Arbeitspaket 7: Methoden zum objektorientierten Entwurf und zur Konfiguration von Bauprojekten und Bauprozessen

Das Arbeitspaket AP7 erarbeitet Methoden und Datenstrukturen zur Ergänzung der Basismodelle mit praktischem baubetrieblichem Wissen. Dies ermöglicht die schnelle Instanziierung der Modelle zur Laufzeit und das schnelle Aufsetzen, Durchführen und Auswerten von Simulationen. Das Augenmerk liegt auf der Spezifikation parametrisierter Objektmuster für Baustellen- und Bauwerkselemente, mit dessen Hilfe Simulationsmodelle schnell und realitätsnah erstellt werden können.

In den folgenden Abschnitten sind die wesentlichen Zwischenergebnisse aus dem Arbeitspaket AP7 im Hinblick auf die folgenden vier Projektphasen zusammengefasst:

Phase 4: Validierung und Demonstration

Die im Arbeitspaket AP7 entwickelten Methoden, Referenzmodelle und Softwarekomponenten wurden hauptsächlich in den zwei Szenarien „Ausführungsvarianten, Nachunternehmer und Baustellenplanung“ und „Montageplanung und -simulation“ getestet und verbessert. Am Beispiel des Mefisto-Flughafens untersuchen diese die Möglichkeiten der Baustellenplanung mit Modellierungsvorlagen (Referenzmodellen) sowie die parallele Detaillierung der zugehörigen Bauwerks-, Mengen-, und Vorgangsmodelle in enger Zusammenarbeit mit AP3.

Die Abbildung zeigt Teile des Multimodells zur Montageplanung in Solidworks, Max Bögl Bauservice GmbH & Co.KG

Multimodellbasierten Baustellenplanung
Die Möglichkeiten der multimodellbasierten Baustellenplanung wurden in enger Zusammenarbeit mit AP 3 am Beispiel des Mefisto-Flughafens untersucht. Für diesen wurden anstatt der ausgeschrieben Deckenkonstruktion mit Ortbetondecken eine alternative Ausführungsvariante mit Teilfertigteildecken gewählt. Zentrale Modellierungsaufgaben der Demonstrationsszenarien sind nachstehende.

Grobe Baustellenplanung: Für Baustellenplanung können das Baustellenlayout und die Baustelleninfrastruktur sehr einfach mit Hilfe von Referenzmodellen aus einer Modellbibliothek für Verkehrs-, Stell- und Lagerflächen sowie für die Baugeräte erstellt werden. Über die Angabe von Parametern werden die einsetzbaren Baugeräte aus der Bibliothek gewählt und weiter konfiguriert. Durch ihre Positionierung im 3D-Modell können Überschneidungen schnell erkannt und die Geräte an das Bauwerksmodell optimal angepasst werden. Bei der Integration des Baustellenmodells mit den verlinkten Fachmodellen in iTWO kann auf Grundlage der attributieren 3D-Baustellenelemente teilautomatisiert ein Baugeräte-LV erstellt werden.

Weitere Fachmodelle zur Termin- und Logistikplanung: Für die Planung der Ausführungstermine und weitere Logistikuntersuchungen werden im Bauwerksmodell die Geschossdecken der einzelnen Bauabschnitte entlang der Hauptunterzüge in einzelne Montagefelder unterteilt. Zur Reintegration des so detaillierten Bauwerksmodells müssen darauf hin in iTWO die Mengen der einzelnen Deckenfelder neu berechnet und die neuen Modellelemente verlinkt werden. Auf der Grundlage des Baustellenmodells und der detaillierten Deckenfelder und ihrer Bezüge zu Leistungspositionen, Mengen, und Grobterminen kann schließlich auch ein weiter detaillierter Terminplan erstellt werden. Insgesamt bietet das so erstellte Multimodell einen guten Überblick über die Ausführung des Rohbaus und eine umfassende Datengrundlage für die Logistiksimulation.

Fachmodelle zur Montageplanung: In der Montageplanung wird die Baustellenplanung zu einer ausführungsreifen Montageplanung weiterentwickelt, indem (1) die konstruktive Ausgestaltung der einzelnen Bauwerks- und Bauhilfselemente, (2) ihre Paketierung beim Transport und (3) die parallelen Montagevorgänge der Elemente in einer Produktionszelle im Detail geplant sowie (4) die hierbei erzielbaren Aufwandswerte ermittelt. Prinzipiell werden bei der detaillierten Montageplanung die gleichen Aufgaben wie bei der ersten Baustellen- und Produktionsplanung durchgeführt und dieselben Modellierungstechniken und -werkzeuge verwendet. In noch größerem Umfang kommen hierbei aber Referenzmodelle einzelner Bauelemente, Bauhilfsmittel, Baumateriealien, Baustellenarbeiter und Baugeräte zum Einsatz, welche die bestehenden Modellelemente ersetzen oder ergänzen. Darüber hinaus werden zahlreiche Funktionalitäten zur Kollisionsprüfung, Visualisierung und Animation der Montage genutzt, um Konflikte der Planung zu erkennen und erforderlichen die Aufwendungen zu ermitteln.

Objektkatalog für Gebäudemodellierung beim AG
Beim Projektpartner GIB wurde schließlich der Objektkatalog zur alphanumerischen Beschreibung der Raumanforderungen und Bauteilanforderungen fachlich inhaltlich weiterentwickelt und um Funktionalitäten zur Festlegung des „Level of Detail“ ergänzt. Für die Vergleichbarkeit von Flächen wurde der auf Basis der DIN 277 Teil 2 ein erweiterter Nutzungskatalog integriert. Ebenso wurde für die kostenmäßige Bewertung der Bauteile ein Katalog der Kostenelemente aufgenommen und ein Bezug zu den Bauteilen hergestellt.

Phase 3: Systementwicklung und Testen

Das Arbeitspaket AP7 befindet sich zurzeit in der Projektphase. Im Mittelpunkt der aktuellen Arbeiten stehen die Konkretisierung und technische Umsetzung der Verfahren zur Konfiguration der Baustellenmodelle und der punktuellen 3D-Simulation. Hierfür wurden verschieden Softwarekomponenten entwickelt, weitere Modellierungsvorlagen definiert und diese im Rahmen der Szenarien Mefisto-Hochhaus und Mefisto-Flughafen getestet.

Konfigurierbares parametrisches Baugerät mit Metadaten in SolidWorks, Solidpro GmbH


Die obige Abbildung zeigt die Konfiguration eines parametrischen Vorlageobjektes für Baukrane im CAD-Programm SolidWorks.

Softwarekomponenten zur Konfiguration der Baustelle
Für die Konfiguration und Überprüfung von Bauwerks- und des Baustellenmodellen in der Arbeitsvorbereitung wurde der kombinierte Einsatz verschiedener Softwareanwendungen untersucht. In Abstimmung mit dem Arbeitspaket AP5 wurde schließlich ein Baustelleneditor auf der Basis von SolidWorks konzipiert und umgesetzt. Das CAD-System SolidWorks wird dabei sowohl für die Definition parametrischer Bauwerk- und Baustellenelementvorlagen als auch für die Detaillierung der Bauwerksmodelle, die Modellierung des Baustellenlayouts und die Konfiguration der Baustellenelementvorlagen genutzt. Zusätzlich zur einmaligen Modellierung können dabei auch alternative Konfigurationen der Baustelle erstellt und verwaltet werden. Nach der Abstimmung der Bauwerks- und Baustellenmodelle können diese in unterschiedlichen Detailstufen zusammen mit entsprechenden Sicherheitszonen und Platzbedarfen ihrer Elemente sowie zugehörigen Aufwands- und Leistungskennwerten an die Softwareanwendung iTWO übergeben werden.

Ausarbeitung und Tests von 3D-Simuationen
Das Verfahren zum Aufbau von punktuellen 3D-Simulationen wurde von den Projektpartnern weiter konkretisiert und im Rahmen verschiedener Erweiterungen der Simulationsszenarien Mefisto-Hochhaus und Mefisto-Flughafen getestet.
Für die Untersuchungen beim Mefisto-Hochhaus wurden das Bauwerk und die Baustelle für unterschiedliche Bauausführungsphasen und Detailstufen modelliert. Für die Montagesimulationen im Arbeitspaket AP5 wurde das Bauwerksmodell hierfür in seine kleinsten logischen Bauabschnitte unterteilt. Darüber hinaus wurden statische, dynamische und interaktive Visualisierungen erstellt, mit denen komplizierte, technische Zusammenhänge für unterschiedliche Bauzustände des Hochhauses verdeutlicht und verschiedene geometrische Analysen durchgeführt werden können. Für kritische Montageprozesse, wie beispielsweise die Bewehrung und Schalung der Stahlbetonstützen, wurden darüber hinaus weiterführende Montageuntersuchungen durchgeführt und neue Aufwandswerte für die zugehörigen Montageprozesse ermittelt.
Beim Mefisto-Flughafen wurde die Baustelle im Hinblick auf das Logistikszenario modelliert und das Bauwerk entsprechend aufgearbeitet. Als Grundlage der Logistiksimulation wurden verschiedene geometrische Analysen zum Positionierung von Lagerflächen und Baugeräten sowie zur Ermittlung der in bestimmten Zeitabschnitten anzuliefernden Betonfertigteile (Massenströme) durchgeführt.

Referenzmodelle zur Baustellenkonfiguration
Die Entwicklung der Referenzmodelle zur Baustellenkonfiguration war geprägt durch die Interaktion mit dem Arbeitspaket AP5. Für die zwei Simulationsszenarien Mefisto-Hochhaus und Mefisto-Flughafen wurden die parametrischen Objektvorlagen für die Bauwerks- und die Baustellenmodellierung überarbeitet und mit den Referenzprozessen zur Prozess- und Simulationsmodellierung abgestimmt. Unter Berücksichtigung der Angaben von Herstellern, den Kalkulationsangaben der BGL sowie den Anforderungen der Montage- und Logistiksimulation wurden die Attribute der Referenzmodelle für Baugeräte, Schalungselemente, Bewehrungselemente, Bauhilfsmaßnahmen und Bauteile überarbeitet und im Rahmen der Fachmodelle für die Baustelle (s. Arbeitspaket AP1) spezifiziert. Die Abstimmung der Aufwands- und Leistungskennwerte ermöglicht es dabei, in der Baustellenplanung Vorgaben für die Logistik- und Montagesimulation zu definieren. In den Abgleich der Baustelleneinrichtungsplanungen mit anderen Fachplanungen wird in einem nächsten Schritt auch die Kalkulation mit einbezogen, welche ebenfalls verschiedene zugehörige Aufwandswerte aufführt.

Phase 2: Ausarbeitung und Spezifikation

Die detaillierte Analyse der Modellierungsaufgaben in den Beispielszenarien des Mefisto-Hochhauses und des Mefisto-Flughafens bildeten den Auftakt der zweiten Projektphase im Arbeitspaket AP7. Darauf aufbauend wurden die Methoden für die Konfiguration der Baustelle und die punktuelle 3D-Simulation ausgewählt und erste Referenzmodelle definiert.

Unterschiedliche Konfigurationen einer Hochhausbaustelle, Ed. Züblin AG


Die obige Abbildung stellt beispielhaft die 3D-Visualisierungn von zwei unterschiedlichen Baustellenkonfigurationen für die Montagesimulation des Mefisto-Hochhauses dar.

Verfahren zur Baustellenkonfiguration und punktuelle 3D-Simulation
Parallel zur Ausarbeitung der Simulationsszenarien im Arbeitspaket AP5 wurden die Verfahren zur Baustellenkonfiguration und punktuellen 3D-Simulation konkretisiert und entsprechende Softwarekomponenten konzipiert. Ausgangspunkt der Baustellenkonfiguration ist der Einsatz von parametrischen Modellierungsvorlagen zur effizienten Erstellung von Baustellenmodellen sowie zur Detaillierung und Ergänzung der zugehörigen Bauwerksmodelle, um unterschiedliche Bauzustände abbilden zu können.
In der punktuellen 3D-Simulation können auf der Grundlage der abgestimmten Bauwerks– und Baustellenmodelle zunächst geometrische Untersuchungen für kritische Bereiche durchgeführt und die Erreichbarkeit verschiedenere Baustellenbereiche sowie die möglichen Kollisionen der Baugeräten geprüft werden. Weiterer Schwerpunkt der 3D-Simulationen ist der Übergang vom statischen 3D zum dynamischen 4D-Modell, um die Prozesse zur Montage des Bauwerkes sowie zum Auf- und Abbau der erforderlichen Baugeräte im Einzelnen zu analysieren. Während die herkömmliche 4D-Planung häufig die Bauabläufe in einer ganzen Bauphase oder einem Bauabschnitte illustriert, werden hierbei auch einzelne Montageaufgaben betrachtet. Auf der Grundlage von Animation der einzelnen Arbeitsschritte können die Durchführbarkeit eines Montageverfahrens systematisch analysiert sowie die erforderlichen Leistungskennwerte und zugehörigen Aufwandswerte ermittelt werden. Die Ermittlung und die Prüfung von Kennwerten in der Baustellenplanung werden darüber hinaus mit der Kalkulation, der Bauablaufplanung und dem Baustellen-Controlling weiter abgeglichen. Schlussendlich könne die Visualisierungen auch zur Montageanleitung und Mitarbeiterschulung eingesetzt werden.

Referenzmodelle zur Baustellenkonfiguration
Für die Modellierung der Baustellen und Bauwerke des Mefisto-Hochhauses und des Mefisto-Flughafens wurden erste parametrische Modellierungsvorlagen für die Baustellen- und Bauwerksmodellierung definiert. Hierfür wurden von den Industriepartnern verschieden Lösungsmöglichkeiten untersucht, wie insbesondere die Baustellengeräte beschrieben und entsprechende Gerätekataloge von der Baumaschinenindustrie und/oder Branchenvertretern eingebunden werden können. Als Ausgangpunkt der Baustellenkonfiguration wurden schließlich die geometrische Modellierung des Baustellenlayouts und die Positionierung der Baustelleneinrichtung im Kontext des Bauwerksmodells gewählt. Die Referenzmodelle für Baugeräte, Bauhilfsstoffe und infrastrukturelle Baustelleneinrichtungen wurden deshalb so definiert, dass sie:

- parametrisch und modular sind und aus einzelnen oder mehreren parametrisch konfigurierbaren Elementen (Referenzmodulen) zusammengesetzt werde können,
- vor-konfigurierbar sind und sowohl als Referenzobjekte für einen allgemeinen oder unternehmenseigenen Katalog konfiguriert als auch als instanziierte Objekte für ein spezifisches Projekt instanziiert und positioniert werde können,
- hierarchisch aufgebaut sind und für Modelle unterschiedlicher Detailstufen konfiguriert und visualisiert werde können,
- den geometrischen Kontext aufzeigen und weitere Informationen zu den erforderlichen Gefahren und Sicherheitszonen sowie zu ihren dynamischen Eigenschaften umfassen und
- den fachlichen Kontext aufzeigen und zusätzlich zu den enthaltenen physikalischen, ökonomischen oder organisatorischen Eigenschaften Verweise zu den entsprechenden Fachmodellen von Bauwerken, Kalkulationen, Ausführungsprozessen oder Simulationen aufzeigen.

Phase 1: Anforderungen und Konzeption

Ausgehend von den Simulationsszenarien im Arbeitspaket AP5 wurden die Aufgaben für die objektorientierten Modellierung und die Überprüfung der Bauwerks- und Baustellenmodelle in der Montage- und Logistiksimulation untersucht. Als zentrale Aufgaben der modellbasierten Baustellenplanung wurde die effiziente Erstellung von abgestimmten Baustellen- und Bauwerksmodellen für unterschiedliche Zustände der Bauausführung sowie die geometrische Simulation und Überprüfung von ausgewählten Montageprozessen identifiziert.

Anforderung an eine Modellierungsvorlage für eine Ortbetondecke, Ed. Züblin AG


Die obige Abbildung zeigt beispielhaft die Anforderung an eine Modellierungsvorlage für eine Ortbetondecke für das Mefisto-Hochhauses.
Für die Erstellung und Abstimmung von Baustellen- und Bauwerksmodellen wurde ein Verfahren zur „Baustellenkonfiguration" im Sinne der Referenzmodellierung entworfen. Darauf aufbauend wurden erste Modellierungsvorlagen (Referenzobjekte) für Baustellenobjekte, wie Baugeräte oder Bauhilfsstoffe, mit allgemeinen und simulationsrelevanten Parametern zusammengestellt. In Zusammenarbeit mit den Arbeitspaketen AP4 und AP5 wurden erste Datenmatrizen aufgestellt, in denen die Vorschriften für die Übertragung und Anpassung der Bibliothekselemente in einem Modell festgehalten wurden.
Für die Konzeption der 3D-Simulation wurden von den Industriepartnern kritische Baustellensituationen aus abgeschlossenen Bauprojekten untersucht und Anforderungen an die anvisierten geometrischen Untersuchungsmethoden zusammengestellt. Diese wurden mit den Funktionalitäten in den Modellierungs- und Simulationswerkzeugen für den Maschinenbau verglichen.

Teilaufgaben des AP7

Anforderungen an objektorientierte Konfigurationsmethoden

Es wird definiert, welche Anforderungen an die Konfigurationsmethoden zu stellen sind. Dabei ist besonders auf Ergonomie und Handhabbarkeit zu achten. Es ist zu untersuchen, in welcher Granularität die Objekte zu definieren sind, welche Interaktionsrelationen benötigt werden, wie die einzelnen Objekte und ihre Relationen am besten dargestellt werden können, welche Objekteigenschaften schnell abgefragt und in welcher Darstellungsform diese Informationen repräsentiert werden sollen.

Expansionsmethoden zur punktuellen 3D-Simulation von Aktivitäteneigenschaften am Bauwerk

Es sind Methoden zu erforschen, wie Beschreibungen der Aktivitäten erstellt und daraus und aus den zugehörigen Ressourcen eine 3D-Modellinsel erzeugt und diese in einem Simulationswerkzeug simuliert werden kann. Dabei ist die schnelle Festlegung des Kontextes mit Hilfe von Filtermethoden ein wichtiger Teilschritt. Auch sind Methoden für eine schnell zu erstellende, vereinfachte, punktuelle Simulationsmodellbildung zu erforschen.

Konfigurations- und Navigationsmethoden für die Baustelleneinrichtung

Um die Planung von Baustelleneinrichtungen zu beschleunigen und zu optimieren, sind Methoden zu entwickeln, wie Objekte effizient und schnell angeboten werden können. Es soll ermittelt werden, welche Objekte für die aktuelle Situation am wahrscheinlichsten benötigt werden. Der Prozess ist iterativ zu gestalten, indem der Anwender in die Festlegung und Rangordnung der Kenngrößen eingreifen kann.

Konfigurationsmethoden für Kostenmodelle

Für die Kostenschätzung sollen verschiedene Methoden zur Verfügung gestellt werden. Außerdem sollen Erfahrungswerte aus früheren Projekten, die in einem ähnlichen Umfeld realisiert wurden, herangezogen werden können. Es sind Methoden zu entwickeln, die erlauben, die Kostenmodelle kontinuierlich fortzuschreiben und bei Kenntnisnahme neuer Rahmenbedingungen dynamisch anzupassen.

Konfigurationsmethoden für das Fuzzy-Modell

Es sind Methoden zur transparenten Zuordnung eines Fuzzy-Modells zu entwickeln. Es sind Optimierungsstrategien für minimalistische Fuzzy-Modelle zu entwickeln, um die Kostenanalysen und -prognosen mit Fuzzy-Ansätzen berechenbar zu halten.

Konfigurationsmethoden für Vorgangsmodelle

Es werden Methoden erforscht, die Entscheidungshilfen für die Auswahl des jeweils geeignetsten Vorgangsmodells geben, mit dem der zu konfigurierende Prozess am besten entworfen und formalisiert werden kann. Es sind Methoden zu entwickeln, die helfen, das Vorgangsmodell top-down weiter aufzubrechen und es in Module zu zerlegen.

AP-Leiter:

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