Arbeitspaket 3: Vertikale Modellübergänge

Das Arbeitspaket AP3 erarbeitet die Methoden und Werkzeuge für die vertikalen Daten- und Modellübergänge zwischen den verschiedenen Abstraktionsstufen der Entscheidungsfindung. Es handelt sich dabei um Verdichtungs- und Expansionsprozesse und somit um Methoden, die mit Verlust und Zugewinn von Wissen und Informationen umgehen müssen. Hierzu werden empirisches Wissen (Regeln, Kennzahlen) sowie Fuzzy-Methoden herangezogen.

In den folgenden Abschnitten sind die wesentlichen Zwischenergebnisse aus dem Arbeitspaket AP3 im Hinblick auf die folgenden vier Projektphasen zusammengefasst:

Phase 4: Validierung und Demonstration

Die im Arbeitspaket AP3 entwickelten Expansions- und Verdichtungsmethoden wurden hauptsächlich anhand der Geschossdecken des Mefisto-Flughafens getestet. In den verschiedenen Demonstrationsszenarien werden diese in unterschiedlichen Detaillierungen und Ausführungsvarianten betrachtet.

Detaillierung der Geschossdecken in einzelne Montagefelder in Solidworks, Ed. Züblin AG

In der Ausschreibung und Angebotsbearbeitung wird die Erstellung der Geschossdecken zunächst geplant, indem zugehörige Leistungs-, Mengen- und Terminmodelle im Hinblick auf einzelne Etagen und Bauabschnitten der Decke erstellt oder detailliert werden. In der weiteren Ausführungs- und Montageplanung werden auch die Deckenelemente des Bauwerksmodells in einzelne Montagefelder und später sogar in einzelne Filigrandeckenelemente und Ortbetonschichten aufgeteilt. Jede Änderung der Deckenelemente im Bauwerksmodell erfordert dabei auch die Anpassung der zugehörigen Fach- und Linkmodelle. Gleichzeitig ermöglicht diese Synchronisierung unter Umständen aber auch die weitere teilautomatische Detaillierung der anderen Fachmodelle.

Im Mittelpunkt der Untersuchungen im Arbeitspaket AP3 standen unterschiedliche manuelle und automatisierte Möglichkeiten einzelne Bauwerks-, Mengen- und Vorgangsmodelle gezielt zu Detaillieren und die zugehörigen Multimodelle zu synchronisieren. Darüber hinaus wurden unterschiedliche Varianten getestet, um unterschiedlich detaillierte Fachmodelle gleicher Art zu verwalten und Änderungen zwischen ihnen auszutauschen.

Zur Detaillierung der Fachmodelle für die Erstellung der Geschossdecken wurden manuelle, heuristische und Verfahren der Referenzmodellierung eingesetzt, wie z.B.:

- die manuelle Unterteilung geometrischer Bauwerkselemente in einer CAD-Anwendung
- die Unterteilung geometrischer Bauwerkselemente mit Hilfe von Modellierungsvorlagen (Referenzmodellen) in einer CAD-Anwendung
- die Unterteilung geometrischer Bauwerkselemente durch heuristische Verfahren
- die manuelle Unterteilung von Vorgängen in einem Terminplanungsprogramm
- die Unterteilung von Vorgängen in einem Terminplanungsprogramm mit Hilfe von Referenzprozesse
- die Unterteilung von numerischer Elemente durch heuristische Verfahren

Die Ergebnisse der Detaillierungen bei Bauwerks-, Baustellen- und Vorgangsmodellen können entweder in den Ausgangsmodellen in einer weiteren Detailstufe oder auch als separate und verlinkte Fachmodell im Multimodell gespeichert. Die letztere Variante empfiehlt sich insbesondere bei detaillierten Konstruktionsmodellen für wiederkehrende Bauwerkselemente oder detaillierten Baugeräten, die in nur in wenigen Anwendungsfällen erforderlich sind. Im Vergleich dazu werden bei Mengenmodellen, Leistungsmodellen und Kostenmodellen die Ausgangsmodelle im Allgemeinen durch neu erstellt Modelle gleichen Typs ersetzt oder anderen Typs ergänzt.

Phase 3: Systementwicklung und Testen

Das Arbeitspaket AP3 befindet sich zurzeit in der dritten Projektphase. In dieser wurden von den Projektpartnern verschiedene der bisher erarbeiteten Methoden für die Expansion und Verdichtung der Fachmodelle im Rahmen ihrer jeweiligen Softwareanwendungen umgesetzt.

Darstellung des Multimodells Angebot mit verlinktem grobem Rahmenterminplan (Vorgabe AG, Mitte) und feinem Angebotsterminplan (Vorschlag AN, rechts), Institut für Bauinformatik, Technische Universität Dresden


Die obige Abbildung zeigt die Expansion eines Terminplanes. Dabei stellt der linke Terminplan die vom AG erstellte Vorgabe dar, der rechte Terminplan entspricht der korrespondierenden Detaillierung, welche im Zuge der Angebotserstellung durch den AN zusätzlich entstand. Beide Terminpläne sind im Angebot-Multi-Modell miteinander verlinkt, wodurch eine automatische Expansion durch Nachverfolgung der Links realisiert wurde.

Expansion
Entwicklungsschwerpunkt für die Expansion war dabei die Prozessexpansion mit den Methoden der Referenzprozessmodellierung aus dem Arbeitspaket AP2. Neben den Vorschriften zur Detaillierung der Prozesse umfasst das Referenzprozessmodule dabei auch unterschiedliche Regeln für die weitere Unterteilung der Modellelementen in den verlinkten Fachmodellen. Für die Ermittlung der in einzelnen Teilprozessen erstellen Teile eines Raumes oder eines Bauwerkselementes wurden verschiedene Funktionen für die Identifikation von partitiven Elementen sowie für die Zerlegung von Elementen an räumlichen Grenzen umgesetzt.

Verdichtung
Wichtigster Einsatzbereich von Verdichtungsmethoden war zunächst die Aggregation von Kosten- und Mengeninformationen im Hinblick auf die durch das Bauwerk definierten hierarchischen Objektstrukturen. Darüber hinaus wurden die Methoden zur Verdichtung von Bauwerksmodellen und Terminplänen ausgearbeitet: Für die Ermittlung partitiv übergeordneter Elemente im Bauwerksmodell wurden Funktionen für die Identifikation von zugehörigen Gruppen und Systemen (z.B. dem Raumstruktursystem) sowie für deren entsprechende Zuordnung entwickelt. Die Methoden der Terminplanverdichtung unterstützen dabei die Propagierung von aktuellen Termininformationen aus mehreren detaillierten in einen übergeordneten Terminplan, wo diese in der Prozess- und Risikoanalyse sowie im Rahmen von entsprechenden Planungsänderungen berücksichtigt werde können.

Phase 2: Ausarbeitung und Spezifikation

In der Zusammenarbeit der Forschungs- und Praxispartner wurden die Aufgaben zur Expansions- und Verdichtung der unterschiedlichen Fachmodelle in den Anwendungsszenarien für das Mefisto-Hochhaus und den Mefisto-Flughafen weiter systematisiert und erarbeitet. Darüber hinaus wurden für die Anforderungen für die im Arbeitspaket AP7 entwickelten Modellierungsvorlagen für Bauwerks- und Baustellenmodelle in Hinblick auf unterschiedliche Detaillierungsgrade ausgearbeitet.

Oberfläche des Prozesskonfigurators, Institut für Bauinformatik, Technische Universität Dresden


Die obige Abbildung zeigt die Nutzeroberfläche des ontologiebasierten Prozesskonfigurators für die hierarchische Bauprozessplanung auf der Basis von Referenzprozessmodulen.

Expansion
Für die Expansion wurde ein prozesszentriertes Verfahren ausgearbeitet, welches die Expansion als Planungsproblem betrachtet. Ausgehend von dem Gesamtergebnis eines Informations- oder Bauausführungsprozess werden dabei die Aufgaben für die Erstellung aller erforderlichen Teilleistungen sowie die Möglichkeiten zur deren technologischer Umsetzung sowie organisatorischer und zeitlicher Verteilungen analysiert. Im Hinblick auf die in der Prozessplanung verwendeten Referenzprozessmodule können dabei auch Regeln für die weitere Unterteilung der Modellelementen in den verlinkten Fachmodellen spezifiziert werden.

Verdichtung
Beim Verfahren für die Modellverdichtung wird diese hingegen im Wesentlichen als Analyse- und Mappingproblem betrachtet. Je nach Art des Fachmodells müssen dabei unterschiedlicher Regeln für Identifikation und die Auswertung zusammengehöriger Modellelemente sowie für ihre Generalisierung, Gruppierung oder Aggregation zu neuen Elementen oder Kennwerten definiert werden.

Phase 1: Anforderungen und Konzeption

Im dritten Arbeitspaket wurden die Abhängigkeiten und möglichen Modelltransformationen zwischen Fachmodellen in unterschiedlichen Detaillierungen untersucht. Ausgehend von den Anwendungsszenarien aus dem Arbeitspaket AP1 wurden zunächst die Arbeitsaufgaben identifiziert in denen Fachmodelle weiter detailliert (Expansion) oder wieder zusammengefasst (Verdichtung) werden. Darauf aufbauend wurden die mögliche Detailstufen der jeweiligen Fachmodelle zusammengestellt und systematisiert.

Hierarchische Strukturen von Bauwerks- und zugehörigen Bauprozessen, Institut für Bauinformatik, Technische Universtität Dresden


Die obige Abbildung zeigt exemplarisch die hierarchische Strukturierung von Bauwerksmodellen und zugehörigen Bauausführungsprozessen in der hierarchischen Bauprozessplanung.

Expansion
Als Schwerpunkt für die Expansion wurde die top-down Bauprozessplanung von ersten Projektrahmenterminen zu detaillierten Montageterminplänen hin ausgewählt. Das Augenmerk der Analysen lag vorerst auf dem Einsatz der hierarchischen Referenzprozessmodellierung und einer evtl. darauf folgenden Simulation wie sie in den Arbeitspaketen AP2 und AP5 ausgearbeitet werden. Ziel ist es in einem Referenzprozessmodul nicht nur die Teilaufgabe für die Durchführung eines Prozesses aufzuführen, sondern auch das Wissen darüber, wie die mit diesem Prozess verbundenen Fachmodelle zur Beschreibung der erstellten Leistungen und der erforderlichen Ressourcen weiter Expandiert werden müssen.

Verdichtung
Als wichtigste Anwendungsbereiche für die Verdichtung von Fachmodellen wurde zum Einen die Aufgaben des klassischen Kosten-, Termin- und Mengen-Controllings untersucht. Zum Anderen wurden die Möglichkeiten betrachtet, die, durch die Prozessplanung und Simulation ermittelten, Leistungs- und Ressourcenverteilungen wieder zu verdichten.

Teilaufgaben des AP3

Anforderungen an die vertikalen Modellübergänge

Für effiziente Methoden zur Unterstützung der vertikalen Modell- und Dateninteroperabilität wird die Vielfalt der tatsächlich erforderliche Transformationsarten und –szenarien untersucht, welche entsprechend der Ziele des Systems sinnvoll einzuordnen und zu priorisieren sind. Dabei ist der aktuelle Stand der Technik zu berücksichtigen um Doppelentwicklungen zu vermeiden. Diese Voruntersuchungen sollen auch die konkret betrachteten Anwendungsszenarien und Basisdatenstrukturen des AP1 mit berücksichtigen.

Methoden für die Modellverdichtung

Es werden Methoden entwickelt, Informationen mit zunehmender Instanzenebene flexibel mit aggregierten Werten zu ermöglichen. Hier werden verschiedene existierende Methoden untersucht, angepasst und fortgeschrieben. Weiterhin soll ermöglicht werden, Objekte aus mehreren Teilmodellen zu kombinieren sowie unsicheres Wissen über Fuzzy-Werte einzubeziehen. Die wesentliche Anforderung liegt darin, dass die zu erarbeitenden Methoden nicht nur 1:1 bzw. n:1 Transformationsvorschriften sondern auch n:m Beziehungen berücksichtigen.

Methoden für die Modellexpansion

Modellexpansion spiegelt den Prozess der Top-Down Änderung von Kenngrößen wider und dient somit der Weiterreichung von Projektentscheidungen. Fehlendes Wissen aufgrund der Expansion soll über gespeicherte Gültigkeits-, Konstruktions- und Ingenieurregeln sowie Nutzung von vorkonfigurierten Relationsobjekten rekonstruiert bzw. bereitgestellt werden. Hierzu ist die Anwendung von Planungs- und Konfigurationsmethoden aus dem Bereich der KI-Forschung vorgesehen.

Architektur und Management des Relationsnetzes

Bei der Entwicklung der vorgenannten Methoden kommt den zu entwickelnden speziellen Relationsobjekten und dem dadurch entstehenden Relationsnetz eine besondere Bedeutung zu. Relationsobjekte definieren Transformationsmuster, die durch den Einsatz bestimmter Methoden auf Objektmengen der Quell- und Zielmodellebenen angewendet werden. Das Relationsnetz soll so konzipiert sein, dass Entscheidungen durch ein geeignetes Versionierungsverfahren festgehalten und nachvollzogen werden können.

Assistenzsystem zur interaktiven Konfiguration des Relationsnetzwerkes

Die entwickelten vertikalen Interoperabilitätsmethoden werden in den Arbeitspaketen 5-8 entwickelten Software-Lösungen integriert. Für den Gesamtprototypen und den wiederverwendbaren Einsatz der vertikalen Interoperabilitätsmethoden ist es notwendig ein Assistenzsystem zu entwickeln, dass die Kopplung verschiedener Objekte (z. B. Prozesse, Produkte, Kosten, Ressourcen) zwischen unterschiedlichen Modellebenen visuell ermöglicht.

AP-Leiter:

Logo Technische Universität Dresden
Technische Universität Dresden
Fakultät Bauingenieurwesen
Institut für Baubetriebswesen
Kontakt:
Dr.-Ing. Peter Katranuschkov
Nürnberger Str. 31A
D-01187 Dresden

Tel.
+49 (0)351 463 322 51
Fax.
+49 (0)351 463 339 75
Email: