning en geavanceerde sensoren om graafwerkzaamheden uit te voeren met superieure nauwkeurigheid en consistentie.

De graafmachine is uitgerust met een geavanceerd ‘Exosystem’ waarmee het over de bouwplaats kan navigeren, obstakels kan vermijden en taken kan voltooien met minimale menselijke interventie. Maar we zien ook dat deze technologie nog niet volwassen is: hij kan alleen sleuven graven in rechte lijnen en blijft afhankelijk van menselijke operators om het werkgebied in te richten, de parameters van de opdracht te definiëren en toezicht te houden op het proces. Hij kan ook geen complexe beslissingen nemen of zich aanpassen aan onverwachte veranderingen in de omgeving.

Onderzoeksinstituut ETH Zurich heeft voor het daadwerkelijke bouwen HEAP (Hydraulic Excavator for an Autonomous Purpose) ontwikkeld. Een autonome machine die droge stenen muren kan bouwen. HEAP gebruikt een combinatie van LiDAR-sensoren, machine vision-technologie en geavanceerde algoritmen om een bouwplaats te scannen, een gedetailleerde 3D-kaart van het gebied te maken en de stenen te lokaliseren die gebruikt zullen worden om de muur te bouwen. Vervolgens tilt hij zorgvuldig elke steen op, weegt en analyseert de vorm en het zwaartepunt voordat hij de optimale plaatsing bepaalt. In verschillende bouwsessies was HEAP in staat om een droge stenen muur te bouwen van zes meter hoog en 65 meter lang, waarbij per sessie tussen de 20 en 30 stenen werden geplaatst – in totaal een gewicht van enkele tonnen.

In een baanbrekende samenwerking heeft SafeAI, een in Santa Clara gevestigd bedrijf dat gespecialiseerd is in het ombouwen van zware apparatuur naar autonome voertuigen, de handen ineengeslagen met de Japanse bouwgigant Obayashi Corporation om een unieke kiepwagen te introduceren die autonoom rijden combineert met batterij-elektrische aandrijving. In plaats van het voertuig vanaf de grond op te bouwen, hebben de bedrijven een bestaande Caterpillar 725 kiepwagen omgebouwd met SafeAI’s autonome software, waardoor het zijn omgeving kan waarnemen en in real-time kan reageren op veranderende omstandigheden. Het resultaat is een kiepwagen die veiliger, efficiënter en duurzamer is. Volgens SafeAI kan de combinatie van autonomie en elektrificatie de productiviteit met ongeveer 20 procent verhogen.

“Een getalenteerde operator kan misschien een paar uur snel zijn. Maar als je naar een langere periode kijkt, zul je zien dat het geautomatiseerde proces waarschijnlijk beter zal presteren.”

Scott Crozier, general manager van Trimble

Een “nieuwe Industriële Revolutie?”

Experts in de sector zijn het er grotendeels over eens dat autonome machines de productiviteit, kwaliteit en veiligheid in de bouw aanzienlijk zullen verbeteren.

Over het algemeen zijn experts het erover eens dat autonome machines een significante impact zullen hebben op de bouwsector, vooral op het gebied van productiviteit, kwaliteit en veiligheid. “De eerste Industriële Revolutie was meer dan 100 jaar geleden, en we staan absoluut aan het begin van een nieuwe Industriële Revolutie die draait om robotica en kunstmatige intelligentie”, zegt Jeremy Searock, mede-oprichter van robotisch materiaalleverancier Advanced Construction Robotics. Momenteel kan echter niet elk stuk bouwmaterieel geautomatiseerd worden. Bij sommige machines, zoals verdichters of mijntrucks, is het gemakkelijk te doen omdat hun werking relatief eenvoudig is.

“Als het gaat om bouwmaterieel, is er zo’n breed spectrum”, legt Chris Sleight uit, managing director van managementadviesbureau Off-Highway Research. “Er zijn voorbeelden waar autonoom materieel al werkt in de mijnbouw, waar het meer een gesloten circuit betreft. Geleidelijk aan verspreidt het zich naar kleinere mijnen en steengroeven.”

“Het volgende gebied waar het mogelijk toegepast kan worden, zijn nieuwe infrastructuurprojecten waar je nu al veel machinebesturing hebt. Denk aan machinale dozers, egaliseermachines en asfalteermachines”. Bij complexere machines en taken die werk in meer onvoorspelbare omgevingen met zich meebrengen, is automatisering echter niet altijd haalbaar. “Elke locatie zal anders zijn en daardoor kan je de machine niet één werkinstructie geven. Het is moeilijk te zien waar het economisch interessante kantelpunt zit bij een kleine, complexe, beperkte locatie”, voegt Sleight toe.

Scott Crozier, general manager van industrieel technologiebedrijf Trimble, gelooft dat autonoom materieel bouwbedrijven in staat zal stellen hun efficiëntie aanzienlijk te verbeteren. “Een getalenteerde operator kan misschien een paar uur snel zijn”, zegt hij. “Maar als je naar een langere periode kijkt, zul je merken dat het geautomatiseerde proces waarschijnlijk beter zal presteren”. Dat betekent echter niet dat menselijke arbeidskrachten niet meer nodig zullen zijn op bouwplaatsen. “Met een tekort aan arbeidskrachten is de enige optie om productiever te worden, en dat is wat robots doen”, voegt Searock toe. “Door met een robot te werken, kan één persoon het werk van een hele ploeg doen. Het doel is niet om het personeelsbestand te verminderen, maar om elke persoon op de werkplek de mogelijkheid te geven om taken met een hogere waarde uit te voeren”.

Wat betekent dit voor de bouwvakkers van morgen? Velen zullen hun vaardigheden moeten upgraden en digitaal vaardiger moeten worden als ze met deze hightech apparatuur willen kunnen omgaan. “Digitale geletterdheid moet omhoog”, zegt Aidan Maguire uit, business unit manager voor meten en robotica bij productiebedrijf Hilti.

“We zullen het van nature zien bij deze nieuwe generatie. Maar de nieuwe generatie kan de kennis en best practices uit het verleden niet zomaar overboord gooien, omdat die kernvaardigheden nodig zijn om effectief gebruik te maken van elke technologie. We moeten uitzoeken wat de beste manier is voor aannemers om die twee werelden samen te brengen”.

Maar het belangrijkste is misschien wel dat een verhoogde adoptie van automatisering de sector aantrekkelijker zal maken voor jongere generaties, wat een grote stap voorwaarts zal zijn in het aanpakken van de bestaande tekorten aan arbeidskrachten. “Je ervaren operators zullen nooit verdwijnen”, zegt Finlay Wood, business area director voor autonome oplossingen bij Trimble. “Maar robotica en autonomie gaan de banen toegankelijker maken voor jongeren”.

“De nieuwe generatie kan de kennis en best practices uit het verleden niet zomaar overboord gooien, omdat die kernvaardigheden nodig zijn om effectief gebruik te maken van elke technologie. We moeten uitzoeken wat de beste manier is voor aannemers om die twee werelden samen te brengen”.

Aidan Maguire, business unit manager voor meten en robotica bij Hilti

Gestimuleerd door tekorten aan arbeidskrachten

Onderzoeken tonen aan dat de toegenomen adoptie van automatisering in de bouw voornamelijk wordt gestimuleerd door tekorten aan arbeidskrachten.

Het is inmiddels waarschijnlijk duidelijk dat het gebrek aan geschoolde arbeidskrachten een van de belangrijkste drijvende krachten is achter de groeiende interesse in automatisering bij bouwbedrijven. Volgens de AGC 2023 Workforce Survey heeft 68 procent van de bedrijven moeite om openstaande functies in te vullen vanwege een gebrek aan beschikbare gekwalificeerde kandidaten, terwijl tekorten aan arbeidskrachten bij nog eens 61 procent tot projectvertragingen hebben geleid.

De vergrijzing van de beroepsbevolking in de sector is hierbij een verzwarende factor. Volgens de Associated Builders and Contractors, een handelsgroep gevestigd in Washington D.C., is ongeveer 20 procent van de bouwvakkers ouder dan 55 jaar. Zorgwekkend is dat de sector tegen 2031 41 procent van haar huidige personeelsbestand kan verliezen door pensionering, zo blijkt uit een rapport van McKinsey uit 2020.

Een belangrijke reden waarom bouwbedrijven moeite hebben om hun vertrekkende werknemers te vervangen door jong nieuw talent, is hun terughoudendheid om nieuwe technologieën te omarmen. Gelukkig lijkt dat nu te veranderen. Uit een onderzoek van ABB Robotics uit 2021 blijkt dat 81 procent van de bouwbedrijven van plan is om binnen het komende decennium bouwautomatisering te implementeren. Toen hen werd gevraagd hun mening te geven over AI en robotica, verwachtte slechts 17 procent dat automatisering een negatieve impact zal hebben op de sector, waarbij het verlies van banen als een potentieel risico werd benadrukt. Daarentegen zei 44 procent van de respondenten in de AGC 2023 Workforce Survey dat ze geloven dat AI en robotica een positieve impact zullen hebben op banen in de bouw, voornamelijk bij het automatiseren van handmatige taken die vaak foutgevoelig zijn.

41 procent van de respondenten gaf ook aan dat de impact van AI en robotica het meest zichtbaar zal zijn in de verbeterde kwaliteit van de banen, evenals in de verbeterde productiviteit en veiligheid van bouwvakkers. De bouw is een van de gevaarlijkste sectoren, goed voor bijna 20 procent van alle dodelijke ongevallen van werknemers in de VS in 2022 volgens de Occupational Safety and Health Administration. Het is dan ook geen verrassing dat de markt voor autonoom bouwmaterieel naar verwachting zal groeien van 15,41 miljard dollar in 2024 naar 22,31 miljard dollar in 2028. Dat staat in een rapport uit 2024 gepubliceerd door The Business Research Company.

De toekomst van automatisering in de bouw

De adoptie van automatisering in de bouw zal blijven groeien, maar volledig geautomatiseerde bouwplaatsen zijn misschien een stap te ver.

Er wordt verwacht dat automatisering de komende jaren een steeds prominentere rol zal gaan spelen in de bouwsector. Maar de vraag is: tot hoe ver zal worden doorgevoerd? Zal er een tijd komen dat autonome machines en robots het hele bouwproces overnemen en torenflats en uitgestrekte woonwijken bouwen zonder enige menselijke betrokkenheid? Hoewel dit scenario misschien niet helemaal ondenkbaar is, vooral gezien het snelle tempo van technologische ontwikkeling, vormen de inherente complexiteit en onvoorspelbaarheid van bouwplaatsen aanzienlijke uitdagingen voor volledige automatisering.

Het is waarschijnlijker dat mensen zij aan zij zullen werken met machines, waarbij ze zich richten op taken die complexe probleemoplossing en diepgaande analyse vereisen, terwijl ze hun geautomatiseerde collega’s de meer repetitieve en fysiek veeleisende taken laten uitvoeren. De sector zal een manier moeten vinden om de juiste balans te vinden tussen menselijke expertise en machine-efficiëntie.

De adoptie van automatisering zal bouwbedrijven ook in staat stellen om een nieuwe generatie werknemers aan te trekken en te behouden. Millennials en Gen Z-ers, die zijn opgegroeid met technologie binnen handbereik, verwachten dat gemak ook op hun werkplek en zullen zich meer aangetrokken voelen tot bedrijven die gebruik maken van geavanceerde tools en technologieën.

Geleerde lessen

Naarmate de bouwsector blijft veranderen, wordt de integratie van autonome machines steeds crucialer. Innovaties zoals autonome graafmachines, metselrobots en zelfrijdende vrachtwagens worden een alledaags beeld op bouwplaatsen over de hele wereld.

• Er zijn duidelijke voordelen verbonden aan autonome bouwtechnologie, waaronder verbeterde veiligheid, verhoogde efficiëntie en verminderde milieueffecten.
• De bouw is een van de gevaarlijkste sectoren, goed voor bijna 20 procent van alle dodelijke ongevallen van werknemers in de VS in 2022.
• 44 procent van de respondenten in de AGC 2023 Workforce Survey zei te geloven dat AI en robots een positieve impact zullen hebben op de banen in de bouw.
• 41 procent van de respondenten gelooft dat de adoptie van AI en robotica zal leiden tot een verbeterde kwaliteit van banen in de bouw, evenals een verbeterde productiviteit en veiligheid van bouwvakkers.
• De markt voor autonoom bouwmaterieel zal naar verwachting groeien van 15,41 miljard dollar in 2024 naar 22,31 miljard dollar in 2028.

Zal de opkomst van autonome machines uiteindelijk leiden tot een harmonieuze samenwerking tussen mens en machine, waarbij ieders unieke sterktes worden benut om een fijnere en duurzamere wereld te creëren? Of luidt het een nieuw tijdperk in waarin de aard van het werk en de rol van menselijke bouwers fundamenteel worden geherdefinieerd?