Approaches and potentials of circular automated construction

Heuer, Christoph Michael; Schmitt, Robert H.; Brell-Cokcan, Sigrid

doi:45177

Approaches and potentials of circular automated construction

Heuer, Christoph Michael^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Michael Heuer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03371
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032241/files/1032241.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Individualisierte Bauproduktion (211510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Die Baubranche befindet sich in einem Dilemma. Auf der einen Seite gilt es, das Bauen mit den planetaren Grenzen in Einklang zu bringen, auf der anderen Seite liegt es in der Verantwortung der Baubranche, für eine intakte Infrastruktur zu sorgen und angemessene Lebensbedingungen zu gewährleisten. Aktuell stehen diese beiden Punkte im Widerspruch. Der stetig wachsende Bedarf nach neuen Rohstoffen, Energie und 40~\% des weltweiten Abfalls, die die Baubranche erzeugt, belasten die Umwelt erheblich und tragen bedeutend zum menschengemachten Klimawandel bei. Die Europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, im Rahmen des Europäischen Green Deals die Wirtschaft grundlegend zu transformieren. Die aktuelle lineare Wirtschaft ("Take-Make-Dispose") soll in ein kreislaufbasiertes Modell ("Kreislaufwirtschaft") umgebaut werden, um Europa mit den Zielen des Pariser Klimaabkommens in Einklang zu bringen, aber auch, um die Rohstoffsouveränität Europas zu fördern. Das Bauen ist hierbei einer der bedeutendsten Transformationssektoren. Diese Transformation fordert ein radikales Umdenken der Bauwirtschaft. Auf der einen Seite gilt es, die Lebenszyklen des Gebäudebestands zu verlängern, auf der anderen Seite gilt es, die Rohstoffströme neu zu gestalten. So gilt es, bestehende Gebäude, die zum Abriss freigegeben wurden, als Bauteillager zu identifizieren und zu nutzen. Aufgrund des hohen personellen Aufwands dieser Tätigkeiten bedarf es der Entwicklung neuer und effizienter Maschinen und digitaler Modelle. Automation beschreibt die (teil-) automatische Ausführung von Tätigkeiten durch Maschinen. Diese hat bereits eine breite Akzeptanz in anderen Sektoren gefunden hat, findet in der Baubranche nur sehr zögerlich ihren Zugang. Dabei verspricht Automation, gefährliche Tätigkeiten in der komplexen Baustellenumgebung übernehmen zu können und wiederkehrende Aufgaben zu übernehmen. In der vorliegenden Thesis werden drei entwickelte Prozesse vorgestellt, die jeweils einem eigenen Bereich der Kreislaufwirtschaft zugeordnet sind. Das Ziel war, die Einsatzfähigkeit von Automation im zirkulären Bauen anhand dieser exemplarischen robotischen Prozesse zu beweisen: 1. Automatisierte Sanierung von Gebäuden: Für das Heizen und Kühlen des europäischen Gebäudebestands werden 32% des Energieverbrauchs benötigt. Grund hierfür ist u.a. eine unzureichende thermische Sanierung und der hohe Sanierungsstau, ausgelöst u.a. durch den Fachkräftemangel. Um dem entgegenzuwirken wurde eine erste robotische Fassadenplattform für die gerüstfreie thermischen Sanierung von Gebäuden entwickelt. Dabei konnte gezeigt werden, dass mithilfe von gesteuerter aktiver und passiver Nachgiebigkeit (passive/active compliance) eine hohe Montagetoleranz eingehalten werden kann.2. Der Kontrollierte Abriss und Wiederverwendung von Betonbauteilen: Aktuell stellt die Gewinnung von Betonbauteilen für die zirkuläre Nutzung aufgrund ihres hohen manuellen Arbeitsaufwands eine Herausforderung dar. Um zu zeigen, wie Automation bestehende Verfahren verbessern kann, wurde ein robotisches Verfahren entwickelt, welches im Vergleich zu dem bestehenden Prozess eine Zeiteinsparung von 83\% darstellt. Des Weiteren wurde untersucht, wie sich das bestehende Verfahren durch ein semantisches Prozessmodell abbilden lässt.3. Automatisierte Bauteilverfolgung: Nicht nur wird die kreislaufgerechte Baubranche die Art und Weise ändern, wie Materialien auf der Baustelle gewonnen werden, es ist davon auszugehen, dass eine dezentrale Logistik sich entwickeln, um die Materialien von den unterschiedlichen Baustellen zusammenzutragen. Um eine lückenlose Verfolgung der Materialien auf der Baustelle zu ermöglichen, wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit aufgezeigt, wie Radio Frequency Identification (RFID) helfen kann, Bauteile an einem Kran genau zu erkennen und ihren Transport über die Baustelle zu verfolgen.

The construction industry is in a dilema. On the one hand, construction must be brought into harmony with planetary boundaries; on the other hand, it is the responsibility of the construction industry to ensure an intact infrastructure and provide adequate living conditions. Currently, these two points are in conflict. The constantly growing demand for new raw materials, energy, and ~ 40% of global waste produced by the construction industry places a significant burden on the environment and greatly contributes to human-caused climate change. The European Union has set itself the goal, within the framework of the European Green Deal, of fundamentally transforming the economy. The current linear economy (“Take-Make-Dispose”) is to be converted into a circular-based model (“circular economy”) to align Europe with the goals of the Paris Climate Agreement and also to promote Europe’s raw material sovereignty. Construction is one of the most significant transformation sectors in this regard. This transformation requires a radical rethinking of the construction industry. On the one hand, it is necessary to extend the life cycles of the existing building stock; on the other hand, the material flows must be redesigned. Thus, buildings that have been approved for demolition must be identified and used as a source for secondary concrete building parts. Due to the high personnel effort involved in these activities, new and efficient machines and digital models must be developed. Automation, which refers to a system/machine that can (semi-)automatically execute certain processes, has already found broad acceptance in other sectors, but it is only slowly being adopted. Yet automation promises to take over dangerous tasks in the complex construction-site environment and to handle repetitive tasks. This thesis presents three developed processes, each assigned to a specific area of potential for the circular economy in construction. The aim of the thesis was to demonstrate the feasibility of automation in circular construction using the example of the following newly developed processes:1. Automation for the Building Refurbishment: The heating and cooling of the building stock in Europe is responsible for 32% of energy consumption. One reason for this is insufficient thermal renovation and a large renovation backlog, caused among other things by a shortage of skilled workers. To counter this, the first robotic façade platform for scaffold-free thermal renovation of buildings was developed. It was shown that, with the help of controlled active and passive compliance, a high assembly tolerance can be maintained. 2. Controlled (De-)Construction and Reuse of Concrete Building Parts: Currently, the recovery of concrete components for circular use is a challenge due to the high manual labor involved. To show how automation can improve existing methods, a robotic process was developed that represents a time saving of 83\% compared to the existing process. Furthermore, it was examined how the existing process can be mapped using a semantic process model.3. Automation in Material Tracking: Not only will the circular construction industry change the way materials are recovered on construction sites, it is also assumed that a decentralized logistics system will develop to collect materials from various construction sites. To enable seamless tracking of materials on construction sites, this work shows how Radio Frequency Identification (RFID) can help to accurately identify components on a crane and track their transport across the construction site.

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