Ablaufsimulation zur Planung von Bauprojekten am Beispiel eines U ...

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Prof. Dr.-lng. Dipl,-Wi.-lng. Willibald A. Günthner, Dipl.-lng. Ralf KraulTechnische Universität München, Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Log-istik - frl",uAblaufsimulation zur Planung von Bauprojekten am Beispiel einesU-BahnhofsEinleitungDie Versorgung der Baustelle mit den benötigten Materialien, Maschinen und Betriebsmitteln sowie dieEntsorgung von Abraum sind Schlüsselprozesse für den Baufortschritt und stellen einen erheblichenKostenfaKor dar, Die Planung der dazu benötigten Transporte wird durch eine Vielzahl unterschiedlicherFaktoren beeinflusst und stellt dadurch elnen komplexen Prozess dar. Dennoch steht meist keineobjektive Entscheidungshilfe für eine effiziente Einsatzplanung zur Verfügung und die Transporte werdendaher nicht detailliert und aktiv im Voraus geplant, sondern von den verantwortlichen Bauleiternauf Basis von Erfahrungswerten veranlasst. lm Bereich der Baulogistik, die für das Bauwerk keine wertschöpfendeTätigkeit im eigentlichen Sinne darstellt, könnte eine Entscheidungshilfe für die Planungder Transportlogistik jedoch zur Hebung deutlicher Einsparpotenziale führen.ln der Konstruktion zeigt sich ein allmählicher Übergang von der Nutzung rein ¿rueidimensional arbeitenderKonstruKionswerkzeuge hin zu einer verstärKen Nutzung von dreidimensionalen KonstruKionsundPlanungswerkzeugen. Neben den drei räumlichen Dimensionen spielt im Bereich der Bauablaufplanungzusätzlich auch der zeitliche Ablauf eine wichtige Rolle, schließlich kann das Dach einesHauses zwar vor dem Fundament konstruiert, aber nicht gebaut werden. Ziel der Forschung ist esdaher, eine neue Methode der Bauablauf- und Transportplanung zu entwickeln, die es ermöglicht,sowohl die zeitliche Komponente des Baufortschritts als auch die geometrischen Randbedingungen zuberücksichtigen, und damit quasi vierdimensional arbeitet.Allgemeines zur AblaufsimulationRechnergestützte Methoden zur Prozess und Ablaufplanung haben sich im Bereich der Fabrik- undLogistikplanung bereits seit einiger Zeit etabliert, Zum Einsatz kommt bei der Planung der anfallendenMaterialflüsse vor allem die Ablaufsimulation, die eine Abbildung der Prozesse und Materialstróme imRechner ermöglicht und so bereits in frühen Phasen des Planungsprojekts detaillierte und realistischeAussagen über die FunKionsweise der geplanten Anlagen und Materialströme erlaubt. So können frühAussagen über das Verhalten komplexer ProduKionssysteme oder die Auswirkung von Störungen aufdiese Systeme getroffen werden und Kenntnis über Leistungen, mögliche Engstellen und optimaleBetriebsparameter erlangt werden.Forschungsansatz des Lehrstuhl fml ist es, durch die Ubertragung von Methoden, die sich bei derFabrikplanung bewährt haben, die Grundlage für eine neue Art der Ablaufplanung im Bauwesen zubilden. Vor allem in der Transportplanung bietet die Simulation der Abläufe ein großes Potential zur.Produ Kivitätssteigeru ng.Die Simulation ermöglicht im Gegensatz zu einer statischen Berechnung, auch die Wechselwirkungender Transporte und der Einzelprozesse untereinander zu berücksichtigen. Durch die im Modell hinterlegteLogik wirken sich Vezögerungen in einzelnen Prozessen direK auf die betroffenen weiteren Prozesseaus und werden so in der Planung realistisch berücksichtigt. Zudem können auch stochastischeEinflüsse, wie zum Beispiel längere Fahaeiten zu gewissen Tageszeiten, bei der Planung berücksichtigtwerden.

Beispiel U-Bahn AmsterdamGetestet wurde der Einsatz der Ablaufsimulation im Bereich der Bauablaufplanung in einem Gemeinschaftsprojektzwischen der Mnx Böel Bauunternehmung GmbH, Sengenthal, und dem Lehrstuhl fmlder TU München. ProjeKgegenstand war der U-Bahnhof Rokin, der Teil der im Bau befindlichen,,Noord-Zuidl¡n" (Nord-Süd-Linie) ist. Der Bahnhof muss in sehr beengter lnnenstadtlage gebautwerden (siehe Bild 2) und die belebte Einkaufsstraße Rokin muss während der gesamten Bauzeitsowohl für Fußgänger, als auch für den Auto- und Straßenbahnverkehr geöffnet bleiben. Um das zugewährleisten, wird der Bau des Bahnhofs in Deckelbauweise abgewickelt, wobei der Abtransport desAushubs sowie das Einbringen des Baumaterials und der zur Abstützung der Seitenwände des Bahnhofswährend der Aushubphase notwendigen Aussteifungen über im Deckel befindliche Offnungenerfolgt. Die Ver- und Entsorgung der Baustelle stellt also einen besonders wichtigen PunK in derPlanung dar. Um die Frage nach der Anzahl und zeitlichen Verteilung der dazu notwendigen Transportezu klàren, wurde entschieden, diese Baustelle exemplarisch mit Hilfe der Ablaufsimulation abzubilden.@Bild 1 Ablaufsimulation in der FabrikplanungBild 2 Baustellenbild Amsterdam (Quelle: Mnx Böcl Bauunternehmung GmbH)Voraussetzungen für den Einsatz der Ablaufsimulation bei der Planung vonBauprojektenlm Gegensatz zur Fabrikplanung stellt eine Baustelle mit ihren oft auch räumlich weit verteilten Einzelprozesseneinen deutlich schwieriger abzugrenzenden Untersuchungsgegenstand für die Simulationdar. Wichtig ist daher, vor einer Simulation eine klare Abgrenzung der zu simulierenden Teilprozessevozunehmen und die Ziele der Simulation klar zu definieren. Da es als unmöglich erscheint, die aufeiner Baustelle anfallende große Zahl manueller Tätigkeiten detailliert und vor allem auch realistischabzubilden, empfiehlt es sich, den Abstraktionsgrad der Modellierung möglichst hoch anzusetzen.Wichtig ist es hierbei, die Balance zwischen einer pseudogenauen Abbildung, die hohen Auñ,vand beider Modellbildung, aber keinen Mehnruert für das Ergebnis bringt, und einer zu groben Abbildung, dienicht mehr mit der Realität übereinstimmt, zu halten.Der größte Unterschied zwischen Fabrik- und Bauablaufsimulation besteht in der Art des ,,Werkstücks":ln der Materialflussplanung handelt es sich meist um stationäre Anlagen, in denen die beweglichenWerkstücke bearbeitet werden. lm GegensaTz dazu kann auf der Baustelle das Bauwerk selber als,,Werkstück" angesehen werden, das von mobilen Geräten bearbeitet wird. Wichtiger und in derSimulation am schwierigsten abzubilden ist jedoch die Tatsache, dass das Werkstück Baustelle gleichzeitigauch den Arbeitsraum darstellt, der sich im Verlauf des Bauprozesses auch ständig verändert. lmGegensatz zur Simulation einer Fabrik, bei der die einmal defrnieften Fahnvege und Positionen derMaschinen im Normalfall nicht verändert werden, muss bei der simulativen Abbildung einer Baustelledieser Tatsache Rechnung getragen werden.Das Simulationsmodell der Baustelle wurde im Simulationssystem eM-Plant (etzt Plant Simulation)von Slrvrrus ProduK Lifecycle Management Software (DE) GmbH erstellt. Dieses Werkzeug ist imBereich der Fabrik- und Materialflussplanung weit verbreitet und wird, zum Beispiel, bei fast allen deutschenAutomobilherstellern als Standardwerkzeug für die Absicherung von geplanten ProduKionssystemeneingesetzt. Es bietet die Möglichkeit einer graphischen, bausteinorientieften Modellerstellung,kann jedoch durch eine eigene sehr mächtige Programmiersprache sehr weitgehend an die Erfordernisseder speziellen Aufgabe angepasst werden.Aufbau des ModellsWie in Bild 3 ersichtlich, besteht die Ansicht des Simulationsmodells aus der Draufsicht der Baustelleund einem Querschnitt. So wird es möglich, einerseits den LKW-Verkehr auf dem Baufeld, andererseitsaber auch den Baufortschritt unter Tage zu verfolgen. Zur Abbildung der beim Bau des U-Bahnhofsanfallenden Prozesse wurde eine Vielzahl von modularen und wiedervenruendbaren Simulationsbausteinenimplementiert. Wichtige Elemente hierbei sind zwei Portalkrane und ein Seilbagger sowie eineanpassbare LKW-Fahrstrecke, durch die die Wegstrecken auf dem Baufeld, aber auch die Fahzeit derLKW zum Abtransport des Abraums abgebildet werden. Da der Bau des Bahnhofs in Ebenen organisiertist, kommt der Steuerung des Zeitpunkts des Ebenenwechsels besondere Bedeutung zu. Hier musseine übergeordnete Steuerungsebene die Fertigmeldungen der Teilprozesse (2. B. der Portalkrane unddes Seilbaggers) registrieren und den Ebenenwechsel erst dann staften, wenn alle Prozesse beendetsind.

ãj ModÈllo t{ol,krkÀc!ùc¡ã ldiÈøObi*Þ S¡Iù€b ¿¡úfl Eúæ(i i¡ ,_J gx.DD ü d ctq+s2t sl ülmlIttfeingepflegt werden, und Experimente mit den neuen Ausgangsdaten könnten Aufschluss über die zuenruartenden neuen Prozessdauern geben. Da die gegenseitigen Abhängigkeiten der Einzelprozesse jabereits bei der lmplementierung des Simulationsmodells in seine innere Logik integrieft wurden,werden kritische Prozesse schnell sichtbar. Der Bauzeitenplan wird so von einem statischen Element zueinem lebendigen Werkzeug.@ln einem ersten Schritt in diese Richtung wurde am Lehrstuhl fml die Kopplung des in eM-Plant implementiertenS i mu lationsmodel ls a n ei nen MS Pro1ect-Zeitplan d u rchgefüh rt.rìltrlF--ã,ElilÌ11f&frffiei 0 423SqFl 4SBbdt trg*ohr Pùt*sr 57*qçr: 33,2stdffirqsryBild 4 Kopplung des Simulationsmodells an MS ProjectBild 3 Screenshot des Simulationsmodells des U-Bahnhofs RokinUm die praKische Einsatzl'áhigkeit des Modells zu gewährleisten, war es notwendig, eine einfacheMöglichkeit sowohl zur Konfiguration des Modells, als auch zur Auswertung der vom Modell generiertenDaten zu schaffen, Für beide Anforderungen wurde auf Microsoft Excel zurückgegriffen, um die Parametrierungund Auswertung der Simulationsexperimente möglichst unabhängig vom SimulationssystemeM-Plant durchführen zu können.Ergebnisselm Pilotprojekt ,,U-Bahnhof Rokin" wurden die Potenziale, die in der Bauablaufsimulation liegen, deutlich.Hauptsächlich wurden mit dem Simulationsmodell Fragestellungen untersucht, die mit den zumAbtransport des Abraums benötigten LKW zusammenhingen. Neben der Anzahl der LKW, die in deneinzelnen Bauphasen benötigt werden, konnte auch die zeitliche Verteilung der Transporte ermitteltwerden. Auch die Abstimmung der beiden Kernprozesse Aushub und Einbau von Aussteifungen in dieBaugrube konnte untersucht werden.Die Simulation bietet über die durch die Simulationsläufe ermittelten Daten hinaus einen weiteren,jedoch schwer quantifizierbaren Nutzen: Die für die Modellbildung unabdingbare Systematisierung desBauablaufs eravingt eine frühe, sehr eingehende Beschäftigung mit dem Bauprozess. So werdenbereits wesentlich früher als im normalen Planungsablauf Schwachstellen erkannt und können imVoraus vermieden werden. Zudem steigt die Systemkenntnis bei allen Beteiligten.Kopplung von S¡mulation und BauzeitenplanEinen Ansatz, die Simulation durchgängig in die Bauablaufplanung zu integrieren, stellt die Kopplungder Simulation mit einem Projektplanungswerkzeug dar. Die Vision hierbei ist, die Simulation zunutzen, um Hilfestellung sowohl bei der Erstellung des Projektplans als auch bei selner Uberprüfungund eventuellen Anderungen zu bieten. So könnten Veaögerungen im Bauablauf in die SimulationDazu protokolliert die Software des Simulationsmodells die Start- und Endzeiten ausgewählter Prozessschritteund sammelt sie in einer Tabelle. Nach Abschluss der Simulation können die ermittelten Datenüber einen ActiveX-Baustein direK an MS Project übermittelt werden und liegen dann dort als vollständigerProzessplan vor. Neben der Neuerstellung des Plans ist auch die Aktualisierung eines bestehendenPro.¡ektplans mit von der Simulation neu ermittelten Prozesszeiten möglich. ln einer beispielhaftenAnwendung könnte so eine Vezögerung auf der realen Baustelle, z. B. durch den Ausfall des Seilbaggers,in die Simulation eingegeben werden und der Bauablaufplan könnte kuzeZeil später in aKualisierterForm vorliegen. Durch die integrierte Logik des Simulationsmodells berücksichtigt deraKualisierte Plan auch alle Abhängigkeiten der Einzelprozesse.AusblickZiel der Forschung am Lehrstuhl fml ist es, analog zur Digitalen Fabrik die Vision einer virtuellenBaustelle zu venruirklichen. Dabei wirK die Bauablaufsimulation gekoppelt mit ihren Vorgänger- undNachfolgenrverkzeugen (2. B, MS Project und Revit) als Teil einer durchgängigen digitalen Planungsprozesskette.Dieses Ziel wird auch im neuen Forschungsverbund ,,Virtuelle Baustelle" - FoTBAUverfolgt, der sich mit digitalen Methoden und Werkzeugen für die Baubranche beschäftigt.Nähere lnformationen zu den Forschungstätigkeiten des Lehrstuhls im Bereich der Simulation vonbaulogistischen Prozessen erhalten Sie bei:Dipl.-lng. Ralf Kraulkraul@fml.mw.tum.de089/289-L5957Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik - fmlTU MünchenBoltzmannstraße 1585748 Garching