Simulation von Logistikprozessen auf Baustellen auf Basis von 3D-CAD Daten Dissertationsschrift zur Erlangung des Doktorgrades (Dr.-Ing.) an der Universit¨at Dortmund in der Fakult¨at Maschinenbau von Dipl.-Ing. J¨org Weber 15. Oktober 2007 Die vorliegende Arbeit wurde von der Fakult¨at Maschinenbau der Univer- sit¨at Dortmund als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Vorsitzender der Pr¨ufungskommission: Prof. Dr.-Ing. K. Thermann Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. U. Clausen Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. M. Gralla (Fakult¨at Bauwesen, Uni Dortmund) Dritter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. A. Kuhn Tag der m¨undlichen Pr¨ufung 17. Dezember 2007 Abstract In this paper a method is presented, which reproduces logistics processes on construction sites with a conventional material flow simulator. So it is possible to test and verify different logistics strategies before a civil work starts. In the beginning the state of the art concerning the development of con- struction logistics and simulation of site processes is given. In this context different supply and warehouse strategies for construction sites are presen- ted. The method is structured in system load generation, building a conceptional model and development of reusable modules. To generate the system load the data of the CAD building model of the construction project was im- ported into a database and edited for simulation. Material-pure Parts were developed with material conform quantities (piece,m3,t, etc.), which were connected with the time component of the timetable. In the next step the parts were composed to sections, which is the basis of the material supply. Furthermore in the database logistics standing data were put in to build logistics unities as transport or handling unities. The conceptional Simulation-Model was developed to describe logistics pro- cesses on construction sites independent to concrete projects. The question was how productive the logistics resources are in relation to different stra- tegies. To build the computer simulation model a unit orientated material flow simulator was used and new universal units were developed to describe the site resources. The universality of the units was important to use them for different projects. With an example project different supply and warehousing strategies were tested and evaluated. It is shown, how the system reacts on variation of constrains and how the key figures like throughput or waiting times shift. In the end a summary is given and universal conclusions are made. In the outlook the research demand is given concerning further units and a syste- matically analysis of further logistics site strategies. Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Wirtschaftliche Situation in der Bauwirtschaft . . . . 2 1.2.2 Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Stand der Baulogistikforschung 9 2.1 Logistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Baulogistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Entwicklungsphase 1 ’Ordnung auf der Baustelle’ . . . 12 2.2.2 Entwicklungsphase 2 ’Koordinierung und horizontale Gliederung der Logistik’ . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Entwicklungsphase 3 ’Wertsch¨opfungsdenken, Logis- tikplanungsinstrumente’ . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Simulation von Prozessen auf Baustellen . . . . . . . . . . . . 20 3 Systemanalyse Baustelle 23 3.1 System Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Unterschiede zur station¨aren Industrie . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.1 Tempor¨arer Standort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.2 Unikatcharakter und Gr¨oße der Objekte . . . . . . . . 24 3.2.3 Kunden-Lieferanten Beziehungen . . . . . . . . . . . . 28 I 3.2.4 Gewerkesystematik und Auftragsvergabe . . . . . . . . 29 3.2.5 Datenlage im Bauwesen . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 Baustellenressourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1 Lkw f¨ur Ver- und Entsorgungstransporte . . . . . . . 36 3.3.2 Baustellenkrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.3 Baustraßen und -wege . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.4 Baustellenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Logistikstrategien f¨ur Baustellen . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4.1 Lagerstrategien im Bauwesen . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.2 Bevorratungsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4.3 Lieferstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4 Grundlagen der Simulationsmethode 49 4.1 Begriffsbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2.1 Konzeptmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.2.2 Beobachtungszeitraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.3 Computermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4 Modellpr¨ufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4.2 Pr¨ufung des Konzeptmodells . . . . . . . . . . . . . . 58 4.4.3 Pr¨ufung des Computermodells . . . . . . . . . . . . . 59 4.5 Die Simulationsumgebung Enterprise Dynamics . . . . . . . . 59 5 Modellbeschreibung 63 5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.2 Systemlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 Nebenprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3 Datenbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1 Aufbau der Datenbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.2 Baubetriebliche Aufbereitung der Daten . . . . . . . . 69 5.4 Konzeptionelles Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 II 5.4.2 Aufbau und Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.5 Die Atom-Bibliothek von SIMUBAU . . . . . . . . . . . . . . 76 5.5.1 Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.5.2 Lkw-Beladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5.3 Einfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.5.4 Initialisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.5.5 Wege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.5.6 Lkw-Entladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.5.7 Kranmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.5.8 Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5.9 Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.5.10 Einbauort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.6 Modellpr¨ufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.6.1 Teilmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.7 Strategien und Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.7.1 Bevorratungs- und Lieferstrategien . . . . . . . . . . . 100 5.7.2 Lagerstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.7.3 Strategien der operativen Lenkung . . . . . . . . . . . 101 6 Anwendungsbeispiel 103 6.1 Beschreibung des Bauvorhabens . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.2 Leistungswerte der Ressourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.2.1 Lkw Leistungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.2.2 Kran Leistungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2.3 Leistungswerte Lager und Verarbeitung . . . . . . . . 110 6.3 Modellpr¨ufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.4 Auswertungen und Strategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.4.1 ¨Ubersicht ¨uber die untersuchten Varianten . . . . . . . 112 6.4.2 Variante 1 Wegeminimierung . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4.3 Variante 2 Minimierung der Lkw-Durchlaufzeit . . . . 120 6.4.4 Variante 3 Verk¨urzung der Bauzeit um 10% . . . . . . 123 6.4.5 Variante 4 Verk¨urzung der Bauzeit um 15% . . . . . . 125 6.4.6 Sondervariante Optimierung der Lkw-Ankunft . . . . . 127 III 6.4.7 Sondervariante Zusammenladungsm¨oglichkeiten . . . . 129 6.4.8 Tabellarische Zusammenstellung . . . . . . . . . . . . 131 6.5 Diskussion der Ergebnisse und ¨Ubertragbarkeit . . . . . . . . 133 7 Zusammenfassung und Ausblick 135 7.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Literaturverzeichnis 139 Glossar 150 A Umrechnungen von Zeiten und Koordinaten 155 A.1 Simulationszeit → Realzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A.2 Realzeit → Simulationszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A.3 Umrechnung kartesischer Koordinaten . . . . . . . . . . . . . 157 B Erg¨anzende Tabellen 161 B.1 Datenbanktabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 B.1.1 Materialtabelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 B.1.2 Arbeitsabschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 B.1.3 Materiallieferabschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 B.1.4 Lagertabelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 B.2 Logistische Materialwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 B.2.1 Packmittel-Ladeeinheit-Transporteinheit . . . . . . . . 164 B.2.2 Lagerfl¨achenbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 IV Abbildungsverzeichnis 1.1 Planungsreihenfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 Ganzheitliche Betrachtung derLogistik nach [Kra01]und[J¨un98] 10 2.2 Die drei S¨aulen der Logistik nach [J¨un00] . . . . . . . . . . . 11 2.3 Die drei Entwicklungsphasen der Baulogistik . . . . . . . . . 12 2.4 Inselversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5 Strategiealternativen hinsichtlich der Logistik nach [Lei03] . . 17 2.6 Einordnung der Simulation nach DIN 19226 Teil 1 . . . . . . 20 3.1 Wegeproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Taktfertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Materialfluss im Hochbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4 Beispiel f¨ur eine Quelle-Senke-Matrix . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5 Kosten f¨ur Subunternehmert¨atigkeiten im Bauhauptgewerbe . 28 3.6 Der Paradigmenwechsel von der Zeichnung zum Modell . . . 32 3.7 Spezialfahrzeug f¨ur Transportbeton . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.8 Exemplarisch ausgew¨ahlteSpezialfahrzeugeimBauwesen nach [Neu00] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.9 Baustellenkrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.10 Turmdrehkran, obendrehend, Katzausleger, Quelle: Wolffkran 39 3.11 Prozesskette Kranspiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.12 Geschwindigkeitsprofile I und II . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.13 Platzbedarf beim Wenden und Abbiegen nach [Neu00] . . . . 41 3.14 Schleppkurven nach [Neu00] in Abh¨angigkeit vom Fahrzeugtyp 42 3.15 Etagenlager nach [Boe04] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.16 Optimale Bestellmenge unter Ber¨ucksichtigung der Lagergr¨oße 45 V 3.17 Einsatz eines Gebietsspediteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.18 Shuttle-Verkehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.1 Beziehungen zwischen Original, Modell und Experimentator nach [Pag91] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2 Modellierung nach [Rob04] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3 Normal-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.4 Erlang-Verteilung mit k = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.5 Negativexponential-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.6 Gleichverteilung-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.7 Diskrete-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.8 Bauzeitenplan und Simulationszeithorizont . . . . . . . . . . 55 4.9 Zusammenhang zwischen Anzahl der Stichproben, dem be- rechneten Mittelwert der Zielgr¨oße und dem Konfidenzintervall 56 4.10 Simulationsumgebung von Enterprise Dynamics . . . . . . . 60 5.1 Bauteil–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2 Vorgehensweise Teil 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.3 Vorgehensweise Teil 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.4 Arbeitsabschnitte-Materiallieferabschnitte . . . . . . . . . . . 69 5.5 Darstellung derArbeitsabschnitteundMateriallieferabschnit- te in einem Gantt-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.6 Kopplung der Arbeitsabschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.7 Manipulationsm¨oglichkeiten der Materiallieferabschnitte . . . 72 5.8 Allgemeine Prozesskette Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.9 Ablauf der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.10 Die Atombibliothek von SIMUBAU . . . . . . . . . . . . . . 76 5.11 Verschiedene Liefereinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.12 Transporteinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.13 Lkw-Beladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.14 Lkw-Beladung-Atomgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.15 Deterministischer und stochastischer Anteil der Lkw-Taktung 80 5.16 Gewichtete Gleichverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.17 Einfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 VI 5.18 Wege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.19 Lkw-Entladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.20 St¨uckgut–Liefereinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.21 Nicht St¨uckgut–Liefereinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.22 Kranmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.23 Fallunterscheidungen Normalfall – Sonderfall . . . . . . . . . 89 5.24 Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.25 Lageratomgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.26 Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.27 Einbauort-Atomgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.28 Teilmodell Kran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.29 Transport in den 4. Quadranten im Teilmodell . . . . . . . . 97 5.30 Teilmodell Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.31 ¨Ubersicht Strategien und Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.1 Ansicht von Nord-Ost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.2 Grundriss Baustelleneinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.3 Ansicht des 3D-Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.4 Simulationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.5 Arbeitsgeschwindigkeit Drehen nach Herstellerangaben . . . . 108 6.6 Arbeitsgeschwindigkeit Katzfahren nach Herstellerangaben . . 109 6.7 Arbeitsgeschwindigkeit Heben nach Herstellerangaben . . . . 110 6.8 Modell w¨ahrend der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 6.9 Kumulierte Liefermenge Systemlast A ¨uber die Bauzeit . . . 115 6.10 Kranauslastung und Anzahl Lkw . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.11 Auslastung Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.12 Kumulierte Liefermenge Systemlast C ¨uber die Bauzeit . . . . 117 6.13 Kranauslastung und Anzahl Lkw . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.14 Auslastung Hauptlager und Etagenlager 2 . . . . . . . . . . . 118 6.15 Auslastung Etagenlager 3 und 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.16 Anzahl der Lkw und der wartenden Lkw . . . . . . . . . . . . 121 6.17 Lagerauslastung bei Optimierung der Lkw-Auslastung . . . . 122 6.18 Kranauslastung und Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei 10% Bauzeitreduzierung . . . . . . . . . . . . . . . . 124 VII 6.19 Lagerbestand bei 10% Bauzeitreduzierung . . . . . . . . . . . 124 6.20 Kranauslastung und Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei 15% Bauzeitreduzierung . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.21 Lagerbestand bei 15% Bauzeitreduzierung . . . . . . . . . . . 126 6.22 Kranauslastung und Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei Kranreichweitenreduzierung . . . . . . . . . . . . . . 127 6.23 Lagerbestandskurve f¨ur die Systemlast B (vgl. Kap. 6.4.3) und der Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.24 Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei Systemlastop- timierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 A.1 Umrechnung Realzeit in Simulationszeit . . . . . . . . . . . . 157 A.2 Kartesische/Zylinderkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . 157 A.3 Vektor im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 VIII Tabellenverzeichnis 3.1 Daten anderer Anwendungen f¨ur die Simulation . . . . . . . . 33 3.2 Zustand von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 Informationen im Warengruppenschl¨ussel . . . . . . . . . . . 35 5.1 Systemlastneutral versus systemlastver¨andernd . . . . . . . . 64 5.2 Label der Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.3 Durchschnittliche Geschwindigkeiten in Abh¨angigkeit der Ge- samtstrecke und der Maximalgeschwindigkeit . . . . . . . . . 84 5.4 Fallunterscheidungen am Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5 Inputdaten und ’Handrechnung’ f¨ur Teilmodell Verarbeitung 98 6.1 Transporteinheiten der Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2 Kran Grundleistungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.3 Leistungswerte Kran ’Drehen’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.4 Leistungswerte Kran ’Katzfahrt’ . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.5 Leistungswerte Kran ’Heben’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.6 Lager- und Verarbeitungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.7 Auspr¨agungsm¨oglichkeiten verschiedener Merkmale . . . . . . 113 6.8 Varianten mit ihren Auspr¨agungen . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.9 Kennzahl Einheit·Abstand Lagerort zu Einbauort . . . . . . . 119 6.10 Ergebnisse der Abfrage zur Zusammenlegung von Material . . 130 6.11 Erl¨auterung der Tabellenspalten von 6.12 . . . . . . . . . . . 131 6.12 Zusammenstellung aller Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . 132 B.1 Feldnamen der Materialtabelle mit logistischen Eigenschaften 161 B.2 Aufwandswerte Materialverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . 162 B.3 Spalten der Arbeitsabschnittstabelle . . . . . . . . . . . . . . 162 IX B.4 Spalten der Materiallieferabschnittstabelle . . . . . . . . . . . 162 B.5 Spalten der Lagertabelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 B.6 Logistikstammdaten 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 B.7 Logistikstammdaten 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 X Kapitel 1 Einleitung 1.1 Ausgangssituation ”Bauen ist Krieg!“ ist das Zitat eines Bauprojektleiters und beschreibt die Lage der Bauwirt- schaft sehr treffend. Der baugewerbliche Umsatz im Bauhauptgewerbe ist seit 1996 mit Ausnahme von 1999 kontinuierlich zur¨uckgegangen. Erst seit 2006 sind wieder positive Zahlen zu verzeichnen [Wei07]. Die Unterneh- men k¨ampfen dennoch weiter ums ¨Uberleben. Ein schrumpfender Markt mit gleichzeitig hohen ¨Uberkapazit¨aten in den Unternehmen f¨uhrtauf Grund der Konkurrenzsituation zu einem hohen Kostendruck. Die Logistik hat man im Gegensatz zu anderen Branchen nicht oder nur sehr begrenzt als Wettbe- werbsfaktor [Sch03] entdeckt, obwohl die Logistik ihren Ursprung im Milit¨ar hat [Bau00]. Aufgabe der Logistik war der Nachschub und die Versorgung der k¨ampfen- den Truppemit Material und Munition. Man betrachtete die Versorgung des Heeres als eigenst¨andige Aufgabe und erarbeitete Konzepte zu deren Opti- mierung. Eine effektive Logistik war und ist im Krieg wie in der Wirtschaft nicht selten entscheidend. Dass Bauen und Logistik zusammengeh¨oren, wird allein dadurch deutlich, dass 2005 45% des gesamten Prim¨armaterialeinsatzes auf das Baugewerbe entf¨allt [NNa07]. Die Entsorgungsmengen lagen 2003 in der Gr¨oßenordung von 61% des gesamten Abfallaufkommens [NN06a]. Ein Grund, warum die Logistik im Bauwesen sich noch nicht ausreichend durchsetzen konnte, liegt in der sehr heterogenen Struktur und dem extrem hohen Anteil an Kleinunternehmen in der Bauwirtschaft. Die Durchsetzung von bestimmten Standards, die in der Logistik n¨otig sind, ist dadurch er- schwert. Die Besonderheiten des Bauwesens (vgl. Kap. 3) lassen eine direkte 1 2 KAPITEL 1. EINLEITUNG ¨Ubertragung von Logistikkonzepten der station¨aren Industrie und des Han- dels nicht zu. In vielen Bereichen des Bauwesens werden vereinzelt Logistikprinzipien, wie z. B. die zeitfenstergesteuerte Lkw-Anlieferung, angewendet, ohne dass diese als solche explizit benannt werden und in der Regel auf Erfahrungswissen der Bauleitung beruhen. Dies f¨uhrt teilweise dazu, dass die Notwendigkeit einer eigenst¨andigen, logistischen Betrachtungsweise der Bauwerkserstellung in Frage gestellt wird, da ”Logistik ja schon immer betrieben“ wurde. Ein zentraler Ansatzpunktistaberdiesystematische undstandardisierteAnwen- dung von Logistik auf dem Bau. Auf den Treffen des Kompetenzzentrums Baulogistik in Dortmund wurde daher die Erstellung eines Leistungsbildes Baulogistik angeregt, um Baulogistik als eigenst¨andige Leistung zu etablie- ren. In der station¨aren Industrie ist daraus ein eigener Wirtschaftszweig mit ¨uber 1 Mio. Besch¨aftigten und eigenen Ausbildungszweigen auf allen Ebenen ent- standen, obwohl auch hier der o. a. ’Vorwurf’ anfangs im Raum stand. Die Entwicklung hat aber gezeigt, dass das Herausl¨osen logistischer Teilprozesse und die separate Betrachtung zu einer deutlichen Verbesserung der Produk- tivit¨at gef¨uhrt hat. Die Logistik hat sich zur dritt gr¨oßten Branche entwi- ckelt, auch wenn sie als eigenst¨andige Branche noch nicht aufgef¨uhrt wird [Kla06]. Die Produktivit¨at von Baustellen, auf denen Logistikkonzepte umgesetzt wurden, hat sich verbessert. Daher ist es Aufgabe der Forschung bereits vor- handene Konzepte zu analysieren und zu bewerten sowie neue zu generieren. Hierzu sind Planungsinstrumente notwendig, die sowohl in der Forschung als auch in der Praxis einsetzbar sind. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das es erm¨oglicht, verschie- dene Logistikkonzepte zu simulieren, um auf diesem Wege Erkenntnisse ¨uber deren Effektivit¨at zu erhalten und eine Vergleichbarkeit auf Simulationsebe- ne zu erreichen bevor eine Baumaßnahme durchgef¨uhrt wird. Damit erwei- tert sich das Erfahrungswissen auf virtuelle Baustellen, was zu Produkti- vit¨atssteigerungen f¨uhrt, da einige m¨ogliche Fehler im Vorfeld erkannt wer- den. 1.2 Problemstellung 1.2.1 Wirtschaftliche Situation in der Bauwirtschaft Die deutsche Bauwirtschaft befindet sich nach einer fast 10-j¨ahrigen Kri- se in einem Aufschwung [Wei07] und ist f¨ur die Volkswirtschaft trotz al- lem von hoher Bedeutung. Bezogen auf das Bruttoinlandsprodukt betrugen die Bauinvestitionen 2006 9,5%. Allerdings hat sich dieser Anteil seit 1995 1.2. PROBLEMSTELLUNG 3 (14,3%) [NNa05], [NNb07] stark verringert. Die deutsche Bauwirtschaft ist trotz des derzeitigen Aufschwungs eine schrumpfendeBranche. Die Krise der letzten Jahre am Bau wurde von einigen Experten auch als Strukturwan- del [Hoc02], [Gir03], [Wei05] bezeichnet. Leere ¨offentliche Kassen und die Zur¨uckhaltung der gesamten Wirtschaft f¨uhrten zu einer Verst¨arkung des Abw¨artstrends, der u. a. auch durch den demografischen Wandel der Ge- sellschaft hervorgerufen wurde. Die dadurch entstandenen ¨Uberkapazit¨aten f¨uhrten zu einem z. T. ruin¨osen Preiskampf, der wiederum nicht selten zu Schwarzarbeit und Unterwanderung des Mindestlohns f¨uhrte. Ob der derzei- tige Aufschwungdiese Trendsnachhaltig ver¨andern kann, bleibtabzuwarten. Im europ¨aischen Vergleich steht die deutsche Bauwirtschaft mit 216 Mrd.e Bauvolumen in 2006 weiterhin der Spitze, wenngleich andere L¨ander dyna- mischere Zuwachsraten ausweisen k¨onnen[NNb07]. Ein weiteres wichtiges Merkmal kennzeichnet die Bauwirtschaft in Deutsch- land:fast89%aller BauunternehmensindKleinunternehmenmitweniger als 20 Besch¨aftigten. Die Anzahl dieser Unternehmen stieg seit 1995 durch Be- triebsaufspaltungen,VerkleinerungenundNeugr¨undungenum20%,w¨ahrend sich im gleichen Zeitraum die Zahl der Betriebe mit mehr als 20 Besch¨aftig- ten halbierte [Wei05]. Die Bauwirtschaft ist durch Kleinbetriebe gepr¨agt, die stark autonom agieren. Die wirtschaftliche Situation macht es notwendig die Produktivit¨at in der Bauwerkserstellung zu erh¨ohen. Hierzu m¨ussen die Logistikkosten aller Be- teiligten auf den Baustellen reduziert werden. 1.2.2 Trends Vor dem Hintergrund der wirtschaftlichen Situation sind die zuk¨unftigen Herausforderungen der Bauwirtschaft groß. Nicht zuletzt auch durch die Computerentwicklung mit zunehmender Rechnerleistung werden Bauaufga- ben komplexer. Die Entw¨urfe werden gewagter. Infolge dessen steht nicht nur die Tragwerksplanung sondern daran anschließend auch der Baubetrieb vor gr¨oßeren Herausforderungen. • Bauzeit: Eine kurze Bauzeit garantiert dabei einen schnellen Beginn des Return on Invest. Damit steigt der Koordinierungsaufwand vor allem im Bereich des Informationsflusses. • Anzahl der Gewerke: Die technische Geb¨audeausr¨ustung wird im- mer aufw¨andiger. Dies hat weitere Spezialisierung zur Folge und mehr Einzelgewerke, die koordiniert werden m¨ussen. • Lage der Baustelle: Hinzu kommen vermehrt innerst¨adtische Pro- blemzonen mit schwierigen Zufahrtssituationen und geringen Arbeits- r¨aumen, weil attraktives Bauland immer knapper wird. Die Lage eines 4 KAPITEL 1. EINLEITUNG Bauwerks wird immer wichtiger, sei es die Logistikimmobilie mit einer guten Verkehrsanbindung, das Kaufhaus in der Fußg¨angerzone oder das Einfamilienhaus in ruhiger und trotzdem stadtnaher Lage. • Bauen im Bestand: Das vermehrte Bauen im Bestand ist eben- falls ein wesentlicher Trend [Are03], [Str06]. Die Renovierung, Mo- dernisierung und Umnutzung bestehender Geb¨aude und Anlagen so- wie der Verkehrsinfrastruktur sind vermehrt Aufgaben in der Bauwirt- schaft. Die reinen Neubauten sind wegen Kosten und Platzmangel zu- nehmend seltener. Gr¨unde hierf¨ur sind einerseits im privaten Bereich der demografische Wandel und der Trend zu mehr Single-Haushalten und andererseits im gewerblichen Bereich k¨urzer werdende Produktzy- klen sowie ein erh¨ohter Innovationsdruck, der laufende Anpassungen auch der Immobilien erfordert. Randbedingungen sind die in der Re- gel noch schlechteren Platzverh¨altnisse als im Neubau und der unter Umst¨anden notwendige Weiterbetrieb des Geb¨audes, der Anlage oder auch der Infrastruktur. Im Gewerbe- und Industriebau sind Weiter- nutzungen w¨ahrend eines Umbaus die Regel. • Vorfertigung: Die verst¨arkte Vorfertigung und das industrialisierte Bauen ([NNb03], [Hoc02]) verlangen eine entsprechende Vorplanung und damit Daten und Informationen ¨uber Planungsentscheidungen. Hier kommt es auf der Baustelle immer wieder zu Konflikten, wenn es zu Umplanungen kommt [Ols77]. Dar¨uber hinaus hat das industriali- sierte Bauen Auswirkungen einerseits auf l¨angere Transportwege, da die Spezialisierung auf Vorfertigung die Lieferdistanzen erh¨oht, und andererseits reduziert sich die Bauzeit auf der Baustelle, da es sich ’fast nur’ noch um eine Montage handelt. • Informationstechnologie: In der Nutzung der Informationstechno- logie hinkt die Bauwirtschaft der station¨aren Industrie weiter hinter- her. Eine Erhebung des statistischen Bundesamtes f¨ur das Jahr 2005 ermittelte niedrige Nutzungswerte im Vergleich zu den anderen Wirt- schaftszweigen [NNb06]. Die Prognosen und Perspektiven f¨ur das B2B- Gesch¨aft [Pfo05] deuten zwar hier auf eine deutliche Verbesserung hin, aber dies gilt auch f¨ur die anderen Branchen. • Personal: Mit dem derzeitigen positiven Zahlen kommt ein weiteres Problem auf die Bauunternehmen zu: der Fachkr¨aftemangel auf allen Ebenen eines Unternehmens. Neben dem demografischen Wandel hat die Baukrise zu immer kleiner werdenden Ausbildungs- und Studien- zahlen gef¨uhrt. Alle Trends weisen darauf hin, dass die Komplexit¨at von Bauaufgaben und deren Erstellung weiter steigen wird und Instrumente notwendig sind dieser 1.3. ZIEL DER ARBEIT 5 Komplexit¨at zu begegnen. Logistik ist dabei ein Bereich, dem mehr Auf- merksamkeit gewidmet werden muss, da die oben genannten Aspekte mit- telbar oder unmittelbar mit Logistik koh¨arieren. 1.3 Ziel der Arbeit Ziel dieser Arbeit ist es, ein simulationsgest¨utzes Verfahren zu entwickeln, dass es erm¨oglicht, im Vorfeld verschiedene Logistikkonzepte f¨ur ein konkre- tes Bauvorhaben zu vergleichen und zu bewerten. Mit Hilfe der Methode der Simulation werden die Logistikprozesse auf einer Baustelle transparent und steuerbar, wobei der Untersuchungsraum auf den Hochbau beschr¨ankt wird. Die Ergebnisse erg¨anzen das Expertenwissen durch konkrete Zahlenwerte und unterst¨utzen den Entscheidungsprozess ¨uber den Vergleich von Alter- nativen. Damit lassen sich m¨ogliche Produktivit¨atssteigerungen auch bei komplexer werdenden Bauvorhaben schnell und kosteng¨unstig im Vorhinein testen. Das Instrument f¨ur dieses Verfahren (”SIMUBAU“) nutzt weitestge- hend vorhandene Daten und ist modular aufgebaut. In einer vorhandenen Simulationsumgebung wird eine branchenspezifische Bibliothek erstellt, aus deren Bausteinen ein Modell zusammengestellt werden kann. Es werden die wesentlichen Materialfl¨usse einer Baustelle simuliert, die an der Baustellengrenze beginnen, eine evtl. Zwischenlagerung beinhalten und mit dem Erreichen des Einbauortes enden. Datengrundlage f¨ur die Materi- alstr¨ome der Baustoffe ist das bauteilorientierte 3D-CAD-Modell (Geb¨aude- modell). Das Modell stellt ¨uber eine Schnittstelle alle Eigenschaften der Bauteile wie • Baustoffe, • Volumen, • Masse, • Lage im Raum, usw. bereit. Die Terminplanung liefert die Informationen des Arbeitsbeginns und desFertigstellungszeitpunktes derBauteile, sowiedieVerkn¨upfungderT¨atig- keiten. Dar¨uber hinaus werden die Transportwege, die Transportmittel, die Umschlagmittel und die Zwischenlagerorte der Arbeitsvorbereitung entnom- men. Die Kapazit¨at bzw. die Leistung und die Lage im Raum dieser Res- sourcen sind erforderlich. Ein weiterer Punkt ist die Festlegung der Liefer- und Lagerstrategien. Diese beinhalten die geplanten Lieferzeitpunkte und -mengen, sowie die Lagernutzung. Nicht abgebildete Prozesse, die die Ma- terialfl¨usse beeinflussen k¨onnen, werden abgesch¨atzt. Dies ist z. B. die Nut- zung des Krans f¨ur den Transport von Bauhilfsstoffen und sonstigem Hilfs- Material wie Schalung oder Ger¨ustmaterial. Unplanm¨aßige St¨orfaktoren wie 6 KAPITEL 1. EINLEITUNG Witterungseinfl¨usse oder Maschinenausf¨alle werden im Rahmen dieser Ar- beit als Erweiterungsm¨oglichkeit angesehen. Mit Hilfe der Simulation wer- den m¨ogliche Schwachstellen im Transport, der Lagerung, des Umschlags und der Verarbeitung aufgedeckt. Durch Aktualisierung der Datenbasis ist zu jedem Zeitpunkt die Bewertung einer bestimmten Strategie mittels Simu- lation m¨oglich. Eine Visualisierung der Materialstr¨ome auf Grund der in der Simulation ermittelten Daten ist ein ’Nebenprodukt’, welches die Ergebnisse transparent und in gewissen Grenzen ¨uberpr¨ufbar macht. Sowohl in der Forschung als auch in der Praxis gibt es bisher wenige Instru- mente und Methoden, die die logistischen Prozesse auf Baustellen im Fokus haben, um die Produktivit¨at zu steigern. Die Arbeitsvorbereitung wird in der Praxis aus Kostengr¨unden h¨aufig vernachl¨assigt. Das Expertenwissen ist meist die Entscheidungsgrundlage im Baubetrieb. In der vorliegenden Ar- beit werden erstmals die Daten eines Geb¨audemodells mit denen des Bauzei- tenplans zu einer Systemlast f¨ur eine Materialfluss-Simulation kombiniert. Damit ist es m¨oglich Materialfluss-Simulationen, wie sie aus der station¨aren Industrie bekannt sind, auch im Bauwesen zu nutzen. SIMUBAU enth¨alt mehrere Komponenten mit denen die Materialfl¨usse individueller Bauvor- haben schnell und flexibel modelliert werden k¨onnen. Der modulare Aufbau erm¨oglicht es SIMUBAU zu erweitern und zu verfeinern. Durch den laufen- den Abgleich mit der Baupraxis werden langfristig die Simulationsergebnisse das bisherige Expertenwissen weiter erg¨anzen. Abgrenzung: Der Materialfluss ist nur eine Komponente, die die Terminplanung und da- mit den Bauablauf beeinflusst. Weitere Komponenten sind Komplexit¨at des Bauvorhabens, Qualit¨at, Anzahl und Motivation der Bauarbeiter, Qualit¨at derBaustelleneinrichtungsplanung usw.Die Optimierungdes Materialflusses kann nur in Abh¨angigkeit vom vorgegebenen Bauablauf erfolgen. Abbildung 1.1 zeigt, dass die Baulogistik vom Baubetrieb abh¨angt und diese wiederum vom gew¨ahlten Bauverfahren, bzw. der Tragwerksplanung (vgl. [Len96]). Eine Beeinflussung und damit eine ¨Anderung der vorgelagerten Bereiche ist die Ausnahme, da dann in diesen Umplanungen erforderlich sind, die wiederum auf die nachgelagerten Bereiche einwirken, was zu Mehraufwand f¨uhrt, der vermieden werden sollte. Ein Beispiel einer solchen Ausnahme w¨are die Umstellung des Bauverfahrens von Fertigteile auf Ortbeton, wenn die Transportkapazit¨aten f¨ur Fertigteile nicht ausreichen. Die Umplanungen w¨urden die Datengrundlage des Modells ver¨andern und auch den Bauablauf. Zu Beginn eines Projekts sind die Einflussm¨oglichkeiten und damit die Zahl der Freiheitsgrade sehr hoch und nehmen mit zunehmendem Verlauf ab. Die Simulation in dieser Arbeit setzt an einer festgelegten Datengrundlage bzw. einem vorgegebenen Bauverfahren an undliefert Auslastungen dergenutzten Ressourcen im Verlauf der Bauzeit. 1.4. GLIEDERUNG DER ARBEIT 7 Bauverfahren Baubetrieb/ Arbeitsvorbereitung Baulogistik Pla nu ng Abbildung 1.1: Planungsreihenfolge 1.4 Gliederung der Arbeit In der Einleitung wurden die Problemstellung, Trends im Bauwesen und das Ziel der Arbeit beschrieben. Nach der Einf¨uhrung des Logistikbegriffs im Allgemeinen werden in Stand der Baulogistikforschung die Entwicklungsphasen der Baulogistik beleuchtet und mit der Entwicklung der allgemeinen Logistik verglichen, wobei sowohl die horizontale als auch die vertikale Differenzierung der Baulogistik heraus gearbeitet werden. Zudem werden nationale und internationale Forschungs- arbeiten vorgestellt, die sich mit der Methode der Simulation im Bauwesen besch¨aftigen. Hierbei werden verschiedene Ans¨atze aus unterschiedlichen Be- reichen des Bauwesens dargestellt, die Petri-Netze, diskrete Event Simula- toren oder CAD-Daten als Basis verwenden. Die Herausarbeitung der Besonderheiten des Bauwesens im Hinblick auf die logistischen Prozesse erfolgt in der Systemanalyse Baustelle, wobei nach Fer- tigungsmerkmalen, Organisation und Datenlage differenziert wird. In diesem Kapitel werden des Weiteren die Baustellenressourcen, die in dem entwickel- ten Modell abgebildet werden, analysiert und charakteristische Eigenschaf- ten, die f¨ur die Modellbildung wichtig sind, erl¨autert. Darauf aufbauend werden Logistikstrategien f¨ur Baustellen beschrieben, die im Modell getes- tet werden. Das Kapitel Simulation geht auf die allgemeine Vorgehensweise bei der diskreten Ereignis-Simulation ein und dient der Begriffsbestimmung und -definition. Zudem wird die verwendete Simulationsumgebung vorgestellt, in der SIMUBAU entwickelt wird. In der Modellbeschreibung wird ¨uber verschiedene Darstellungsweisen ein allgemeines Konzeptmodell einer Baustelle aufgebaut. Aus 3D Geb¨audemo- 8 KAPITEL 1. EINLEITUNG delldaten wird mit Hilfe des Bauzeitenplans eine Systemlast f¨ur das Modell generiert. Daran anschließend werden die entwickelten Modellbausteine von SIMUBAU beschrieben, die f¨ur die Abbildung der logistischen Prozesse not- wendig sind. Die Erl¨auterungen zur Modellpr¨ufung und die entsprechenden Nachweise folgen im Anschluss. Die Beschreibung der Strategien und Re- geln aus ’Simulationssicht’, die zu den oben erw¨ahnten Logistikstrategien korrespondieren, beendet das Kapitel. In dem Kapitel Anwendungsbeispiel folgt nach einer Beschreibungeines Bau- vorhabens, das simuliert wurde, die Auswertung der Strategien und die Darstellung der Ergebnisse. Speziell wird der Einsatz von Etagenl¨agern, die Einf¨uhrung von Lieferzeitfenstern sowie die Bauzeitverk¨urzung unter- sucht. Zus¨atzlich werden einige Sondervarianten untersucht, deren Ergeb- nisse ebenfalls bewertet und auf Allgemeing¨ultigkeit hin gepr¨uft werden. Im diesem letzten Kapitel wird eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben, wobei insbesondere auf den weiteren Forschungsbedarf f¨ur die Si- mulation von Logistikprozessen eingegangen wird. Kapitel 2 Stand der Baulogistikforschung Ausgehend von einer kurzen Einf¨uhrung des Logistikbegriffs mit einer hori- zontalen und einer vertikalen Sichtweise wird in diesem Kapitel die Baulogis- tikforschung dargestellt und, so weit m¨oglich, mit Praxisbeispielen erg¨anzt. Des Weiteren wird der Stand der Forschung hinsichtlich der Anwendung von Simulationsmethoden im Bauwesen wiedergegeben. 2.1 Logistik Neben einer Reihe weiterer Definitionen f¨ur Logistik sei hier stellvertretend die Definition von J¨unemann wiedergegeben: Logistik ist die ”wissenschaft- liche Lehre von der Planung, Steuerung und ¨Uberwachung der Material-, Personen-,Energie-, undInformationsfl¨usseninSystemen“ [J¨un98]. Verk¨urzt kann man Logistik auch als die 4-R-Aufgabe [Pfo03] bezeichnen: Die rich- tigen Produkte im richtigen Zustand zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Diese Begriffe werden h¨aufig noch durch weitere wie richtige Menge, richtige Qualit¨at oder richtiger Preis erg¨anzt. Die Logistik wurdebis 1945 im rein milit¨arischen Zusammenhanggebraucht. Die logistischen Planungsteams des amerikanischen Milit¨ars legten im zwei- ten Weltkrieg die Grundlagen einerseits f¨ur das Operations Research als mathematische Planungswissenschaft als auch die Grundlage der wissen- schaftlichen Betrachtung der Logistik [Bau00]. Seit den 1960er Jahren wird der Begriff auch in der Wirtschaft verwendet. In den 1970er Jahren stan- den die Auslastung der Produktion und die Produktionsverfahren in der Industrie im Vordergrund. Zunehmend wurde das Rationalierungspotenzial durch die ganzheitliche Betrachtung von Beschaffung, Produktion, Lagerung 9 10 KAPITEL 2. STAND DER BAULOGISTIKFORSCHUNG und Distribution entdeckt [Kra01], was von J¨unemann auch als horizonta- ler Aufbau der Unternehmenslogistik bezeichnet wird [J¨un98]. Die vertikale Gliederung der Unternehmenslogistik bezieht sich auf die drei Ebenen Mana- gement, Logistik und Materialfluss [J¨un98]. Das bereichsorientierte Denken Management- ebene Logistik- ebene Materialfluss- ebene Strategien Unternehmensplanung Unternehmensübergreifende Zusammenarbeit ProduktionBeschaffung Distribution Entsorgung Verkehr Transport Umschlag Lager horizontale Sichtweise strategisch taktisch operativ ve rtik ale S ich tw eis e Abbildung 2.1: Ganzheitliche Betrachtung der Logistik nach [Kra01] und [J¨un98] (Abteilungsdenken) wird durch ein flussorientiertes Prozessdenken ersetzt [Kra01], [Wom92]. Dieses beinhaltet immer eine Quelle-Senkenbeziehung, womit einerseits eine Kunden-Lieferantenbeziehung und andererseits eine Wertsch¨opfung innerhalb des Prozesses ausgedr¨uckt wird. Mit Kunden sind nicht nur die Endkunden gemeint, sondern alle beteiligten Akteure entlang der Logistikkette innerhalb eines Unternehmens und ¨uber Unternehmens- grenzen hinweg. Das Kundendenken mit dem Ziel dessen Bed¨urfnisse zu befriedigen [Pfo03]bricht das Abteilungsdenken auf und integriert die Vor- raussetzungen f¨ur den darauffolgenden Prozess. Der andere Aspekt, die Wertsch¨opfung, verdeutlicht, dass Prozesse einen wertsch¨opfenden Beitrag zum Gesamtproduktleisten sollen. Womack spricht von ”mudda“ [Wom92], dem japanischen Wort f¨ur Verschwendung, wenn dies nicht der Fall ist. Logistikaktivit¨aten erh¨ohen den Gebrauchswert eines Gutes durch eine bessere Verf¨ugbarkeit und nicht zwangsl¨aufig durch eine bessere Eignung [Pfo03]. Prozesse sind selbst¨ahnlich, d. h. jeder Prozess kann in eine eigene Prozess- kette mit h¨oherer Genauigkeit ¨uberf¨uhrt werden [Kuh95] . Prozesse k¨onnen damit auf einer gr¨oberen, ¨ubersichtlicheren Ebene bis hin zur Detailebene auf diese beiden Aspekte hin untersucht werden, womit die ganzheitliche Sichtweise ausgedr¨uckt wird. Zielsetzung logisitischer Aktivit¨aten ist es, die Materialien schnell durch die Teilsysteme eines Unternehmens oder einer Or- ganisation ”fließen“ zu lassen, um eine hohe Wertsch¨opfung zu generieren. Die Basis der Logistik bilden die S¨aulen Technik, Informatik und Betriebs- 2.2. BAULOGISTIK 11 wirtschaft (vgl.2.2). Zur Technik geh¨oren alle Materialflusselemente, die an Technik Informatik Betriebs- und Volkswirt- schaft Logistik Abbildung 2.2: Die drei S¨aulen der Logistik nach [J¨un00] der physikalischen Umsetzung der logistischen Grundprozesse Transport, Umschlag, Lagerung (TUL-Prozesse) beteiligt sind. Dazu geh¨oren außer- und innerbetriebliche Transportmittel, Beh¨alter, F¨ordersysteme, Umschlag- mittel sowie Be- und Entladesysteme. Angesiedelt ist die Technik auf der Materialflussebene (vgl. Abb. 2.1), wenn man von der Entwicklung, Gestal- tung und Konstruktion absieht [J¨un00]. Die Informatik bildet die Grundlage f¨ur den ¨uberwiegend elektronischen Informationsfluss, der Daten und Informationen verwaltet, und dem Ma- terialfluss vorauseilt. Die Informatik durchdringt alle Unternehmensebenen und verbindet sie ¨uber den Informationsfluss. Die Betriebswirtschaft leistet den entsprechenden wirtschaftlichen Beitrag zu den oben genannten Prozessen und ist letztendlich der Treiber f¨ur jegliche logistische Aktivit¨at in Wirtschaftssystemen [Pfo03]. 2.2 Baulogistik Wie die klassische Logistik durchl¨auft auch die Baulogistik bestimmte Ent- wicklungsphasen, nur dass diese entsprechend zeitlich versetzt sind. Der Stand der Forschung und der Baupraxis werden an Hand dieser Phasen erl¨autert. Abbildung 2.3 liefert einen ¨Uberblick ¨uber die drei Phasen der Baulogistik, die nat¨urlich nicht ganz trennscharf zu sehen sind. Logistische Fragestellungen wurden auch vor Einf¨uhren des Begriffs Baulo- gistik behandelt [Kra05], wie dies in der klassischen Logistik ebenfalls der 12 KAPITEL 2. STAND DER BAULOGISTIKFORSCHUNG Ordnung auf der Baustelle Lieferkonzepte bis an den Arbeitsplatz, Konzepte Management, Optimierungsberech -Etagenlogistik, JiT- Supply Chain nungen, Simulation ca. Mitte der 1990er Jahre Ende der 1990er Jahre ab ca. 2002 sehr restriktiv koordinierte Materialflüsse starkes öffentliche Interesse ‚sichtbare’ Erfolge Reduzierung unproduktiver Zeiten der Mitarbeiter Bündelungseffekte im Materialfluss Forderung nach Kooperationen horizontale Gliederung der Logistik (Beschaffung, Produktion und Entsorgung Aufnahme des Supply Chain Gedankens Forschungsansätze mit Simulation, Fuzzy- Logik, genetischen Algorithmen (S, FI, USA, IND, usw.) Vertikale Gliederung der Logistik Fakten statt Erfahrungswissen Abbildung 2.3: Die drei Entwicklungsphasen der Baulogistik Fall war. Da sich der Begriff aber weitgehend etabliert hat, wird der Schwer- punkt auf ’baulogistische’ Arbeiten gelegt und durch offensichtlich logisti- kaffine Arbeiten erg¨anzt. 2.2.1 Entwicklungsphase 1 ’Ordnung auf der Baustelle’ Die ersten Artikel, in denen Logistik und Bauen in einen Zusammenhang gestellt wurden, stammen im Wesentlichen aus dem Anfang der 1980er Jah- ren [Kul81], [Ble84] und dann aus den Anf¨angen der 1990er Jahre [Eng91], [Les94], [Mai95]. Dort wurde der Begriff Logistik im Zusammenhang mit dem Bauwesen eingef¨uhrt [Kul81], [Eng91] und auf die materialflusstechni- schenBesonderheiten hingewiesen (vgl. Kap.3.2). Lessmann[Les94]verweist darauf, dass ein Erfolgsfaktor bei Auslandsbaustellen im Gegensatz zu der hohen Versorgungsdichte im Inland immer eine methodische Beschaffung ist. Die praktische Umsetzung der Beschaffung bei Auslandsbaustellen be- schreibt Kulick in [Kul81]. Logistik wird zu einer gleichberechtigten Aufgabe im Baubetrieb. Weiterhin weist Lessmann auf die Notwendigkeit der Entsorgung von Bau- stellen hin. Ein Grund f¨ur die mangelhafte Sensibilit¨at im europ¨aischen Raum sieht Lessmann in der Intransparenz der Logistikkosten. Die Logistik an sich funktioniere durch die hohe Versorgungsdichte. In diesem Sinne gab es Logistik im Baubetrieb schon immer. Es fehlte nur an der durchgehen- den Strukturierung der Logistik. Der Anlass f¨ur die Auseinandersetzung mit dem Thema Logistik und Bauen liefert zweifelsohne die Bebauung um den Potsdamer Platz und den Spreebogen in Berlin. Schmidt sieht hierin die Ge- 2.2. BAULOGISTIK 13 burtsstundeder Baulogistik [Sch03]. Im folgenden Kapitel wird die Situation in Berlin Anfang bis Mitte der 1990er Jahre beschrieben, welche im Gegen- satz zu vielen anderen Bauprojekten auch forschungsseitig gut dokumentiert ist. Großbaustelle Berlin Die Neugestaltung des Potsdamer Platz und des Spreebogens in Berlin war ein Bauvorhaben (ca. 20 Mrd. DM), welches hohe Anforderungen an die Ma- terialstr¨ome der Ver- und Entsorgung stellte. Man muss dabei zwischen dem Bereich Nord und dem Bereich S¨ud mit dem Potsdamer Platz unterscheiden. Berechnungen eines einzelnen Bauvorhabens haben ergeben, dass ca. 60.000 LKW-Einheiten pro Jahr erforderlich gewesen w¨aren. F¨ur alle Bauvorhaben h¨atte dies 1.700 LKW-Einheiten/d und damit den Verkehrsinfarkt f¨ur den Innenstadtbereich Berlins bedeutet. Abbildung 2.4: Inselversorgung Da die beiden Bereiche durch den Gr¨ung¨urtel Tiergarten getrennt wa- ren, wurden zwei Logistikbereiche eingef¨uhrt. Die Baulogistik st¨utz- te sich auf zwei Maßnahmen: zum Einen die Nutzung der Verkehrs- tr¨ager Bahn und Schiff. Zum Ande- ren wurden die Verkehrsstr¨ome ¨uber Logistikzentren in der N¨ahe der Bau- stellen geb¨undelt. F¨ur die beiden Verkehrstr¨ager, ¨uber die ca. 90% der Transporte abgewickelt wurden, sprach neben der Umweltfreundlich- keit und Straßenentlastung vor al- lem die Leistungsf¨ahigkeit. F¨ur den Logistikbereich S¨ud wurde 1993 die Baustellenlogistik Potsdamer Platz GmbH (Baulog) gegr¨undet [Mai95]. Der Logistikbereich S¨ud mit der Bau- log stand seit dem immer mehr im Mittelpunkt des Interesses als der Be- reich Nord, obwohl sich die Ver- und Entsorgungsmengen f¨ur beide Bereiche ungef¨ahr die Waage halten. F¨ur die Umsetzung des Logistikkonzeptes der Baulog wurde eine Basisinfrastruktur erstellt. Eine vom ¨offentlichen Ver- kehr abgekoppelte interne Transportstraße war die einzige Verbindung zur Baustelle, so dass eine ”Inselversorgung“ [Mai95] entstand. Die Anforderungen des Logistikkonzepts an die beteiligten Bauunterneh- men waren hoch und wurde streng geregelt. Die Aufgabengebiete umfassten die Entsorgung der Baustellen von Erdaushub, die Herstellung und Liefe- 14 KAPITEL 2. STAND DER BAULOGISTIKFORSCHUNG rung von Transportbeton, die Organisation und Zufuhr von Baustoffen und Hilfsmitteln, die Entsorgung der Bauabf¨alle, sowie das Grundwassermanage- ment [Huf97]. Die Baulog musste die Versorgungssicherheit aller Baustellen garantieren. Die Baulog bildete quasi ein Monopol, womit ein St¨uck Mark- wirtschaft verloren ging [Die94]. Die Zufahrtsregelungen waren rigide: Je- de Transportgenehmigung f¨ur LKW kostenpflichtig, wobei unangemeldete Transporte zur¨uckgewiesen wurden[Dom97]. Man sprach in diesem Zusam- menhang auch von Umerziehung der Firmen [Dom97]. Die Dispositionss- pielr¨aume der Unternehmen wurden eingeschr¨ankt. Beim Baulog-Leitstand, der die logistischen Maßnahmen steuerte, wurde ein Visualisierungsverfahren [Ste02] eingesetzt. Es visualisierte die einge- setzten logistischen Ressourcen wie Logistikpl¨atze, Transportwege, Deponi- en usw, um diese entsprechend dynamisch planen, steuern und kontrollieren zu k¨onnen. Andererseits diente es als DV-gest¨utztes Planungs- und Kon- trollsystem der Umschlageinrichtungen und der Transportwege, um deren Kapazit¨aten zeitnah als Information f¨ur die Beteiligten zur Verf¨ugung zu stellen. Im Logistikbereich Nord wurden Zeitfenster f¨ur die Anlieferung von Mate- rial eingef¨uhrt, was eine Entzerrung und eine bessere Ausnutzung der Bau- straßen zu Folge hatte. Die Verweildauer der LKW auf dem Gel¨ande wurde begrenzt und konnte mit einem Satellitenortungssystem kontrolliert werden. Das Konzept Baulog war erfolgreich, der Verkehrsinfarkt wurde vermieden, die Verkehrsverlagerung erreicht und eine B¨undelung der Verkehre hat statt- gefunden [Bau97]. Die Bauzeiten wurden im Wesentlichen eingehalten, bzw. das Projekt war ¨uberhaupt durchf¨uhrbar. Die Frage, ob die ausf¨uhrenden Unternehmen selbst davon profitiert haben, bleibt z. T. offen [Bau97]. Die Maßnahmen waren restriktiv und haben den freien Wettbewerb teilweise unterdr¨uckt. Die Baulogistik hat zus¨atzlich ca. 130 Mio. DM gekostet, das sind 1,2% der Bausumme im Logistikbereich S¨ud [Mai95]. Ob es durch die restriktiven Maßnahmen nicht auch zu Verz¨oge- rungen gekommen ist, ist ebenso offen wie die Auswirkungen der Marktbe- schr¨ankung. Dies ist systemimmanent, da ein Vergleich einfach nicht m¨oglich ist. Zusammenfassend sind die Einzelaspekte der Logistikkonzepte dieser Ent- wicklungsphase aus Theorie und Praxis dargestellt: • Methodische Beschaffung f¨ur Auslandsbaustellen • Einrichtung eines Logistikleitstandes • Abkoppelung des Baugel¨andes vom ¨offentlichen Verkehrsraum (Insel- F¨ahren-Prinzip) 2.2. BAULOGISTIK 15 • Zugang nur ¨uber die Logistikbereiche • Ausstellung von Transport- und Sondertransportgenehmigungen • gestaffeltes Entgeldsystem f¨ur alle Zulieferer • Vorgaben von Anlieferungszeitfenstern • Kontrolle des LKW-Verkehrs auf dem Baustellengel¨ande via Satellit • Zeitliche Beschr¨ankungen des LKW-Aufenthaltes auf dem Baustellen- gel¨ande Der Zielkonflikt zwischen Qualit¨at, Zeit und Kosten wird immer der Haupt- fokus der Unternehmen sein und muss daher auch immer der der Baulogis- tik sein. M¨ogliche Verkehrsverlagerungen oder Verkehrsvermeidung sind aus Unternehmenssicht nur Nebenprodukte aus dem Erreichen der Zielkonflikt- komponenten. Die angewandten Konzepte sind jedoch wegen der Gr¨oßenordnung und Auf- gabenstellung nicht oder nur in Teilen auf andere Baustellen ¨ubertragbar. Wenn gleich es eine solch große Baustelle in einem innerst¨adtischen Bal- lungsraum die n¨achsten Jahre und Jahrzehnte h¨ochst wahrscheinlich nicht mehr geben wird, hat diese doch einen wichtigen Impuls gegeben ¨uber die Logistik auf dem Bau nachzudenken. 2.2.2 Entwicklungsphase 2 ’Koordinierung und horizontale Gliederung der Logistik’ Die zweite Phase beginnt Ende der 1990er Jahre und ist gepr¨agt von tiefer- greifenden Logistikkonzepten. Diese Phase ist vergleichsweise kurz, da recht schnell ein umfassenderer Logistikbegriff in der Entwicklungsphase 3 2.2.3 eingef¨uhrt wird. Mehrere Studien [Ber83] [Boe02a], [Sch02] belegen die man- gelnde Produktivit¨at auf der Baustelle. Boenert stellt in [Boe02a] das Konzept eines Logistikkoordinators vor, der bei einem Bauvorhaben im Schl¨usselfertigbau f¨ur die Logistik verantwortlich ist. Dies schließt wie im Baulog-Konzept eine Transportkoordinierung mit Anmeldung und Genehmigung ein (Beschaffung). Dazu geh¨oren auch das Fl¨achenmanagement und die Kl¨arung der Liefermen- genbedarfe. Beim Fl¨achenmanagement wird die Etagenlogistik vorgeschla- gen, bei der die Gewerke in den Etagen tempor¨ar Zonen erhalten, wo das einzubauende Material in N¨ahe des Einbauortes lagert. Dazu ist neben den ’Verbauzeiten’ eine genaue Kenntnis der Liefermengen notwendig, die nach dem Grundsatz ”Verbrauchseinheit = Transporteinheit = Lagereinheit“ zu- sammengestellt werden sollten (Produktion) [Boe02a]. 16 KAPITEL 2. STAND DER BAULOGISTIKFORSCHUNG Im Bereich Abfallmanagement wird ebenfalls eine zentrale Logistik vor- geschlagen [Lip99], die erhebliche Kosteneinsparungen verspricht (Entsor- gung). Baustofflieferanten ihrerseits haben ihr Logistikangebot verbessert und liefern nicht nur zur Baustelle, sondern direkt in die Etage oder lie- fern in der Nacht an. In diesem Zusammenhang wurde ein internetbasiertes Logistik-System f¨ur mittelst¨andische Bauunternehmen entwickelt [Mar01]. Ziel war es, das E-Business in der mittelst¨andischen Bauwirtschaft ein- zuf¨uhren und Angebots-, Bestell- und Lieferprozesse durch das Internet zu vereinfachen und zu beschleunigen. ¨Ahnliche Untersuchungen wurden an der TU-Berlin [Ott01] gemacht. Diese Phase ist gepr¨agt durch die praktische Anwendung jenseits der Mega- projekte wieder Potsdamer Platz undstellt dieLogistik als ’nat¨urlichen’ Teil der Bauausf¨uhrung dar. Die Elemente dieser Phase sind zusammengefasst: • Denken in logistischen Einheiten • Einsatz eines Logistik-Koordinators • Einf¨uhren von E-Business in der Bauwirtschaft • Lieferkonzepte bis zum Einbauort • Etagenlogistik • zentrale Entsorgungslogistik 2.2.3 Entwicklungsphase 3 ’Wertsch¨opfungsdenken, Logistik- planungsinstrumente’ Anfang der 2000er Jahre wurde der Begriff Baulogistik in der Forschung st¨arker gef¨ullt und es folgten einige Dissertationen zu dem Thema mit un- terschiedlichen Schwerpunkten. Unternehmens¨ubergreifende Kooperationen r¨ucktenindenFokus unddieManagementebene (vgl. Abb.2.1)wurdest¨arker betont, wobei die Integration der Logistik in die Planung ein Schritt in diese Richtung ist. Einen ganzheitlichen Ansatz beschreibt Grote [Gro02]. F¨ur die Organisation und Steuerung einer Baumaßnahme schl¨agt er die Nutzung der Kybernetik vor (”KOPF“). Die steigende Komplexit¨at heutiger Bauvorhaben steht im Vordergrund der Betrachtungen. Weiterhin wird auf einen Mangel in den Leistungsbeschreibungen hingewiesen. Die Positionen sind nicht nach der Reihenfolge der Bearbeitung sortiert. Ebenso wird nicht nach dem Ort der Leistungserbringung unterschieden, d. h. es wird nicht unterschieden, ob ei- ne Leistung im Keller oder im 10. Stock erbracht wird, sofern es sich um die gleiche Position im Leistungsverzeichnis handelt. Die Arbeitsstunden f¨ur 2.2. BAULOGISTIK 17 die einzelnen Positionen und damit ein Teil der Kosten wird damit pauschal ermittelt. Als neuer Ansatz wurden die Leistungspositionen nach Arbeitspa- keten neu sortiert und zwar nach der Reihenfolge der Bearbeitung. Die Ge- samtmaßnahme wurde in Arbeitsfl¨achen von ca. 300 m2 eingeteilt, so dass anteilig die Positionen diesen Arbeitsfl¨achen zugeordnet werden konnten. Neben einer vereinfachten Abschlagsrechnungsstellung ¨uber die Arbeitspa- kete, sollte die Kontrolle der Produktivit¨at und die Just-in-Time Lieferung der Baustoffe erm¨oglicht werden. Die Kontrolle der Produktivit¨at erfolgt ¨uber den Soll-Ist-Vergleich der Arbeitsstunden f¨ur jedes Arbeitspaket. Die Just-in-Time Lieferung bezieht sich ebenfalls auf diese Arbeitspakete. In [Lei03] weist Leinz auf die Vorteile einer strategischen Beschaffung in der Bauindustrie hin und stellt ”Strategien hinsichtlich der Logistik“ vor (vgl. auch [Jac00]). In einem morphologischen Kasten (vgl. Abb. 2.5) sind die Strategiealternativen der Beschaffung zusammengestellt. Merkmal Umfang Koordination Bereitstellung Raumüberbrückung Zeitüberbrückung Steuerung Kommunikation Ausprägung BaustelleGewerkSortimentProdukt keine (Dezentral) Zulieferer Bauunternehmen externe Stelle frei Haus frei Zwischenlager ab Werk Pufferlager Baustellenlager Just-in-Time Schiene Schiff Internet/ExtranetKonventionell EDI Straße KombiniertLuft PullPush Lieferantenlager Abbildung 2.5: Strategiealternativen hinsichtlich der Logistik nach [Lei03] Kalk¨uhler f¨uhrt in seiner Arbeit [Kal03] eine ABC-Analyse ¨uber die Gewer- ke im schl¨usselfertigen Hochbau durch, um die Kostentreiber einer Baumaß- nahme zu ermitteln. Im Anschluss macht er, ¨ahnlich wie Leinz, Vorschl¨age, welche Beschaffungsprozesse sich jeweils f¨ur dieA-, B- und C-Kategorien eig- nen und wie hoch das Verbesserungspotenzial der einzelnen Prozess-Schritte ist. Im Weiteren weist er darauf hin, wie die Kosten f¨ur Nachtr¨age gesenkt werden k¨onnen. Schmidt greift in seiner Arbeit [Sch03] den Supply Chain Management - Gedanken (=SCM) der station¨aren Industrie auf und entwirft ein dem Bau- wesen angepasstes SCM System. Er entwickelt eine sogenannte ”Projekt Supply Chain“, um dem Projektcharakter des Bauwesens abzubilden. Basis f¨ur Verbesserungen in dieser Projekt Supply Chain sieht Schmidt in der von Goldratt entwickelten Theorie der Engp¨asse. Schmidt fordert f¨ur folgende Elemente im Bauwesen den Aufbau von Supply Chains: • Baukonstruktion, 18 KAPITEL 2. STAND DER BAULOGISTIKFORSCHUNG • Bauger¨ate, • Baustoffe, • Bauausf¨uhrung, • Baustoffentsorgung. Wie in Kapitel 2.1 erl¨autert stellt die unternehmens¨ubergreifende Logistik wie der Supply Chain Management Ansatz die z. Z. h¨ochste Form der Logis- tikentwicklung dar, bei der die Verringerung der Gesamtkosten im Mittel- punkt stehen sollte, nicht die Reduktion der Einzelkosten. Die sehr plakative Darstellung der ¨Außerungen von Praktikern in [Sch03] deutet an, dass es bis zur tats¨achlichen Umsetzung solcher Ans¨atze noch weit hin ist. Kraußentwickelt in ihrerArbeit[Kra05] ein Modell zursystematischen Plan- ungvon Logistikprozessen auf Baustellen inder schl¨usselfertigen Ausf¨uhrung im Hochbau, da es an ”Methoden und Instrumenten [fehlt], um die Baulo- gistik bereits in die Planung und Vorbereitung eines Bauprojekts zu inte- grieren[...]“ [Kra05]. Dies sei notwendige Voraussetzung f¨ur die Steuerung und Kontrolle der Prozesse in der Ausf¨uhrungsphase. Krauß unterscheidet in ihrem Ansatz Fertigungs- und Logistikprozesse, deren Abh¨angigkeiten im ”Verlauf der Bauzeit nur unzureichend“ ber¨ucksichtigt werden. Ihr Mo- dell stellt die Fertigungs- und Logistikprozesse so in Beziehung, dass die Fertigungsprozesse von den Logistikprozessen unterst¨utzt werden und die erforderlichen Ressourcen erhalten. Das Modell besitzt f¨ur folgende Punkte Eingabemasken: • allgemeine Pojektdaten, • Fl¨achenmodell, • Materialflussmittel, • Infrastrukturfl¨achen, • Fertigungsprozesse, • Ver- und Gebrauchsressourcen, • Versorgungsprofile, • Ablaufpl¨ane. Das Modell berechnet auf Grundder Eingabedaten dieDauern undAnfangs- sowie Endzeitpunkte der Logistikprozesse, sowie die Kapazit¨atsauslastungen der Ressourcen, wobei Konflikte gepr¨uft und durch den Anwender behoben werden k¨onnen. 2.2. BAULOGISTIK 19 Die Entwicklung der I&K-Technologie ist f¨ur die Baulogistik ebenfalls von Bedeutung. In einer Reihe von Forschungsvorhaben (s. z. B. [Men03] oder [NNe05]) wurde untersucht, in wie weit mobile Kleincomputer Prozesse auf der Baustelle unterst¨utzen k¨onnen. Die Einsatzm¨oglichkeiten sind da- bei vielf¨altig, angefangen von elektronischen Stundenzetteln ¨uber Abnahme- unterst¨utzungen bis hin zum elektronischen Lieferschein. Aktuell wird der Einsatz von RFID-Technologie im Bau untersucht. Diese Informationen, die elektronisch verf¨ugbar sind, k¨onnten ebenfalls in einer Simulation genutzt werden. Arbeiten, die keinen unmittelbaren logistischen Hintergrund haben, aber f¨ur diese Arbeit wichtig sind, werden im Folgenden erw¨ahnt. T¨opfer stellt in ihrer Arbeit [T¨op01] Grundlagen f¨ur eine manuelle und rechnergest¨utzte Baustelleneinrichtungsplanung vor, w¨ahrend B¨ottcher [B¨ot94] auf die rech- nergest¨utzte Arbeitsvorbereitung eingeht. Ebenfalls mit der Layoutplanung von Baustellen besch¨aftigt sich die Arbeit von Lennerts [Len96]. Die genann- ten Arbeiten befassen sich u. a. mit der Frage der optimalen Standorte der Krane auf Baustellen. Dieser Punkt wirkt sich auf die Produktivit¨at bzw. die Kosten aus. In der internationalen Forschung haben Untersuchungen im Bauwesen zu den Themen Supply Chain Management, Lean Production und damit impli- zit Logistik auf Baustellen bereits viel fr¨uher eingesetzt. Koskela beschreibt bereits 1992 in [Kos92] die M¨oglichkeiten einer ¨Ubertragung des Lean Pro- duction1 Gedankens auf die Bauindustrie. Wenngleich die Logistik nicht ex- plizit genannt ist, r¨ucken dennoch die ”non value-adding activities“ und die ”flow processes“ in den Mittelpunkt der Betrachtungen. Es gibt noch eineReihe weiterer Arbeiten aus den USA und den skandinavischen L¨andern, die sich zunehmend mit Supply Chain Management in Construction (z. B. [OBr99]), oder Just-in-Time Strategien [Ber97] besch¨aftigen. Auch in diesen Arbeiten wird auf die Notwendigkeit der Reduzierung interner Materialbe- wegungen hingewiesen. Bei der Analyse der Supply Chain [Vri99] im Bauwe- sen wurde mangelnde Zusammenarbeit zwischen den Gewerken festgestellt. Zudem lag die Ursache f¨ur Verschwendungen und Problemen meist nicht in der Stufe, in der sie auftreten, sondern in einer ihr vorgelagerten und h¨aufig auf einer h¨oheren Organisationsebene. Die Ergebnisse machen deutlich, dass eine m¨oglichst umfassende Betrachtung der Prozesse notwendig ist. Die Diskussionen und Untersuchungen im Forschungsbereich bez¨uglich der Baulogistik finden zunehmend in den Hand- und Lehrb¨uchern f¨ur den Bau- betrieb ihren Eingang ([Mey05] ,[Gir06] [Hof07]. 1In anderen Arbeiten wird von ”Lean Construction“ [How99], bzw. von ”ConstructionSupply Chain“ [OBr99] gesprochen 20 KAPITEL 2. STAND DER BAULOGISTIKFORSCHUNG 2.3 Simulation von Prozessen auf Baustellen Dieses Kapitel gibt einen ¨Uberblick ¨uber den Stand der Forschung bez¨uglich derSimulation von Bau- undLogistikprozessen auf Baustellen. Eserfolgt wo- bei zun¨achst eine Bestandsaufnahme der Forschung im englischsprachigen Ausland. Die im Anschluss aufgef¨uhrten sp¨ateren Arbeiten aus dem deutsch- sprachigen Raum unterstreichen die Anwendungsbreite von Simulation als Methode im Bauwesen. Simulationen werden danneingesetzt, wennein Systemzwar modelliert, aber die Fragestellung nicht analytisch gel¨ost werden kann. Die Einordnung und Abgrenzung zu anderen Verfahren geht aus Abbildung 2.6 hervor. Experiment am realen System System Experiment am Modell Physisches Modell Mathematisches Modell Analytische Lösung Simulation Abbildung 2.6: Einordnung der Simulation nach DIN 19226 Teil 1 Simulationen von Bauprozessen gehen nach [Hal99] auf die 1960er Jahre zur¨uck. Das bekannteste Simulationswerkzeug im internationalen Raum f¨ur das Bauwesen ist CYCLONE, dass bereits 1973 von Halpin entwickelt wurde [Hal92]. Dieses bildet die Grundlage f¨ur eine Reihe von Weiterentwicklun- gen in diesem Gebiet. CYCLONE zeichnete sich durch die grafische Un- terst¨utzung und die Einfachheit der Modellierung aus, die allerdings wieder- um die Anwendung bei komplexen Prozessen einschr¨ankte. Es folgten Werkzeuge wie INSIDE, RESQUE, UMCYCLONE, CIPROS, STROBOSCOPE usw. (aufgef¨uhrt nach [Cha04]), die sich unter anderem dadurchhervortaten, dassderFunktionsumfanggr¨oßer wurdeunddieM¨oglich- keiten der freien Programmierung implementiert wurden. Diese Programme aber auch andere Programme wie ABC [Hon01] oder [Ram01] haben Erdbauprozesse, bzw. allgemeiner die Fertigungsprozesse im Fokus. Dies liegt an dem hohen Maß an Erfahrungswissen, das f¨ur die Ent- scheidungsfindung erforderlich ist [Cha04]. Erdbauprozesse sind sehr masch- 2.3. SIMULATION VON PROZESSEN AUF BAUSTELLEN 21 inen- und damit kostenintensiv, was den Einsatz der Simulationstechnik rechtfertigt [Cha06]. Tawfik und Fernando beschreiben in [Taw01] das EU-Projekt DIVERCI- TY. Das Analyse-Tool als Simulation besteht aus drei Komponenten, einer Sicherheitskomponente, einer Fl¨achenkomponente und einer Optimierungs- komponente. Die Planung von Baustellen in Bezug auf Sicherheit und Fl¨ache zu optimieren war Ziel der Arbeit. Auch hier wird darauf hingewiesen, dass die Planung im Allgemeinen auf Erfahrung und Intuition der Planer ba- siert. Der Schwerpunkt liegt auf der Organisation tempor¨arer Ressourcen, wie B¨uro-Container, Lagerfl¨achen usw. Die Minimierung der Wege zwischen den tempor¨aren Ressourcen unter Ber¨ucksichtigung von Gefahrenzonen er- folgt mittels Simulation auf Basis genetischer Algorithmen. Die Minimie- rung der Wege auf Baustellen reduziert die Handlingskosten und ist somit ein wichtiger Beitrag zur Logistik. In [Abo99] wird darauf hingewiesen, dass das Hauptproblem der Simulati- on von Bauprozessen die Gr¨oße und die Komplexit¨at sind, weshalb sie in der akademischen Welt (in den USA) wegen ihrer Vorteile zwar weite Ver- breitung findet, aber in der Praxis noch wenig im Einsatz ist [Hal99]. Der Schwerpunkt der Entwicklungen sollte deshalb auf die einfache Handhabung des Simulationstools liegen. In der gleichen Arbeit liefert Halpin einige Bei- spiele umgesetzter Praxisbeispiele mit Hinweisen auf die Einsparungen an Kosten oder Zeit. Auch in [Hon01] stehen die Einfachheit und die Anschau- lichkeit der Simulation im Mittelpunkt. Schopach [Scho02] stellt im Rahmen seiner Dissertation einen L¨osungsan- satz mittels Petri-Netzen vor. Diese netzbasierte Simulation beschreibt den Transport und den Einbau von Betonfertigteilen. Ein allgemeines Modell zu entwickeln, dass mittels Parametrierung auf beliebige Fertigteilbaustel- len anwendbar ist, ist die Grundidee bei diesem Verfahren. Die Simulation besteht aus den Elementen Kran, Transport-Lkw, Entladeplatz und Kolon- nenanzahl. Zielgr¨oßen sind die Krananzahl, die Kranstandorte, sowie die Kranwahl und die Anzahl der Lkw in Abh¨angigkeit zur Entfernung des Fer- tigteilwerkes. Der Ansatz von Chahrour in [Cha06] basiert ebenfalls auf Petrinetzen, wo- bei diese allerdings mit CAD-Systemen kombiniert werden. Es entsteht ein Simulator, der ¨uber das CAD-Layout parametrisiert ein Baustellenmodell generiert. Das Petrinetz, das das stochastische und dynamische Verhalten des Systems abbildet, wird ¨uber eine Schnittstelle in AutoCAD integriert und wird dort initialisiert. Das Modell bietet sowohl die Prozess- als auch die Projektsimulation an, wobei auf Prozessebene realit¨atsnahe Eins¨atze von Baggern und Lkw abgebildet werden. Die Projektsicht bietet die Gegen¨uber- stellung von Massenverteilungsvarianten auf Basis der abgebildeten Logis- tikprozesse an. In der CAD wurdeein anderer Weg beschritten. Sogenannte 4D-Modelle ver- kn¨upfen 3D CAD-Daten mit der ’vierten’ Komponente Zeit. Damit k¨onnen Baufortschritte zu jedem beliebigen Zeitpunkt simuliert, oder besser visuali- siert [Cla02] werden, davon einer Simulation gesprochen wird,wenn dieZeit- komponente nicht statisch ist, sondern z. B. aus Netzplantechniken generiert werden. Letzteres wird in einigen Arbeiten vorgestellt [Kan04]. Verbindun- gen zwischen den 3D Elementen und den Vorg¨angen aus Projektplanungs- programmen lassen sich ¨uber eine Schnittstelle (vgl. Kap. 5) realisieren. Der große Vorteil der Methode ist die Anschaulichkeit durch Visualisierung, die z. B. in der Bau¨uberwachung zum Tragen kommt. Echtzeitbilder (von Web-cams) der Baustelle werden den 4D Bildern gegen¨ubergestellt und ver- glichen, wodurch zeitliche Differenzen sehr leicht zu erkennen sind. Trotz der genannten Vorteile ziehen Kang, Lee und Kwak in [Kan04] ein kritisches Fa- zit bez¨uglich des Nutzens f¨ur das Baumanagement. Die Analyse-Funktionen seien noch nicht ausreichend. Daher ben¨otige man ein ”integriertes“ 4D Sys- tem, was ein ”direkte Verkn¨upfung“ von Netzplantechnik und 3D Informa- tionen zulasse. Kapitel 3 Systemanalyse Baustelle Die Systemanalyse Baustelle arbeitet die Besonderheiten des Bauwesens ge- gen¨uber der station¨aren Industrie heraus und setzt diese in Beziehung. Da- von ausgehend werden Logistikstrategien abgeleitet und ausgearbeitet. Ziel dieses Kapitels ist es, das Potenzial der prozessorientierten Betrachtungs- weise unter Ber¨ucksichtigung der branchenspezifischen Eigenheiten f¨ur das Bauwesen aufzuzeigen. 3.1 System Baustelle Die Baustelle als Produktionsort im Bauwesen und die damit verbundenen Randbedingungen lassen sich nach [Bau92] durch die folgenden Merkmale charakterisieren. Diese werden in den folgenden Kapiteln n¨aher erl¨autert. • Die Produktionsst¨atte ist tempor¨ar. • Die zu errichtenden Bauobjekte sind standortgebunden. • Sie weisen einen Unikatcharakter (Einzelfertigung) auf. • Die Organisationsform ist projektartig. • Es existieren vergleichsweise ’viele’ Produktionsst¨atten. • Eine Baumaßnahme wird in spezialisierte Gewerke gegliedert. • Durch den Projektcharakter ist die Datenlage eingeschr¨ankt. 23 24 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE 3.2 Unterschiede zur station¨aren Industrie Die Automobilindustrie, als innovative, station¨are Industrie, wird h¨aufig als Vorbild f¨ur die Bauindustrie herangezogen [Bar03]. In den USA und in Deutschland gibt es Ans¨atze, den ’Lean Production’-Gedanken der japa- nischen Automobilindustrie auf den Bau zu ¨ubertragen [Bal00], [Oll03]. Das Konzept, Kosten zu reduzieren und gleichzeitig die Qualit¨at zu erh¨ohen, ist einf¨urdiedeutscheBauwirtschafterforderlicher Ansatz[Mor06]. InDeutsch- land wird im europ¨aischen Vergleich ”zu teuer gebaut“, was Blecken u. a. auf die derzeitigen Wettbewerbsmodelle zur¨uckf¨uhrt[Ble01]. Er sieht in Partne- ringans¨atzen, wie sie in anderen Industrien erfolgreich eingesetzt werden, ein hohes Kostensenkungspotential. Im Folgenden werden Eigenheiten des Bau- wesens erl¨autert, die beachtet werden m¨ussen, wenn Konzepte aus anderen Branchen auf das Bauen ¨ubertragen werden sollen. 3.2.1 Tempor¨arer Standort Aufgrunddes tempor¨aren Standorts muss sich der Baubetrieb stets auf neue, teils unbekannte Standortbedingungen einlassen, die zu St¨orfaktoren f¨ur die Produktion werden k¨onnen: • Baugrund und Witterungsverh¨altnisse, • vorgegebene Platzverh¨altnisse f¨ur die Baustelleneinrichtung, • vorhandene Infrastruktur im unmittelbarer Umgebung, • evtl. ¨offentliches Interesse am Standort (Umweltbeeintr¨achtigung) • ¨offentlich-rechtliche Rahmenbedingungen Ein tempor¨arer Standort f¨uhrt außerdem zu einem ’Wegeproblem’. Wie aus Abbildung 3.1 ersichtlich ¨andern sich die Wege f¨ur die Zulieferer bei einer neuen Baustelle. Teilweise werden Baustellen nur ein einziges Mal angefahren. Touren m¨ussen neu disponiert werden, Fahrer sich auf neue Strecken einstellen. 3.2.2 Unikatcharakter und Gr¨oße der Objekte Bauwerke werden individuell unter Ber¨ucksichtigung der Umgebung ein ein- ziges Mal geplant undgebaut. Bei Erstellungmehrerergleichartiger Geb¨aude (z. B. Reihenh¨auser)werdendieindividuellenW¨unschederBauherrenber¨uck- sichtigt. Der Unikatcharakter l¨asst sich am ehesten mit dem Prototypen- bau der station¨aren Industrie vergleichen, allerdings m¨ussen bis zur Se- rienfertigung eine Reihe gleichartiger Prototypen gebaut werden, so dass 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATION¨AREN INDUSTRIE 25 Zulieferer 2 Zulieferer 1 Zulieferer 3 Zulieferer 4 Abbildung 3.1: Wegeproblem sich ein Wiederholungseffekt einstellt. Hinzu kommt, dass es sich um Pro- jektarbeit [Hal92] handelt, bei dem h¨aufig die Beteiligten f¨ur jedes Vorha- ben neu zusammengestellt werden, so dass sich selten langfristige Kunden- Lieferantenbeziehungen (s. Kap. 3.2.3) bilden k¨onnen. Der Unikatcharak- ter und die kurzfristigen Beziehungen f¨uhren neben den bereits erw¨ahnten Standortbedingungen (s. Kap. 3.2.1) dazu, dass auf Baustellen h¨aufig im- provisiert [Kam94] wird. Der Unikatcharakter bedeutet nicht, dass sich die Prozesse oder die Bauver- fahren bei neuen Vorhaben grundlegend ver¨andern [Ram01]. Im Gegenteil, viele Prozesse des Bauwesens sind in sich wiederkehrende Prozesse, die sich teilweise gut f¨ur die Simulation eignen [Hal99]. Die Gr¨oße des zu erstellenden Objekts ist ebenfalls von Bedeutung. Ein Bauwerk ist um ein vielfaches gr¨oßer als typische Produkte1 der station¨aren Industrie. In der station¨aren Industrie fließen die Objekte durch die Produktion und werden an jeder Station ver¨andert (Serienfertigung). Charakterisiert wird dies dort durch den Begriff Durchlaufzeiten der Objekte durch die Pro- duktion. Die Serienfertigung wird vom Bauwesen nach [Bau92] durch die Taktfertigung ’imitiert’. Im Bauwesen spricht man von Taktzeiten, in denen beispielsweise bestimmte ¨ahnliche Bauabschnitte gefertigt werden. In Abbildung 3.2 sind die Arbeitsgruppen so getaktet, dass die Arbeits- leistung f¨ur jeden Abschnitt gleich ist. So kommt es nicht zu gegenseitigen Behinderungen. Die zweite Arbeitsgruppekann unmittelbar mit ihrer Arbeit im ersten r¨aum- lichen Abschnitt beginnen, sobald die erste Gruppein den zweiten Abschnitt wechselt. Sind die Arbeitsleistungen unterschiedlich (unterschiedliche Stei- 1Eine Ausnahme bilden sicherlich ’Produkte’ wie Schiffe [Ste06] oder Flugzeuge, die ¨ahnliche Gr¨oßenordnungen aufweisen. Hier gibt es Ankn¨upfungspunkte zur Baulogistik. 26 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE V t Arb eits gru ppe 1 Abschnitt 1 2 3 n tt t t Arb eits gru ppe 2 Arb eits gru ppe 3 Arbeitstakte Abbildung 3.2: Taktfertigung gungen) kommt es zu r¨aumlichen Konflikten, oder zu nicht ausgelasteten Abschnitten (zeitliche Verschwendung). Ein Geb¨aude ’w¨achst’, womit sich Gr¨oße und Gestalt ¨andern. Funktions- fl¨achen und Verkehrswege passen sich den Ver¨anderungen an. Nicht das Produkt fließt an den Arbeitsstationen entlang, sondern die ’Arbeitspl¨atze’ bewegen sich am entstehenden Objekt entlang [Bau92]. Der Materialfluss folgt den Arbeitspl¨atzen, der Ort der Senke ¨andert sich folglich mit der Bewegung der Arbeitspl¨atze. Senke 2 Senke 1 Senke 3 Senke 4 Senke 5 Abbildung 3.3: Materialfluss im Hochbau 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATION¨AREN INDUSTRIE 27 Krauß schl¨agt hierzu in [Kra05] ein ”Fl¨achenmodell“ vor, um die Funktions- fl¨achen r¨aumlich zuzuordnen. Damit lassen sich nicht nur Fl¨achen innerhalb von Geb¨auden, ¨ahnlich wie Mietfl¨achen im Facility Management, verwalten, sondern auch Freifl¨achen der Baustelleneinrichtung. Abbildung 3.3 veranschaulicht den Materialfluss innerhalb eines Geb¨audes. Es wird deutlich, dass das Material im Geb¨aude verteilt wird und f¨ur eine Materialart die lokale Senke nur einmal vorhanden ist. F¨ur die Berechnung der Materialfl¨usse muss man die Wege kennen, ¨uber die das Material trans- portiert wird, da der Zeitverbrauch und damit die Kosten pro Ressource abh¨angig von der zur¨uckgelegten Strecke ist. In Produktionsanlagen werden h¨aufig Quelle-Senke Matrizen aufgestellt, in denen die jeweilige Entfernung zwischen einer Quelle und einer Senke ein- getragen wird, sofern eine Transportbeziehung existiert. Multipliziert man die Entfernung mit dem Aufkommen eines Bezugszeitraums der Quelle- Senke Relation, erh¨alt man die Transportleistung. Mit Hilfe von Sankey- Diagrammen werden Materialstr¨ome innerhalb einer Produktionsanlage vi- sualisiert. F¨ur das Bauwesen w¨are ein solches Vorgehen selbst bei einer star- ken Vergr¨oberung immer noch zu aufw¨andig. Die Einmaligkeit des Bauwerks [Anzahl Behälter/Schicht] Senke Quelle Konsi gn ati on sla ge r ( 1) Sp alt an lag e ( 2) Co ila ge r ( 3) Sp err lag er (4) Pre sse (5 ) LK W -E ntl ad un g (6) W erkze ug lag er (7 ) La ge r_n eu (8 ) Le erg utl ag er _ ( au ße n) (9 ) Ma ga zin (1 0) Sch rot tpl atz (1 1) Pr essw erk- Üb erg ab ep un kt (12 ) Pr essw erk- Ha lle 1 (1 3) Pr essw erk- Ha lle 2 (1 4) Sch we iße rei - a llg . ( 15 ) Sch we iße rei - A ufh än ge p Sch we iße rei - A ufh än ge pu nkt 2 (1 7) TK M- Üb erg ab ep un kt (18 ) TK M- all g. (19 ) I-P un kt 11 (2 0) La ge r-a llg . ( 21 ) La ge r-L KW -B e-u nd E ntl ad un g ( 22 ) I-P un kt 12 (2 3) Jit -La ge r-a llg . ( 24 ) Jit -La ge r-L KW -B ela du ng (2 5) Summe Konsignationslager (1) 0,0 Spaltanlage (2) 0,0 Coilager (3) 0,0 Sperrlager (4) 4,45 4,45 4,45 4,45 17,8 Presse (5) 2,5 13,3 15,8 LKW-Entladung (6) 0,0 Werkzeuglager (7) 0,0 Lager_neu (8) 38 4 42,1 Leergutlager (außen) (9) 5,43 1 6,4 Magazin (10) 0,0 Schrottplatz (11) 0,0 Presswerk-Übergabepunkt (12) 15,8 42 135,5 135,5 223,9 552,8 Presswerk-Halle 1 (13) 2,5 133 135,5 Presswerk-Halle 2 (14) 2,5 133 135,5 Schweißerei- allg. (15) 2,5 232 2 236,3 Schweißerei- Aufhängep 60 60,0 Schweißerei- Aufhängepunkt 2 (17) 2,5 60 2 64,5 TKM-Übergabepunkt (18) 2,5 25 138 165,8 TKM-allg. (19) 25 138 163,3 I-Punkt 11 (20) 2,5 1 1 190 21 232,4 447,5 Lager-allg. (21) 210,6 210,6 Lager-LKW-Be-und Entladung (22) 0,0 I-Punkt 12 (23) 138 138,0 Jit-Lager-allg. (24) 138 138,0 Jit-Lager-LKW-Beladung (25) 0,0 Summe 0 0 17,5 16,8 0 0 42,1 0 0 0 542,8 135,5 135,5 231,8 60 64,5 55,98 138 443 232,4 0 138 138 138 2529,9 Abbildung 3.4: Beispiel f¨ur eine Quelle-Senke-Matrix w¨urde eine solche Maßnahme kaum rechtfertigen. Mit der Dynamik der We- ge wird ein weiteres Kennzeichen des Bauwesens deutlich: Die Ver¨anderun- gen des Bauwerks an sich f¨uhren zu Verlagerungen der Funktions- und der Verkehrsfl¨achen, was zus¨atzlich zu Umstellungen der Materialfl¨usse f¨uhrt. GirmscheidnenntdenProjektcharakter sowohl innovationshemmendals auch innovationsausl¨osend [Gir03], da prinzipiell jede Form der Projektarbeit einen hohen Grad an Kreativit¨at zul¨asst. Allerdings werden die f¨ur ein Pro- 28 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE jekt entwickelten Innovationen nicht f¨ur weitere Projekte genutzt. Das sieht Girmscheid als einen der ”Hauptgr¨unde“ f¨ur die unterdurchschnittliche In- novationsrate in der Bauwirtschaft. 3.2.3 Kunden-Lieferanten Beziehungen W¨ahrend bei der Automobilindustrie ’viele’ Zulieferer ’wenige’ Hersteller2 beliefern, stehen ’viele’ Zulieferer ’vielen’ Baustellen gegen¨uber. Ein Beispiel aus dem Wohungsbau zeigt, dass allein die Anzahl der Baugenehmigun- gen f¨ur Wohnungen sich im Jahre 2005 auf ¨uber 240000 ([NNa05]) belief. Selbst unter der Annahme, dass mehrere Wohnungen zu einem Bauvorhaben geh¨oren, wird der Unterschied deutlich. Hierbei sind als Zulieferer nicht nur die Baustoffh¨andler, sondern auch die Subunternehmer gemeint, die bei den Großunternehmen bereits 46% der T¨atigkeiten [NNb05] auf der Baustelle ¨ubernehmen. Der Anteil an Nachunternehmerleistungen nimmt u. a. durch die Entwicklung des Schl¨usselfertigbaus auch international zu (vgl. [Kra05], Abb. 3.5 und [Vri99]). Angefangen von Architektur- und Ingenieurleistun- Anteil am Bruttoproduktionswert in % 0 10 20 30 40 50 60 1980 1985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Quelle Statistisches Bundesamt, Berechnungen des HDB (nach Hauptverband der deutschen Bauindustrie e.V.; Stand:02.08.2006) 20 bis 49 Beschäftigte alle Unternehmen (20 und mehr Besch.) 500 und mehr Beschäftigte 46,5 31,1 17,6 21,8 14,4 9,0 bis 1990 westdeutsche, ab 1991 gesamtdeutsche Werte Abbildung 3.5: Kosten f¨ur Subunternehmert¨atigkeiten im Bauhauptgewerbe gen bis hin zur Erbringung von Bauleistungen f¨ur einzelne Gewerke, die z. T. noch in mehrere Teilauftr¨age gesplittet sind, werden durch Subunterneh- mer durchgef¨uhrt. Die Vergabe erfolgt auch im Ausland [Vri99] meist an den g¨unstigsten Anbieter [Kra05], teilweise ungeachtet dessen Qualifikation. In der Automobilindustrie wurde zwar auch Outsourcing betrieben, jedoch wurde einerseits die Anzahl der Zulieferer reduziert [Wom92], andererseits 2(5 OEM (Original Equipment Manufacturer) mit ca. 30 Standorten in Deutschland [NNe05]) 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATION¨AREN INDUSTRIE 29 sind die Zusammenarbeiten allein wegen der relativ hohen Investionen auf Seiten der Zulieferer l¨angerfristig. Zum Aufbau von Strukturen, die nicht nur Einzelergebnisse, sondern Gesamtergebnisse verbessern, sind aber l¨angerfris- tige Zusammenarbeiten notwendig [Ble01]. Daf¨ur ist ein Vertrauensaufbau notwendig, aber auch Investitionen, die auf diese Zusammenarbeit zuge- schnitten sind. Dies und der schon erw¨ahnte hohe Anteil an Kleinunterneh- men im Baubereich f¨uhren dazu, dass sich nur schwer Standards aufstellen lassen. F¨ur den Bereich des Informationsaustausches w¨aren Standards aber dringend notwendig. Der Einsatz von Informations- und Kommunikations- technologien (I&K), angefangen von der vernetzten Planung ¨uber internet- basierte Projektsteuerung bis hin zur Sendungsverfolgung von Baumaterial auf der Baustelle, sind im Bauwesen noch stark unterentwickelt und m¨ussen weiter ausgebaut werden. 3.2.4 Gewerkesystematik und Auftragsvergabe Ein weiterer Unterschied zur station¨aren Industrie besteht darin, dass eine Baumassnahme traditionell in Gewerke gegliedert wird. Kostendruck und Materialentwicklungen haben zu einer immer st¨arker werdenden Spezialisie- rung und damit zu einer Vermehrung der Gewerke auf Baustellen gef¨uhrt. W¨ahrend es 1950 f¨unf Gewerke gab [Gro02], sind es heute schon ¨uber sech- zehn. Zur einheitlichen und ersch¨opfenden Beschreibung von Bauleistungen f¨ur Ausschreibungen wurde 1965 vom Gemeinschaftsausschuss Elektronik im Bauwesen (GAEB) das Standard-Leistungsbuch (StLB) entwickelt. Ziel dabei war es, nebendem Findeneinheitlicher Begriffsbestimmungen f¨urAus- schreibung, Angebot und Abrechnung auch den Datenaustausch mit Hilfe der elektronischen Datenverarbeitung zu erm¨oglichen. Insbesonderebei Aus- schreibungen gleichartiger Bauwerke wiederholt sich ein Großteil der Teil- leistungen, allerdings teilweise in unterschiedlichen Kombinationen. Das seit 1. Oktober 1996 von GAEB und DIN eingef¨uhrte StLB-Bau ist der offizielle Nachfolger des StLB. Das StLB-Bau arbeitet auf der Basis von Textteilen, die sich in einem Dialogsystem zu ganzen Ausschreibungstexten zusammensetzen lassen [Man04] und somit das Erstellen von individuellen und dynamischen Texten erm¨oglichen. Es ist in 75 Leistungsbereiche auf- gegliedert, die relativ allgemein die enthaltenen Leistungen kategorisieren. Innerhalb der Bereiche werden die einzelnen Leistungen speziell beschrieben. Beispiele f¨ur die Bereiche sind: • 000 Sicherheitseinrichtungen, Baustelleneinrichtungen, • 001 Ger¨ustarbeiten, • 002 Erdarbeiten, 30 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE • 003 Landschaftsbauarbeiten, usw. Weiterhin werden die 75 Bereiche in 14 Leistungspakete nach ¨ubergeordne- ten Baukategorien zusammengefasst. In das Paket Rohbau werden beispiels- weise alle diesen Bauabschnitt betreffenden Leistungsbereiche eingeordnet: • 000 Sicherheitseinrichtungen, Baustelleneinrichtung, • 001 Ger¨ustarbeiten, • 002 Erdarbeiten, • 012 Mauerarbeiten, usw. Mehrfachzuordnungen sind durchaus m¨oglich, da z. B. die Baustelleneinrich- tunginjedem Bauabschnittauszuf¨uhrenist. DieArtundWeise derSystema- tisierung zeigt, dass Bauprojekte insgesamt in viele kleine Teile aufgegliedert werden. Traditionell wurden diese einzelnen Gewerke durch mehrere Unter- nehmen ausgef¨uhrt. Derzeit geht der Trend zur Bauausf¨uhrung durch Gene- ralunternehmer (=GU), da die Bauherren dann nur einen Ansprechpartner haben [Scho00]. Vom Ursprung her ist der Generalunternehmer meist ein Bauunternehmen, das die Rohbauarbeiten selbst ausf¨uhrt und im Ausbau auf Nachunternehmen zur¨uckgreift. Allerdings f¨uhrte die vorhandene Verga- bepraxis dazu, auch die Rohbauleistungen Subunternehmen zu ¨ubertragen, so dass der Generalunternehmer in diesem Fall nur als ”Organisator“ und ”Koordinator“ agiert [Sch03]. Die Subunternehmer haben nach VOB/B u. a.das Recht, die Materialdisposition eigenst¨andig durchzuf¨uhren, wodurch ei- ne Vielzahl an einzelnen unkoordinierten Materialstr¨omen entsteht. Der Auftraggeber hat vor und w¨ahrend des Baus starken Einfluss auf Kon- struktion, Baustoffe und Bauablauf. Die Praxis zeigt, dass h¨aufig ¨Anderun- gen w¨ahrend des Bauablaufs veranlasst werden, was nach VOB/B §1/3 auch das Recht des Auftraggebers ist (nach [Bau92]). ¨Anderungen werden bei- spielsweise bei Ortbetonbauweisen bis zum Betonierzeitpunkt durchgef¨uhrt. Dabei geht man davon aus, dass dies keine Mehrkosten verursacht [Ols77]. ¨Anderungen werden aber auch durch Pr¨ufingenieure veranlasst, die in Ver- tretung der Baubeh¨orden die Sicherheit der Konstruktion pr¨ufen. Hier soll nicht in Frage gestellt werden, ob diese ¨Anderungen notwendig sind. Wich- tig ist an dieser Stelle nur festzuhalten, dass die daraus entstehenden Kos- ten mit zunehmendem Projektfortschritt steigen [Lun84]. Der Kostendruck f¨uhrt zudem zu einer erzwungenen Verk¨urzung des Planungszeitraums, was in der Regel zu einer sp¨aten bis hin zur baubegleitenden Ausf¨uhrungspla- nung f¨uhrt. 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATION¨AREN INDUSTRIE 31 Ein weiteres Problem besteht in der Auftragsvergabe. Die Geb¨audeentw¨urfe sind zum großen Teil nicht fertigungsgerecht, weil zum Zeitpunkt des Ent- wurfs der ausf¨uhrende Unternehmer noch nicht feststeht oder das zur An- wendung kommende Bauverfahren [Kra05]. In der Regel kommt das Bau- verfahren zum Einsatz, welches dem Bauunternehmen zum Zeitpunkt der Arbeitsvorbereitung am g¨unstigsten erscheint, wobei die Auslastung der ei- genenRessourcen ber¨ucksichtigt werden.Girmscheid sprichtvon ”Synergieb- arrieren“[Gir03], die zwischen Entwurfs-, Ausf¨uhrungsplanung, Ausf¨uhrung und Nutzung bestehen. Gerade im Fertigteilbau sind Umplanungen schwie- rig zu managen, da der Vorteil der station¨aren Fertigung durch Nachbearbei- tungen auf der Baustelle zunichte gemacht wird. Der Fertigteilbau versucht dem durch ein integratives und interaktives Planungskonzept zu begegnen [Nit02]. Das Denken in Prozessen und in großen Zusammenh¨angen wird im Bauwesen nach [Gir03] durch die traditionelle Projektabwicklungsformen behindert. Die tempor¨ar und zu unterschiedlichen Zeitpunkten in ein Bau- projekt eingebundenen Akteure orientieren sich eher an den eigenen Zielen als an den Gesamtzielen. Hier m¨ussen neue Vertrags- und Zusammenarbeits- formen [Gir03], [Eic98] erarbeitet und in die Praxis umgesetzt werden. 3.2.5 Datenlage im Bauwesen Die Datenlage im Bauwesen ist im Vergleich zu anderen Industrien stark ein- geschr¨ankt. Ein Hauptgrund ist die Einzelfertigung an tempor¨aren Stand- orten. Daten m¨ussenf¨urjedes Projekt neuaufgenommen werdenundsindim Wesentlichen nur f¨ur dieses Projekt g¨ultig. Erschwerend kommt, zumindest in Deutschland, eine baubegleitende Planung hinzu. Dabei werden Daten ”zumeist mehrfach erhoben und abgebildet“ [Bre01], mit der Folge, dass eszu ”Konsistenzproblemen“ kommt. Das Bauwesen hat sich im Großen undGanzen damit abgefunden. In vielen F¨allen wird der Mangel an Daten durch das Erfahrungswissen (”Bauen ist Erfahrungswissenschaft“) der Bauleitung ausgeglichen. Problematisch wird es, wenn dieses ”implizite“ Wissen [Wei06] mitgeteilt werden muss. Das ist der Fall, wenn Projekte so groß sind, dass eine einzelne Person nicht mehr alle Informationen ’verarbeiten’ kann, weil es zu viele sind. Projekt¨ubergaben sind in dem Zusammenhang ebenfalls problematisch. Der Informationsfluss ist ein fundamentaler Bestandteil lo- gistischer Systeme, der den Materialfluss steuert. Pfohl [Pfo03] nennt diese ”vorauseilender“, vom ”begleitender“ und ”nacheilender“ Informationsfluss.Ersterer k¨undigt den G¨uterfluss an und erm¨oglicht die Vorbereitung des G¨uterempfangs. Der zweite informiert ¨uber die gelieferten G¨uter, w¨ahrend der dritte den stattgefundenen G¨uterfluss meldet. Die Zeichnung spielt im Bauwesen eine zentrale Rolle zur ¨Ubermittlung von Daten und Informationen. Dies gilt insbesondere f¨ur die Informations¨ubert- ragungan dieBauausf¨uhrenden.EbensovonBedeutungsindz. B. Ausschrei- 32 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE bungstexte , aber die Zeichnung ist immer Grundlage (vom Entwurf bis zur Ausf¨uhrungszeichnung) f¨ur alle weiteren ’Datengeneratoren’. W¨ahrend an- fangs nur Architektenpl¨ane und Schalpl¨ane in CAD gezeichnet wurden, hat die elektronische ’Zeichenhilfe’ den gesamten Bereich der Zeichnungserstel- lung vom Entwurf ¨uber Bewehrungs- und Werkpl¨ane bis zur Haustechnik durchdrungen. Das CAD hat eine Entwicklung von der elektronischen 2D- Zeichnung hin zum objektorientierten 3D-Modell vollzogen, was einen Pa- radigmenwechsel bedeutet. Zeichnung Modell Punkte, Linien, Koordinaten Objekte, Eigenschaften, ... Abbildung 3.6: Der Paradigmenwechsel von der Zeichnung zum Modell Es werden nicht mehr Linien, Straffuren, und Texte gezeichnet, sondern Ob- jekte (vgl. Abb. 3.6). Dies k¨onnen Bauteile wie W¨ande, St¨utzen oder Bal- ken sein, oder auch Einrichtungsgegenst¨ande wie T¨uren oder St¨uhle. Fl¨achen oder Raumvolumina k¨onnen ebenfalls als Objekte betrachtet und bearbeitet werden. Diese Objekte haben Eigenschaften wie Abmessungen, Materialien usw. – im Falle von Fl¨achen sind es Informationen wie Mietzeiten und der- gleichen – und sind in einer Datenbank hinterlegt (Geb¨audedaten). So lassen sich die Eigenschaften der Objekte direkt ver¨andern und weitere generieren. Es entsteht ein virtuelles Geb¨audemodell, das Daten undInformationen aller Fachplaner beinhalten kann. Um einen hochwertigen, plattformunabh¨angigen Datenaustausch zwischen CAD-Programmen zu gew¨ahrleisten, etablierte sich ein neuer Schnittstel- lenstandard, der sogenannte IFC (Industry Foundation Classes). An dem internationalen Standard haben sich mehrere namhafte CAD-Firmen betei- ligt, die diese Schnittstelle in ihre Programme integriert haben. Entstanden ist die Schnittstelle bei der IAI (International Alliance for Interoperability) [IAI05], die 1995 in den USA gegr¨undet wurdeundder inzwischen Mitglieder aus ¨uber 20 L¨andern angeh¨oren. Ziel der IAI ist es einen f¨ur das Bauwesen einheitlichen Datenaustausch zwischen allen Fachplanern ¨uber den gesamten Lebenszyklus hinweg zu schaffen. Der IFC-Standard erm¨oglicht das virtuelle Geb¨audemodell und damit se- mantische Informationen austauschen, d. h. es k¨onnen deutlich mehr und h¨oherwertige Daten ausgetauscht werden als beispielsweise mit dem *.dxf- Standard. Die Bauteile besitzen neben den grafischen Informationen (Punk- 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATION¨AREN INDUSTRIE 33 te, Linien, Fl¨achen) weitere Informationen, z. B. Material, Zeit, Kosten. Es ist ebenso m¨oglich neue Objekte zu definieren und zwischen den Akteuren auszutauschen, wenn man es vereinbart hat. Damit k¨onnen alle Fachplaner auf das gleiche Modell zugreifen und dabei ihre speziellen Applikationen verwenden. Die parallele Erfassung von Daten durch die Planer entf¨allt und ¨Anderungendie mehrereoder alle betreffen, m¨ussennureinmal durchgef¨uhrt werden. Das Geb¨audemodell dient der Datenhaltung, angefangen von der Ausschrei- bung bis zum Betreiben des Geb¨audes. AVA-Programme greifen f¨ur die Aus- schreibung zur Mengenermittlung auf die Bauteildaten zu. F¨ur den Bauan- trag sind z. B. Fl¨achen der einzelnen Nutzungsbereiche notwendig. Das Fa- cility Management nutzt das Modell nach der Erstellung f¨ur die Berechnung von Miet- oder Reinigungsfl¨achen oder zur Steuerung von Wartungsinterval- len usw. Die Anwendungen in Tabelle 3.1 angegebenen Anwendungen sind nicht zwingend notwendig, liefern aber Daten die auch in der Simulation genutzt werden k¨onnen. Anwendung Daten CAD - Bauteilabmessungen, - Bauteillage (x, y, z) Facility Management - Baustoffe, - Fl¨achenmanagement Terminplanung - Einbauzeitpunkte, - Einbaureihenfolgen, - Ressourcenverwaltung Tabelle 3.1: Daten anderer Anwendungen f¨ur die Simulation Aus Sicht der Logistik liefert das 3D-Modell drei wesentliche Informationen: Material, Menge und Ort. In der Forschung (vgl. 2.3) werden z. Z. 4D (vgl. 2.3), bzw. 5D-Modelle diskutiert, d. h. zus¨atzlich die Zeit und die Kosten- Komponente. Die Verkn¨upfung des 3D-Modells mit dem Bauzeitenplan ist f¨ur die Logistiksteuerung erforderlich, denn erst mit der Komponente Zeit wird aus dem ’virtuellen’ Geb¨aude ein ’Leistungs’-Plan. Die Leistungsbe- schreibung im Bauwesen erfolgt in der Regel in Ausschreibungen ¨uber Stan- dardleistungstexte, bei denen gewerkeweise Leistungen beschrieben und mit einer Zusammenfassung der Mengen, z. B. 20m2 Kalksandsteinmauerwerk d = 11,5cm, versehen werden. Grote weist in [Gro02] darauf hin, dass die- se Aufschl¨usselung kein Hinweis auf den Ort oder einen Bauabschnitt gibt, d. h. es wird nicht klar, ob es sich um eine einzige oder f¨unf W¨ande handelt, ob die Wand im Keller erstellt wird oder im 20. Stockwerk. Der Komplexit¨atsgrad eines Bauvorhabens h¨angt u. a. von dessen Gr¨oße, der Neuheit des Bauverfahrens, der K¨urze der Projektlaufzeit und den Platz- verh¨altnissen ab. Die Frage, ab wann ein Bauvorhaben nur noch ’schwer’ 34 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE gesteuert werden kann, ist nicht einfach zu beantworten. Eine insgesamt verbesserte Datenlage kann im Bauwesen auch bei niedrigem Komplexit¨ats- grad die Bauleitung vereinfachen. Nat¨urlich ist der Aufwand der Datener- hebung hoch und mit Kosten verbunden. Wird die Datenerhebung jedoch ein integraler Bestandteil der Bauprozesse, unterst¨utzt durch Anwendung moderner Informations- und Kommunikationssysteme, so ist zu erwarten, dass alle Akteure im Bauprozess mittelfristig davon profitieren. Folgende Unterscheidungen kann man im Bezug auf den Zustand von Daten treffen. Merkmal Erl¨auterung/Bemerkung Daten liegen noch nicht vor Zeitverzug zwischen Aufnahme und Bereitstellung oder Daten sind noch nicht erzeugt (baubegleitende Planung) Daten sind/werden hoher Erfassungsaufwand nicht aufgenommen Daten sind nicht allen keine einheitlichen Schnittstellen, zug¨anglich Mehrfachaufnahme erforderlich Daten sind nicht austauschbar Medienbr¨uche, papierbehaftet Daten sind fehlerbehaftet ¨Ubertragungsfehler, keine einheitlichen Standards Daten sind nicht aggregierbar Datenintegrit¨at Daten werden mehrfach Konsistenzprobleme bei aufgenommen (Redundanz) Fachplanern Tabelle 3.2: Zustand von Daten An Bauprojekten sind viele Akteure beteiligt. Durch die wachsende Komple- xit¨at derBauvorhabenindenletzten JahrenhatsichdieAnzahlzwangsl¨aufig noch vergr¨oßert. W¨ahrend der Bauphase ist der Datenaustausch zwischen den einzelnen Fachplanern aber ein unabdingbarer Bestandteil der Zusam- menarbeit. Die zunehmende Arbeitsteiligkeit (vgl. 3.2.4) erh¨oht die Notwen- digkeit ”expliziten“ Wissens [Wei06]. Reibungsverluste zwischen aufeinander folgenden Gewerken k¨onnen neben einer fachgerechten Ausf¨uhrung dersel- ben nur durch einen ad¨aquaten Informationsfluss minimiert werden. Wie be- reits ausgef¨uhrt sind die Subunternehmer meist handwerklich orientiert und kleinst¨andisch und wollen oder k¨onnen sich nicht an einem elektronischen Datenaustausch beteiligen. Dies belegt auch die eher ”z¨ogerliche Annahme“ eines internetbasierten Baustoffbestellsystems [Mar01]. Die Geb¨audemodelldaten sind f¨ur weitere Akteure, wie das Projektmanage- ment oder die Baulogistik interessant, da auf einer gemeinsamen aktuellen Datenbasis gearbeitet wird. Eine verbesserte Datenlage ist jedoch nicht nur f¨ur dieeigentliche Bauphase sondern auch f¨urdie anschließende Betriebspha- se (Facility Management) erforderlich. Die Baupraxis zeigt aber, dass Daten f¨ur das Facility Management nach Bauabschluss neu erhoben werden und 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATION¨AREN INDUSTRIE 35 nicht auf den Planungsdaten des Architekten aufgebaut werden k¨onnen. Die gr¨oßten Kosten im Sinne der Life Cycle Costs f¨ur ein Bauwerk entstehen nicht w¨ahrend der Bauphase, sondern anschließenden Betriebsphase. Das Facility Management ist aus diesem Grunde entstanden. Kostensenkungen in der Betriebsphase sind durch effektive Steuerung m¨oglich, wobei diese wiederum von der zur Verf¨ugung stehenden Datenbasis abh¨angt. Der Baustoffhandel als ein Akteur hat in einem Ausschuss eine standar- disierte Baustoffdatenbank [NN01] entwickelt. Ziel war es eine einheitliche Datenbasis f¨ur den Baustoffhandel zu schaffen. Innerbetrieblich kann so eine strukturierte Preisliste erstellt werden. ¨Uberbetrieblich wurde der elektro- nische Datenaustausch verbessert. Auch sind so externe Betriebsvergleiche m¨oglich. Es wurde das gesamte f¨ur die Baubranche erforderliche Artikelsortiment erfasst und ein sogenannter Warengruppenschl¨ussel eingef¨uhrt. Das wurde notwendig um eine rationelle Verarbeitung von Daten in den jeweiligen Wa- renwirtschaftssystemen des Fachhandels zu gew¨ahrleisten. An der Standar- disierung der Artikelstammdaten wurden folgende Akteure beteiligt: Her- steller, Fachhandel, Handelskooperationen und Softwarehersteller f¨ur Wa- renwirtschaftssysteme. Diese haben sich in einer Arbeitsgruppe verst¨andigt Pflicht- und optionale Informationen (vgl. 3.3) im Artikelstamm aufzuneh- men. Pflicht-Informationen optionale Informationen Hersteller ILN Herstellername Hersteller-K¨urzel Maße/Gewichte (ohne Verpackung) Erstellungsdatum Menge pro Packung Bewegungskennzeichen Verpackungsmaße Artikelnummer (EAN, IAN) Verpackungsart Artikelkurzbeschreibung Handhabungsanweisungen Bau-Warengruppenschl¨ussel Palettenangaben Gefahrstoff-Informationen Ursprungs-/Herkunftsland Entsorgung der Verpackung Mediendaten Tabelle 3.3: Informationen im Warengruppenschl¨ussel Der Endkunde, das Bauunternehmen, ist an dem System nicht beteiligt. Die Nichtbeteiligung liegt offensichtlich daran, dass Bauunternehmen noch nicht die Notwendigkeit eines elektronischen Datenaustausches mit den Lieferan- ten sehen. Das wird durch eine Online-Umfrage [Web05] unter Bauunterneh- mengest¨utzt, beideru.a. nach demEinsatzvon ERP-Software(=Enterprise Ressource Planning) gefragt wurde. Spezielle Software wurde haupts¨achlich von Großunternehmen eingesetzt, eine Schnittstelle zu einem System eines anderen Unternehmens hatte allerdings kein einziges Unternehmen. 36 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE 3.3 Baustellenressourcen In diesem Kapitel werden die f¨ur den Materialfluss relevanten Ressourcen einer Hochbau-Baustelle vorgestellt. Die Vorstellung beschr¨ankt sich auf die f¨ur das Modell wichtigen Aspekte. Umfangreichere Beschreibungen sind der Literatur (z. B. [Bau92], [Len96] und [T¨op01]) zu entnehmen. 3.3.1 Lkw f¨ur Ver- und Entsorgungstransporte Der Lkw ist f¨ur den Baustellenverkehr das mit Abstand wichtigste Verkehrs- mittel. Seine Vorteile liegen in seiner Fl¨achenverkehrs- und seiner Gel¨ande- tauglichkeit. Der Anteil am Modal Split f¨ur die Hauptg¨utergruppe ”Steine und Erden“ liegt bei 94,7% (1996) und damit weit ¨uber dem Gesamt-Modal Split von ca. 75% [Fl¨a99]. Die z. Z. nach StVZO zul¨assigen Abmessungen betragen 2,55 m in der Brei- te, 4,0m in der H¨ohe und 12m L¨ange f¨ur Solofahrzeuge, 16,75m f¨ur Zug- maschinen mit Sattelauflieger sowie 18,75m f¨ur Fahrzeuge mit Anh¨anger. Die ebenfalls nach StVZO zul¨assigen Gesamtgewichte richten sich nach der Achszahl und betragen 17,0t f¨ur zweiachsige Fahrzeuge ohne Anh¨anger, 24t f¨ur dreiachsige Fahrzeuge und 40,0t f¨ur Fahrzeuge mit Anh¨anger bzw. Sat- telauflieger (zitiert nach [J¨un00]). Abbildung 3.7: Spezialfahrzeug f¨ur Transportbeton Baustellentransporte erfordern h¨aufig Spezialaufbauten, die nicht mit Stan- dardfahrzeuge durchgef¨uhrt werden k¨onnen. u. a. ben¨otigen folgende Mate- 3.3. BAUSTELLENRESSOURCEN 37 rialgruppen im Hochbau Spezialfahrzeuge: • Erdaushub, • Kiese und Sande, • Transportbeton, • Fertigteile (teilweise), • Siloputze, • Sondereinbauteile. Einige Lkw sind mit Bordkranen zur Selbstentladung ausgestattet, um vom Baustellenkran unabh¨angig zu sein. Insbesondere Entsorgungsfahrzeuge mit Entsorgungscontainern verf¨ugen ¨uber eigene Ladeeinrichtungen, und sind somit kranunabh¨angig. Abbildung 3.8: Exemplarisch ausgew¨ahlte Spezialfahrzeuge im Bauwesen nach [Neu00] 38 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE 3.3.2 Baustellenkrane Der Baustellenkran ist das wichtigste Umschlag- und Baustellentransport- mittel imHochbau[Len96] undistein diskontinuierliches F¨ordermittel [J¨un00]. Man unterscheidet zwischen Fahrzeugkranen, Turmdrehkranen und Sonder- kranen, von denen die Turmdrehkrane am h¨aufigsten eingesetzt werden. Turmdrehkrane kann man nach ihrer Mobilit¨at, ihrer Auslegerart oder ih- rem Drehwerksystem kategorisieren. Mobile Baustellenkrane sind in der Re- gel schienengebunden und sind bis zu einer H¨ohe von ca. 50m einsetzbar [Len96]. Dar¨uber sind aus Standsicherheitsgr¨unden ortsfeste Krane einzu- setzen, die entweder mit Unterwagen, Fundamentkreuz oder durch Einspan- nung in eine Bodenplatte (oder eigenes Fundament) am Boden fixiert wer- den. Die Aufstellung kann dabei sowohl innerhalb als auch außerhalb des Geb¨audes erfolgen [T¨op01]. Neben der Bauh¨ohe bestimmt der Ausleger die Merkmale des Krans, da die maximale Ausladung, die Tragkraft und das Lastmoment, d. h. Ausladung · Tragkraft, den Kran wesentlich beschreiben. Der Nadelausleger ver¨andert zum Radialtransport die Auslegerneigung mit der Folge, dass sich gleichzeitig die Lasth¨ohe ver¨andert. Der kurze Gegen- ausleger und die Variabilit¨at in vertikaler Ebene bringt bei beengten Platz- verh¨altnissen Vorteile [T¨op01], f¨ur den Einbau von Fertigteilen ist allerdings eine exakte Positionierung der Last erforderlich, was durch die gekoppelte Ver¨anderung von H¨ohe und Radialabstand nicht gegeben ist. Bei obendre- Mobilkrane Autokrane Baustellenkrane Turmdrehkrane Fahrzeugkrane Katzausleger Nadelausleger Knickausleger oben drehend untendrehend Fahrbar Stationär DrehwerkAuslegerartMobilität Sonderkrane Abbildung 3.9: Baustellenkrane henden Kranen, bei dem nur das auf dem Turm gelagerte Oberteil rotiert, ist der Montageaufwand wesentlich h¨oher. Untendrehende Krane, bei de- nen sich der gesamte Turm dreht, erfordern deutlich mehr Platz im unteren Drehbereich [Len96]. Die Dimensionierung der Krane erfolgt neben den bereits genannten Merk- malen (Geometrie, Tragkraft) ¨uber die Anzahl der produktiven Arbeits- 3.3. BAUSTELLENRESSOURCEN 39 Abbildung 3.10: Turmdrehkran, obendrehend, Katzausleger, Quelle: Wolff- kran kr¨afte, wobeieinTurmdrehkraninetwa 15-20 Arbeitskr¨afteversorgt[Cla07a]. Der zu erstellende Bruttorauminhalt, die auf die Baustoffe bezogenen Auf- wandswerte und die einzubauende Gesamtmenge werden ebenfalls ber¨uck- sichtigt [T¨op01]. Die Auslastung von Kranen kann stark schwanken und wird in [Dre80] im Mittel mit 35,1% angegeben, weiterhin wird dort eine weitere Untersuchung zitiert, nach denen die ”Ausfallzeit“ bei 49,0% liegt. Kranspielzeitberechnung f¨ur Krane mit Katzausleger Die Kran- spielzeitberechnung erfolgt in Anlehnung an [VDI 2195] und [Bau92]. Unter einem Kranspiel wird nach [VDI 2195] ein kompletter Arbeitszyklus ver- standen. Nach [Bau92] setzt sich das Kranspiel aus 12 Teilzeiten zusammen, wobei zwei Teilzeiten wegfallen, wenn es sich um einen ortsfesten Kran han- delt und damit das Verfahren des Krans wegf¨allt. Die Teilzeiten kann man der folgenden Prozesskette entnehmen. Bauer gibt f¨ur den Betoneinbau mit dem K¨ubel einen Sicherheitsabstand von 3m ¨uber der Einbaustelle an. Er wird vereinfachend f¨ur alle anderen Krantransporte als konstant angenom- men. Die Beschreibung der Kran-Bewegungen erfolgt in Zylinderkoordinaten, die aus Kartesischen Koordinaten umgerechnet werden (vgl. A.3 im Anhang). Folgende Indizes werden verwendet: 40 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE Lastfahrt senken (leer), +3m Sicherheits- abstand (tdh) Lastaufnahme (anschlagen) (tan) heben (Last), +3m Sicherheits- abstand (tdh) Katzfahrt (leer) (tdr) drehen (leer) (tdphi) Katzfahrt (Last) (tdr) drehen (Last) (tdphi) senken, 3m Sicherheits- abstand (tdh) Lastabgabe (tabg) heben, +3 m Sicherheits- abstand (tdh) Leerfahrt verkürzte Lastfahrt Abbildung 3.11: Prozesskette Kranspiel r = Katzfahrt phi = Drehen h = Heben bzw. Senken (f¨ur z-Richtung) d = Differenz zweier Werte an = Last anh¨angen abg = Last abgeben F¨ur die Leistungswerte maximale Dreh-, Hub-, und Katzfahrgeschwindig- keiten werden von den Kranherstellern Geschwindigkeiten in Abh¨angigkeit von der angeh¨angten Last gemacht. Vereinfachend wird mit der Maximal- geschwindigkeit gerechnet, die dem Mittelwert der angeh¨angten Lasten ent- spricht. Die Bandbreite der Geschwindigkeiten ist so schmal, dass die Be- stimmung der maximal m¨oglichen Geschwindigkeit in Abh¨angigkeit der an- geh¨angten Last den Mehraufwand nicht rechtfertigen w¨urde.Das stimmt mit dem Vorgehen in [VDI 2195] ¨uberein, in der ebenfalls von durchschnittlichen Gewichten ausgegangen wird. Ob die Geschwindigkeiten erreicht werden, h¨angt zudem von der zur¨uckzulegenden Strecke ab. Ist sie so kurz, dass die Maximalgeschwindigkeit nicht erreicht wird, weil vorher abgebremst werden muss, bildet sich das Geschwindigkeitsprofil I. Bei Geschwindigkeitsprofil II ist die Strecke so lang, dass bis zur Maximalgeschwindigkeit beschleunigt, eine Zeit gehalten, und dann auf Null abgebremst wird. Dabei wird nach [VDI 2195], [VDI 3573] und [VDI 2397] von linearen Ge- schwindigkeitsprofilen ausgegangen und aBeschl = −aBrems gesetzt. Das f¨uhrt zu folgender Berechnungsvorschrift (vgl. [M¨ol01]): tBew = braceleftBigg 2·radicalbigsa f¨ur s < v2a Profil I s v + v a f¨ur s ≥ v2 a Profil II (3.1) Die Bewegungszeiten th, tphi undtr werden zun¨achstgetrennt berechnet. Um 3.3. BAUSTELLENRESSOURCEN 41 Geschw.-Profil I Geschw.-Profil II t1 vmax t v1 v T T vmax t v t1 t2 Abbildung 3.12: Geschwindigkeitsprofile I und II Kollisionen mit dem entstehenden Bauwerk zu vermeiden, wirddie Teilbewe- gung’Heben’ getrenntausgef¨uhrt[Scho02]. Die Dreh- unddieKatzbewegung wird nach folgender Vorschrift ¨uberlagert: tFahrt = Max braceleftBigg tdphi (Drehung) tdr (Katzfahrt) (3.2) 3.3.3 Baustraßen und -wege Die auf Baustellen angelegten Straßen und Wege dienen zur Ver- und Ent- sorgung der Baustelle, sowie dem innerbetrieblichen Personenverkehr. Die Transportfahrten der Arbeitsger¨ate sind nicht selten Sondertransporte, die auf Grund der Abmessungen in besonderer Weise in der Planung ber¨uck- sichtigt werden m¨ussen. Ebenso sind die Wenderadien und die ¨uberstri- chene Fl¨ache der Lkw zu beachten. Die Wendem¨oglichkeiten k¨onnen als Wendetrapez, Wendekreis oder als Wendehammer ausgebildet werden. Die zugeh¨origen Abmessungen sind der Abbildung 3.13 zu entnehmen. Als An- Abbildung 3.13: Platzbedarf beim Wenden und Abbiegen nach [Neu00] haltspunktf¨urdie Schleppkurvedient Abbildung3.14. Die Breite einspuriger Baustraßen betr¨agt 3,5m mindestens jedoch 3,0m falls der angegebene Wert 42 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE nicht m¨oglich ist. F¨ur zweispurige Straßen sind jeweils 3m hinzu zu addieren [T¨op01]. Abbildung 3.14: Schleppkurven nach [Neu00] in Abh¨angigkeit vom Fahr- zeugtyp 3.3.4 Baustellenlager Lagern ist nach VDI 2411 ”jedes geplante Liegen des Arbeitsgegenstandes im Materialfluss“. Differenziert man nach Puffern, Lagern, Speichern (vgl. [Gud05]) so kommt im Baustellenlager nur das Puffern vor, also das kurz- zeitige Liegen von geringen Arbeitsvorr¨aten. Das Lagern und Speichern von Baustoffen und Material in gr¨oßeren Mengen kommt lediglich im Baustoff- handel vor. Daher hat das Baustellenlager eine • Bereitstellungsfunktion, • Sicherheitsfunktion, • ¨Uberbr¨uckungsfunktion. Steuerungsfunktionen oderSpekulationsfunktionen, wiesiein der station¨aren Industrie bekannt sind, gibt es f¨ur Baustellenl¨ager nicht. Mit der Bereitstel- lung werden alle f¨ur die aktuell laufenden Prozesse erforderlichen Baustoffe zur Verf¨ugung gestellt. Die Sicherheitsfunktion gew¨ahrleistet die Versorgung 3.4. LOGISTIKSTRATEGIEN F¨UR BAUSTELLEN 43 der Prozesse bei unbekannten und ungeplanten (stochastischen) Asyn- chronit¨aten [Kra05]. Die ¨Uberbr¨uckungsfunktion dagegen gew¨ahrleistet die Versorgung bei allen bekannten und geplanten Asynchronit¨aten. Lagerpl¨atze im Bauwesen sind außerhalb oder innerhalb des Bauwerks an- geordnet. Die L¨ager außerhalb des Bauwerks sind Freil¨ager, bei denen es sich in der Regel um eine freie Fl¨ache handelt. Wegen der meist sehr un- ebenen und unbefestigten Bodenverh¨altnisse im Außenbereich wird in der Praxis auf jegliche Lagertechnik verzichtet und eine einfache Bodenlagerung durchgef¨uhrt. Eine Sonderform der Außenl¨ager bilden Magazincontainer f¨ur Kleinteile und Silo-, bzw. Tankl¨ager. Bei der (Puffer-) Lagerung innerhalb von Geb¨auden spricht man von Eta- genl¨agern, bei deren Einrichtung z. T. auf eine Zonung geachtet (vgl. Abb. 3.15) wird, d. h. den einzelnen Gewerken werden genaue Lagerfl¨achen, die aufdem Bodenmarkiertsind, zugeordnet. Dadurch wirdeinerseits ein ’Wild- wuchs’ an Einzellagern verhindert und gleichzeitig werden die Verkehrs- fl¨achen frei gehalten. Abbildung 3.15: Etagenlager nach [Boe04] Das Lagergut hat auf Grund seiner Eigenschaften und Merkmale Einfluss auf den Lagerungsprozess und die Lagerungsart. Im Freien gelagerte G¨uter m¨ussen witterungsbest¨andig bzw. so verpackt sein. Die Stapelf¨ahigkeit von St¨uckg¨utern hat Einfluss auf die erforderliche Lagerfl¨ache, wobei die Unfall- verh¨utungsvorschriften einzuhalten sind. 3.4 Logistikstrategien f¨ur Baustellen Der in dieser Arbeit verwendete Begriff Strategie wird nach Klinger [Kli00] im weitergefassten entscheidungstheoretischen und spieletheoretischen Sinn, also ohne die Fristigkeit einer Entscheidung, gebraucht. Auf die unterneh- menspolitischen Strategien im zeitlichen Kontext wird nicht eingegangen, da die Zielsetzung dieser Arbeit auf die Simulation baulogistischer Prozesse 44 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE ausgerichtet ist und nicht auf unternehmenspolitische Prozesse in Bauunter- nehmen. Die hier vorgestellten Strategien beziehen sich auf Hochbau-Baustellen als einzelne Produktionsstandorte und Ort der Wertsch¨opfung von Bauunter- nehmen. Der Fokus liegt auf der Prozesssteuerungs- oder operativen Ebene, d. h. auf allen Entscheidungen, die den physischen Materialfluss betreffen. Strategien h¨oherer Ebenen, wie z. B. zentrale Beschaffungskonzepte, sind nicht aufgef¨uhrt, weil sie f¨ur das in dieser Arbeit entwickelte Modell nicht von Bedeutung sind. Die in Kapitel 3.2 beschriebenen Unterschiede des Bauwesens zur stati- on¨aren Industrie machen es erforderlich, zwischen Standard-Strategien und individuellen Strategien zu unterscheiden. Standard-Strategien sind all je- ne, die unabh¨angig von einer konkreten Baustelle zu betrachten sind (z. B. [Jac98], [Kra05]), z. B. die Einrichtung einer Zugangsbeschr¨ankung auf ei- ne Baustelle. Standardstrategien sind auf Grund unternehmenspolitischer Entscheidungen auf Baustellen eines Unternehmens anzuwenden. Die Ein- richtung einer Lieferavise f¨ur Lkw mit zugeordneten Zeitfenstern ist eine solche baustellenunabh¨angige Strategie, wenn man von der grunds¨atzlichen Entscheidung einer Einf¨uhrung absieht. Dem gegen¨uber stehen die individuellen Strategien, die die konkreten Rand- bedingungen einer Baustelle in einem Logistik-Konzept ber¨ucksichtigen ([Kra04], [Tam04], [Die94] usw). Die Konzepte schließen beispielsweise auch lokale Verkehrssituationen mit ein und sind f¨ur jedes Vorhaben neu zu erar- beiten. Die Simulation von Materialfl¨ussen auf Baustellen, wie sie in dieser Ar- beit vorgestellt wird, ist eine Methode, Strategien f¨ur individuelle Projekte zu untersuchen, da die Systemlast unmittelbar aus den konkreten CAD- Daten des Bauobjekts generiert wird. Die Ableitung allgemeing¨ultiger Stra- tegien erfolgt dann durch Abstraktion der Ergebnisse. Zur Bildung von Standard-Strategien sind weitere Simulationen anderer Bauvorhaben erfor- derlich, um die Allgemeing¨ultigkeit der abgeleiteten Strategien zu best¨ati- gen. In den folgenden Unterkapiteln werden sowohl individuelle als auch Standard-Strategien vorgestellt, die am Anwendungsbeispiel (Kap. 6) getes- tet werden. 3.4.1 Lagerstrategien im Bauwesen Auf Grund der in Kapitel 3.2 beschriebenen Situation des Bauwesens h¨angt die Gr¨oße eines Lagers von den ¨ortlichen, individuellen Gegebenheiten ab. Eine unklare Kennzeichnung von Lagerfl¨ache gegen¨uber anderen Funktions- fl¨achen f¨uhrt nicht selten dazu, dass letztere als Lagerfl¨achen missbraucht werden und es so zu St¨orungen im Betriebsablauf kommt. 3.4. LOGISTIKSTRATEGIEN F¨UR BAUSTELLEN 45 Sind aus Platzgr¨unden die Lagerfl¨achen beschr¨ankt, was oftmals der Fall ist [Kam94], richten sich die Bevorratungsstrategien (vgl. Kap. 3.4.2) oder auch Bestellmengenstrategien [Kam94] nach dem Angebot der Lagerfl¨ache, d. h. Zufluss, Lagerfl¨ache und Abfluss durch Verarbeitung stehen in engem Zusammenhang. Die Gr¨oße der Lagerfl¨ache als auch der Abfluss ist Schwan- kungen unterworfen (vgl. Kap. 3.2), was Planung und Steuerung erschwert. 3.4.2 Bevorratungsstrategien Ein Bauwerk besteht im Sinne der Beschaffung aus den einzelnen Liefermen- gen aller Baustoffe und Bauteile und den zugeh¨origen Lieferzeitpunkten mit den Lieferintervallen. Aus Sicht der Baustelle (als Produktionsst¨atte) h¨angt die Entscheidung ¨uber die Bevorratungsstrategie von dem Lagerfl¨achenange- bot auf der Baustelle, den Kapitalbindungskosten durch Lagerung und der Anliefersituation ab. F¨ur den Rohbau wird fast ausschließlich ’auf Abruf’ angeliefert, weil der Kran auch als Einbaumittel genutzt wird und Baustof- fe z. T. nicht lagerf¨ahig sind (Ortbeton). Die Anliefersituation ist relevant, wenn eine Pufferung von anliefernden Lkw nicht m¨oglich ist und deswegen bestimmte Transporte zu weniger hochbelasteten Zeiten durchgef¨uhrt wer- den. Kamm stellt in [Kam94] mehrere ”Modelle zur Bestimmung der optima- len Bestellmenge“ vor, wobei er die Lagerfl¨ache als ”in den meisten F¨allen ausschlaggebende Einschr¨ankung eines operativen Dispositionsspielraumes“ nennt. Da in der Praxis selten solche Verfahren eingesetzt werden [Cla07a], Kosten Minimale Gesamtkosten Bestellkosten Lagerhaltungskosten Summenkurve optimale Bestellmenge Bestellmenge obere und untere Grenze der Bestellmenge durch Lagerraumrestriktionen Abbildung 3.16: Optimale Bestellmenge unter Ber¨ucksichtigung der Lager- gr¨oße sind in dieser Arbeit nur die Auswirkungen verschiedener Bestellmengen auf die Systemleistung untersucht worden. Es ist m¨oglich, ein solches Verfahren 46 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE mit dem Modell zu testen, wobei es notwendig ist, das Verfahren auf alle (Lager-) Materialien anzuwenden und als Systemlast auf das System einwir- ken zu lassen. Damit kann ¨uberpr¨uft werden, ob unter Ber¨ucksichtigung der ¨Uberlagerung der Einzelbestellmengen und der stochastischen Einfl¨usse die Obergrenze des Lagers eingehalten wird oder nicht. 3.4.3 Lieferstrategien Aus Sicht der Lieferanten ist eine hohe Auslastung der Transportkapazit¨at von Bedeutung. Dies bezieht sich auf die Auslastung des einzelnen Trans- portmittels im Bezug auf das maximale Gewicht (Gewichtsproblem) oder das maximale Volumen (Volumenproblem). Beim Einsatz von Gebietsspedi- teuren, wie es in [Lei03] beschrieben ist, sind die Materialien interessant, die zusammen geladen werden k¨onnen. Auf einer Sammeltour (vgl. Abb. 3.17) werden alle Baustoffe und Bauteile, die nicht ein spezielles Transportmittel ben¨otigen, gesammelt und zur Baustelle gebracht. Zulieferer 2 Zulieferer 1 Zulieferer 3 Zulieferer 4 Abbildung 3.17: Einsatz eines Gebietsspediteurs Ein weiterer Aspekt ist die M¨oglichkeit, einen Transport mit m¨oglichst weni- gen Transportmitteln durch zuf¨uhren, indem die Lieferintervalle so gestaltet sind, dass Shuttle-Verkehre (vgl. Abb. 3.18) m¨oglich sind [Wil77]. Diese sind normalerweise unpaarig, da entweder große Mengen z. B. an Erdaushub von der Baustelle wegtransportiert, oder Baumaterial hintransportiert wird und 3.4. LOGISTIKSTRATEGIEN F¨UR BAUSTELLEN 47 die Transportmittel nicht kompatibel sind. Damit wird eine gleichm¨aßige zeitliche Auslastung der Lkw ¨uber eine l¨angere Periode erreicht. Zulieferer Abbildung 3.18: Shuttle-Verkehre Voraussetzung ist eine ausreichende Vorlaufzeit und ausreichende Informa- tionen, um solche Verkehre aus Lieferantensicht zu optimieren. In der Bau- praxis wird das eher als nachrangig betrachtet und nur dann durchgef¨uhrt, wenn es nicht mit den Belangen der Baustelle kollidiert. F¨ur einen Lieferan- ten ist neben den bereits erw¨ahnten Punkten auch die Wartezeiten der Lkw vor Ort von Interesse. Kapitel 4 Grundlagen der Simulationsmethode Dieses Kapitel dient als Einf¨uhrung in die Simulation und kl¨art Begriffe und allgemeine Vorgehensweisen. Die Darstellung beschr¨ankt sich auf die notwendigen Aspekte des in Kapitel 5 entwickelten Simulations-Modells. Ausf¨uhrlichere Darstellungen zum Thema sind der Literatur z. B. [Pag91], [Pid04], [Rob04] und [Law00] zu entnehmen. Des Weiteren wird die Simula- tionsumgebung f¨ur SIMUBAU vorgestellt. Die Simulationsumgebung bildet die Grundlage, auf der die Komponenten von SIMUBAU entwickelt wurden. 4.1 Begriffsbestimmungen Simulation ist nach [VDI 3633-1] ”die Nachbildung eines Systems mit sei- nen dynamischen Prozessen in einem experimentierbaren Modell, um zu Er- kenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit ¨ubertragbar sind“. Dabei ist eine ”hinreichend korrekte Abbildung“ [Pag91] des Originals erforderlich, um ¨uber die Ergebnisse auf die Wirklichkeit zur¨uckschließen zu k¨onnen. Der Abstraktionsgrad und die Idealisierung haben damit Einfluss auf die Qua- lit¨at und die Quantit¨at der verwertbaren R¨uckschl¨usse auf das Realsystem. Ein System ist dadurch charakterisiert, dass mehrere Komponenten mitein- ander in Beziehung stehen und zu einem gemeinsamen Zweck interagieren [Pag91]. Systeme heißen zeitdiskret, wenn die interagierenden Objekte des Systems selbst einzelteilig sind und zu bestimmten Zeitpunkten ihr Verhalten oder ihre Eigenschaften ¨andern. In logistischen Systemen sind die ”in der Regel ganzzahlige[n] Werte“ [Sch97] dieser Verhaltens- oder Eigenschafts¨anderun- gen von Bedeutung. 49 50 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE Experimentator Original Modell Einwirken Rückschlüsse Verhalten Abbildung Abbildung 4.1: Beziehungen zwischen Original, Modell und Experimentator nach [Pag91] Abbildung 4.1 zeigt die Beziehungen und Wechselwirkungen zwischen dem Original, dem Modell und dem Experimentator. Es wird deutlich, dass der Experimentator aufgrund der Einwirkungen, die er auf das Modell zul¨asst, ein Verhalten des Modells hervorruft. Mit der Analyse des Verhaltens kann er R¨uckschl¨usse auf das Original ziehen. Im Bauwesen gibt es neben Prozessen mit offensichtlich diskreten Objek- ten (Bauteile, Lkw, Personal usw.) auch kontinuierliche Prozesse, wie Be- tonf¨orderung ¨uber Pumpen. Diese Prozesse lassen sich durch zeitdiskrete Prozesse approximieren, ohne das Ergebnis der logistischen Untersuchung zu beeintr¨achtigen. Die Frage nach dem sinnvollen Einsatz f¨ur die (diskrete) Simulation wird nach [VDI 3633-1] durch den Begriff ”simulationsw¨urdig“ beschrieben. Da- bei wird in der Literatur ([VDI 3633-1], [Pag91], [Pid04]) darauf hingewie- sen, dass die Simulation ein aufw¨andiges Instrument ist und erst dann zum Einsatz kommen sollte, wenn andere Methoden versagen. Da im Bauwesen das Experimentieren am realen Objekt auf Grund des Unikatcharakters von vorne herein entf¨allt, bleiben unter den mathematischen Modellen1 nur die Analytischen Methoden und die Simulation (vgl. Abb. 2.6 auf Seite 20). Analytische Ans¨atze versagen oft bei dynamischen und kurzlebigen Pro- zessen [Pid04], da h¨aufig mit Mittelwerten gearbeitet wird. Aussagen ¨uber Spitzenwerte werden nicht oder nur unvollst¨andig getroffen [Rob04]. Dies kann aber zu ¨Anderungen im Modellverhalten f¨uhren, wenn z. B. ein Lager 1Ein physisches Modell ist ebenso nicht sinnvoll und wird nicht weiter betrachtet. 4.2. MODELLIERUNG 51 voll ist und in dem Moment nicht mehr eingelagert werden kann. Die Ab- bildung von Verteilungen (vgl. 4.2.1) f¨ur realit¨atsnahes Modellverhalten ist mit analytischen Methoden nur eingeschr¨ankt m¨oglich [Rob04]. Simulationen liefern eine ”anschauliche Darstellung“ des Modellverhaltens ¨uber die Zeit ([Pag91]), was f¨ur die dynamischen Prozesse im Bauwesen und den st¨andigen Ver¨anderungen der Baustelle entgegenkommt. 4.2 Modellierung Die Modellierung in der Simulation ist ein iterativer Prozess, bei dem ein konzeptionelles Modell, ein Computermodell, die Experimentergebnisse und das Realsystem (Baustelle) in Beziehung stehen. Als erstes wird das Realsys- tem als konzeptionelles Modell abgebildet, mit dem Ziel ein Modell zu erhal- ten, dass soweit vereinfacht und abstrahiert ist, dass nur die f¨ur die Simulati- onsziele relevanten Komponenten und Beziehungen existieren. Im Bauwesen existieren die Realmodelle noch nicht. Alle Informationen m¨ussen aus den Planungen entnommen werden und durch Vergangenheitswerte erg¨anzt wer- den. Eine weitere Abstrahierung erfolgt in der Umsetzung des konzeptionellen in ein Computermodell, indem die softwarespezifischen Modellierungselemen- te verwendet werden. ¨Uber die Auswertung der Simulationsergebnisse und dem Abgleich mit dem Realsystem wird die Richtigkeit der Modelle gepr¨uft und angepasst. Damit beginnt der Kreislauf von neuem und wird abgebro- chen, wenn die Simulationsergebnisse gen¨ugend genau mit dem Realsystem ¨ubereinstimmen. Ergebnisse Realsystem Konzeptmodell Computermodell Abbildung 4.2: Modellierung nach [Rob04] 52 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE 4.2.1 Konzeptmodell Das konzeptionelle Modell beschreibt das Realsystem in einer computerun- abh¨angigen Weise mit den bereits erw¨ahnten Idealisierungen. F¨ur die dis- krete Simulation sind die Hauptobjekte und ihre Beziehung zueinander not- wendig [Pid04]. In dieser Arbeit werden das Prozesskettenmodell nach Kuhn [Kuh95] und Flussdiagrammdarstellungen verwendet, um das Modell darzu- stellen. Zur Reduktion der Komplexit¨at sind stochastische Modelle determi- nistischen Modellen vorzuziehen [Pag91]. Die stochastische Beschreibung der Vorg¨ange erfolgt ¨uber spezielle Verteilungen, die im Folgenden beschrieben sind. Verteilungsfunktionen Simulationsexperimente mit stochastischen Elementen sind Zufallsexperi- mente, da sich das Verhalten nicht genau vorhersagen l¨asst. Daher sind sta- tistische Verfahren notwendig, um dieses Verhalten so zu beschreiben, das sich Aussagen ¨uber das Gesamtsystem ableiten lassen. Mit Hilfe von Ver- teilungen wird ein Bereich angegeben, indem sich die Zufallsgr¨oße befindet [Pag91]. Wiederholt sich ein Ereignis h¨aufig genug n¨ahert sich die Punkt- verteilung der Einzelereignisse der theoretischen kontinuierlichen Verteilung an. Die Bedeutung der Normalverteilung f¨ur die Simulation begr¨undet sich t Mittelwert f(t) Abbildung 4.3: Normal-Verteilung in der Tatsache, dass eine Zufallsvariable, die sich additiv aus unabh¨angigen Einzelwirkungen zusammensetzt, als ann¨ahernd normalverteilt angesehen werden kann [Har82]. Die Normalverteilung ist außerdem symmetrisch und kann durch Mittelwert und Standardabweichung beschrieben werden. Die Erlang-Verteilung, die nach einem der Begr¨under der Warteschlangen- theorie (dem D¨anen A.K. Erlang) benannt ist, ist eine sehr variable Ver- teilungsform, die in der industriellen Praxis h¨aufig eingesetzt wird [Hei69]. 4.2. MODELLIERUNG 53 Mittelwert t K = 2 f(t) Abbildung 4.4: Erlang-Verteilung mit k = 2 Die Erlangverteilung kann durch Mittelwert und k-Faktor beschrieben wer- den. Abbildung 4.4 zeigt die Verteilung mit dem Faktor k = 2, die stark linksschief ist. Die Erlang-Verteilung geht von der Exponential-Verteilung f¨ur k = 1 in die Normalverteilung f¨ur k →∞ ¨uber. Mittelwert t f(t) Abbildung 4.5: Negativexponential-Verteilung DieNegativexponential-Verteilung eignet sich f¨urallevoneinander unabh¨angi- gen Ereignisse. Sie wird nur durch den Mittelwert beschrieben. Man spricht auch von einer ”ged¨achtnislosen Verteilung“ [Har82]. Zuf¨allige Ankunftszei- ten sind typischerweise negativ-exponentialverteilt. Die Gleichverteilung ist die einfachste Verteilung ¨uberhaupt und ersetzt die Normalverteilung, wenn obere und untere Grenze gleich sind. Die Verteilung in Abbildung4.7 ist im Gegensatz zu den vorhergehenden eine diskrete, d. h. es existieren keine Zwischenwerte. Die Summe aller diskreten Werte ergibt wie bei allen anderen Verteilungen den Wert 1 und wird h¨aufig bei empirisch ermittelten Daten angewendet, wenn man das Verhalten eines Systems mit diesen Vergangenheitsdaten nachbilden will. 54 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE t f(t) Abbildung 4.6: Gleichverteilung-Verteilung t f(t) Abbildung 4.7: Diskrete-Verteilung 4.2.2 Beobachtungszeitraum Der Zeitraum zwischen dem ersten und dem letzten Ereignis, das simuliert wird, ist der Beobachtungszeitraum des realen Systems. Der Bauzeitenplan legt fest, wann welches Gewerk beginnt (Ereignis) und wie lange es stattfin- det (Aktivit¨at). In der vorliegenden Arbeit wird dieser als ”Simulationszeit- horizont“ bezeichnet, nichtder Simulationszeit, weil diesemitder Rechenzeit des Computers verwechselt werden k¨onnte ([Sch97]). Im Gegensatz zu den meisten Simulationsstudien handelt es sich um kon- krete Datumswerte (z. B. 4.11.2005 9:00) an denen Gewerke beginnen oder enden (Ereignisse). Der Bauzeitenplan beginnt mit einem Initialereignis, bei dem die interne Simulationsuhr auf t = 0 gesetzt wird. Von diesem Punkt aus werden alle Zeitpunkte, an denen Ereignisse stattfinden, in Sekunden umgerechnet (z. B. t = 1283247s). Der Beobachtungszeitraum enth¨alt arbeitsfreie Zeiten (Nacht und Wochen- ende), die aus dem Simulationszeithorizont herausgel¨ost werden, damit die • Simulationszeit nicht unn¨otig verl¨angert wird, 4.2. MODELLIERUNG 55 Kenn ung Aufgabenname Abschluss Dauer Jul 2005 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 0t11.07.200511.07.2005Beginn der Baumaßnahme 2 4t14.07.200511.07.2005Gewerk 1 Abschnitt 1 3 1t15.07.200515.07.2005Gewerk 2 Abschnitt 1 4 3t20.07.200518.07.2005Gewerk 3 Abschnitt 1 5 1t21.07.200521.07.2005Gewerk 4 Abschnitt 1 21 22 23 24 25 Anfang t =0 Ereignis n Ereignis m Aktivität j nicht existent Balkenplan Simulationszeithorizont Abbildung 4.8: Bauzeitenplan und Simulationszeithorizont • arbeitsfreie Zeit nicht die Ergebnisse (z.B. Kraneinsatzzeit) verf¨alscht. Zur Vereinfachung werden eine feste t¨agliche Arbeitszeit und eine feste Wo- chenendzeit festgelegt. Feiertage und sonstige außergew¨ohnliche Freizeiten bleiben unber¨ucksichtigt. Es ist sowohl die Umrechnung von der Realzeit (Beobachtungszeitraum) in die Simulationszeit notwendig, als auch die Um- rechnung einer Simulationszeit in die Realzeit. Im ersten Fall sind es ”exoge- ne“ Ereignisse wie das Ankommen der Lkw, die in die Simulation integriert werden. Im zweiten Fall k¨onnen die ”endogenen“ Simulationsereignisse (Ein- bauzeitpunkt Bauelement n) [Pag91] in Realzeit umgerechnet werden. Die dazu verwendeten Formeln sind dem Anhang A zusammengestellt. Experimentplanung Die Experimentplanung zielt darauf ab das ’Problem’, das man mit Hilfe der Simulation l¨osen m¨ochte, so zu formulieren, dass die Ergebnisse als L¨osung brauchbar sind. In [VDI 3633-3] sind zur leichteren Problemdefinition Be- griffe eingef¨uhrt worden, die im Folgenden erl¨autert werden. Zun¨achst muss eine ”Zielgr¨oße“ definiert werden, die Auskunft ¨uber die Antwort des Sys- tems auf die Systemlast gibt. ”Einflussgr¨oßen“ sind all jene Gr¨oßen, die durch ihre Ver¨anderung eine signifikante Ver¨anderung der Zielgr¨oße bewir- ken. Sind die Ver¨anderungen allerdings nicht kontrollierbar, nennt man sie St¨orgr¨oße. Die kontrollierte Ver¨anderung der Einflussgr¨oßen erfolgt in Stu- fen. Die [VDI 3633-3] weist f¨unf Verfahren zur Experimentdurchf¨uhrung aus, wobei hier nur die One-by-One-Factor-Methode erw¨ahnt wird, da nur sie in 56 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE dieser Arbeit zum Einsatz kommt. Bei dieser Methode wird pro Experiment jeweils nur eine Einflussgr¨oße ver¨andert, mit dem Ziel die Auswirkungen genau einer Gr¨oße bestimmen zu k¨onnen. Die gegenseitige Beeinflussung der Einflussgr¨oßen bleibt dabei unber¨ucksichtigt und eignet sich daher nur f¨ur voneinander unabh¨angige Einflussgr¨oßen. 4.2.3 Computermodell Aus dem konzeptionellen Modell entsteht das Computermodell, wobei bei objektorientierten Simulations-Programmen die Computermodellierungen sehr nahe an die konzeptionellen Modelle heranreichen. Modellbausteine entsprechen den ”Hauptobjekten“, die Beziehungen werden durch die Ver- kn¨upfungen der Modellbausteine realisiert. Zur Feinabstimmung ist (meist eineeigene) Programmierspracheerforderlich, mitderkomplexere Strategien oder Verhaltensweisen der Hauptobjekte abgebildet werden k¨onnen [Pid04]. Die Abbildung der Logistikprozesse ¨uber die gesamte Bauzeit ist systemim- manent eine ”Simulation mit festem Ende“ [VDI 3633-1]. Daraus folgt, dass eine ’Einschwingzeit’ entf¨allt und die Unabh¨angigkeit der Stichproben durch die Anzahl der Simulationsl¨aufe gew¨ahrt werden muss. Innerhalb des Kon- fidenzintervalls, das mit zunehmendem Stichprobenumfang schmaler wird, liegt mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit der ’tats¨achliche’ gesuchte Mit- telwert der Zielgr¨oße. Viele Simulationsprogramme bieten die Berechnung des Intervalls innerhalb der Experimentauswertungsroutinen an. Dabei muss Anzahl der Stichproben Konfidenzintervall Mittelwert der Zielgröße Abbildung 4.9: Zusammenhang zwischen Anzahl der Stichproben, dem be- rechneten Mittelwert der Zielgr¨oße und dem Konfidenzintervall gew¨ahrleistet sein, dass • die Stichproben unabh¨angig sind, • die Mittelwerte und Varianzen des Modells gleich sind, und • sich eine Normalverteilung der Zielgr¨oße einstellt. 4.3. ERGEBNISSE 57 4.3 Ergebnisse Nach Durchf¨uhrung der Experimente am Computermodell lassen sich R¨uck- schl¨usse auf das Realsystem ziehen [Pag91]. Wie aus Abbildung 4.2 ersicht- lich, ist die Modellierung und Auswertung einer Simulationsstudie kein li- nearer Prozess [Rob04]. Neben der Modellpr¨ufung, die im folgenden Kapitel (Kap.4.4) behandelt wird, ist auch der Prozess selbst iterativ. Die Simulati- on erlaubt in gewissen Grenzen ’Was-w¨are-wenn’-Szenarien, die bestimmte Vorhersagen ¨uber das Verhalten des Realsystems zulassen. M¨oglicherweise wird auch das Realsystem auf Grund der Ergebnisse angepasst, so dass eine Ver¨anderung auch des Konzept- bzw. des Computermodells notwendig wird. Dies gilt nicht nur f¨ur Realsysteme, die noch in Planung sind, wie typischer- weise im Bauwesen, sondern auch bei bestehenden Systemen, die umgenutzt werden. Da, wie erw¨ahnt, die Logistikprozesse ¨uber die Bauzeit simuliert werden, m¨ussen die Ergebnisse entsprechend ebenfalls ¨uber die Zeit (f(t)) dargestellt werden. Dabei ist es z. T. erforderlich Daten auf ’passende’ Zeitintervalle zu aggregieren. Im Bauwesen ist das in der Regel eine Kalenderwoche. 4.4 Modellpr¨ufung Wie die Modellbildung selbst ist die Modellpr¨ufung ebenfalls ein iterati- ver Prozess. Wenngleich eine vollst¨andige Modellvalidierung unm¨oglich ist [Pid04], ist eine gr¨oßtm¨ogliche Sorgfalt einerseits und eine entsprechend vor- sichtige Auswertung der Ergebnisse andererseits notwendig. Hierzu gibt es, je nach Anwendungsfall, eine Reihe von Pr¨ufverfahren. Im Folgenden wer- den die in dieser Arbeit verwendeten kurz vorgestellt, f¨ur weitere wird auf die Literatur verwiesen ([Law00] und [Pag91]). Anhand der Beziehungen in Abbildung 4.2 lassen sich die einzelnen Schritte der Modellpr¨ufung ableiten, da zu jeder Modellierungsbeziehung eine eigene Pr¨ufung geh¨ort. Page weist auf das ”Problem der uneinheitlichen Begriffsbildung“ bei der Modellvalidierung hin [Pag91], weswegen zun¨achst einige Begriffe erl¨autert werden. 4.4.1 Begriffsbestimmung Validierung Die Validierung ist nach Brockhaus [NNg05] die ”G¨ultigkeitspr¨ufung im Softwareentwicklungsprozess, die eine Analyse hinsichtlich der ¨Ubereinstim- mung von Zielstellung und Ergebnis vornimmt (z. B. mittels Testl¨aufen). 58 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE Im Gegensatz zur Verifikation beweist eine derartige Analyse jedoch nicht die Korrektheit der getesteten Software.“ Es l¨asst sich durch folgende Frage ausdr¨ucken: ”Ist es das richtige Modell?“ Verifizierung Verifizieren bedeutet laut Duden [NNc03] ”durch ¨Uberpr¨ufen die Richtigkeit einer Sache best¨atigen“. Oder wieder als Frage ausgedr¨uckt: ”Ist das Modell richtig?“ Kalibrierung Das Kalibrieren stellt den Bezug bekannter Werte einer Messgr¨oße zu den ausgegebenen Werten einer Messeinrichtung her. Ist die Messgr¨oße beispiels- weise die Zeit, die der Transport eines Bauteils mit dem Kran ¨uber eine bestimmte Strecke dauert, so muss das richtig kalibrierte Simulationsmodell die gleiche Zeit2 liefern wie die ’Wirklichkeit’. Die Ermittlung der Messgr¨oßen im Sinne der Genauigkeit stellt bei Simu- lationsmodellen nicht das eigentliche Problem dar, da es sich nicht um ein physikalisches Modell handelt. In [Sch97] werden folgende Punkte genannt, die die Ergebnisauswertung erschweren: • In endlicher Zeit k¨onnen nicht alle stochastischen F¨alle berechnet wer- den; • Die Ermittlung aller Eingangsparameter unterliegen einer begrenzten Genauigkeit; • Die notwendigen Vereinfachungen und Abstraktionen f¨uhren zu Ab- weichungen vom realen System. 4.4.2 Pr¨ufung des Konzeptmodells Die ¨Uberf¨uhrung des Realsystems in ein Konzeptmodell ist nicht nur in der Modellbildung am schwierigsten, sondern auch in der Validierung. Die Abstrahierung und die Vereinfachung der komplexen Sachverhalte erfordern entsprechende Aufmerksamkeit. F¨ur das Konzeptmodell sind nach [Pag91] im Wesentlichen drei Pr¨ufungen notwendig: • Pr¨ufung der Hypothesen und vereinfachende Annahmen; 2innerhalb von Toleranzgrenzen 4.5. DIE SIMULATIONSUMGEBUNG ENTERPRISE DYNAMICS 59 • Pr¨ufung der Daten; • Pr¨ufung der Struktur. Als Pr¨ufmethode kommt haupts¨achlich die Expertenbefragung in Betracht, w¨ahrend f¨ur die Datenpr¨ufung entsprechende Analysemethoden hinzukom- men. 4.4.3 Pr¨ufung des Computermodells Die Verifizierung des Computermodells bez¨uglich der Umsetzung des Kon- zeptmodells erfordert ¨ahnliche Testmethoden wie allgemeine Softwareent- wicklung. Der modulare Aufbau heutiger Simulationsmodelle erleichtert die Erstellung und Verifizierung von Teilmodellen, die weit weniger komplex sind als die Gesamtmodelle. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass einmal ve- rifizierte Teilmodelle wiederverwendet werden k¨onnen. Mit Hilfe von Hand- rechnungen sind diese Teilmodelle verifizierbar. Die Validierung des Computermodells bez¨uglich des Realsystems kann ¨uber drei Schritte erfolgen [Pag91]. Bei der Plausibilit¨atspr¨ufung wird das Ver- halten des Systems mit dem Realsystem verglichen. Dies geschieht ¨uber Expertenbefragungen und analytische Vergleichsrechungen. Die Sensitivit¨atsanlyse zielt darauf ab, wie das Modell auf Ver¨anderungen von Eingabe oder Struktur reagiert. Damit lassen sich eventuelle Struk- turfehler aufdecken und zudem wesentliche von unwesentlichen Parametern unterscheiden. Ein dritter Schritt ist der Outputvergleich. Hierbei werden historische Daten im Simulationsmodell eingespielt und die Outputdaten mit denen des Ori- ginalsystems verglichen. Das setzt aber ein vorhandenes Realsystem voraus. Die in dieser Arbeit aufgezeigte Problemstellung bezieht sich auf in Planung befindliche Realsysteme, deren a posteriori ermittelte Outputdaten nur noch Erkenntniswert f¨ur ein zuk¨unftiges System hat, da mit Abschluss eines Bau- vorhabens auch der Wert der Simulation beendet ist, wenn man von der Erfahrungsanreicherung absieht. Dennoch l¨asst sich ¨uber die genannten Me- thoden und Pr¨ufungsschritte ein ausreichend genaues Modell erstellen. 4.5 Die Simulationsumgebung Enterprise Dyna- mics In den vorangegangenen Kapiteln wurden der Einzelfertigungscharakter im Bauwesen (vgl. 3.2.2) und die Nutzung von 3D-CAD-Daten (vgl. 3.2.5) dar- gestellt. Der erste Aspekt erfordert es, mit m¨oglichst geringem Aufwand 60 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE durch vorgefertigte Bausteine ein Computermodell zu erstellen. Die Ver- wertbarkeit eines Modells ist mit der Erstellung des Bauwerks beendet, so dass der Erstellungsaufwand m¨oglichst gering gehalten werden muss. Der zweite Aspekt setzt voraus, dass einerseits die Simulationsumgebung strukturorientiert ist, um die Materialflusswege richtig abbilden zu k¨onnen, und andererseits eine externe Datenbank zum Datenaustausch verwendet werden kann. Die oben genannten Gr¨unde waren wesentlich f¨ur die Entscheidung SIMU- BAU in der Simulationsumgebung Enterprise Dynamics (=ED) in der Ver- sion 7.0 des Unternehmens Incontrol Enterprise Dynamics zu entwickeln. Das Programm enth¨alt bereits eine Logistik-Suite mit Grundmodulen zur Abbildung von Materialfl¨ussen in der station¨aren Industrie (Bibliothek). Abbildung 4.10: Simulationsumgebung von Enterprise Dynamics ED ist ein strukturorientierter Materialfluss-Simulator zur Modellierung dis- kreter Prozesse und basiert auf einem sogenannten ”Atomkonzept“. Atome sind Objekte, die gleich aufgebaut sind, Eigenschaften besitzen und auf Er- eignisse reagieren k¨onnen. Alle Elemente in ED, sowohl die BEO (= Be- wegte Objekte) als auch die STATO (= Statische Objekte) (vgl. [Sch97]), sind Atome. Die BEO sind alle Objekte, die sich innerhalb einer Simulati- on ’bewegen’ bzw. ’bewegt’ werden, z. B. Produkte, Transportmittel usw. Demgegen¨uber stehen die STATO, die ortsgebunden im Layout angeordnet sind und ’Bearbeitungsaufgaben’ haben, wie z. B. Warteschlangen, Verar- beitungsmaschinen usw. 4.5. DIE SIMULATIONSUMGEBUNG ENTERPRISE DYNAMICS 61 Die Atome k¨onnen in einem Modell-Layout ¨uber kartesische Koordinaten angeordnet und miteinander verbunden werden. Jedes Atom besitzt dazu in der Regel mindestens einen Eingangs- und einen Ausgangskanal. Je nach Funktion der Atome sind die Eigenschaften und Reaktionen auf Ereignisse unterschiedlich. ¨Uber eine eigene Skriptsprache k¨onnen Atome ver¨andert oder neue erzeugt werden. Neue Atome k¨onnen der bereits vorhandenen Bibliothek hinzugef¨ugt und beliebig verwendet werden. Die Ver¨anderung der Atome bez¨uglich der Lage im Raum, deren Anzahl oder Leistungsparameter erm¨oglicht es Varianten zu generieren, ohne die System- last zu ver¨andern. Die folgenden Unterkapitel beschreiben die ’Standardato- me’ auf denen die Atome bzw. Atomgruppen von SIMBAU (Komponenten) aufbauen. Standardatome der Logistik-Suite Die folgenden Standardatome der Logistik-Suite sind die Basisatome auf der die f¨ur SIMUBAU erforderlichen Atome und Atomgruppen aufbauen. Sie werden bez¨uglich ihres grundlegenden Verhaltens beschrieben, wobei al- le eine Reihe an Einstellm¨oglichkeiten und Parameter besitzen, auf die hier nicht eingegangen wird. Sie existieren in einer ¨ahnlichen Form auch in an- deren Materialfluss-Simulatoren. arrivial-list Die arrival-list ist eine Tabelle f¨ur BEO, die programmseitig auch als product bezeichnet werden, mit fest definierten Zeitpunkten der Erzeugung und dient als Quelle. Es k¨onnen dar¨uber hinaus weitere Eigen- schaften definiertwerden, die die BEO weiter beschreiben, wie z. B. Gewicht, Abmessungen oder erforderliches Transportmittel. queue Das queue-Atom ist ein STATO und hat die Aufgabe ankommende BEO aufzunehmen und in einer vorgegebenen Reihenfolge weiterzugeben. Falls das nachfolgende STATO diese nicht aufnimmt verbleiben die BEO in der queue, so dass eine Warteschlange entsteht. Die queue nimmt solange BEO auf bis die Kapazit¨atsgrenze erreicht ist. server Der server, bzw. in vereinfachter Form der fast server, hat die Auf- gabe, ankommendeBEO aufzunehmenundnach einer bestimmten Zeit(’Cy- cleTime’) weiter zu geben. Im Wesentlichen entsteht ein Zeitverbrauch, es k¨onnen aber auch Ver¨anderungen in der Eigenschaften der BEO vorgenom- men werden wie in allen Atomen. 62 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE assembler und stacker Um BEO miteinander zu einer Einheit zu ver- binden, z. B. mehrere Produkte auf eine Ladeeinheit, kann der assembler genutzt werden. Eine vorgegebene variable Anzahl an BEO wird einem con- tainer zugeordnet, der dann als eine eigenst¨andige Einheit (BEO) im Simu- lator behandelt wird. Diese kann dann weiter verschachtelt werden. Der stacker arbeitet in ¨ahnlicher Form, nur das kein container extra erzeugt werden muss. unpack Das unpack-Atom l¨ost die im assembler oder stacker zusammen- gefassten Einheiten wieder auf. Kapitel 5 Modellbeschreibung Das Kapitel enth¨alt die Herleitung eines konzeptionellen Modells, die Ent- wicklung einer Systemlast aus den Geb¨audemodelldaten und Beschreibun- gen der Datenhaltung. Zudem werden die entwickelten Module des Simu- lators vorgestellt und durchgef¨uhrte Modellpr¨ufungen dargestellt. Anschlie- ßend wird auf die konkreten Strategien und Regeln eingegangen, die im Modell SIMUBAU verwendet werden. 5.1 Einleitung Das Modell SIMUBAU beschreibt die klassischen logistischen Prozesse auf einer Baustelle. Transport-Umschlag-Lagerung (TUL) sind, wie in den vorangegangenen Ka- piteln dargelegt, die Basis-Prozesse der Logistik. Diese zun¨achst nicht-wert- sch¨opfenden (vgl. Kap. 2.1) Prozesse werden bewusst aus dem baubetrieb- lichen Kontext herausgel¨ost und separat betrachtet und bewertet. Die Ein- f¨uhrung des Prozessdenkens und die damit verbundene Trennung von wert- sch¨opfenden und nicht-wertsch¨opfenden Prozessen entsprechen dem Vorge- hen aus den Anf¨angen der Logistik in der station¨aren Industrie. Darauf dass auch diese indirekt wertsch¨opfend sein k¨onnen, wurde in [Wir01] hingewie- sen. In Kap. 3.2.5 wurde die Notwendigkeit von Daten f¨ur eine effektive Logis- tik im Bauwesen dargelegt. Die Informationen Material, Menge, Ort und Zeit bilden die Basisgr¨oßen und damit die Systemlast f¨ur die Simulation. Es handelt sich um eine individuelle Logistikuntersuchung. Man unterscheidet systemlastneutrale und systemlastver¨andernde Logistikkonzepte. Alle Va- riationen bez¨uglich des Layouts oder der Anzahl und Leistungsf¨ahigkeit der Ressourcen sind systemlastneutral. Ver¨anderungen in der Systemlast entste- hen durch Modifikation der zeitlichen Komponente der Materialien. 63 64 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG systemlastneutral systemlastver¨andernd ¨Anderungen des Layouts ¨Anderungen der Gesamtbauzeit → Wegeanordnung viele Lieferungen mit geringen Mengen → Standorte der Ressourcen wenige Lieferungen mit großen Mengen ¨Anderungen der Ressourcen Vorgabe von Zeitfenstern → eingesetzte Anzahl B¨undelung von Verkehren → Kapazit¨at und Leistungs- f¨ahigkeit Tabelle 5.1: Systemlastneutral versus systemlastver¨andernd 5.2 Systemlast 1. Definition Nach Kuhn[Kuh95] ”wird die Systemlast bestimmt durch die Gesamtheit des Quelle-Senke-Verhaltens eines logistischen Systems (Umwelt-, Kunden-, Lieferanteinfl¨usse)“. Zur Mo- dellbildung werden aus der Gesamtheit nur die Einfl¨usse auf das System betrachtet, die notwendig sind, um die Ziele der Simulation zu erreichen. 2. Definition Im Entwurf der VDI 3633 Teil 1 [VDI 3633-1] wird die Sys- temlast beschrieben als Gesamtheit aller • Auftragsdaten (Produktions- und Transportauftr¨age, Mengen, Termine usw.) • Produktdaten (Arbeitspl¨ane und St¨ucklisten). W¨ahrend die erste Definition sehr allgemein gehalten ist, zielt die zweite stark auf die Situation der station¨aren Industrie mit einem Produktions- planungs- und Steuerungssystem (PPS-System) ab. In jedem Fall handelt es sich um eine bestimmte (Leistungs-) Anforderung an das System pro Zeiteinheit. Die Systemlast wird ¨uber die Quellen in das System eingespeist und verarbeitet. Makroskopisch betrachtet ist die Systemlast die Erstellung des Geb¨audes in der geplanten Bauzeit. Um dieses Ziel zu erreichen, muss das Geb¨aude in kleinere Einheiten heruntergebrochen werden. Das geschieht auf unter- schiedliche Weise. In Ausschreibungen wird das Bauwerk in die verschiede- nen Gewerke zerlegt, denen Mengen und Materialien zugeordnet sind. Wie bereits in Kap 3.2.5 nachgewiesen, ist es nachteilig, dass der Ort an dem das 5.2. SYSTEMLAST 65 Material verarbeitet werden soll (Senke) in dieser Zerlegung nicht zugeord- net ist. Eine andere M¨oglichkeit bietet die 3D-CAD Zeichnung (Kap. 3.2.5) zur Ge- nerierung der Systemlast. Ein Bauwerk besteht aus mehreren Bauteilen, die oft aus mehreren Baustoffen bestehen. Z. B. besteht eine Außenwand aus Filigranwand mit Ortbeton, Innenputz,D¨ammungundAußenputz. Die Bau- stoffe/Bauteile haben unterschiedliche morphologische Eigenschaften und geh¨oren zu unterschiedlichen Gewerken, womit sie zeitlich getrennt verar- beitet werden. Sofern diese zusammengesetzten Bauteile nicht bereits vor- gefertigt an dieBaustelle geliefert werden, m¨ussensie als eigenst¨andige Kom- ponenten, im Folgenden als Bauelemente bezeichnet, unabh¨angig betrachtet werden (vgl. Abb. 5.1). Fertigteil Ortbeton Bewehrung Putz Bauteil (WAND) Bauelement (Fertigteil) Bauelement (Bewehrung) Bauelement (Ortbeton) Bauelement (Putz) Bauteil (...) Bauwerk Abbildung 5.1: Bauteil–Bauelemente Materialspezifische logistische Daten der Bauelemente, wie z. B. Transport- einheiten (Erl¨auterung s. Kap. 5.5.2), Liefereinheiten oder Lagereigenschaf- ten, sind in der Datenbank (vgl. Kap. 5.3) hinterlegt. Aus den logistischen Daten lassen sich Informationen ¨uber Anzahl der Lkw und Anzahl der La- dungstr¨ager f¨ur einen Lieferabruf ableiten. Der Gesamtauftrag ’Bauwerkser- stellung in der Bauzeit’ ist auf Einzelauftr¨age (Bauelemente) zu bestimmten 66 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Zeitpunkten gegliedert. Einige CAD-Programme bieten eine Schnittstelle (ODBC) an, durch die Bauteile ausgelesen und in eine bauteilorientierte Datenbank geschrieben werden k¨onnen. Im konkreten Fall wurde das Programm Archicad (Ver- sion 9.0) genutzt. Die Bauteildaten m¨ussen noch um deren Koordinaten erg¨anzt werden, da diese ¨uber die ODBC-Schnittstelle nicht ausgelesen wer- den k¨onnen. Dies geschieht ¨uber die IFC-Schnittstelle. Ablauf plan Umwandlung in Bauelemente (materialrein) Handliste aus Plänen alternativ ODBC-Schnittstelle ID, Material, Volumen, Fläche, ... CAD Bauteile (Decken, Wände, Stützen, Balken und Objekte) Bauteile (Decken, Wände, Stützen, Balken und Objekte) IFC-XML- Datei Ergänzung um Koordinaten Datenbankabfragen Ergänzung der Datenbank um Tabelle: Material (Eigenschaften) neutral Abbildung 5.2: Vorgehensweise Teil 1 Die Koordinaten des CAD-Modells wurden auf das Koordinatensystem des Simulationsmodells transformiert. Das 3D-CAD-Modell liefert die Basis- gr¨oßen der Logistik, die ”Auftr¨age“ nach [VDI 3633-1]: Material, Menge und Ort, allerdings ohne zeitliche Komponente. Die bisherige Vorgehensweise hat die Ausgangslage nicht ver¨andert. Um eine Systemlast zu erhalten, muss die zeitliche Komponente zugef¨ugt werden. Das ist zun¨achst eine baubetriebliche Planungsleistung, die in der Regel in der Arbeitsvorbereitung durchgef¨uhrt wird. Es geschieht durch Festlegung von Arbeitsabschnitten und Terminen. Arbeitsabschnitte sind r¨aumlich abgegrenzte Bereiche, in denen bestimmte Arbeiten zu einem be- stimmten Zeitpunkt (Termin) durchgef¨uhrt werden. Die Erg¨anzung durch die Komponente Zeit ergibt eine Leistung (Arbeit/Zeit), d. h. die Ver¨ande- 5.3. DATENBANK 67 rung der Zeit ist ein wesentliches Kriterium f¨ur die Ver¨anderung der Sys- temlast, da man davon ausgehen kann, dass alle anderen Komponenten un- ver¨andert bleiben. 5.2.1 Nebenprozesse Je nach Bauverfahren und Bauphase gibt es eine Reihe von Nebenprozessen, d. h. Prozesse, die nicht unmittelbar mit dem Materialfluss des Bauwerks zu tun haben. Schalung, Ger¨uste, Maschinen, Verbrauchsmaterial usw. m¨ussen transportiert z. T. sogar mehrfach umgeschlagen und gelagert werden. Die Nebenprozesszeiten f¨ur den Kran werden von Experten zwischen 20 und 30% der Gesamtzeit angegeben. Die Nebenprozesse werden von der Bau- leitung m¨oglichst in die auslastungsschwachen Zeiten gelegt. Ein Zeitpunkt, wann diese Prozesse stattfinden, ist schwer abzusch¨atzen. Bei der Auswer- tung der Ergebnisse m¨ussen die Ressourcenverbr¨auche der Nebenprozesse entsprechend ber¨ucksichtigt werden. 5.3 Datenbank 5.3.1 Aufbau der Datenbank Die aus dem CAD-Modell ausgelesenen Daten werden in der Datenbank in verschiedenen Tabellen, die im Folgenden beschrieben werden, gespeichert. Die Datenbank dient als Generator der zuvor beschriebenen Systemlast. Da- zu sind weitere Tabellen erforderlich, die ebenfalls im Folgenden dargestellt werden. Bei Beibehaltung der Schnittstellendefinitionen, sind aus beliebigen Geb¨audemodellen effizient Systemlasten generierbar. Die weitere Vorgehensweise nach Datensammlung und -sortierung ist der folgenden Abbildung 5.3 zu entnehmen. Die Datenbank, die als Grundlage f¨ur die Systemlast dient, besteht aus vier Tabellenarten: • CAD-Tabellen • Analysetabellen, • Logistikdatentabellen, • Planungstabellen. 68 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Umwandlung in Transporteinheiten Element Lieferzeitpunkt erforderliche Ressource Zielort Bauzeitenplan Simulation Ergebnis Status der Materialien Auslastung der Ressourcen aktuelle Daten der Baustelle (Zeiten) Änderung der Strategie Prüfung der Daten Ende Transporteinheit Verpackungseinheit Festlegung von Abschnitten Abbildung 5.3: Vorgehensweise Teil 2 Die CAD-Tabellen wiederum bestehen aus Bauteiltabellen, wie • Deckenelementen, • Wandelementen, • St¨utzen- und Balkenelementen, • T¨ur- und Fensterelementen, • sowie freien Objektelementen. Der genaue Aufbau der Tabellen ist dem Anhang B zu entnehmen. Die Bauteiltabellen enthalten als geometrische Daten Abmessungen,Fl¨achen und Volumina. Zus¨atzlich existieren, neben CAD spezifischen Angaben, Daten ¨uber Querschnitte, Materialien und Elementaufbauten. 5.3. DATENBANK 69 Die Analysetabellen erm¨oglichen es, weitere Bauelemente zu generieren, die nicht explizit in der CAD gezeichnet wurden. Das sind im Wesentlichen Be- wehrungen, die ¨uber die Bewehrungsgrade der Bauteilarten abgeleitet wer- den. Weitere Daten, wie erforderliches Schalmaterial, oder Ger¨ustmaterial, ließen sich ableiten, sind aber nicht Gegenstand der Untersuchung. Des Wei- teren werden die Mengen der Bauelemente in die zur weiteren Verarbeitung ¨ubliche Einheit umgerechnet. Die Logistikdatentabellen (vgl. B.1.1 und B.2) enthalten Angaben ¨uber lo- gistische Materialeigenschaften. Das sind Handlingszeiten, Transport- und Umschlagmengen und lagertechnische Daten, wie Stapelbarkeit oder Lager- fl¨achenbedarf. Diese Daten sind entweder nur bedingt von den tats¨achlich eingesetzten Ressourcen oder vom Material selbst abh¨angig. Das bedeutet, dass die Logistikdatentabelle unabh¨angig vom Bauvorhaben ist und somit von Projekt zu Projekt weiter genutzt, ausgebaut und verfeinert werden kann. In den Planungsdatentabellen werden dem Material, der Menge und dem Ort die Zeit zugeordnet. Diese baubetriebliche Planungsleistung wird im folgenden Kapitel beschrieben. 5.3.2 Baubetriebliche Aufbereitung der Daten Das Bauwerk wird in r¨aumliche Abschnitte gegliedert. Datenbankabfragen selektieren Bauelemente gleichen Materials undgleicher Abschnittszugeh¨orig- keit. Durch die Koordinaten lassen sich Bauelemente innerhalb eines Ab- schnitts identifizieren (vgl. Abb. 5.4). Diesen Abschnitten, und damit den Bauelementen, ist eine Ankunftszeit zugeordnet. Arbe itsab schn itt n Arbe itsab schn itt n+ 1Materia lliefe rabs chni tt k Arbe itsab schn itt m Abbildung 5.4: Arbeitsabschnitte-Materiallieferabschnitte 70 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Zur Materialfluss-Steuerung werden Arbeitsabschnitte und Materialliefer- abschnitte unterschieden. Die Arbeitsabschnitte dienen der Gliederung des Bauablaufs und korrespondieren mit dem Bauzeitenplan. Die Abbildung 5.5 zeigt einen screenshot einer Gantt-Darstellung der Arbeitsabschnitte. Dieses selbstentwickelte Programm dient der Visualisierung der Planungsdaten und deren Manipulation. Die Arbeitsabschnitte sind als Balken dargestellt, wobei die arbeitsfreien Zeiten ber¨ucksichtigt werden. Die L¨ange der Balken ergibt sich aus der durchschnittlichen Verarbeitungsdauer des Materials multipli- ziert mit der Materialmenge. Die zugeh¨origen Materiallieferabschnitte sind als Dreieck symbolisiert. Abbildung 5.5: Darstellung der Arbeitsabschnitte und Materiallieferab- schnitte in einem Gantt-Diagramm Fertigungsprozesse auf Baustellen laufen abh¨angig von den Randbedingun- gen und baubetrieblichen Entscheidungen parallel oder seriell ab. Die Abbil- dung serieller und voneinander abh¨angiger Arbeitsabschnitte erfolgt durch die Koppelung von bis zu zwei Reihenfolgekriterien. Ein nachfolgender Ab- schnitt kann erst begonnen werden, wenn der vorhergehende abgeschlossen ist. In einer separaten Tabelle sind alle Arbeitsabschnitte in ihrer zeitli- chen Reihenfolge abgelegt, wobei das erste Reihenfolgekriterium (vgl. Abb. 5.6) das der nacheinander einzubauenden Materialien ist. In der Tabelle werden die Anzahl der Bauelemente des Abschnitts (Soll-Werte) und die Ist-Werte (standardm¨aßig 0) gespeichert. In der Senke werden die Ist-Werte hochgez¨ahlt, sobald ein Bauelement eingebaut wird. Ein Arbeitsabschnitt ist abgeschlossen, sobald der Ist-Wert mit dem Soll-Wert ¨ubereinstimmt. Da aber zwangsl¨aufig nicht alle Arbeitsabschnitte von einander abh¨angen, oder ein nachfolgender Arbeitsabschnitt nach einer teilweisen Fertigstellung 5.3. DATENBANK 71 des vorangegangenen angefangen werden kann, k¨onnen die Ist-Werte zur Entkopplung der Abschnitte auch vorbelegt werden. Wird der Ist-Wert mit α· Soll-Wert vorbelegt, wobei 0 ≤ α ≤ 1 gilt, kann der nachfolgende Ab- schnitt bereits fr¨uher (f¨ur α > 0) begonnen werden, bis hin zur vollst¨andigen Entkopplung der Arbeitsabschnitte (f¨ur α = 1). Das zweite Reihenfolgekriterium (vgl. Abb. 5.6) ist ein fest vorgegebener beliebiger, Vorg¨angerabschnitt, der ¨uber seine ID eingegeben werden kann. FT Bew OB F Estr Putz FT Bew OB Erstes Reihenfolgekriterium Materiallieferabschnitte Zweites Reihenfolgekriterium Kopplung aufgelöst 1 2 3 4 5 6 7 8 9 FT: Fertigteil Bew: Bewehrung OB: Ortbeton F: Fenster Estr: Estrich Abbildung 5.6: Kopplung der Arbeitsabschnitte Die Reihenfolge kann frei ge¨andert werden und auch die Gr¨oße der Arbeits- abschnitte ist unbeschr¨ankt w¨ahlbar und je nach Material unterschiedlich. Die Materiallieferabschnitte sind genau wie Arbeitsabschnitte aufgebaut. Eine Trennung ist notwendig, um die Materiallieferungen von den Arbeits- abl¨aufen zu entkoppeln. Beispielsweise k¨onnen zu einem Arbeitsabschnitt mehrere Materiallieferabschnitte geplant werden, oder ein Materiallieferab- schnitt wird zur Transportoptimierung um die Bauelemente des n¨achsten Arbeitsabschnitts erweitert. Der folgende screenshot (Abb. 5.7) zeigt die Maske in der die Manipulationen durchgef¨uhrt werden k¨onnen. In der linken Spalte sind alle Materiallieferabschnitte aufgef¨uhrt, wobei diese nach einem Material gefiltert werden k¨onnen. In der rechten Spalte stehen alle Bauele- mente, die zu dem links ausgew¨ahlten Materiallieferabschnitt geh¨oren. Die Bauelemente k¨onnen einzeln oder als Gruppeausgew¨ahlt und einem anderen Abschnitt zugeordnet werden. Ebenso ist es m¨oglich einen weiteren neuen Materiallieferabschnitt zu erzeugen und die ausgew¨ahlten Elemente diesem zuzuordnen. Die Bauelemente eines Arbeitsabschnitts sind nach einer der Koordinaten x oder y sortiert. So entsteht eine zeilenartige Einbaureihenfolge, die der Bau- praxis grunds¨atzlich entspricht. Bedeutung erh¨alt die Reihenfolge bei der 72 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Abbildung 5.7: Manipulationsm¨oglichkeiten der Materiallieferabschnitte verk¨urzten Lastfahrt in der Kranspielzeitberechnung f¨ur Krane mit Katzaus- leger (s. S. 39). Zusammenfassend hat die Datenbank vier Aufgaben: • Analyse der Mengen, Materialien und Orte; • Verbindungsglied von Mengen/Material mit dem Bauzeitenplan; • Verkn¨upfung von logistischen Eigenschaften mit dem Material; • Steuerungsinstrument f¨ur die Simulation. Die Datenbank bereitet die Daten so auf, dass sie direkt vom Simulator ein- gelesen und verarbeitet werden k¨onnen. ¨Uber eine ODBC-Schnittstelle ist sie an den Simulator angeschlossen und kann ¨uber SQL-Befehle angesteuert werden. Aus Performance Gr¨unden werden alle Daten bei der Initialisierung in internen Programmtabellen gespeichert. Eine n¨ahere Erl¨auterung der Ta- belleninhalte erfolgt in den entsprechenden Unterkapiteln. Die ’Auftr¨age’ durchlaufen die in Kapitel 5.5 beschriebenen Atome. 5.4 Konzeptionelles Modell 5.4.1 Zielsetzung Bei Logistikprozessen im Baubetrieb sind Simulationen haupts¨achlich im strategischen Bereich, also vor einer Baumaßnahme, relevant. Die durch die Arbeitsvorbereitung oder einen Logistiker geplanten Strategien sind mit der Simulation pr¨ufbar. Die folgenden Fragestellungen weisen auf die Zielgr¨oßen der Simulation hin. 5.4. KONZEPTIONELLES MODELL 73 • Ist der Bauzeitenplan in sich stimmig? • Sind die geplanten Ressourcen optimal genutzt? • Kommt es an Knotenpunkten zu Wartezeiten? • etc. Die Fragestellungen und Zielgr¨oßen m¨ussen bereits im Aufbau des konzep- tionellen Modells ber¨ucksichtigt werden, damit das Computermodell die er- forderlichen Ergebnisse erzeugt. 5.4.2 Aufbau und Struktur Als Systemgrenze (vgl. Abb. 5.8) wird die Baustelleneinfahrt gesetzt, da der Schwerpunkt die Produktionsst¨atte (Baustelle), der Ort der haupts¨achlichen Wertsch¨opfung ist, und dort Produktivit¨atssteigerungen, oder -verluste die gr¨oßten Auswirkungen darstellen. Die betrachtete Prozesskette endet mit Materialfluss auf der Baustelle Umschlag Zwischenlager Bauzaun Verarbeitung Personal Transport bis Abladestelle Umschlag Einbauort Verarbeitung mit Ressource Weiterverarbeitung ohne Transport/ Umschlag- ressource Personal Transport bis Einbauort Umschlag-/ Transport- mittel Lager Material, Teilmengen, Zeit Entscheidung zu welcher Abladestelle LKW verlässt Baustelle LKW verlässt Baustelle Lagerung auf Baustelle Zusammen- stellung der Systemlast Personal LKW Weg ... Prüfung Einbau möglich? Entscheidungen: Welches Umschlagmittel? Welche Reihenfolge der LKW? Welches Ziel (direkt/indirekt)? Prüfung Einbau möglich? Einbau erforderlich? Entscheidungen: Welches Umschlagmittel? Entscheidung: Verarbeitung vor Umschlag, wenn weitere LKW da sind? Unterbrechung der Arbeit? Entscheidung: Verarbeitung vor Umschlag, wenn weitere LKW da sind? Unterbrechung der Arbeit? Baustellen- layout Telefon oder mündlich Bauleitung LKW Weg ... LKW Weg Umschlag- mittel Lager LKW Weg Umschlag -mittel LKW Weg Umschlag- mittel Personal Lager Abbildung 5.8: Allgemeine Prozesskette Baustelle dem Erreichen des Materials am Einbauort. Im Modell werden die am Ma- terialfluss beteiligten Ressourcen als Module, mit bestimmten Eigenschaften und Leistungen hinterlegt und so miteinander verkn¨upft, dass sie interagie- ren k¨onnen. Diese Module sind allgemein gehalten, so dass sie f¨ur beliebige 74 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Baustellen eingesetzt werden k¨onnen. Das Modell ist strukturorientiert, d. h. die Lage der Module ist durch Koordinaten beschrieben, die auf die CAD- Daten des Geb¨audemodells abgestimmt sind. Die Systemlast erfasst diejenigen Materialmengen, die unmittelbar zum Pro- dukt ’Bauwerk’ geh¨oren. Nicht von der Systemlast abgebildet werden: • Transporte von Sekund¨ar- und Terzi¨arg¨uter, also Bauhilfsstoffe und Verbrauchsmaterial, sowie Schalungs- und Ger¨ustmaterial. • Personenverkehre und -transporte. • Entsorgungsverkehre und -transporte. Diese Nebenprozesse sind nicht unmittelbar aus der Systemlast abzuleiten, verursachen aber ebenfalls Transport-, Umschlag- und Lagerprozesse. Bei der Interpretation der Ergebnissesind die Nebenprozesse zu ber¨ucksichtigen, da diese z. T. ebenfalls Ressourcenkapazit¨aten beanspruchen. Die Abbildung 5.9 zeigt den Ablauf der Simulation in Form eines vereinfach- ten Flussdiagramms. Die einzelnen Elemente korrespondieren mit sogenann- ten Atomen, die in dem folgenden Kapitel (5.5) n¨aher beschrieben werden. In der Abbildung sind die Elemente durch einen st¨arkeren Rahmen1 gekenn- zeichnet, bei denen ein Zeitverbrauch stattfindet. Die Pfeile, die nach oben zur¨uckweisen, wurden nur exemplarisch eingezeichnet. 1Aus optischen Gr¨unden wurde dies nur bei einem Element jeder Art gemacht 5.4. KONZEPTIONELLES MODELL 75 Lkw-Beladung (Material 1) Einfahrt n Lkw-Beladung (Material 2) Lkw-Beladung (Material 3) Lkw-Beladung (Material n) Weg 1 Einfahrt 1 Weg 2 Weg 3 Weg n Abladestelle 2 Abladestelle 3 Abladestelle n Kran nKran 1 Kran 2 Verarbeitung Einbauort Lager 1 Lager 2 Lager n Lager 3 Ausfahrt Abladestelle 1 leere Lkw Atom/-gruppe mit Zeitverbrauch Atom/-gruppe ohne Zeitverbrauch ohne Alternative Alternative Verbindungen mögliche Erweiterungen Legende leere Lkw Weg 1 Atom/-gruppe mit Stochastik Info über Krane Abbildung 5.9: Ablauf der Simulation 76 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG 5.5 Die Atom-Bibliothek von SIMUBAU Das entwickelte konzeptionelles Modell f¨ur eine Hochbau-Baustelle ist ’allge- mein’ g¨ultig. F¨ur ein konkretes Simulations- bzw. Computermodell m¨ussen die Anzahl der Elemente, die Leistungsparameter und die Lage im Raum sowie die zu untersuchenden Strategien festgelegt werden. Abbildung 5.10: Die Atom- bibliothek von SIMUBAU Da SIMUBAU auf dem Atomkonzept der Si- mulationsumgebung aufbaut, kann ein Compu- termodell eines konkreten Bauvorhabens rela- tiv schnell und flexibel aufgebaut werden. Hier- zu werden die Atome aus der Libery im Lay- out positioniert und die Leistungsparameter gesetzt. Des Weiteren m¨ussen die Atome ent- sprechend ihrer Aufgabe verbunden werden. Die Atome bzw. Atomgruppen (vgl. Abb. 5.10), die f¨ur SIMUBAU entwickelt wur- den, werden im Folgenden vorgestellt. Soweit m¨oglich erfolgt die Beschreibung in der Reihen- folge des konzeptionellen Modells. Die Atom- beziehungen werden anhand von Ausschnitts- vergr¨oßerungen des ¨Ubersichtsbildes 5.9 und screenshots der Atome in der Simulationsumgebung erl¨autert. 5.5.1 Bauelemente Die VDI 3633 ([VDI 3633-1]) bezeichnet die Systemlastdaten als Auftr¨age, dieim Fall von SIMUBAU Bauelemente sind(vgl. Kap. 5.2). Die Bauelemen- te sind die BEO, auch Produkte genannt, des Modells. Die Menge des Bau- stoffs ist eine Eigenschaft des BEOs (vgl. 5.2) und je nach Material/Baustoff in [m3, t, oder Stk.] angegeben, d. h. es werden alle ¨ublichen Mengenein- heiten im Modell verarbeitet. Das hat den Vorteil, dass alle Bauelemen- te unmittelbar ihren Liefereinheiten zuzuordnen sind. Die Liefereinheiten Fenster (Stk) Ortbeton (m³) Putz (m²) Steine (m³) Trockenwand (m²) Abbildung 5.11: Verschiedene Liefereinheiten 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 77 gliedern die Bauelemente in Gr¨oßen, in denen sie umgeschlagen werden. Die Menge gleichartiger Bauelemente kann stark variieren. Die Anzahl der BEO bestimmt nicht die Auslastung der Ressourcen, sondern die Summe der Materialmengen der BEO2. Dieser Umstand ist bei der Bestimmung der Transport- und Liefereinheiten ber¨ucksichtigt. In der Auswertung ist nicht Abbildung 5.12: Transporteinheit der Durchsatz (Anzahl pro Stunde) die entscheidende Kenngr¨oße, sondern die Summe der BEO-Mengen pro Stunde. Die weiteren Eigenschaften der Bauelemente werden durch mehrere Label verwaltet. Label sind Variablen, die dem einzelnen Bauelement zugeordnet sind und an jeder Stelle im Sys- tem ausgelesen oder ver¨andert werden k¨onnen. Die Label sind Tabelle 5.2 zu entnehmen. label Bedeutung ziel_x Zielkoordinate x ziel_y Zielkoordinate y ziel_z Zielkoordinate z MatlieferID Materiallieferabschnitt Menge Menge in [m3, t, oder Stk.] Material Material nach tbl_Material Arbeitsbabschnitt Arbeitsabschnitts ID Tabelle 5.2: Label der Bauelemente Die Summe der Mengen aller Bauelemente entspricht der Gesamtmenge ei- nes Baustoffs. Entsprechende Filterungen erm¨oglichen es, Teilmengen von 2Eine Ausnahme bildet nat¨urlich die Mengeneinheit Stk., da diese gleich der Anzahl der BEO ist. 78 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG bestimmten r¨aumlichen Einheiten zu bilden (z. B.: erforderliche Ortbeton- menge im 3. OG). 5.5.2 Lkw-Beladung Der erste Schritt in der Simulation besteht darin, die Bauelemente sorten- rein einem Transportmittel zuzuordnen und sie mit diesem materiallieferab- schnittsweise in das System einzuf¨uhren (vgl. Abb. 5.13 und ¨Ubersicht Abb. 5.9). Lkw-Beladung (Material 1) Lkw-Beladung (Material 2) Einfahrt 1 Lkw-Beladung (Material 3) Lkw-Beladung (Material n) Abbildung 5.13: Lkw-Beladung Die Lkw-Beladung besteht aus sechs Atomen der Logistik-Suite. Aus Ab- fragen auf die Datenbank ergeben sich alle sortenrein zusammengestellten Bauelemente, diemiteinem Zeitstempel, demLieferzeitpunkt, versehensind. Diese sind in der arrival-list gespeichert und werden gleichzeitig erzeugt, wenn sie zum selben Materiallieferabschnitt geh¨oren. Abh¨angig von diesem werden sie in eine queue geleitet. Der assembler verkn¨upft die Bauelemente mit containern (Lkw). Die Zuordnung erfolgt mit Hilfe der MateriallieferID, ¨uber die die Anzahl pro Lkw gesteuert wird. In der Datenbank (vgl. Kap. 5.3) sind zu jedem Material Transporteinheiten (vgl. 5.12) gespeichert. Eine Transporteinheit ist die Menge, die ein Lkw (MLkw,Mat) transportieren kann. Im St¨uckgutbereich ist die Menge in Stk gleich dem Bauelement. Hier wird vereinfachend eine Anzahl pro Lkw festgelegt. Da Bauelemente, die in m3, m2 oder t angegeben sind, unterschiedliche Mengen beinhalten, wird die Anzahl der Lkw pro Materiallieferabschnitt ¨uber die Gesamtmenge M eines Materiallieferabschnitts j berechnet. Die Anzahl der Bauelemente pro Lkw ergibt sich aus der Gesamtzahl der Bauelemente n geteilt durch die Anzahl der Lkw. Mj,BE = nsummationdisplay i=1 mi,BE in [m3,m2,oder t] (5.1) 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 79 Abbildung 5.14: Lkw-Beladung-Atomgruppe #Lkw = Mj,BEM Lkw (5.2) #BE/Lkw = n#Lkw (5.3) mit M = Gesamtmenge j = Index f¨ur Materiallieferabschnitt BE = Bauelement n = Anzahl Bauelemente pro Materiallieferabschnitt m = Einzelmenge eines Bauelementes i = Index f¨ur Bauelement MLkw = Menge pro Lkw Im Durchschnitt wird damit die ladungsbegrenzende Menge pro Lkw einge- halten. Im Extremfall k¨onnen einige Lkw ¨uberladen, bzw. nicht ausgelastet sein, wenn die Mengen pro Bauelement stark schwanken. Sinnvoll ist es da- her, große Bauteile, wie Bodenplatten, in mehrere kleine Bauteile aufzutei- len, damit der Einzelfehler nicht zu groß wird. Dies ist bei der Auswertung der Standzeiten der Lkw zu ber¨ucksichtigen. Im Mittel sind die Kranzeiten pro Lkw, die Anzahl der Lkw und damit auch die mittleren Standzeiten kor- rekt. Die Lkw-Beladung erzeugt auch Teilladungen, sollte die Gesamtmenge geteilt durch Transporteinheit nicht ganzzahlig sein. Die Lkw eines Lieferabschnitts unterliegen einer Anliefersteuerung. Sie wer- den zwar gleichzeitig erzeugt, aber in einer bestimmten zeitlichen Reihenfol- ge zur Baustelle geschickt. SIMUBAU unterscheidet zwei Anlieferkonzepte. Das erste betrifftim Wesentlichen denRohbau, beidem derKranals Einbau- mittel fungiert undstark in den Bauprozess eingebunden ist. Die Anlieferung muss deshalb mit dem Bauprozess korrelieren. Die Lieferzeitpunkte sind bis auf die Stunde genau festgelegt, um einen kontinuierlichen Bauprozess zu 80 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG gew¨ahrleisten. Die Steuerung erfolgt i. d. R. durch die Bauleitung. Daher kann man von einer getakteten Belieferung ausgehen. Der Einfluss von Staus und sonstigen Lieferverz¨ogerungen wird stochastisch erfasst. Die Taktung (z. B. alle 30 min ein Lkw) ab dem zweiten Lkw besteht aus einem deterministi- schen und einen stochastischen Anteil. Den stochastischen Anteil bildet eine rechtsschiefe kontinuierliche Verteilung, da man davon ausgehen kann, dass unvorhergesehene verkehrliche Situationen eher zu Versp¨atungen f¨uhren, als zu vorzeitigem Ankommen [Wil77]. Hierf¨ur wird eine Erlang-Verteilung mit dem Faktor k=2 gew¨ahlt. Der deterministische Anteil ergibt sich aus der erwarteten Ankunftszeit minus dem linksseitigen p-Quantil. deterministischer Anteil Mittelwert stochastischer Anteil t Taktzeit: K = 2 Abbildung 5.15: Deterministischer und stochastischer Anteil der Lkw- Taktung Vereinfachend kommt der erste Lkw immer zu Arbeitsbeginn eines Tages (Planung). Ein zu fr¨uhes Ankommen ist auf Grund des zeitlichen ¨Ubergangs im Simulationszeithorizont nicht m¨oglich (Ende Tag n = Anfang Tag n+1). Ein vorzeitiges Ankommen ist f¨ur die Fragestellungen der Simulation nicht relevant, da zu diesem Zeitpunkt noch nicht gearbeitet wird. Als stochasti- sche Verteilung wird (ohne deterministischen Anteil) eine Negativexponenti- al-Verteilung angesetzt. Das zweite Anlieferkonzept nutzt den Kran als Umschlagmittel und wird nicht zentral gesteuert. Die Nachunternehmer (=NU) lassen unabh¨angig von einander (unkoordiniert) Material anliefern. Da alle Lkw-Beladungs-Module unabh¨angig von einander sind, k¨onnen diese auch unabh¨angig von einander gesteuert werden, welches der eigenst¨andigen Disponierung der beteiligten Akteure entspricht. Alle Lkw-Beladungs-Module sind mit dem Atom Ein- fahrt, Disposition verkn¨upft. In SIMUBAU ist die Annahme hinterlegt, dass Material eines Materiallie- ferabschnitts innerhalb von zwei Tagen vor dem Beginn des zugeh¨origen 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 81 Arbeitsabschnitts geliefert wird. Dabei wird f¨ur den ersten Lkw von ei- ner gewichteten Gleichverteilung (Abb. 5.16) ausgegangen3. Die Gewichtung kommt dadurch zustande, dass Speditionen bevorzugt in den Morgenstun- den und kurz nach der Mittagszeit anliefern. Wegen der fehlenden Koordi- nation ist diese Verteilung die Ausgangs- bzw. die Anfangssituation. Sollte mehr als ein Lkw f¨ur eine Materialliefereinheit erforderlich sein, folgen die weiteren Lkw in der gleichen zeitlichen Reihenfolge wie beim ersten Lie- ferkonzept. Die erwartete Ankunftszeit wird dem entsprechenden Material angepasst, da je nach Material unterschiedliche Abladezeiten zugrunde ge- legt werden m¨ussen, die mit den erwarteten Ankunftszeiten korrelieren. x f(x) [%] 7:00 9:00 12:00 13:00 7:00 Tag 1 8,75 3,75 6,25 3,75 17:00 9:00 12:00 13:00 17:00 Tag 2 8,75 3,75 6,25 3,75 0 7200 18000 21600 36000 43200 54000 57600 72000 [s] Abbildung 5.16: Gewichtete Gleichverteilung 5.5.3 Einfahrt In der Einfahrt kommen die in der Lkw-Beladung erzeugten Lkw an und werden von dort den Abladestellen zugeordnet. Das Atom ist von dem Standardatom queue abgeleitet. Die Verteilung der Lkw auf die Krane (Abladestellen) erfolgt nach zwei gestaffelten Kriterien. Zun¨achst wird gepr¨uft, welche Krane die Zielorte der Bauelemente im Lkw erreichen k¨onnen. Sollte kein Kran alle Bauelemente in seiner Reichweite haben, werden die Krane (mindestens ein Kran) ausgew¨ahlt, die die meis- ten Bauelemente verarbeiten k¨onnen. Danach wird aus dieser Gruppe der n¨achste freie Kran angefahren. Sind mehrere Krane gleichzeitig frei wird der Kran mit der niedrigsten Ausgangskanalnummer angefahren, so dass die Verteilung hierarchisch ist. Diese Hierarchie bildet den in der Baupraxis h¨aufig anzutreffenden Hauptkran ab. Welcher Kran f¨ur die Ladung eines Lkw optimal ist, beruht meist auf dem Erfahrungswissen der Bauleitung 3Expertengespr¨ach mit Herrn Goetz, Gesch¨aftsf¨uhrer der Bauserve GmbH vom 15.03.2006 82 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Lkw-Beladung (Material 1) Lkw-Beladung (Material 2) Lkw-Beladung (Material 3) Weg 1 Einfahrt 1 Weg 2 Weg 3 Info über Krane Abbildung 5.17: Einfahrt und wird in der Regel m¨undlich oder fernm¨undlich an den Lieferanten wei- tergegeben. Den seltenen Fall, dass der falsche Kran angefahren wird und ein Umrangieren erfolgt, ist in SIMUBAU nicht ber¨ucksichtigt. Ortbeton hat als ’verderbliche’ Ware auf der Baustelle Vorrang. Ortbeton- fahrzeuge werden anderen wartenden Fahrzeugen vorgezogen, eine bereits begonnene Entladung wird allerdings nicht unterbrochen, so dass es auch f¨ur Betonfahrzeuge zu Wartezeiten kommen kann. In dem Atom werden die Lkw entsprechend dieser Regel sortiert. Pro Abladestelle ist nur ein Lkw zugelassen und sie ist erst wieder frei, wenn der Lkw die Baustelle wieder verlassen hat. Die Lkw (container-Atome) er- halten hierzwei Zeitstempel mitdenen eineeventuelle Wartezeit am Eingang und die Durchlaufzeit erfasst wird. 5.5.4 Initialisierung Die Atomgruppe Initialisierung dient der Erstellung und Vorbelegung in- terner Tabellen im Programm. Die Tabellen enthalten materialspezifische Eigenschaften, Informationen ¨uber den Baufortschritt und globale Lage- reigenschaften und wurden in einer eigenen Atomgruppe angelegt, da von verschiedenen Atomen auf die Tabellen zugegriffen wird. Die ausf¨uhrliche Beschreibung der Felder ist dem Anhang B zu entnehmen. Weitere Initiali- sierungen und Vorbelegungen von Werten erfolgt in den Atomgruppen, zu denen die Werte geh¨oren. Die Atomgruppe verf¨ugt weder ¨uber Eingangs- noch Ausgangskan¨ale. 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 83 5.5.5 Wege Die Wege sind im Modell Verbindungen von der Einfahrt zu den Abladestel- len und zur¨uck, bei denen ein Zeitverbrauch stattfindet. Dieser ergibt sich aus der Entfernung und der pro Abschnitt angegebenen durchschnittlichen Geschwindigkeit. Abschnitte sind einzelne Kurven- oder Geradenelemente, die den Gesamtweg durch die Verkn¨upfung untereinander bilden. Weg 1 Einfahrt 1Ausfahrt Abladestelle 1leere Lkw leere Lkw Weg 1 Abbildung 5.18: Wege Es kommen die Originalatome, die non accumulating conveyor der Logistik- Suite, zum Einsatz. Die Lkw sind nicht ’selbstfahrend’, sondern werden als container von den Wegen (conveyor) transportiert, was im Ergebnis keinen Unterschied macht. Die Atome ben¨otigen keine weiteren bauspezifischen ¨Anderungen. Die Wege setzen sich aus den entsprechenden Teilst¨ucken von Kurven und Geraden zusammen. Folgende Festlegungen und Vereinfachungen wurden getroffen: • Wenderadien sind mit 10m nach [Sch01] angesetzt; • konstante Geschwindigkeit pro Abschnitt; • Approximation von Anfahr- oder Bremsbewegungen durch Verkleine- rung der Abschnitte mit eigenen konstanten Geschwindigkeiten; • kein stochastischer Einfluss abgebildet. Die Vereinfachungen sind durch den geringen Einfluss der Wege zu recht- fertigen. Die Wege beeinflussen sich nicht gegenseitig (keine kreuzenden 84 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Materialfl¨usse) und der Zeitverbrauchsanteil auf den Wegen ist gering. Die aus ¨Uberschlagsrechnungen gewonnenen Werte f¨ur Durchschnittsgeschwin- digkeiten sind Tabelle 5.3 zu entnehmen. Weg Max. Geschw. Max. Geschw. einseitig zweiseitig [m] [km/h] [m/s] [m/s] [m/s] 5 10 2,8 1,7 0,6 10 10 2,8 2,2 1,7 15 10 2,8 2,4 2,1 20 10 2,8 2,5 2,2 25 10 2,8 2,6 2,3 35 30 8,3 4,2 0,1 40 30 8,3 4,7 1,1 45 30 8,3 5,1 1,9 50 30 8,3 5,4 2,5 55 30 8,3 5,7 3,1 60 30 8,3 5,9 3,5 65 30 8,3 6,1 3,9 70 30 8,3 6,3 4,2 75 30 8,3 6,4 4,5 80 30 8,3 6,5 4,7 Tabelle 5.3: Durchschnittliche Geschwindigkeiten in Abh¨angigkeit der Ge- samtstrecke und der Maximalgeschwindigkeit Die Werte gelten unter der Annahme, dass • die Maximalgeschwindigkeit vorw¨arts 30 km/h undr¨uckw¨arts 10 km/h betr¨agt; • die Anfahr- und Bremsbeschleunigung 1 m/s2 betr¨agt; • der Lkw aus dem Stand linear bis zu der Maximalgeschwindigkeit be- schleunigt und die Geschwindigkeit bis zum Ende der Strecke aufrecht erh¨alt (’einseitig’). Wird nach Erreichen der Maximalgeschwindigkeit wieder auf Null abge- bremst gelten die Werte der Spalte ’zweiseitig’. Erreicht der Lkw die Ma- ximalgeschwindigkeit nicht (vgl. auch Abb. 3.12 von Unterabschnitt 5.5.7) oder sind die Wegef¨uhrungen komplexer, sind genauere Untersuchungen not- wendig. Modellanpassungen sind einfach durchzuf¨uhren. Nach der Entladung der Lkw (vgl. folgendes Kapitel) fahren sie wieder auf einem anderem Weg zur Einfahrt zur¨uck (vgl. Abb. 5.18. Verl¨asst der Lkw das System, wird die aktuelle Simulationszeit und die Verweildauer ab dem 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 85 Einfahrtsatom protokolliert. Des Weiteren wird die Zufahrt zur Abladestelle f¨ur nachfolgende Lkw wieder freigegeben. 5.5.6 Lkw-Entladung Die Atomgruppe Lkw-Entladung stellt die Bauelemente in der Menge einer Liefereinheit dem Kran zur Verf¨ugung. Sobald das letzte Bauelement den Lkw verl¨asst, wird der Lkw freigegeben und verl¨asst die Baustelle auf dem vorgegebenen Weg. Die Atomgruppe besteht aus zwei Atomen dem unpack und dem stack- Atom. Der Eingangskanal ist mit dem Weg verbunden, der Ausgangskanal einerseits mit dem Kranmodul und andererseits wieder mit dem Weg. Weg 1 Kran 1 Abladestelle 1 Weg 1 leere Lkw Abbildung 5.19: Lkw-Entladung In der Atomgruppe selbst werden die Bauelemente nach dem Entpacken (Entladen des Lkw) wieder in einem container der Liefereinheit zusam- mengefasst. Alle Bauelemente der Mengeneinheit Stk, von denen der Kran mehr als eins gleichzeitig transportieren kann, werden in dem container zu der Anzahl zusammengestellt, die der materialspezifischen Liefereinheit ent- sprechen. Die Menge, die ein Kran auf einmal transportieren kann, ist in der Tabelle tbl_Material (vgl. Anhang B.1.1) in der Spalte Liefereinheiten hinterlegt (vgl. Abb. 5.20). Bauelemente der anderen Mengeneinheiten m3, m2 oder t werden immer mit der Anzahl ’eins’ im container gespeichert. Die Liefereinheit wird erst im Kranmodul ber¨ucksichtigt (vgl. Abb. 5.21). ¨Uber die Menge wird im Kranmodul bestimmt, ob f¨ur ein Bauelement ein oder mehrere Kranspie- le erforderlich sind, d. h. aus einer oder mehreren Liefereinheiten besteht. 86 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Beispiel für Liefereinheit mit n = 4 Label Menge = 1 Container Bauelement 1 Bauelement 2 Bauelement n Label Menge = 1 Label Menge = 1 Bauelemente Container Abbildung 5.20: St¨uckgut–Liefereinheiten Beispiele für versch. Mengen Label Menge = x1 Container Bauelement 1 Label Menge = x2 Container Bauelement 2 Label Menge = xm Container Bauelement m Liefer- einheit Menge x2 = Liefereinheit Liefer- einheit Menge xm > LiefereinheitLiefer-einheit Bauelemente Menge x1 < Liefereinheit Abbildung 5.21: Nicht St¨uckgut–Liefereinheiten Dadurch k¨onnen alle Bauelemente auf die gleiche Weise verarbeitet werden, unabh¨angig von der Mengeneinheit. Die Bauelemente, die zu einer Liefereinheit zusammengefasst sind, k¨onnen nicht direkt zum Einbauort umgeschlagen werden, da unterschiedliche Ziel- koordinaten vorhanden sind. Diese Bauelemente und Bauelemente eines Ar- beitsabschnitts, dessen Vorg¨angerabschnitt noch nicht fertig gestellt ist, wer- den ¨uber das Kranmodul in ein Lageratom umgeschlagen. Ein Lageratom kann den Status vorhanden/nicht vorhanden und voll/nicht voll haben. Der erste Status wird f¨ur die Einrichtung von tempor¨aren L¨agern genutzt, der zweite ergibt sich aus dem Platzbedarf der eingelagerten Bauelemente im Verh¨altnis zur vorhandenen Lagerfl¨ache. Die Lagerdaten sind in der Tabelle tbl_Lager der Atomgruppe Initialisierung (vgl. 5.5.4) gespeichert. 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 87 Das Programm berechnet die Abst¨ande (Luftlinie) aller Bauelemente zu allen vorhandenen und nicht vollen L¨agern. Der Transport erfolgt in das Lager, welches am n¨achsten zu allen Einbauorten einer Liefereinheit liegt. Das Hauptlager hat immer den Status ’vorhanden’ und ’nicht voll’, um einen Deadlock zu verhindern. Der container erh¨alt die Nummer des gew¨ahlten Lagers. Das Verfahren wird auch f¨ur die container angewendet, die nur ein Element enthalten, da das optimale Lager f¨ur den Fall bekannt sein muss, wenn der Vorg¨angerabschnitt nicht fertig sein sollte. 5.5.7 Kranmodul Das Kranmodul simuliert einen ortsfesten Turmdrehkran, durch die Berech- nung der Bewegung des Kranhakens unter Ber¨ucksichtigung des Bauteil- konzepts. Die Zahl der Kranspiele richten sich nach den Mengen mi,BE der Bauelemente nicht nach deren Anzahl. Das Kranmodul basiert auf einem server-Atom der Logistik-Suite und ist mit der Lkw-Entladung ¨uber den Eingangskanal sowie mit dem Lager, bzw. dem Einbauort ¨uber Ausgangskan¨ale verbunden. Kran 1 Einbauort Lager 1 Lager 2 Abladestelle 1 Abbildung 5.22: Kranmodul Zur Aufzeichnung der Krandaten wird eine eigene Tabelle Kranzeit_n, mit- gef¨uhrt, wobei das ’n’ f¨ur die Zahl des Krans steht, f¨ur den Fall dass mehrere KraneimEinsatzsind.NebendemMaterial wirddieendg¨ultige ’CycleTime’, die aktuelle Simulationszeit und der Name des Bauelements gespeichert. Der Zeitverbrauch (’CycleTime’) ist die wesentliche Kenngr¨oße dieser Res- source, die sich auf ein Bauelement bezieht. Sie unterscheidet sich wie im Folgenden erl¨autert von der Kranspielzeit, die sich auf einen Transportzy- klus bezieht. Die Bewegungen Heben/Senken, Katzfahrt und Drehen werden 88 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG einzeln berechnet. Dazu ist eine Umrechnung der Kartesischen Koordinaten in Zylinderkoordinaten erforderlich. Der Kranmittelpunkt bildet dabei den Nullpunkt des Zylinderkoordinatensystems. Die Startkoordinaten ermitteln sich aus der Lage der Abladestelle. Die Zielkoordinaten sind bei dem Di- rekteinbau eines einzelnen Bauelementes die des Elementes selbst, oder bei dem Umschlag in ein Lager, die des angesteuerten Lagers. Ob ein einzelnes Bauteil ins Lager umgeschlagen wird – mehrere werden immer in ein Lager umgeschlagen – wird im Kranmodul entschieden und h¨angt von dem vorausgehenden Arbeitsabschnitt ab. Ist dieser abgeschlos- sen, d. h. sind alle Bauelemente dieses Abschnitts eingebaut, kann das Bau- element direkt eingebaut werden. Das ist der Normal-/Idealfall im Rohbau (vgl. Anlieferkonzepte im Atom Lkw-Beladung). Durch eine Vorbelegung kann die Abh¨angigkeit ganz oder teilweise ausgeschaltet werden (vgl. Abb. 5.4), dann wird direkt eingebaut, wenn die Bedingung des abgeschlossenen Vorg¨angerabschnittes erf¨ullt ist. Ein weiteres Kriterium f¨ur den Umschlag ins Lager ist die Reichweite des Krans. Bei ihrer ¨Uberschreitung wird das Bauelement ins Lager umgeschlagen, welches allerdings auch zum Deadlock f¨uhrt, da das Bauelement von dort nicht eingebaut werden kann und der Arbeitsabschnitt nicht abgeschlossen werden kann. Dieser gesteuerte Dead- lock dient der ¨Uberpr¨ufung der Kranreichweiten f¨ur alle Bauelemente von den jeweiligen Kranstandorten. Alle Arten von Materialien werden mit dem Kran umgeschlagen. Aus der Tabelle tab_Material (vgl. B.1.1) werden materialspezifische Eigenschaften wie Anschlag- und Abgabezeiten und die maximal transportierbare Men- ge in der korrespondierenden Einheit abgefragt. Diese Daten werden bei der Berechnung der ’CycleTime’ ber¨ucksichtigt. Die Basis der ’CycleTime’- Berechnung bildet die Kranspielzeit nach 3.3.2, wobei das Bauteilkonzept der Simulation ber¨ucksichtigt werden muss. Wie in Bauelemente beschrie- ben, ist die Baustoffmenge eines Bauelementes entweder kleiner, gr¨oßer oder genau gleich der Menge, die der Kran auf einmal transportieren kann (Kran- kapazit¨at). Je nach Mengeneinheit wird dieser Umstand unterschiedlich be- handelt. IstdieAnzahlderBauelemente im St¨uckgutbereich (vgl. Kap.Lkw-Entladung S. 85) gr¨oßer als die Krankapazit¨at, werden so viele Bauelemente in einem container zu einer Liefereinheit zusammengefasst, wie die Krankapazit¨at es erm¨oglicht (im Beispiel der Abb. 5.20 n=4). F¨ur die entstandene Lieferein- heit ergibt sich genau ein Kranspiel nach Abbildung 3.11. Ist die Anzahl gleich (Liefereinheit = 1 Stk), ergibt sich ebenfalls genau ein Kranspiel. Der Fall, dass die Menge kleiner ist als die Krankapazit¨at (Liefereinheit < 1), ist nicht m¨oglich und wird daher nicht betrachtet. Im Nicht-St¨uckgutbereich (vgl. Abb. 5.21) mit den Mengeneinheiten (m3, m2 oder t) muss mit gebrochenzahligen Mengen gerechnet werden. Es sind 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 89 die F¨alle ”kleiner, gr¨oßer oder genau gleich“ zu unterscheiden. Es entstehen zwei Grundf¨alle, die der Abbildung5.23 zu entnehmen sind. Fall 1 beschreibt den Normalfall eines Kranspiels nach Abb. 3.11, Fall 2 den Sonderfall einer verk¨urzten Lastfahrt. Der Sonderfall tritt dann auf, wenn der Quotient aus der Menge des i-ten Bauelements und der Krankapazit¨at nicht ganzzahlig ist. Bei der Berechnung der ’CycleTime’ f¨ur das Bauelement i+1 muss die vorhandene Restmenge (der Kran ist nicht leer) ber¨ucksichtigt werden, da der Kran immer die volle Kapazit¨at ausnutzt. Es folgt eine verk¨urzte Last- fahrt zu Bauelement i+1. Kran3 Lastfahrt (verkürzt) Menge mi, BE <> Krankapazität Einbauort Lastfahrt 2 Ausgangsstellung Leerfahrt1 Kran Menge mi, BE = Krankapazität Lkw-EntladungLkw-Entladung Fall 1 Fall 2 Abbildung 5.23: Fallunterscheidungen Normalfall – Sonderfall • Menge mi,BE = Krankapazit¨at ⇒ Fall 1 • Menge mi,BE < Krankapazit¨at ⇒ Fall 2, wenn Kran nicht leer Fall 1, wenn Kran leer • Menge mi,BE > Krankapazit¨at ⇒ Fall 2 + n · Fall 1, wenn Kran nicht leer n · Fall 1, wenn Kran leer Beispiel: Bauteil Filigranwand mit Ortbetonkern Sind die Mengen der Bauelemente deutlich kleiner als die Krankapazit¨at, ergibt sich ein Tou- renproblem, da sich der Sonderfall ’verk¨urzte Lastfahrt’ mehrfach aneinan- der reiht. Die Reihenfolge der Bauelemente innerhalb eines Materialliefer- abschnitts wird daher so gew¨ahlt, dass die Abst¨ande untereinander minimal sind. Die Abgabezeiten tabg beziehen sich auf die Abgabe der kompletten Um- schlageinheit. Diese werden mit dem Faktor α = Menge/Krankapazit¨at mul- tipliziert, um zeitliche Auswirkungen von Mindermengen zu ber¨ucksichtigen. 90 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Bauelement Menge Kran- Kranspiele kapazit¨at Fertigteil 1 Stk 1 Stk 1 Kranspiel Ortbeton 1,2 m3 1,0 m3 2 Kranspiele + Restmenge von 0,8m3f¨ur Bauelement i+1 Bewehrung 0,048 t 5,0 t verk¨urzte Lastfahrt von i nach j, wenn Restmenge bei i-1 vorhanden, sonst 1 Kranspiel + Restmenge von 4,952t Tabelle 5.4: Fallunterscheidungen am Beispiel Daraus folgt f¨ur die Grundgleichung der ’CycleTime’: tges = α·tan +th +max(tdphi,tdr)+α·tabg (5.4) mit den Indizes nach Kapitel 3.3.2. Je nach Fall (vgl. Abb. 3.11) muss diese Gleichung entsprechend abgewandelt werden. Es gibt eine Reihe von externen Faktoren (Wetter, Sichtbedingungen, usw.), durch die die Arbeitsgeschwindigkeit beeinflusst wird und nicht direkt ab- gebildet werden k¨onnen. Daher wird die endg¨ultige Ergebnisgr¨oße tges als Normalverteilung mit einer Standardabweichung von 10% des Mittelwertes [Sch98] angegeben. Der Lagertransport unterscheidet sich nicht von dem Transport zum Di- rekteinbau, da lediglich die Koordinaten des Lagers als Zielkoordinaten ein- gesetzt werden. Die Lagernummer wird im Atom Lkw-Entladung ermittelt. Vom Lager aus werden die Bauelemente, die f¨ur den Direkteinbau geeignet sind, an den Kran ’zur¨uckgegeben’ sobald die Einbaukriterien erf¨ullt sind, die im Einbauort gepr¨uft werden. Die Freigabe der Bauelemente f¨ur Einbau erfolgt im Lager. In SIMUBAU werden zwei Varianten an Priorisierungen untersucht (vgl. Kap. 5.7). Zum Einen werden die Lkw bevorzugt abgefertigt, zum Anderen das Lager bevorzugt. Beanspruchen sowohl das Lager als auch ein ankom- mender Lkw den Kran, so wird nach ausgew¨ahlter Priorit¨atsregel die Rei- henfolge festgelegt, wobei die T¨atigkeit f¨ur eine Einheit nicht abge- oder un- terbrochen wird. Der erste Fall minimiert die Lkw-Durchlaufzeit, der zweite die beanspruchte Lagerfl¨ache. 5.5.8 Lager Das Lager dient f¨ur die Bauelemente des Direkteinbaus und f¨ur die anderen Bauelemente als Puffer-Lager. Die folgende Abbildung zeigt zun¨achst die logische Einbindung in den Gesamtablauf. 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 91 Kran 1 Verarbeitung Lager 1 Einbauort Abbildung 5.24: Lager Das Kranmodul ist ¨uber ein unpack-Atom mit einem queue-Atom verbun- den. Das unpack-Atom und ein daran angeh¨angter sink-Atom dient dazu die Liefereinheiten wieder aufzul¨osen, damit die Bauelemente nicht in ih- ren Liefereinheiten gespeichert werden. Ein Tabellen-Atom protokolliert die Lagerzu- und-abg¨ange. Das queue-Atom bedientzwei Verarbeitungsm¨oglich- keiten. Die eine ist f¨ur Bauelemente des Direkteinbaus. Das stacker-Atom erzeugt hierbei den f¨ur das Kranmodul erforderlichen container(vgl. Abb. 5.25). Die zweite M¨oglichkeit ist die der Verarbeitung ohne Kran und ver- Abbildung 5.25: Lageratomgruppe 92 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG bindet das Lager mit der Atomgruppe Verarbeitung (vgl. Kap. 5.5.9). Dort werden alle Bauelemente ’weiterverarbeitet’, die nicht mit dem Kran einge- baut werden, sondern ’von Hand’ zum Einbauort gebracht und eingebaut werden. Die Lagerauslastung und die Lagerdauer der Bauelemente sind die Ergeb- nisgr¨oßen des Lagers. Zum Einen wird damit die Dimensionierung des La- gers gepr¨uft, zum Andern ist eine kurze Lagerdauer bei gleichzeitiger ho- her Funktionalit¨at des Gesamtsystems auf Grund der ung¨unstigen Lagerbe- dingungen (h¨ohere Diebstahlgefahr, h¨ohere Besch¨adigungsgefahr [Kam94]) von Baustellenlagern, anzustreben. Aus Vereinfachungsgr¨unden ist die Ka- pazit¨at unscharf, d. h. die Summe aus aktueller Lagermenge und Menge des aktuell einzulagernden Bauelementes kann gr¨oßer 100% werden. Ein Ele- ment wird auch dann eingelagert, wenn die Menge mi,BE gr¨oßer ist als die noch zur Verf¨ugung stehende Lagerkapazit¨at. Danach wird das Lager ge- schlossen und erst wieder er¨offnet, wenn die Kapazit¨at durch Auslagerung unter 100% sinkt. Bei der Lagerfl¨achendimensionierung muss mit relativ großen Sicherheiten gearbeitet werden, da der Platzbedarf der eingelagerten Materialien pauschal angenommen wird (vgl. Anhang B.1.1). In der Spal- te Lagerfl¨achenbedarf der Tabelle tbl_material ist ein Fl¨achenverbrauch pro Mengeneinheit angegeben. Damit ergibt sich der Fl¨achenverbrauch aus dem Produkt von Menge und Fl¨achenbedarf. Zudem erfolgt die Berechnung der Kapazit¨at lediglich ¨uber Addieren und Subtrahieren des Fl¨achenbedarfs der Bauelemente. Eine genauere Betrachtung mit Ber¨ucksichtigung der Ein- zelabmessungen des Bauelementes sowie des genauen Lagerplatzes innerhalb des Lagers ist zwar denkbar, aber f¨ur die hier betrachteten Ziele nicht von Bedeutung. Wie bereits bei Atom Lkw-Entladung beschrieben, werden tem- por¨are Lager und Dauerlager unterschieden. Damit k¨onnen Lager abgebildet werden, die in einer bestimmten Bauphase vorhanden sind und dann wieder aufgel¨ost werden m¨ussen. Die Er¨offnung/Schließungdieser L¨ager erfolgt ¨uberArbeitsabschnitte. Istein bestimmter Arbeitsabschnitt abgeschlossen, so wird ein korrespondierendes Lager er¨offnet. Die Vollendung eines weiteren, bestimmten Arbeitsabschnit- tes schließt das Lager wieder, d. h. das Lager ist f¨ur den Kran nicht mehr erreichbar. Die Auslagerung erfolgt in der Reihenfolge der Arbeitsabschnitte mit der kleinsten Abschnittsnummer beginnend. Sobald ein Vorg¨angerabschnitt ab- geschlossen ist, werden alle Bauelemente zum Abtransport bzw. Verarbei- tung aus dem Lager freigeben. Da die einzelnen fast-server der Atomgrup- pe Verarbeitung (vgl. S. 93) nur eine begrenzte Kapazit¨at haben, wird die Reihenfolge der freigegebenen Bauelemente zus¨atzlich nach den ’freien’ Ka- pazit¨aten sortiert, auch wenn diese eine h¨ohere Abschnittsnummer haben. 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 93 5.5.9 Verarbeitung Die Atomgruppe Verarbeitung simuliert den Zeitverbrauch f¨ur Transport4 und Einbau der Materialien, die den Kran nicht als Einbaumittel verwenden, was haupts¨achlich im Ausbau der Fall ist. Die Atomgruppe repr¨asentiert die Arbeit einzelner gewerkebezogener Kolonnen ohne Kran. Eine Kolonne verarbeitet seriell alle gewerkezugeh¨origen Bauelemente aller L¨ager. Verarbeitung Einbauort Lager 1 Abbildung 5.26: Verarbeitung Die Atomgruppe besteht aus mehreren fast server Atomen der Logistik- Suite, die jeweils eine Kolonne repr¨asentieren. In jedem fast server wird genau ein Material verarbeitet. Alle L¨ager sind mit den fast servern ¨uber einzelne Kan¨ale verbunden. Die L¨ager verteilen die Materialien, die f¨ur die Verarbeitung bestimmt sind, sortenrein auf Einzelkan¨ale. Die fast server besitzen f¨ur jedes Lager einen Eingangskanal. Als optische Pr¨ufhilfe wird je nach Material die Farbe des Atoms gewechselt. Wechseln die Farben bei einem Atom sind die Eingangskan¨ale falsch angeschlossen. Die Bau- elemente werden nach einer ’CycleTime’ (Verarbeitungszeit) an die Atom- gruppeEinbauort geschickt (Ausgangskanal). Die wesentlichen Prozesse sind das Transportieren zur Einbaustelle und das Verarbeiten vor Ort. Da der Schwerpunkt der Simulation auf der Ressourcenauslastung liegt, wird auf eine genauere Betrachtung der einzelnen Prozesse verzichtet. Die ’CycleTi- me’ berechnet sich aus dem Produkt der Materialmenge des Bauelements und einem materialspezifischen Aufwandswert. Die Aufwandswerte sind der Tabelle tbl_material (vgl. Anhang B.1.1) zu entnehmen. Die Atomgrup- pe ist in der Lage, mehrere BEO unterschiedlichen Materials gleichzeitig zu verarbeiten. Eine Aufstockung des Personals f¨ur ein Gewerk kann durch ¨Anderung des Aufwandswerts angepasst werden. Sollten mehr Materialien dazukommen, kann die Atomgruppe durch einfaches Kopieren eines der fast server erg¨anzt werden. 4vom Lagerort auf der Baustelle zum Einbauort 94 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Auf stochastische Einfl¨usse wird in diesem Atom verzichtet, da keine genaue- re Untersuchung der Prozesse erforderlich ist. Das h¨angt damit zusammen, dass Fertigungs- und Logistikprozesse im Aufwandswert zusammengefasst sind. Eine detailliertere Betrachtung ist nicht Gegenstand dieser Arbeit, da die Logistikprozesse im Vordergrund stehen. 5.5.10 Einbauort Die Aufgabe der Atomgruppe Einbauort besteht in der Steuerung des Mo- dells ¨uber die Fertigstellungsmeldungen einzelner Arbeitsabschnitte durch Ankommen der Bauelemente und der Visualisierung. Die Steuerung bezieht sich auf das Abrufenvon Lkw und das Verwalten der L¨ager (¨offnen, schließen usw.). Die Atomgruppe besteht aus einem unpack- einem queue- und zwei sink- Atomen der Logistik-Suite. Abbildung 5.27: Einbauort-Atomgruppe Die Eingangskan¨ale sind mit den Kranen (vgl. S. 87) und der Atomgruppe Verarbeitung (vgl. S. 93) verbunden. Der Einbauort ist das Ende der unter- suchten Prozesskette und mit keinem anderen Atom ¨uber Ausgangskan¨ale verbunden. Das unpack- und die beiden sink-Atome haben eine untergeordnete Bedeu- tung. Siestellen derqueue dieerforderlichen Bauelemente zur Verf¨ugungund nehmen die container bzw. die fertig gestellten Bauelemente auf. Die Auf- nahme der Bauelemente ist lediglich dann erforderlich, wenn zur besseren 5.6. MODELLPR¨UFUNG 95 ¨Ubersichtlichkeit in der 2D-Ansicht Bauelemente ’gel¨oscht’ werden sollen. Anderenfalls bleiben die Bauelemente zur Visualisierung in der queue, in der gez¨ahlt und der Einbaustatus festgehalten wird. In der tbl_Arbeitsabschn (vgl. Anhang B.1.2) wird die Fertigstellung der Arbeitsabschnittefestgehalten. Durch dieAbh¨angigkeiten zudenVorg¨anger- abschnitten wird SIMUBAU gesteuert. Die Freigabe f¨ur die Lkw in der Lkw- Beladung erfolgt erst, wenn der Vorg¨angerabschnitt abgeschlossen ist (Pull- Prinzip). Des Weiteren werden in der queue die L¨ager verwaltet, sofern es sich um tempor¨are L¨ager handelt. Die Steuerung, d. h. die ’¨Offnung’ oder das ’Schlie- ßen’ eines Lagers erfolgt ebenfalls ¨uber die Fertigstellung eines bestimmten Arbeitsabschnitts. Ein Etagenlager kann beispielsweise erst dann genutzt werden, wenn die zugeh¨orige Rohdecke erstellt ist. Der korrespondierende Arbeitsabschnitt muss dazu abgeschlossen sein. F¨ur das vorliegende Mo- dell wird nur der Kran als Umschlagmittel genutzt. Ist die dar¨uber liegende Decke des Etagenlagers eingebaut, ist das Lager f¨ur den Kran nicht mehr erreichbar. Der Status des Lagers wechselt zu ’nicht mehr bedienbar’, d. h. es kann nur noch von Hand ausgelagert werden. Die Status¨anderung erfolgt in der Tabelle tbl_lager, der Atomgruppe Initialisierung (vgl. S. 82). 5.6 Modellpr¨ufung Die Validierung eine Modells kann, wie in Kap. 4.4 erl¨autert, nur am Ge- samtmodell vorgenommen werden, was in Kap. 6 geschieht. SIMUBAU be- steht aus Bausteinen, die Eigenschaften und gewisse Interaktionsmuster be- sitzen. Diese werden im Folgenden untersucht und gepr¨uft. Die Verifizierung der Bausteine erfolgt mit Hilfe von Teilmodellen, deren Ergebnis mit einer Handrechnung verglichen werden. In Teilmodellen las- sen sich bestimmte Ergebnisse besser isolieren als in komplexen Modellen. Zudem k¨onnen ’allgemeine’ F¨alle definiert werden, so dass die Gemeing¨ultig- keit eines Atoms gew¨ahrleistet werden kann. Eine Reihe an Tests wurden am Hauptmodell (vgl. Kap. 6) realisiert, da bestimmte Untersuchungen nur dar- an durchzuf¨uhrensind. Dies bezieht sich insbesondereauf bestimmte Regeln, die in den Atomen gespeichert sind und Entscheidungen nach sich ziehen. In der folgenden Aufz¨ahlung sind die Atome mit ihren in Kapitel 6 gepr¨uften Regeln zusammengestellt. • Lkw-Beladung – Anzahl der Lkw – Anzahl der Bauelemente pro Lkw – Freigabe der Lkw erst durch die Atomgruppe Einbauort 96 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG – Zeitintervalle der stochastischen Verteilung • Einfahrt – Entscheidung f¨ur den Kran (frei, erforderliche Reichweite) – Korrektur der Reihenfolge (Ortbeton vorziehen) • Abladestelle – Ermittlung des optimalen Lagers – Erzeugung der Liefereinheit • Lager – Reihenfolgesortierung – Freigabe der Bauelemente durch Einbauort • Einbauort – Aktualisierung der Arbeitsabschnittstabelle (Fertigstellung) – Erzeugung der Freigaben f¨ur Lager und Lkw-Beladung – ¨Offnen und Schließen von Lagern 5.6.1 Teilmodelle Teilmodell Kran Zur Verifizierung des Kranmoduls wurde ein Teilmodell erstellt, dass alle Funktionaliti¨aten des Krans abbildet. Hierzu wurde im Modell ein zentrales Kranmodul aufgebaut und in alle Quadranten ein Lager, d. h. eine Ablade- stelle installiert (vgl. Abb. 5.28). In diesem Teilmodell wurdenalle Winkeleinstellungen inklusive der richtigen Drehrichtung positiv gepr¨uft. Ebensokonnten die zugeh¨origen Zeiten mittels Handrechnung an Hand der Eingabe- und der Lagekoordinaten kontrolliert werden. Zudem konnte der Sonderfall der verk¨urzten Lastfahrt (vgl. Abb. 5.23)als richtig beurteilt werden. Teilmodell Verarbeitung Zum Testen der Atomgruppe Verarbeitung wurde ein Teilmodell erstellt, das aus der Atomgruppe Verarbeitung, den Tabellen der Atomgruppe Initiali- sierung, drei arrivial-lists der Lkw-Beladung, drei queues und einer sink besteht. 5.6. MODELLPR¨UFUNG 97 x y Abbildung 5.28: Teilmodell Kran Abbildung 5.6.1 zeigt beispielhaft den Transport eines ’Produktes’ von der Abladestelle in den vierten Quadranten. ¨Uber die Ver¨anderung der Einga- bedaten konnten die verschiedenen Szenarien abgebildet werden. -97,125°x y Abbildung 5.29: Transport in den 4. Quadranten im Teilmodell Die queues repr¨asentieren drei L¨ager, die die Produkte gleichen Materials (Mat-ID) an die zugeh¨orige Verarbeitungskolonne, den fast server, senden. Ziel ist es, zu pr¨ufen, ob die Verarbeitungskolonne das richtige Material 98 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Abbildung 5.30: Teilmodell Verarbeitung erh¨alt und in der richtigen Zeit verarbeitet. In den arrival-lists sind jeweils vier verschiedene Produkte mit unterschiedlichen Verarbeitungszeiten ge- speichert. Die Inputdaten und die Ergebnisse der ’Handrechnung’ sind der folgenden Tabelle (vgl. Tab. 5.5) zu entnehmen. Mat- # Pro- # L¨ager Σ # Pro- Aufwands- Gesamt- ID dukte dukte wert [s/Stk] dauer [s] 2 10 3 30 10 300 78 8 3 24 20 480 34 6 3 18 30 540 135 2 3 6 40 240 Summe: 26 Max: 540 Tabelle 5.5: Inputdaten und ’Handrechnung’ f¨ur Teilmodell Verarbeitung Die Ankunftszeiten wurden willk¨urlich zwischen 0 und 99s gew¨ahlt. Verein- fachendwurdenverschiedeneVerarbeitungszeiten (10s,20s,30s,40s) gew¨ahlt. Nach einem Simulationszeithorizont (vgl. Kap. 4.2.2) von t = 540s sind alle Produkte unmittelbar verarbeitet, was mit der Handrechnung ¨uberein- stimmt. Die Anzahl der Produkte auf jedem fast server wurde ebenfalls gepr¨uft, um sicherzustellen, dass die Materialien an die zugeh¨origen fast server geschickt wurden. 5.7. STRATEGIEN UND REGELN 99 5.7 Strategien und Regeln Wie in Kapitel 3.4 erl¨autert, wird Strategie im spieletheoretischen Sinne verwendet. F¨ur die Steuerung eines einzelnen STATOs wird der Begriff Regel benutzt, wie er ebenfalls in [Kli00], aber auch als Priorit¨ats-Regel in [Jeh99] verwendet wird. Eine Regel enth¨alt eine Ausf¨uhrungsanweisung, die an eine oder mehrere m¨oglicherweise komplexe Bedingungen gekn¨upft ist, wie zum Beispiel die Reihenfolge, in der eine queue die enthaltenen BEO wieder frei gibt. Eine Strategie setzt sich aus ein oder mehreren Regeln zusammen, die bei gleichbleibender Strategie durch den Entscheider ge¨andert werden k¨onnen [Kli00]. In der Simulation k¨onnen ¨Anderungen am System bei gleicher Systemlast und bei gleichem System ¨Anderungen an der Systemlast untersucht werden. ¨Anderungen am System beinhalten: • die r¨aumliche Anordnung der Ressourcen, • die Anzahl der Ressourcen, • Leistungskenngr¨oßen der Ressourcen, • Regeln, die in den Ressourcen hinterlegt sind. System¨anderungen sind vergleichweise einfach durchzuf¨uhren und entspre- chen operativen Entscheidungen auf der Baustelle und der Baustellenein- richtung in der Arbeitsvorbereitung Sie gehen aber bez¨uglich der Arbeits- vorbereitung ¨uber eine reine Layoutplanung hinaus, da zus¨atzlich Entschei- dungskriterien abzubilden sind, die teilweise ebenfalls erst auf der Baustelle von der Bauleitung getroffen werden. Durch eine Simulation werden die Be- reiche Arbeitsvorbereitung und Ausf¨uhrungjedoch n¨aher zusammengef¨uhrt, da bestimmte Entscheidungen vorweggenommen werden. Systemlast¨anderungen resultieren aus dem Wechsel der Bevorratungsstrate- gien. Die Gr¨oße der Lagerfl¨achen sind ein limitierender Faktor, die dadurch die Bevorratungsstrategien und damit die Systemlast direkt beeinflussen. Die ¨Ubersicht in Abbildung 5.31 verdeutlicht, dass verschiedene Instanzen f¨ur die Strategien verantwortlich sind und an unterschiedlichen Stellen im Gesamtsystem implementiert werden. Die Systemlast¨anderung erfordert den gr¨oßten Aufwand, da es sich um eine Beeinflussung der Zulieferverkehre han- delt. System¨anderungen auf Simulationsmodellebene bilden die Planungs- entscheidungen der Arbeitsvorbereitung ab, w¨ahrend die System¨anderungen auf Bausteinebene in der Regel die Entscheidungen der Bauleitung vor Ort repr¨asentieren. Wie oben bereits erw¨ahnt beinflussen sich die einzelen In- stanzen gegenseitig, so dass die Gliederungsstruktur nicht ganz trennscharf 100 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG ist. Mit SIMUBAU lassen sich Strategien verschiedener Entscheidungsebe- nen und -reichweiten abbilden, was exemplarisch in Kapitel 6 durchgef¨uhrt wird. Strategien und Regeln Datenbankebene Bausteinebene SystemänderungenSystemlaständerungen Simulationsmodellebene Disposition Layoutplanung operative Lenkung Instanz Abbildung 5.31: ¨Ubersicht Strategien und Regeln 5.7.1 Bevorratungs- und Lieferstrategien Bevorratung- und Lieferstrategien sind im Wesentlichen Dispositionsent- scheidungen, die auf Datenbankebene abgebildet werden. Die Ver¨anderung der Systemlast bei gleichbleibendem System bezieht sich im Wesentlichen auf die Zeitkomponente, da Material, Menge und Einbauort durch den Bau- werksentwurf (CAD-Modell) festgelegt sind. Sie werden als unver¨anderlich angenommen. F¨ur den Vergleich zweier Entw¨urfe sind folglich zwei CAD- Modelle erforderlich. Da sich aber mit wesentlichen Ver¨anderungen des Bau- werks auch die Baustelleneinrichtung und damit das System ¨andern w¨urde, w¨are ein Vergleich nur sehr grob zu f¨uhren, weil sich Systemlast und Sys- tem gleichzeitig ver¨andern. Durch den Aufbau in der Datenbank kann die Systemlast sehr flexibel variiert werden. Durch die Trennung von Arbeitsab- schnitten und Materiallieferabschnitten k¨onnen diese bis auf Bauteilebene ver¨andert werden, d. h. Materiallieferabschnitte k¨onnen teilweise oder ganz zusammengelegt oder auch in weitere Materiallieferabschnitte zerlegt wer- den. Die zugeh¨origen Lieferzeitpunkte sind ebenfalls variabel ver¨anderbar. Damit lassen sich verschiedene Bevorratungsstrategien umsetzen, von weni- gen großen Lieferungen bis hin zur zeitsynchronen Anlieferung. Die Auswir- kungen im Hinblick auf den Lagerbedarf sind aus der Simulation zu entneh- men. Da das Lagerplatzangebot auf der Baustelle in der Regel begrenzt ist, erfolgt die Bestimmung einer geeigneten Bevorratungsstrategie iterativ. Die Optimierung der Lkw-Auslastung erfolgt auf Datenbankbasis. Aus den Mengen der Materiallieferabschnitte lassen sich die Auslastungen der Lkw 5.7. STRATEGIEN UND REGELN 101 bestimmen und durch Zuordnung einzelner Bauteile auf fr¨uhrer terminierte Materiallieferabschnitte optimieren. 5.7.2 Lagerstrategien Die Lagerstrategien sind System¨anderungen im Bereich der Layoutplanung. Das Modell SIMUBAU l¨asst eine beliebige Anzahl an L¨agern zu, wobei zwi- schen einem Hauptlager und Neben-, oder Etagenl¨agern unterschieden wird. Das Hauptlager hat eine unbegrenzte Kapazit¨at, da die Prozesse eines vol- len, bzw. ¨uberf¨ullten Lagers (’Abweisen’ der Lkw) nicht abgebildet wur- den. ¨Uber die relative Gr¨oße der Auslastung kann das Lager dimensioniert werden. Eingelagert werden alle Bauelemente, außer Ortbeton, sofern der Vorg¨angerabschnitt noch nicht fertig ist oder der Einbau nicht mit dem Kran erfolgt. Dies gilt im Wesentlichen f¨ur alle Ausbaumaterialien. Die Etagenl¨ager sind kapazit¨atsm¨aßig begrenzt und werden f¨ur die Einlage- runggeschlossen, wenn sie voll sind. Bauelemente m¨ussen bei vollem Etagen- lager ins Hauptlager umgeschlagen werden. ¨Uber einen Parameter k¨onnen die Neben- oder Etagenl¨ager zu- oder abgeschaltet werden. Die Grundstra- tegie der L¨ager sieht vor, dass das Lager genutzt wird, welches zur Zeit der Anlieferung offen ist und dem Einbauort in Luftlinie am n¨achsten liegt. Das Einlagern mit dem Kran erfolgt nur im Zeitraum zwischen der Erstel- lung des Rohfußbodens und dem Beginn des Einbaus der Deckenfertigteile des jeweiligen Geschosses, da nach den Deckenfertigteilen das Etagenlager f¨ur den Kran nicht mehr erreichbar ist. Das Einlagern ¨uber Absetzen auf Hilfsger¨uste oder mit Bauaufz¨ugen ist hier nicht vorgesehen. Als Zielgr¨oße wird eine Entfernungskennzahl berechnet, die die Distanz zwi- schen Lager und Einbauort repr¨asentiert. Damit l¨asst sich ermitteln, welche Variante diek¨urzesten Baustellentransporte induziert. ¨UberdieKoordinaten des Einbauorts und des Lagers wird die Entfernung in Luftlinie bestimmt. In Verbindung mit der Mengeneinheit des Materials ergibt sich die Kennzahl, die die Transportleistung in Mengeneinheit ·m auf der Baustelle ausdr¨uckt. Belegt man diese Kennzahl mit Kosten f¨ur einen Handtransport auf der Baustelle, so kann man dies mit den erh¨ohten Kapitalbindungskosten und dem Risiko einer l¨angeren Lagerung vergleichen, die entstehen, wenn Aus- baumaterial bereits in der Rohbauphase im Geb¨aude eingelagert wird. 5.7.3 Strategien der operativen Lenkung Die folgenden Strategien sind solche, die auf Entscheidungen unmittelbar auf der Baustelle basieren und auf Bausteinebene eingestellt werden. Der Kran bedient mehrere Quellen (Lkw und Lager), so dass die Priorisie- rung einer der Quellen eine untersuchbare Strategie bildet. 102 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Der stundengenaue Zeitpunkt, wann Lkw auf die Baustelle kommen, liegt im Einflussbereich der Bauleitung. Wie in Kapitel Lkw-Beladung beschrieben, k¨onnen Lieferzeitfenster mit SIMUBAU vereinfacht abgebildet werden. ¨Uber den Vergleich der Ergebnisse mit und ohne ’Lieferzeitfenster’ ergeben sich die Auswirkungen auf die Anzahl wartender Lkw und die durchschnittliche Wartezeit. Kapitel 6 Anwendungsbeispiel In diesem Kapitel wird ein Hotelneubau in Gelsenkirchen, welches zwischen der KW 13 und der KW 52 des Jahres 2005 entstanden ist, als Praxisbeispiel vorgestellt. Neben der Beschreibung des Bauvorhabens und den Ressourcen mit ihren Kapazit¨aten stehen die konkret angewendeten Strategien und de- ren Auswertung im Mittelpunkt. 6.1 Beschreibung des Bauvorhabens Das genannte Bauvorhaben dient als Anwendungsbeispiel f¨ur SIMUBAU. Abbildung 6.1: Ansicht von Nord-Ost Das Geb¨audebestehtausdreiBauk¨orpern:einerTiefgarage, einemdreist¨ocki- genhalbrundenAnbauundeinemzw¨olfst¨ockigen Riegelgeb¨aude, demHaupt- 103 104 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL bauwerk. Das Bauvorhaben entstand als Schl¨usselfertigbau unter der Lei- tung des mittelst¨andischen Unternehmens Freundlieb GmbH & Co mit Be- teiligung weiterer Fachplaner und Nachunternehmer. Abbildung 6.1 zeigt die Erstellung des 5. OGs im Rohbau. Der vordere Kran ist der Hauptkran der einen Lkw an Abladestelle 1 (vgl. Abb. 6.2) bedient. Im Vordergrund links sind die Fahrwege und die Lagerfl¨ache zu erkennen. Die Tiefgarage ist bereits fertig, so dass deren Decke als Lager dient. Die Rohbaukonstruktion besteht aus Fertigteilen und Halbfertigteilen mit Ort- betonerg¨anzung. Im Erdgeschoss bestehen einige St¨utzen aus Ortbeton. Die tragenden W¨ande sind zum Großteil Doppelfiligranw¨ande, die Decken wer- den mit Filigran und Ortbeton ausgef¨uhrt. Die nichttragenden W¨ande wur- den in Trockenbauweise erstellt. Alle Betonw¨ande erhalten einen Putz, der Boden einen Estrichbelag. Abbildung 6.2: Grundriss Baustellenein- richtung Abbildung 6.2 zeigt die Baustel- leneinrichtung mit den Stand- orten der zwei Krane inklu- sive ihrer Reichweiten, wobei der obere Kran der Haupt- kran ist. Ebenso sind die We- ge mit den Wendestellen f¨ur die Lkw verzeichnet und die Grundst¨ucksgrenzen angegeben. Die rotunterlegte Fl¨ache ent- spricht dem zw¨olfst¨ockigen Rie- gelgeb¨aude und dem dreist¨ocki- gen runden Anbau. Die Lager- fl¨ache (gr¨un, unmaßst¨ablich) ist im Bereich der fertigen Tiefga- rage eingezeichnet. Da die ge- samte Planung in 2D ausgef¨uhrt wurde, erfolgte zun¨achst die Er- stellung eines 3D-Modells vom Hauptgeb¨aude (vgl. Abb. 6.3) ohne die Nebengeb¨aude abzubil- den, da die kritische Situation f¨ur die logistischen Abl¨aufe in der ¨Uber- gangsphase der Rohbau- zur Ausbauphase im Hauptgeb¨aude gesehen wurde. Durch die ¨Ubertragung in ein eigenes Modell konnten nicht alle Originalpla- nungen ¨ubernommen werden. ¨Uber Vergleichs- und ¨Uberschlagsrechnungen wurden die Mengen des 3D-Modells gepr¨uft. Die angenommenen Vereinfa- chungen haben f¨ur die logistischen Prozesse keinen Einfluss, da sie nur un- wesentlich vom Original abweichen. Weiterhin wurden nicht alle Gewerke, sondern nur die logistisch relevanten abgebildet, d. h. nur die Hauptmate- rialien wurden gezeichnet. 6.1. BESCHREIBUNG DES BAUVORHABENS 105 Die folgende Aufz¨ahlung enth¨alt die betrachteten Gewerke: • Rohbau – Fertigteil (=FT) – Bewehrung (=Bew) – Ortbeton (=OB) • Ausbau – Fenster – Putz – Estrich – T¨uren – Trockenbau Im Anschluss an die Erstellung des Modells wurden die Daten ¨uber die ODBC-Schnittstelle in eine Datenbank ¨uberf¨uhrt und die Bauteile um die Koordinaten des IFC-Modells erg¨anzt (vgl. Kap. Systemlast auf Seite 64ff). Das erfolgte mit Hilfe einer eigenen JAVA-Applikation, die die Koordinaten der Bauteile ¨uber den Schl¨ussel (’Global-User-ID’) aus der IFC-Datei auslas und mit dem Schl¨ussel der Bauteile in der Datenbank abglich. Die weitere Verarbeitung der Daten erfolgte wie in 5.3 beschrieben. Abbildung 6.3: Ansicht des 3D- Modells Aus den in Kap. 5.5 beschriebe- nen Atomen ist das in Abbildung 6.4 gezeigte Modell entstanden. Auf der rechten Seite, außerhalb der Sys- temgrenze, sind die acht Atomgrup- penLkw-Beladung zuerkennen. Vom Atom Einfahrt f¨uhren zwei Wege zu den zwei Abladestellen, die von je- weils einem Kranmodul bedient wer- den. Beide Kranmodule k¨onnen die L¨ager erreichen. Innerhalb des ge- schlossenen Quadrates befindet sich das Hauptlager, die Etagenl¨ager so- wie das Atom Einbauort liegen in dem Bereich, wo das Hauptgeb¨aude entsteht. Die Atomgruppe Verarbei- tung ist zwischen den zwei Kranmo- dulen angeordnet, wobei deren geo- metrische Lage f¨ur das Modell nicht relevant ist. Die verwendeten Atome sind nach den im Kapitel 6.2 beschriebenen Werten parametriert. Das Ko- ordinatensystem und der Maßstab des Modells sind an die des 3D-Modells angepasst. Im ersten (’logistischen’) Planungsschritt wurde das Geb¨aude quer geteilt, so dass pro Geschoss zwei etwa gleich große Abschnitte entstan- den. Diese Grundabschnitte sind die Ausgangsbasis f¨ur die Materialliefer- und Arbeitsabschnitte aller Gewerke. Bei der Variantenbildung werden die Abschnitte, d. h. die r¨aumliche Gr¨oße als auch die Anzahl der BEO pro 106 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Abbildung 6.4: Simulationsmodell Materialabschnitt, entsprechend den Anforderungen abge¨andert. 6.2 Leistungswerte der Ressourcen Wie im Kapitel Modellbeschreibung erl¨autert, sind alle Kenn- und Leistungs- werte der Ressourcen ¨uber Parameter einstellbar. Nach Anordnung der Res- sourcen und deren Verbindung untereinander ¨uber ein Wegenetz entsteht ein Logistiksystem mit einer charakteristischen Leistungsf¨ahigkeit. Sie h¨angt demnach einerseits von den Maschinenleistungswerten und andererseits von der Anzahl, der geometrischen Anordnungund dem Zusammenspiel der Res- sourcen ab. In den folgenden Unterabschnitten werden die f¨ur das Anwendungsbeispiel verwendeten Werte aufgelistet und erl¨autert. 6.2.1 Lkw Leistungswerte Die Leistungswerte der Lkw wurden vereinfachend f¨ur die einzelnen Mate- rialien pauschalisiert. Es sind volle Lkw-Kapazit¨aten angesetzt, wobei bei den untersuchten Materialien in der Regel das Gewicht ausschlaggebend ist. 6.2. LEISTUNGSWERTE DER RESSOURCEN 107 Eine Ausnahme bilden T¨uren und Fenster, bei denen das Volumen maß- gebend ist. Alle Werte wurden bei Herstellern bzw. Lieferanten angefragt und gemittelt. Das System SIMUBAU kann auch Daten einer f¨ur eine h¨ohe- re Genauigkeit verarbeiten, d. h. f¨ur alle definierten Materiallieferabschnitte k¨onnte eine eigene Transporteinheit hinterlegt werden. F¨ur eine Logistikpla- nung im Vorfeld eines Bauvorhabens ist eine solche Genauigkeit nicht n¨otig. Alle Transporteinheiten wurden in der f¨ur das Material ¨ublichen Einheit abgelegt, um aus den ¨uber das Geb¨audemodell ermittelten Mengen auf die Anzahl der Lkw schließen zu k¨onnen. Damit erh¨alt man die Mindestanzahl an Lkw (untere Schranke), da die Auslastung bei 100% liegt. Bauelement Transporteinheit Einheit (Kapazit¨at) Fertigteile 12 Stk/Lkw Bewehrung 20 t/Lkw Ortbeton 7 m3/Lkw Fenster 50 Stk/Lkw Estrich 195 m3/Lkw Putz 1440 m2/Lkw Trockenw¨ande 1053 m2/Lkw T¨uren 50 Stk/Lkw Tabelle 6.1: Transporteinheiten der Bauelemente Die Geschwindigkeiten der Lkw sind auf den Wegen (vgl. Kap. 5.5.5 Wege) implementiert und daher von den Lkw unabh¨angig. Die Abladezeiten sind in den Leistungswerten der Krane hinterlegt. 6.2.2 Kran Leistungswerte Bei den Kranen handelt es sich um zwei feststehende obendrehende Turm- drehkrane, mit 60 m (Kran 1) und 50 m (Kran 2) Reichweite. Die Standorte wurden den Ausf¨uhrungspl¨anen (vgl. auch Abb. 6.2) entnommen. Die Be- rechnung der ’CycleTime’ erfolgt nach den Angaben in Kap. 5.5.7. Die Um- schlagmenge je Einheit und die Krananschlag- und -abgabezeiten basieren auf eigenen Messungen, bzw. Angaben der Bauleitung und sind in Tabelle 6.2 zusammengestellt. Die eingesetzten Leistungswerte f¨ur die Geschwindigkeit und die Beschleuni- gung f¨ur die Bewegungen Drehen, Katzfahrt und Heben k¨onnen den folgen- den drei Unterkapiteln entnommen werden. Diese sind parametrisiert und k¨onnen ver¨andert werden. Stochastische Einfl¨usse wurden pauschal durch eine Normalverteilung mit einer Standardabweichung von 10% der ’Cycle- Time’ abgedeckt und k¨onnen abgeschaltet werden. 108 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Material Liefer- Einheit Krananschlag Kranabgabe einheit [s] [s] Fertigteile 1 Stk/Umschl 45 35 Bewehrung 2 t/Umschl 50 40 Ortbeton 1 m3/Umschl 310 70 Fenster 4 Stk/Umschl 50 40 Estrich 13 m3/Umschl 50 40 Putz 120 m2/Umschl 50 40 Trockenw¨ande 78 m2/Umschl 50 40 T¨uren 4 Stk/Umschl 50 40 Tabelle 6.2: Kran Grundleistungswerte Drehung Nach Abbildung 6.5 betr¨agt die Drehgeschwindigkeit konstant 0,8 Umin. Um- gerechnet auf Grad und Sekunden ergibt sich V = 4,8 ◦/s. Beschleunigung und Bremsverz¨ogerung sind ebenfalls als konstante Werte verarbeitet. Arbeitsgeschwindigkeit Stufenlose Beschleunigung [min-1] 0,80 Abbildung 6.5: Arbeitsgeschwindigkeit Drehen nach Herstellerangaben Die in der Simulation verwendeten Werte k¨onnen Tabelle 6.3 entnommen werden. Gr¨oße Ausgangswert Umrechnungs- Bemerkung wert Geschwindigkeit 0,8 U/min V = 4,8 ◦/s Herstellerangaben Beschleunigung/ 0,5 m/s2 1 a = 0,57 ◦/s2 nach [VDI 3573] Bremsen Tabelle 1 Tabelle 6.3: Leistungswerte Kran ’Drehen’ 1Beschleunigung der Kranspitze bei 50m Ausleger 6.2. LEISTUNGSWERTE DER RESSOURCEN 109 Katzfahrt Aus Abb. 6.6 wird deutlich, dass die Maximalgeschwindigkeit ab 3 t Last linear bis zur H¨ochstlast abnimmt. Vereinfachend wird eine konstante Ma- ximalgeschwindigkeit von 100 m/min angesetzt, da der Großteil der an- geh¨angten Lasten nach Auswertung der Datenbank bis 3 t betr¨agt. Die Be- schleunigungszeit wurde vom Hersteller mit ca. 4 s angegeben. Traglast en [t] Arbeitsgeschwindigkeit [m/min] 3,0 6,0 20 40 60 80 100 Stufenlose Beschleunigung Abbildung 6.6: Arbeitsgeschwindigkeit Katzfahren nach Herstellerangaben Die f¨ur die Simulation angenommenen Werte sind Tabelle 6.4 zu entnehmen. Gr¨oße Ausgangswert Umrechnungswert Bemerkung Geschwindigkeit 100m/min V = 1,66m/s Herstellerangaben Beschleunigung/ ca. 4s a = 0,4m/s2 Herstellerangaben Bremsen Tabelle 6.4: Leistungswerte Kran ’Katzfahrt’ Heben Um den Rechenaufwand (vgl. Abb. 6.7) gering zu halten, wird mit einem konstanten Maximalwert von 60 m/min gerechnet, da das mittlere Gewicht der zu transportierenden Bauteile ca. 3t betr¨agt. Die mittlere Beschleuni- gung betr¨agt nach Herstellerangaben ca. 0,25 m/s2. Diegenannten Wertesindf¨urdieSimulation umgerechnetwordenundk¨onnen Tabelle 6.5 entnommen werden. 110 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Tr ag las ten [t] Arbeitsgeschwindigkeit [m/min] 30 60 90 120 140 0,7 2,0 3,0 0,9 6,0Heben Stufenlose Beschleunigung Abbildung 6.7: Arbeitsgeschwindigkeit Heben nach Herstellerangaben Gr¨oße Ausgangswert Umrechnungs- Bemerkung wert Geschwindigkeit 60 m/min V = 1ms Herstellerangaben Beschleunigung/ a = 0,25ms2 Herstellerangaben Bremsen Tabelle 6.5: Leistungswerte Kran ’Heben’ 6.2.3 Leistungswerte Lager und Verarbeitung Neben den aufgef¨uhrten maschinenabh¨angigen Leistungswerten sind in Ta- belle 6.6 weitere Prozesszeiten angeben, die in der Simulation verwendet werden. Der Lagerfl¨achenbedarf beschreibt die Fl¨ache, die ein Baumateri- al pro Einheit in einem Lager im Durchschnitt ben¨otigt. Die erforderlichen Verkehrsfl¨achen sind anteilig in die Werte aufgenommen worden (Brutto- werte). Die Verarbeitungsdauer ist der Mittelwert der Aufwandswerte f¨ur die einzelnen Gewerke, bezogen auf die Materialeinheiten (vgl. Tab. B.2 im Anhang). 6.3 Modellpr¨ufung Die Verifikation der Einzelbausteine erfolgte bereits in Kapitel 5.6, sodass im Folgenden nur noch auf Validierung des Gesamtsystems eingegangen wird. Wie in Kapitel 4.4.3 dargestellt, k¨onnen drei Methoden zur Modellvalidie- rung herangezogen werden: • die Plausibilit¨atspr¨ufung, • die Sensitivit¨atsanalyse, • der Outputvergleich. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 111 Material Lager- Einheit Verarbeitungs- Einheit fl¨achenbedarf dauer Fertigteile 7,5 m2/Stk 0,425 h/Stk Bewehrung 2,08 m2/t 19,5 h/t Ortbeton — m2/m3 0,4 h/m3 Fenster 0,13 m2/Stk 1,15 h/Stk Estrich 0,21 m2/m3 0,65 h/m3 Putz 0,05 m2/m2 0,01 h/m2 Trockenw¨ande 0,09 m2/m2 0,14 h/m2 T¨uren 0,26 m2/Stk 1,15 h/Stk Tabelle 6.6: Lager- und Verarbeitungswerte F¨urdiePlausibilit¨atspr¨ufungwurdendieErgebnisseder Bauleitungdes Bau- vorhabens vorgelegt, die den Verlauf der Aktivit¨atskurven sowie die ange- nommenen Grundwerte z. B. f¨ur die Kranspielzeitberechnungen best¨atigte. Die in [Dre80] angegebenen Aktivzeiten zwischen 51 und 64% f¨ur den Kran stimmen mit den im Modell ermittelten Werten (35-37%) ¨uberein, wenn man zwischen 20 und 30 % f¨ur Nicht-Material-Transporte [Cla07a] ansetzt. Das Herstellungsverfahren mit Halbfertigteilen l¨asst wegen der nicht erfor- derlichen Schalung dabei eher auf den unteren Wert schließen. Die Sensitivit¨at des Gesamtmodells l¨asst sich an Hand der Ergebnisse der Untervarianten (vgl. Kap. 6.4.8) ablesen: Die stufenartige Ver¨anderung der Parameter f¨uhrt zu einer stetigen Ver¨anderung der Zielgr¨oßen. Daher l¨asst sich sagen, dass das Modell ausreichend robust ist. Stichprobenartige Zeitaufnahmen der Kranspiele in der Bauphase wurden durchgef¨uhrt. Ein Vergleich mit den Modellergebnissen best¨atigte die Rich- tigkeit der im Modell berechneten Kranspiele. An Hand dieser Ergebnisse ist das Modell unter den gegebenen Randbedin- gungen des Bauwesens ausreichend valide. 6.4 Auswertungen und Strategien Das Modell liefert ¨uber die (’virtuelle’) Bauzeit eine Reihe an Daten ¨uber die Auslastung der eingesetzten Ressourcen. Da sich Systemlast und Modell ¨uber die Zeit ¨andern, ist es notwendig den zeitlichen Verlauf dieser Daten zu ber¨ucksichtigen. Dies ist anders als bei station¨aren Systemen, die nach einer Einschwingphase einen station¨aren Zustand einnehmen, der eine ge- wisse Bandbreite besitzt. Somit sind Durchschnittswerte ¨uber die gesamte Bauzeit nur bedingt f¨ur eine Auswertung geeignet. 112 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Abbildung 6.8: Modell w¨ahrend der Simulation Abbildung 6.8 zeigt einen Screenshot des Modells mit bereits eingebauten Ma- terialien. Die Form des Geb¨audes im Grundriss ist sichtbar. Die verschiede- nen Farben repr¨asentieren die verschie- denen Materialien. Die Visualisierung dient haupts¨achlich der ¨Uberpr¨ufung der Lage des Geb¨audes im Bezug auf die Kranstandorte und die Lagerfl¨achen. EswerdendieKomponentenLkw(Durch- laufzeit), Kran (Auslastung) und La- ger (Kapazit¨at, Lagerdauer usw.) auf ih- re Leistungsf¨ahigkeit hin untersucht. Es wird auf Funktion und Schwachstellen gepr¨uft. Dies bildet die Ausgangslage f¨ur weitere Untersuchungen. Bei gleichblei- bender Systemlast werden Varianten im Layout gepr¨uft. Im einfachsten Fall wer- den die Standorte der einzelnen Module wie z. B. der Kranstandort ver¨andert. Eine zahlenm¨aßige Ver¨anderung der Komponenten verlangt etwas h¨oheren Modellierungsaufwand. Hier lauten die Fragestellungen: • Wie ¨andert sich die Auslastung bei einem zus¨atzlichen Kran, bzw. • Sind mehrere kleinere L¨ager sinnvoller als ein großes? Da es sich bei der Simulation nicht um ein Optimierungsverfahren han- delt, wird nicht nach dem absoluten Optimum gesucht. Vielmehr lassen sich verschiedene Layouts oder Systemlasten miteinander vergleichen und aus- werten. Die Umsetzung eines theoretischen Optimums ist auf Grund vieler praktischer Randbedingungen h¨aufig nicht m¨oglich. In Kapitel 5.7 wurden Strategien verschiedener Instanzen vorgestellt, die in diesem Kapitel exemplarisch getestet werden. Die Strategien werden durch die verschiedenen Auspr¨agungen der Merkmale repr¨asentiert, die in Tabelle 6.7 zusammengefasst sind. Die Auspr¨agungen der Merkmale B und C beziehen sich auf die operative Lenkung, des Merkmals D auf die Layoutplanung und der Merkmale E und F auf die Disposition (vgl. Abb. 5.31). 6.4.1 ¨Ubersicht ¨uber die untersuchten Varianten In den folgenden Kapiteln sind die einzelnen Varianten mit den Unterva- rianten beschrieben, die mit SIMUBAU berechnet wurden. Die Varianten 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 113 Merkmal Auspr¨agung 1 2 A Stochastik nein ja B Material- Abruf Abruf anlieferung + ohne Zeitfenster + Zeitfenster C Kranbewegung Lkw – Ziel Lager – Ziel bevorzugen bevorzugen D Lagernutzung ein Lager Lager + Etagenl¨ager E Liefersteuerung viele kleine wenige große Materiallieferungen Materiallieferungen F Bauzeitverk¨urzung um 10% 15% Tabelle 6.7: Auspr¨agungsm¨oglichkeiten verschiedener Merkmale orientieren sich an den Zielgr¨oßen, die durch die Strategien beeinflusst wer- den. Vier Varianten wurden betrachtet und nach ihrer Zielgr¨oße benannt. Die Auspr¨agungen der verschiedenen Merkmale nach Tabelle 6.7 und die verschiedenen Systemlasten (A, B, C, usw.) ergeben durch Kombination die in Tabelle 6.8 aufgef¨uhrten Varianten mit Untervarianten. Die Sondervari- anten behandeln Einzelaspekte, die in den entsprechenden Kapiteln n¨aher erl¨autert werden. Sie basieren z. T. auf den anderen Varianten. • Variante 1 Wegeminimierung • Variante 2 Minimierung der Lkw-Durchlaufzeit • Variante 3 Verk¨urzung der Bauzeit um 10% • Variante 4 Verk¨urzung der Bauzeit um 15% • Sondervarianten – Begrenzung der Kranreichweite – Optimierung der Systemlast – Zusammenladungsm¨oglichkeiten F¨ur alle durchgef¨uhrten Varianten und Sondervarianten wurden 60 Simula- tionsl¨aufe durchgef¨uhrt, was sich als ausreichend genau f¨ur die Zielgr¨oßen herausgestellt hat. F¨ur die Erstellung der Grafiken wurden Einzelergebnisse (in Tabellenform) der Simulationsl¨aufe ¨uberlagert und aufbereitet. 6.4.2 Variante 1 Wegeminimierung In der Variante 1 Wegeminimierung wird die Nutzung eines Hauptlagers mit der Nutzung von zus¨atzlichen Etagenl¨agern verglichen. 114 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Nr Stochastik Material- Kranbe- Lager Systemlast anlieferung wegung F1 F2 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 E1 E2 E1 E2 A B C D DB E EB 1 1 x x x x x 2 x x x x x 3 x x x x x 2 1 x x x x x 2 x x x x x 3 x x x x x 4 x x x x x 5 x x x x x 6 x x x x x 7 x x x x x 8 x x x x x 3 1 x x x x x 2 x x x x x 3 x x x x x 4 x x x x x 5 x x x x x 6 x x x x x 7 x x x x x 8 x x x x x 4 1 x x x x x 2 x x x x x 3 x x x x x 4 x x x x x 5 x x x x x 6 x x x x x 7 x x x x x 8 x x x x x Tabelle 6.8: Varianten mit ihren Auspr¨agungen • Die Untervariante ’1.1’ dient als deterministische Referenz (Systemlast A). • Die Untervariante ’1.2’ Hauptlager ist mit einem Hauptlager ausge- stattet (Systemlast A). • Die Untervariante ’1.3’ Hauptlager und Etagenlager besitzt ein Haupt- lager und drei Etagenl¨ager (Systemlast C). Als Zielgr¨oße wird die Wegeminimierung definiert, d. h. das Material soll so nah wie m¨oglich am Einbauort gelagert werden, um den baustellenseitigen Transportweg zu minimieren. Damit sind f¨ur Variante 1 zwei Systemlasten erforderlich, die Systemlast A als Referenzsystemlast und die Systemlast C mit vorzeitiger Lieferung bestimmter Materialien. Einflussgr¨oße ist die Lagerdauer, da das Ausbaumaterial bereits fr¨uher geliefert werden muss, um mit dem Kran auf die Etage gebracht zu werden. In der Baupraxis existieren noch andere M¨oglichkeiten Material in Etagen einzulagern, die hier aber nicht betrachtet werden. Im Simulator wird das dem Einbauort n¨achstliegende Lager angesteuert, sofern es f¨ur den Kran zug¨anglich und nicht voll ist. Sonst wird das Material im Hauptlager gelagert. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 115 Beschreibung der Untervariante ’1.2’ Hauptlager In Referenzsystemlast A erfolgen die Lieferungen zeitsynchron zum Einbau, d. h. zu jedem Arbeitsabschnitt korrespondiert ein Materiallieferabschnitt, der das zugeh¨orige Material im koordinierten Fall (Lieferabruf) stunden- genau, bzw. im unkoordinierten Fall ein bis zwei Tage vorher liefert. Aus der folgenden Grafik ist die kumulierte Menge, nach Material gegliedert, abzulesen. geplante Systemlast 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 ku mu lie rte Li efe rm en ge FT Trockenwände Putz Ortbeton Estrich Bewehrung Fenster Tür 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.9: Kumulierte Liefermenge Systemlast A ¨uber die Bauzeit Im Referenzsystem wird des Weiteren die vereinfachte Zeitfenstervergabe ’eingeschaltet’ und der Parameter ’Lkw bevorzugen’ gesetzt. Die folgende Grafik (Abb. 6.10 zeigt den Verlauf der Kranauslastung in % (linke Ordinate)f¨ur Kran 1 und Kran 2 sowie die Anzahl der Lkw (rechte Ordinate) pro Kalenderwoche. Dabei werden die wartenden Lkw extra aus- gewiesen. Die Grafik 6.11 weist den Verlauf der Lagerbestandskurve in % aus, bei der eine vorhandene Lagerfl¨ache von 500m2 angesetzt sind. F¨ur die Grafiken wurde ’stellvertretend’ ein Simulationslauf gew¨ahlt, der bez¨uglich der Anzahl wartender Lkw dem Mittelwert entspricht. Man erkennt deutlich, dass der zweite Kran erst ab ca. der 28. bis zur 44. KW ben¨otigt wird und es in dieser Zeit zu wartenden Lkw kommt. Das Lager wird mit erst dem Beginn des Ausbaus aufgebaut, da alle Roh- baumaterialien in dieser Variante zeitsynchron angeliefert werden und somit nicht zwischengelagert werden. Alle Varianten wurden mit dem gleichen Simulationszeithorizont (vgl.4.2.2) 116 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Kranauslastung und Anzahl Lkw 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen du rc hs ch n A us las tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 An za hl de r L kw Kran1 Kran2 Lkw wartende Lkw Beginn Ausbau Ende Rohbau2 Halbgeschosse Abbildung 6.10: Kranauslastung und Anzahl Lkw Lagerbestand 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen Au sla stu ng Lagerbestand 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.11: Auslastung Lager durchgef¨uhrt, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gew¨ahrleisten. F¨ur deren repr¨asentative Ermittlung wurden 60 unabh¨angige Simulationsl¨aufe durchgef¨uhrt, deren Mittelwerte aufgelistet sind: • # Lkw gesamt 877 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 117 • # wartende Lkw gesamt 21,7 mit einer mittleren Wartezeit von ca. 11min • # BE im Lager 5327 mit einer durchschnittlichen Lagerdauer ca. 6Tagen1 • erforderliche Lagerfl¨ache 55 m2 2 Beschreibung der Untervariante ’1.3’ Hauptlager und Etagenl¨ager Durch ’Einschalten’ des Parameters Etagenlager und Verwendung der Sys- temlast C entsteht die Untervariante ’1.3’ Hauptlager und Etagenl¨a- ger. Die folgende Grafik (Abb.6.12)korrespondiert zu Abb.6.9 und zeigt die kumulierte Liefermenge der Systemlast C. geplante Systemlast 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 ku mu lie rte Li efe rm en ge FT Trockenwände Putz Ortbeton Estrich Bewehrung Fenster Tür 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.12: Kumulierte Liefermenge Systemlast C ¨uber die Bauzeit F¨ur die Systemlast wurden Materiallieferabschnitte zusammengefasst und in die Zeit eingeplant, in der die Lager f¨ur den Kran erreichbar sind. Es bestehendrei Etagenl¨ager indenGeschossen eins,f¨unfundneun.Der Verlauf der Liefermenge in der Grafik zeigt deutlich die fr¨uhere Anlieferung und die Sprunghaftigkeit gegen¨uber der Ausgangssituation, da mehr Material auf einmal geliefert wird. Die Grafiken 6.13, 6.14 und 6.15 zeigen den Verlauf der Kranauslastung und die Lkw-Anzahl sowie die Lagerbestandskurven beispielhaft f¨ur einen Simulationslauf. 118 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Kranauslastung und Anzahl Lkw 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen du rc hs ch n A us las tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 An za hl de r L kw Kran1 Kran2 Lkw wartende Lkw Beginn Ausbau Ende Rohbau2 Halbgeschosse Abbildung 6.13: Kranauslastung und Anzahl Lkw Lagerbestandskurve 0% 20% 40% 60% 80% 100% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen Be sta nd Lagerbestand1 E-Lagerbestand 2 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.14: Auslastung Hauptlager und Etagenlager 2 Zielgr¨oße ist die Verringerung der Lager-Einbauortentfernung. Diese wurde, nach Material getrennt, f¨ur jedes Lager einzeln bestimmt und dann zusam- mengefasst. Um eine Vergleichsgr¨oße zu erhalten, wurde die dem Material 1ohne Ber¨ucksichtigung etwaiger Wochenenden 2weitere Ergebnisse s. Abschnitt 6.4.8 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 119 Lagerbestandskurve 0% 20% 40% 60% 80% 100% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen Be sta nd E-Lagerbestand3 E-Lagerbestand4 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.15: Auslastung Etagenlager 3 und 4 entsprechende Einheit mit dem Lager-Einbauort-Abstand in m multipliziert. Die Vergleichswerte sind Tabelle 6.9 zu entnehmen. Material Kennzahl Kennzahl Einheit Ver¨an- Variante 1.2 Variante 1.3 [Eh] derung [Eh · Abstand] [Eh · Abstand] [%] Trockenbau 142906 113152 [m2 ·m] -20,8 Putz 1744659 1397537 [m2 ·m] -19,9 Estrich 49089 39531 [m3 ·m] -19,5 Fenster 14950 11819 [Stk·m] -20,9 T¨uren 14960 13764 [Stk·m] -8,0 Tabelle 6.9: Kennzahl Einheit·Abstand Lagerort zu Einbauort Dieweiteren Ergebnisse(AuswertungderMittelwerte aus60Simulationsl¨aufen) sind: • # Lkw gesamt 838 • wartende Lkw gesamt 30,2 mit einer mittleren Wartezeit von ca. 20 min • # BE im Lager ebenfalls 5327 mit einer durchschnittlichen Lagerdauer 44,2 Tagen3 3ohne Ber¨ucksichtigung etwaiger Wochenenden 120 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL • erforderliche Lagerfl¨ache 160 m2 Fazit: Die Simulation zeigt eine im Mittel 17,8%-tige Verk¨urzungdes Trans- portweges auf der Baustelle. Vergleichsweise teure Handtransporte lassen sich durch das Einf¨uhren von Etagenl¨agern deutlich reduzieren. Durch Multiplikation der Kennzahlen mit Kostens¨atzen ist es m¨oglich, diese direkt mit etwaigen Kapitalbindungskosten, die durch die verl¨angerte La- gerung entstehen, zu vergleichen. Da diese aber von den Vertr¨agen mit den jeweiligen Lieferanten abh¨angen, ist jeweils eine Einzelfallentscheidung erfor- derlich. Dabei m¨ussen qualitative Faktoren, wie Behinderungen durch gela- gertes Material auf den Etagen und Gefahren einer l¨angeren Lagerdauer auf der Baustelle (Besch¨adigung undDiebstahl) in denKostens¨atzen ber¨ucksich- tigt werden. Diese k¨onnen aber vergleichsweise gut im Vorhinein abgesch¨atzt werden. Zudembleibtfestzuhalten, dassdieSimulation KennzahlenunddamitGrund- lage f¨ur eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bez¨uglich der Etagenl¨ager lie- fert. 6.4.3 Variante 2 Minimierung der Lkw-Durchlaufzeit Ziel der Untersuchung von Variante 2 ist es zu zeigen, welche Auswirkungen die Vergabe von Lieferzeitfenstern haben und wie sich eine Optimierung der Auslastung der Lkw (Systemlast) auf das Gesamtsystem auswirken. Es wur- de untersucht, in wie weit eine ¨Anderung der Kranstrategie Auswirkungen auf die Lkw-Durchlaufzeit hat. Im einen Fall wurde ein ankommender Lkw bevorzugt bedient, im anderen zuerst der Transport Lager zu Einbauort. Alle Einstellungen wurden getrennt von einander durchgef¨uhrt, so dass sich insgesamt 8 (23) Untervarianten ergaben, von denen jeweils vier mit den Systemlasten A und B berechnet wurden. • Lieferzeitfenster ja/nein • Kran ’bevorzugt’ Lkw oder Lager • SystemlastA (Referenz)oderSystemlastB(optimierte Lkw-Auslastung) Lieferzeitfenster Die Einf¨uhrung von Lieferzeitfenstern, also die Entzerrung der Anlieferung in den Morgenstunden und in der Mittagszeit, reduziert die Anzahl warten- der Lkw im Mittel um 12,5% und reduziert deren Wartezeit um im Mittel 8,8%. Grafik 6.16 zeigt, in welchen Kalenderwochen wartende Lkw existie- ren. Somit kann man ’kritische’ Wochen im Vorfeld ermitteln. Hier w¨are eine 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 121 Anzahl Lkw und wartende Lkw 0 10 20 30 40 50 60 KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen An za hl Lk w Lkw wartende Lkw Beginn Ausbau Ende Rohbau2 Halbgeschosse Abbildung 6.16: Anzahl der Lkw und der wartenden Lkw weite reichende Steuerung der Anlieferverkehre f¨ur den kritischen Zeitraum denkbar.Auff¨allig ist, dass eine h¨ohereGesamtzahl an Lkw eine relativ h¨ohe- re Anzahl wartender Lkw bedeuten, dies aber nicht absolut gilt. So kommt es in dem abgebildeten Szenario in KW 43 noch zu zwei wartenden Lkw bei einer Gesamtzahl 23, w¨ahrend in der anderen Woche bis zu 43 Lkw in der Woche noch keine Wartezeiten ausl¨osen. Kran bevorzugt Lager Krantransporte aus dem Lager gegen¨uber der Entladung der Lkw zu priori- sieren bewirkt eine leichte Verbesserung (im Mittel 1%) der Ausgewogenheit desKraneinsatzes, hat aberzur Folge, dass mehrLkwwarten m¨ussenunddie Wartezeiten l¨anger werden. Die Ausgewogenheit zeigt sich einerseits durch einen kleineren Mittelwert in der Kranauslastung und in einer kleineren Streuung. Die Auswirkungen auf die vorhandenen Messgr¨oßen sind nicht von Bedeutung. Es sind umfangreichere Untersuchungen erforderlich, um Ressourcen-Regeln zu bewerten. Dazu sind die Auswirkungen z. B. warten- des Personal in einer Simulation genauer abzubilden. Ein weiteres Szenario w¨are, dass der Kran das Lager ’freir¨aumen’ muss, um neues Material ein- lagern zu k¨onnen. Das sollte aber im Vorfeld der Simulationsplanung schon vermieden werden und ist damit nicht ’abbildungsw¨urdig’. 122 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Optimierung der Lkw-Auslastung ImAusgangsszenariowirdjedemMateriallieferabschnitt ein Arbeitsabschnitt (vgl. Kap. 5.3) zugeordnet und als eine Transportmenge behandelt, die in der Zeitspanne 2 bis 0 Tage vorher ausgeliefert wird. Durch eine grobe Op- timierung der Lkw-Auslastung mittels Umverteilung von Bauelementen zu fr¨uhzeitigeren Materiallieferabschnitten (vgl. Abb. 5.7), reduziert sich die Anzahl der Lkw von 877 auf 755. Dies ist eine Reduzierung um fast 14% ¨uber alle Materialien. Betrachtet man nur die Materialien, die kein beson- deres Transportmittel erfordern (alles außer Fertigteile und Ortbeton) liegt die Reduktion sogar bei 65%. Gleichzeitig wird das Lager deutlich st¨arker belastet, die durchschnittliche Lagerdauer erh¨oht sich von ca. 4 auf 7,5d. Zudem ist eine gr¨oßere Lagerfl¨ache (810 m2, gegen¨uber 55 m2) erforderlich. Dies entspricht etwa dem Faktor 15. F¨ur die Lkw erh¨oht sich die Wartezeit von 11,5 min auf ca. 15 min, allerdings bleibt die Anzahl der wartenden Lkw in etwa gleich. Durch die vermehrte Zwischenlagerung von Bauelementen, die direkt eingebaut werden k¨onnten, erh¨oht sich die Kranleistung um ca. 3%. Lagerbestand 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Be sta nd Lagerbestand 2 Halbgeschosse Beginn Ende Abbildung 6.17: Lagerauslastung bei Optimierung der Lkw-Auslastung Abbildung6.17 zeigt den ver¨anderten Lagerbestand mit den verh¨altnism¨aßig großen Ausschl¨agen in der Rohbauphase. Das ist in dem großen Fl¨achenbe- darf der Fertigteile begr¨undet, die liegend gelagert werden m¨ussen. Durch die Optimierung der Lkw-Auslastung werden Bauelemente bereits geliefert, die nicht unmittelbar eingebaut werden k¨onnen und somit zwischengela- gert werden. Die Lagerbest¨ande gehen bis zur Ausbauphase immer auf Null 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 123 zur¨uck, da die gelagerten Bauelemente vollst¨andig verbaut werden. Ein Si- cherheitsbestand ist auf Grund der ’Abrufstrategie’ nicht erforderlich. Fazit: Die drei aufgef¨uhrten Strategien f¨uhren zu Verbesserungen der Sys- temleistung, wenngleich es nicht zu gr¨oßeren ¨Anderungen der Zielgr¨oßen f¨uhrt. Sie sollten nur als Erg¨anzung bzw. in Kombination mit anderen ein- gesetzt werden, um effektivere Gesamtstrategien zu erhalten. • Lieferzeitfenster: Trotz deren Einf¨uhrung reduziert sich die Anzahl der wartenden Lkw nicht auf Null. Hier muss genauer auf die Situa- tion im kritischen Bereich (ca. 10 Wochen) eingegangen werden (vgl. Sondervariante 6.4.6) • Kran ’bevorzugt’...: Die bevorzugte Bearbeitung des Lagers f¨uhrt zwar zu leichten Verbesserungen der Ausgewogenheit (geringere Last- spitzen) des Krans, f¨ur sinnvolle Schlussfolgerungen sind aber detail- lierte Simulationen mit weiteren Messgr¨oßen erforderlich. • optimierte Lkw-Auslastung: Die Anzahl der Lkw insgesamt l¨asst sich um 14%, bzw. ohne Fertigteile und Ortbeton sogar um 65% re- duzieren. Diese Optimierung erfordert allerdings die Bereitstellung er- heblicher Lagerfl¨achen. Da diese i. d. R. begrenzt sind, muss ein Kom- promiss zwischen Reduzierung der Lkw-Fahrten (Lieferanten) und der Lagerfl¨ache (Baustelle) gefunden werden. Die Anzahl wartender Lkw und deren Wartezeiten verbessern sich im ¨Ubrigen nicht. 6.4.4 Variante 3 Verk¨urzung der Bauzeit um 10% In Variante 3 wird die Bauzeit um 10% gek¨urzt, d. h. alle Zeitspannen zwischen Anfang der Baustelle (t = 0) und den Lieferzeitpunkten (t = n) werden um 10% verringert, w¨ahrend alle anderen Leistungswerte sowie die Aufwandswerte konstant bleiben. Die Zielgr¨oße ist die Robustheit des Sys- tems gegen¨uber einer erh¨ohten Systemlast. Die Fragestellung lautet: Wann kollabiert das System? Die Einflussgr¨oßen sind Kranauslastung, Anzahl war- tender Lkw, Wartezeit Lkw und Lagergr¨oße. Grafik 6.18 zeigt gegen¨uber der Referenz (Abb. 6.10) eine deutliche Links- verschiebung, wobei die Linksverschiebungdes Lagers (Abb. 6.19) nicht ganz so deutlich ausf¨allt (vgl. Abb. 6.11). Der Anteil an der Gesamtleistung steigt f¨ur Kran 2. Gleichzeitig nimmt die Ausgewogenheit beider Krane zu (gerin- gere Spitzen). Die Gesamtauslastung der Krane steigt von 35,2% auf 37,6%. Nimmt man die Entnahme des letzten Bauteils aus dem Lager als Referenz- punktf¨ur das Endeder Bauzeit, zeigt sich, dass die effektive Bauzeit sich nur um 6,5% verk¨urzt hat. Die Anzahl der wartenden Lkw steigt im Mittel um 11 Fzg. und die mittlere Wartezeit steigt auf ca. 11 1/2min. Die Lageraus- lastung steigt zwar relativ um 34%, da es sich aber um geringe Absolutwerte 124 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Kranauslastung und Anzahl Lkw 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen du rc hs ch n A us las tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 70 An za hl de r L kw Kran1 Kran2 Lkw wartende Lkw Beginn Ausbau Ende Rohbau2 Halbgeschosse Abbildung 6.18: Kranauslastung und Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei 10% Bauzeitreduzierung Lagerbestand 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Lagerbestand 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.19: Lagerbestand bei 10% Bauzeitreduzierung handelt, ist diese Steigerung nicht von Bedeutung. Dies erkennt man auch an der Untervariante mit den reduzierten Lkw-Fahrten (vgl. Varianten 3.5- 3.8 in Kap. 6.4.8). Der Lagerfl¨achenmehrbedarf ist in diesem Fall (vgl. Kap. 6.4.3) unwesentlich. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 125 Fazit: Im System sind große Leistungsreserven bez¨uglich der Logistikprozes- se Transport, Umschlag und Lagerung vorhanden. Dass die effektive Bauzeit sich nur um 6,5% verk¨urzt, zeigt den Engpass auf: die Verarbeitungsprozes- se. Dies belegt auch die ansteigende mittlere Lagerdauer der Baustoffe. 6.4.5 Variante 4 Verk¨urzung der Bauzeit um 15% IndieserVariante wurdedieBauzeit um15%, umdieAuswirkungenweiterer Verk¨urzungen zu untersuchen. Ziel- und Einflussgr¨oßen sind die gleichen wie bei Version 3. Kranauslastung und Anzahl Lkw 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen du rc hs ch n A us las tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 70 An za hl de r L kw Kran1 Kran2 Lkw wartende Lkw Beginn Ausbau Ende Rohbau2 Halbgeschosse Abbildung 6.20: Kranauslastung und Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei 15% Bauzeitreduzierung Gegen¨uber dem Referenzsystem 6.10 bzw. der vorherigen Variante 6.18 sind die Kurven weiter nach links gestaucht. Die Spitzenbelastungswerte beider Krane steigen, wobei es zu einer leichten Umverteilung auf den zweiten Kran kommt. Die Lkw-Daten ¨andern sich gegen¨uber der Variante 3 folgenderma- ßen: • # wartender Lkw steigt von ca. 36 auf ca. 47 Fzg., • die durchschnittliche Wartezeit von ca. 11 1/2 auf 13min Die Lagerauslastung in der Spitze steigt um ca. 50%, von 74m2 auf 110m2. Die Auslagerung des letzten Bauteils aus dem Lager erfolgt etwas fr¨uher als 126 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Lagerbestand 0% 5% 10% 15% 20% 25% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Lagerbestand 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.21: Lagerbestand bei 15% Bauzeitreduzierung bei Variante 3, womit sich eine ’effektive’ Verk¨urzung der Bauzeit um 9,6% ergibt. Fazit: Auch eine weitere Reduzierung der Bauzeit hat kein Kollabieren des Systems, auch nicht lokal, verursacht. In weiteren Versuchen wurde die Bau- zeit weiter reduziert, ohne dass das System kollabierte. Hierbei muss aller- dings beachtet werden, dass hier nur reine Materialtransporte zum Ansatz kamen. F¨ur einen effektiven Baubetrieb ist eine volle Auslastung des Krans nicht denkbar, d. h. der Hauptkran kommt bei einer Auslastung von ¨uber 70% in bestimmten Kalenderwochen an die Leistungsgrenzen. Dennoch zei- gen sich deutlich die Umverteilungsm¨oglichkeiten des Systems und damit seine Leistungsf¨ahigkeit. Probleme bez¨uglich der logistischen Prozesse sind offensichtlich eher im organisatorischen Bereich begr¨undet, als in der Leis- tungsf¨ahigkeit zugeh¨origer Ressourcen. Sondervariante Begrenzung der Kranreichweite In dieser Variante wird die Reichweite des Krans 2 um 5m verk¨urzt. In den Regeln f¨ur das Einfahrtsatom (vgl. Kap. 5.5.3) ist hinterlegt, dass ein Kran nur dann bedient wird, wenn die Bauelemente innerhalb der Reichweite des Krans liegen. Mit der Reduzierung um 5m sind nicht mehr alle Bauelemente in dessen Reichweite, d. h. Kran 2 kann Kran 1 nicht vollst¨andig ersetzen. Die Auswirkungen auf die Systemleistung sind groß. Die Anzahl wartender Lkw w¨achst um das 6,6 fache auf 146 Fzg., die Wartezeit steigt auf ca. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 127 Kranauslastung und Anzahl Lkw 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwochen du rc hs ch n A us las tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 An za hl de r L kw Kran1 Kran2 Lkw wartende Lkw Beginn Ausbau Ende Rohbau2 Halbgeschosse Abbildung 6.22: Kranauslastung und Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei Kranreichweitenreduzierung 30min. Maximal warten 3,5 Lkw gleichzeitig gegen¨uber der Ausgangsvari- ante bei der maximal knapp 2 Lkw gleichzeitig warten mussten. Der Anteil an allen Transporten f¨ur einen Kran ver¨andert sich unwesentlich. Fazit: Gegen¨uber den anderen Varianten hat die Reduzierung der Reich- weite die gr¨oßten Auswirkungen. Das System reagiert empfindlich auf Ein- schr¨ankungenderFlexibilit¨at. Dabei istauff¨allig, dasssich das Anteilverh¨alt- nis an allen Transporten nur marginal ver¨andert. Es kommt demnach nicht zu einer generellen Verlagerung der ’Auftr¨age’ auf einen Kran, sondern zu einer Umsortierung. Ein flexibles System bez¨uglich alternativer Materialflusswege ist f¨ur einen reibungslosen Ablauf der Logistikprozesse von großer Bedeutung. 6.4.6 Sondervariante Optimierung der Lkw-Ankunft Die Ver¨anderung der Bauzeit und die Einf¨uhrung von Lieferzeitfenstern hat zwar eine Ver¨anderung im Hinblick auf die die Anzahl wartender Lkw und deren Wartezeit gebracht, aber es kam zu keiner deutlichen Reduzierung der Zielgr¨oßen. Daher wurde die Systemlast im Hinblick auf die Ankunftszeiten der Lkw ver¨andert. Vor allem die Lkw f¨ur die Ausbaugewerke wurden aus der kritischen Zone nach vorne verlagert. Grafik 6.23 zeigt die Lagerbestandskurven der Systemlast B (vgl. Kap. 6.4.3) und der Systemlast B, bei der die Materialien des Ausbaus zeitlich nach vor- 128 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Lager 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% KW 13 KW 15 KW 17 KW 19 KW 21 KW 23 KW 25 KW 27 KW 29 KW 31 KW 33 KW 35 KW 37 KW 39 KW 41 KW 43 KW 45 KW 47 KW 49 KW 51 Kalenderwoche Be sta nd Ausbau_B_Opt Ausbau_B 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.23: Lagerbestandskurve f¨ur die Systemlast B (vgl. Kap. 6.4.3) und der Optimierung ne verlegt wurden. Die Lagerbestandskurve der optimierten Systemlast hat einen steileren Anstieg und ein h¨oheres Anfangsniveau, da in der Anfangs- phase nur eingelagert wird. Die durchschnittliche Lagerdauer4 verl¨angert sich von 7,5d auf 23,8d und die maximale Lagerauslastung w¨achst um ca. 30% auf 1050m2. Der grobe Verlauf der Anzahl der Lkw (vgl. Abb. 6.24) ¨uber die Bauzeit ist in etwa gleich geblieben, wobei das hohe Niveau deutlich gesenkt wurde. Durch die Vorverlegung einiger Lkw ist der Anstieg etwas flacher. Im Mittel gibt es immer noch acht wartende Lkw, die allerdings fast ausschließlich zu den Rohbaugewerken geh¨oren. Hier ist eine verfeinerte Steuerung der Lieferabrufe erforderlich. Fazit:Der Eingriffin dieSystemlast hatdeutliche Auswirkungenauf dieAn- zahl wartender Lkw. Es zeigt sich, dass ein gezieltes nach vorne Verschieben der Lkw f¨ur den Ausbau die kritische Zone entlastet. Das Verfahren ist sehr wirksam und f¨uhrt zu einer deutlichen Entlastung der Baustellensituation, wenn die Anzahl wartender Lkw reduziert werden muss. ’Erkauft’ wird das durch eine deutlich l¨angere durchschnittliche Lagerdauer, die erforderliche Lagerfl¨ache w¨achst ebenfalls. Der Vorteil der Simulation in diesem Fall ist die gezielte Steuerung der Lkw auf Grund der Simulationsergebnisse im Gegensatz zu pauschalen Restrik- tionen f¨ur die Lieferverkehre, wie dies z. B. bei den Logistikkonzepten des 4 bezogen auf alle Elemente 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 129 Kran und Lkw Auslastung 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 KW 14 KW 16 KW 18 KW 20 KW 22 KW 24 KW 26 KW 28 KW 30 KW 32 KW 34 KW 36 KW 38 KW 40 KW 42 KW 44 KW 46 KW 48 KW 50 KW 52 Kalenderwochen An za hl Lk w Lkw wartende Lkw 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.24: Anzahl der Lkw sowie der wartenden Lkw bei Systemlast- optimierung Potsdamer Platzes der Fall war. 6.4.7 Sondervariante Zusammenladungsm¨oglichkeiten Diese Sondervariante ist lediglich eine zus¨atzliche Auswertung der bereits vorhandenen Daten mit einem speziellen Hintergrund. Der in [Lei03] be- schriebene Gebietsspediteur w¨urde zur besseren Auslastung Sammeltouren bilden und verschiedene Materialien, soweit sie gemeinsam transportierbar w¨aren, zusammen auf die Baustelle bringen. Um das Potential abzusch¨atzen, wie viele Materialien zusammen auf die Baustelle geliefert werden k¨onnten, werden die Lkw-Ergebnisse nochmals gesondert ausgewertet. Folgende Ma- terialien sind grunds¨atzlich zusammen transportierbar: • Bewehrung, • Putz, • Gipskartonplatten, • Estrich, • Fenster, 130 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL • T¨uren. DieAusgangsvariante generierte 877Lkw-Fahrten insgesamt, ohnedieFertig- teil- und Ortbetonfahrten verbleiben 172 Lkw-Fahrten. Wie bereits in Ka- pitel 6.4.3 erw¨ahnt, lassen sich diese durch grobe Optimierung der Auslas- tung um 65% auf 60 reduzieren. Dass Fahrzeuge mit diesen Materialien nur schlecht (35%) ausgelastet sind, ist in der Baupraxis kein unrealistischer Wert. ¨Uber Datenbankabfragen wurde nun ermittelt, wie viele Lkw in einem Zeit- fenster von ein oder zwei Tagen die Baustelle erreichen und Materialien geladen haben, die theoretisch zusammen geladen werden k¨onnen. Das in Tabelle 6.10 dargestellte Ergebnis ist die obere Grenze und soll nur einen Anhaltspunkt liefern, wie groß das Potential ist. Wie in der Beschreibung des Bauvorhabens erw¨ahnt, wurden nicht alle Materialien des Ausbaus im CAD-Modell abgebildet. Diese k¨onnen aber in der Regel zusammen geladen werden und bieten damit weiteres Potenzial in diese Richtung. # Lkw # Lkw ohne # Lkw im # Lkw im Anteil gesamt FT und OB 2-Tage- 1-Tag- in Prozent Zeitfenster Zeitfenster 877 172 131 113 76% bzw. 66% Tabelle 6.10: Ergebnisse der Abfrage zur Zusammenlegung von Material Grob ¨uberschlagen ließen sich bei einer durchschnittlichen Auslastung von 35% (s. o.) und 113 Lkw, die innerhalb des 1-Tages-Zeitfensters liegen, 113 − (0,35 · 113) = 73 Lkw-Touren sparen. Damit f¨allt die Reduzierung (prozentual: 57%) geringer aus als bei der Optimierung von Kap. 6.4.3 mit 65%. ALkw −(ØAuslastungLkw · ALkw) = ALkw,red (6.1) 113−(0,35·113) = 73 (6.2) mit ALkw = # Lkw im 1-Tag-Zeitfenster ALkw,red = reduzierte # Lkw-Touren Fazit: Die Logistikstrategie ’Gebietspediteur’ bietet ausreichend M¨oglich- keiten die Zahl der Lkw-Touren durch Sammeln zu reduzieren. Sie belas- tet das Lager nicht st¨arker, weil Materialien zur besseren Auslastung nicht fr¨uhzeitiger als erforderlich geliefert werden. Ist das Lager der begrenzende Faktor, k¨onnen Sammeltouren eine Alternative zu der Variante in Kapitel 6.4.3 sein, die eine Reduzierung der Lkw-Fahrten in der gleichen Gr¨oßenord- nung zul¨asst. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 131 H¨oherer Handlingsaufwand wegen des zus¨atzlichen Umschlags k¨onnen in Kauf genommen werden, da das Prinzip in der station¨aren Industrie bereits erfolgreich eingesetzt wird und sich die Besonderheiten des Bauwesens hier nicht auswirken. Dennoch muss im Bauwesen noch ¨Uberzeugungsarbeit ge- leistet werden, da diese Strategie nur in Ausnahmef¨allen zur Anwendung kommt, was mit der Wahlfreiheit der Lieferanten durch die Nachunterneh- mer zusammenh¨angt. 6.4.8 Tabellarische Zusammenstellung In der Tabelle 6.12 sind alle zuvor beschriebenen Ergebnisse zusammenge- stellt, um die Unterschiede der Varianten zu verdeutlichen und Tendenzen zu dokumentieren. Die Farben referenzieren auf die unterschiedlichen Sys- temlasten. Erl¨autungen zu den Spalten sind in Tabelle 6.11 zu entnehmen. Spalte Erl¨auterung Kran 1 Anteil von Kran 1 am Transport aller Bauelemente MW Mittelwert der Auslastung von Kran 1 Streuung Streuung um den Mittelwert der Auslastung Kran 1 Sum Busy Summe der Einsatzzeit beider Krane pro Bauzeit max Busy 1 Maximale Einsatzzeit von Kran 1 pro KW max Busy 2 Maximale Einsatzzeit von Kran 2 pro KW # Lkw Gesamtanzahl aller Lkw im System Lkw Wartezeit durchschnittliche Wartezeit der Lkw in [s] # wart. Lkw Anzahl wartender Lkw max. Auslast. erforderliche Gr¨oße des/der Lager in [m2] # BE im Lager Anzahl der Bauelemente im Lager Ø Lager- Mittelwert aller Entfernungen zwischen Lager und entfern. Zielort der eingelagerten Bauelemente Kennzahl Produkt aus Anzahl der BE im Lager und mittlerer Lagerentfernung Ø Lagerdauer Mittelwert der Lagerdauer der Bauelemente in [d] Ende Bauzeit Dauer der Bauzeit in [d] Tabelle 6.11: Erl¨auterung der Tabellenspalten von 6.12 13 2 KA PI TE L 6. AN W EN DU NG SB EI SP IE L Nr Kran MW Streu- Sum max max # Lkw War- # wart. max. # BE im Ø Lager- Kenn- Ø Lager- Ende 1 ung Busy busy1 busy2 Lkw tezeit Lkw Auslast. Lager entfern. zahl dauer Bauzeit 1 1 73% 30,8 24,5 35,2 76,9 32,6 877 1256 88 55 5327 47,2 251,4 3,0 d 193,7 2 83% 30,6 23,1 35,2 73,1 28,2 877 587 20 55 5327 47,2 251,4 4,0 d 194,5 3 77% 30,2 23,9 35,2 71,9 30,0 838 1188 30,2 147 5327 39,8 212,0 35,0 d 193,0 2 1 82% 30,6 23,3 35,2 71,6 30,7 877 662 21,7 55 5327 47,2 251,4 4,0 d 194,5 2 82% 30,4 23,0 35,2 71,3 30,2 877 741 24,1 55 5327 47,2 251,4 3,2 d 195,0 3 82% 30,4 23,0 35,2 71,8 30,9 877 669 20,7 55 5327 47,2 251,4 4,0 d 195,0 4 82% 30,3 22,9 35,2 71,2 31,0 877 709 22,8 55 5327 47,2 251,4 4,0 d 194,8 5 74% 30,7 23,8 36,2 73,6 34,8 755 903 20,5 825 7229 47,1 340,5 9,4 d 194,1 6 73% 30,8 23,8 36,2 73,1 31,1 755 1006 24,7 810 7230 47,1 340,5 7,5 d 194,1 7 74% 30,4 23,5 36,3 71,9 35,8 755 853 23,6 810 7230 47,1 340,5 7,5 d 194,1 8 75% 30,5 23,6 36,3 71,8 35,5 755 904 25,6 810 7230 47,1 340,5 7,5 d 194,2 3 1 80% 29,1 24,3 35,1 68,6 39,6 877 669 32,1 74 5327 47,2 251,4 5,2 d 181,9 2 79% 29,3 24,6 35,1 71,2 37,8 877 725 36,0 74 5327 47,1 250,9 5,4 d 181,8 3 80% 28,9 24,4 35,3 70,8 38,7 877 666 35,0 74 5327 47,1 250,9 5,4 d 182,0 4 80% 28,8 24,3 35,3 70,4 38,7 877 713 40,2 73 5327 47,1 250,9 5,3 d 181,8 5 71% 29,4 25,4 36,1 72,3 43,3 755 976 33,6 814 7262 47,1 342,0 8,9 d 181,0 6 70% 29,3 25,1 36,1 72,6 42,5 755 1040 36,6 813 7259 47,1 341,9 8,4 d 180,9 7 72% 29,2 25,0 36,3 71,6 44,6 755 908 36,9 813 7262 47,1 342,0 8,8 d 181,1 8 72% 29,1 24,9 36,2 71,9 44,9 755 948 38,3 815 7261 47,1 342,0 8,5 d 181,1 4 1 79% 29,1 26,4 35,1 73,7 41,6 877 817 44,8 110 5327 47,1 250,9 7,1 d 176,2 2 79% 29,1 26,5 35,1 73,6 42,1 877 828 49,0 110 5327 47,1 250,9 6,4 d 176,2 3 79% 28,9 26,5 35,3 73,4 45,4 877 782 46,4 110 5327 47,1 250,9 7,2 d 176,2 4 79% 28,8 26,5 35,3 72,8 45,6 877 817 47,9 110 5327 47,1 250,9 7,0 d 176,0 5 77% 30,2 27,4 36,1 76,3 44,1 755 1203 43,0 814 7301 47,1 343,9 9,9 d 176,0 6 72% 29,7 27,3 36,1 75,9 43,7 755 1236 44,8 814 7301 47,1 343,9 10,0 d 175,4 7 73% 29,4 27,3 36,3 75,7 46,1 755 1166 44,4 814 7301 47,1 343,9 10,0 d 175,3 8 74% 29,4 27,3 36,3 75,3 46,0 755 1145 43,6 814 7301 47,1 343,9 10,0 d 175,5 Tabelle 6.12: Zusammenstellung aller Ergebnisse 6.5. DISKUSSION DER ERGEBNISSE UND ¨UBERTRAGBARKEIT133 6.5 Diskussion der Ergebnisse und ¨Ubertragbar- keit In diesem Kapitel erfolgt eine Gesamtbetrachtung der Simulation und der AuswertungdesAnwendungsbeispiels.ImMittelpunktstehen ¨ubergeordnete Aussagen ¨uber das Modell, den Ergebnissen und deren ¨Ubertragbarkeit auf andere Bauvorhaben sowie die Entwicklung allgemein g¨ultiger Aussagen. Das Modell hat sich sowohl hinsichtlich von Systemlast¨anderungen als auch von Modell¨anderungen als robust erwiesen. Lediglich bei einer Sondervarian- te haben sich deutlich andere, wenngleich plausible, Ergebnisse eingestellt, da die Leistungsf¨ahigkeit des Systems stark eingeschr¨ankt wurde(vgl. 6.4.5). 1. Hauptaussage Flexibilit¨at vor Leistungserh¨ohung Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Umschlag-Ressourcen f¨ur die Logis- tikprozesse flexibel sein sollten. Redundante Ressourcen k¨onnen erheblich einfacher Systemspitzen bew¨altigen. Das ist ein wichtigerer Aspekt als deren Grenzleistung im Sinne der Geschwindigkeit, mit der Material transportiert werden kann. Man kann daraus ableiten, dass logistische Probleme auf Bau- stellen wahrscheinlich nicht auf der unzureichenden Leistungsf¨ahigkeit einer einzelnen Ressource beruhen, sondern auf der ’Nichtaustauschbarkeit’ von Materialwegen. Dies deckt sich auch mit der Erfahrung von Baulogistikex- perten5. 2. Hauptaussage Liefer-Entzerrung vor Liefer-Steuerung Daneben weist die Simulation aus, dass die Einf¨uhrung von Lieferzeitfens- tern durchaus einen positiven Effekt hat, aber in kritischen Bereichen Trans- porteumWochen nach vorneverschoben(Liefer-Entzerrung)werdenm¨ussen, damit die Anzahl wartender Lkw deutlich verringert wird. Es wird deutlich, dass es nicht ausreicht die ankommenden Lkw ¨uber die Zeitfenster zu takten, sondern den gesamten Anlieferungsprozess zu beachten. Andernfalls m¨ussen, wie Praxisbeispiele zeigen, die Lieferzeitfenster sehr streng eingehalten und unp¨unktliche Lieferungen abgewiesen werden. In der Baupraxis sollten da- her lieferzeitunkritische Materialien soweit wie m¨oglich vorverlegt werden. Zudem sind Lieferzeitfenster auch nur in wenigen kritischen Wochen erfor- derlich. 5Gespr¨ach mit Herrn Goetz von der Bauserve GmbH am 17. Nov. 2006 134 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL 3. Hauptaussage Etagenlagerung vor Hauptlagerung In den Untersuchungen wurde eine signifikante Reduzierung der Baustel- lentransportentfernung durch Einf¨uhrung von Etagenlagern erreicht. Damit lassen sich die baustellenseitigen Transporte verringern. Das erforderte das Vorhalten von Lagerkapazit¨aten und eine l¨angere Lagerdauer. Die Simulati- on liefert die Datengrundlage f¨ur eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung. Die Allgemeing¨ultigkeit der oben genannten Aussagen ist nur mit der Ein- schr¨ankung der ¨ortlichen Randbedingungen m¨oglich. Bei ¨ahnlichen Gege- benheiten, wie in Kapitel 6.1 beschrieben, d. h. mit ¨Ahnlichkeiten bez¨uglich • des Bauverfahrens, • der Kubatur, • der Platzverh¨altnisse und • der Zeitleiste, lassen sich die Aussagen direkt ¨ubertragen. Da Ressourcen in der Regel immer mit großen Reserven ausgelegt werden, haben die Systeme eine aus- reichende Elastizit¨at, um kleinere Abweichungen oder Schwankungen gut zu kompensieren. Problematischer wird es, wenn sich einzelne Ressourcen am Leistungslimit befinden. Dann wird sich das System deutlich anders ver- halten (vgl. Sondervariante Reichweitenreduzierung). Genau hier setzt die St¨arke der Simulation ein. Sie liefert Zahlenwerte, die mit dem Erfahrungs- wissen der Bauleiter abzugleichen sind. Durch Nachkalkulationen lassen sich die Simulationen von Bauvorhaben weiter verfeinern, so dass die Aussage- Genauigkeit zunehmen wird. Ziel ist es, die logistischen Prozesse so zu pla- nen, dass man sich der Grenzleistung des Systems n¨ahert bei gleichzeitiger Einhaltung eines Sicherheitsabstandes. Werden die Vorteile der Simulation genutzt, wird sie eine ¨ahnliche Entwick- lung nehmen, wie die Berechnungsverfahren in der Statik. Auch dort wurde das Erfahrungswissen der Baumeister ¨uber die Tragf¨ahigkeit von statischen Systemen und Bauteilen durch computergest¨utze Rechenverfahren, wie z. B. die Finiten Elemente, ersetzt. In der Statik hat die Computerentwicklung die Arbeit der Ingenieure ver¨andert, sie selbst aber nicht ersetzt. Das gleiche wird f¨ur die Simulation gelten. Kapitel 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung Der Betrieb einer Baustelle istdieKernkompetenzvon Bauunternehmenund der Ort der prim¨aren Wertsch¨opfung. Auf Grund der besonderen Randbe- dingungen werden Baustellen im hohen Maße durch Erfahrungswissen der Mitarbeiter gesteuert, da der prototypische Charakter der Bauwerke ein ’Ausprobieren’ verschiedener Ans¨atze nicht zul¨asst. Einwesentlicher Anteil derT¨atigkeit aufderBaustelle, derProduktionsst¨atte, ist logistischer Art. Gerade hier zeigen sich in der Baupraxis immer wieder M¨angel, bzw. Potenziale zur Produktivit¨atssteigerungen. Softwaretechnische Unterst¨utzung f¨ur die Bauleitung gibt es allerdings nur im geringen Maße. Daher entstand die Idee dieser Arbeit, ein Instrument zu entwickeln, dass die Bauleitung darin unterst¨utzt im Vorhinein kosteng¨unstig und schnell verschiedene Konzepte bez¨uglich der Logistik zu testen und zu bewerten. Die Baulogistik hat in den letzten Jahren eine st¨arkere Aufmerksamkeit in der Bauwirtschaft erfahren, nicht zuletzt durch die ’Erfolge’ der Logistik in der station¨aren Industrie. In der Forschung sind diesbez¨uglich eine Reihe von Arbeiten entstanden, die die Umsetzung logistischer Prinzipien in der Baupraxis untersucht haben. Parallel dazu entwickelt sich in der Forschung zunehmend der Einsatz von Simulationen im Bauwesen. Aufbauendauf bereits vorhandenen Forschungen wurdenin dieser Arbeitdie Unterschiede des Bauwesen zur station¨aren Industrie bez¨uglich der Logisti- kanforderungen aufgearbeitet und um eine Reihe von Aspekten erg¨anzt. Die Erg¨anzungen waren erforderlich, um die Methode der Simulation mit dem Anforderungsprofil des Bauwesens korrekt verkn¨upfen zu k¨onnen. 135 136 KAPITEL 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Grundlegende Aspekte und Begriffsbestimmungen der Simulationsmethode bezogen auf den in der Arbeit vorgestellten Ansatz und dienten der ¨Uberlei- tung zur Modellentwicklung. Ebenso wurde die Simulationsumgebung vor- gestellt, um die Randbedingungen der Arbeit abzustecken. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, wie aus bereits vorhan- denen elektronischen Daten eine Systemlast zu erzeugen ist. Hierzu wur- den notwendige logistische Stammdaten bestimmt. Ein datenbankorientier- tes Geb¨audemodell unterst¨utzte die Entwicklung eines effizienten System- lastgenerators. Als Basis f¨ur das weitere Vorgehen wurde ein ’allgemeing¨ultiges’ Simulati- onsmodell f¨ur die logistischen Prozesse einer Hochbaustelle entwickelt. Es diente dazu, Anforderungen an parametrisierbare Bausteine (”Atome“) ab- zuleiten, die im Anschluss erarbeitet wurden. Es entstand eine Bibliothek f¨ur eine Simulationsumgebung, in der logistische Prozesse einer individuel- len Baustelle durch Anordnen, Verbinden und Parametrisieren speziell ent- wickelter Atome abgebildet werden k¨onnen. AneinemPraxisbeispiel wurdendieAuswirkungenhergeleiteter Logistikstra- tegien dargestellt undbeurteilt. Dabei konnte dieValidit¨at desModells nach- gewiesen werden. Im Anschluss erfolgte die Extrahierung allgemeing¨ultiger Aussagen aus den Ergebnissen. Das Logistiksystem sollte bez¨uglich des Ma- terialtransports eher flexibel als mit hoher Leistungsf¨ahigkeit ausgelegt sein, eine Lieferentzerrung ist einer Liefersteuerung vorzuziehen und Etagenl¨ager sind gegen¨uber einem Hauptlager von Vorteil. 7.2 Ausblick Eine Baustelle ist auf Grund ihrer Einmaligkeit pr¨adestiniert f¨ur eine Si- mulation. Verschiedene L¨osungsans¨atze k¨onnen im Vorfeld virtuell erprobt und bewertet werden. Allerdings muss die Simulation ihren Return On In- vest mit dem realen Abschluss der Baustelle erreicht haben. Dies wiederum bedeutet, dass der Aufwand einer Simulation gering gehalten werden muss, gegen¨uber Simulationen in der station¨aren Industrie. Dort erfolgen i. d. R. die Kosteneinsparungen durch Simulation in der l¨angerdauernden Betriebs- phase. Der inzwischen hohe Komfort in der Eingabe heutiger Simulationsprogram- me ist der eine entscheidende Punkt daf¨ur, dass dieser Aufwand f¨ur eine Simulation reduziert werden kann. Gerade das Bausteinkonzept, mit den M¨oglichkeiten der Wiederverwendung auch sehr spezieller Komponenten und Ressourcen, erm¨oglicht es, ein Simulationsmodell sehr schnell zusam- menzustellen oder zu ver¨andern. Diese ’erweiterte’ Baustelleneinrichtungs- planung erm¨oglicht Kostenreduzierungen im Kernbereich von Bauunterneh- men. 7.2. AUSBLICK 137 Das Erzeugen der Systemlast aus einem Geb¨audemodell heraus ist der an- dere entscheidende Punkt, um eine erhebliche Reduzierung des Gesamtauf- wands bei der Simulation zu erreichen. Bei der Entwicklung einer konsis- tenten, nicht redundanten Datengrundlage f¨ur alle beteiligten Akteure vom Entwurf ¨uber die Kalkulation bis hin zum Betrieb von Geb¨auden gab es in den letzten Jahren große Fortschritte. Gleichwohl ist das Geb¨audemodell mit der CAD Planung in drei Dimensionen noch l¨angst nicht allgemeine Baupraxis. Hier muss weiter an der Standardisierung des Datenaustausches gearbeitet und ¨Uberzeugungsarbeit bei den Praktikern geleistet werden. F¨ur genauere Untersuchungen lassen sich aus dem Geb¨audemodell weitere Elemente der Systemlast ableiten. Als Beispiel sei hier die Schalung genannt. Es lassen sich auch m2-Deckenfl¨achen auslesen. Das angewendete Schalver- fahren legt die Menge des vorzuhaltenden Schalmaterials und die erforder- lichen Fertigungsprozesse fest. Zu diesen korrespondieren Logistikprozesse, die davon entsprechend abgeleitet werden k¨onnen. Eine ’automatisierte’ Aufarbeitung dieser Rohdaten w¨urde den Aufwand f¨ur eine Simulation weiter reduzieren. Die n¨achsten Schritte w¨aren in einer CAD-gebundenen Baustelleneinrichtungsplanung zu machen, bei der die ge- planten Ressourcen bereits mit simulationsrelevanten Parametern zu verse- hen w¨aren. Dieses erweiterte Geb¨audemodell w¨urde nicht nur die Systemlast liefern, sondern auch Lage und Leistungskenngr¨oßen der Ressourcen. ¨Uber eine zu definierende Schnittstelle k¨onnten Simulationsmodelle ’automatisch’ aus der Baustelleneinrichtungsplanung erstellt werden. Neben der technischen Weiterentwicklung bez¨uglich der Bausteinbibliothe- ken von Materialfluss-Simulatoren und dem Geb¨audemodell als Systemlast, m¨ussten verst¨arkt Praxisdaten aufgenommen werden, um die Modelle ge- nauer zu kalibrieren. Die bisherigen Aufwandswerte sind auf die Handrech- nung abgestimmt. Die Erweiterung der Bausteinbibliothek ist in zwei Richtungen notwendig. Einerseits m¨ussen weitere branchenspezifische Ressourcen, wie z. B. eine Betonpumpe oder ein Bauaufzug entwickelt werden. In wie weit auch Fer- tigungsprozesse simuliert werden m¨ussen, um zu genaueren Ergebnissen zu gelangen ist ebenfalls zu kl¨aren. Andererseits ist die Verfeinerung der be- reits vorhandenen Bausteine eine zuk¨unftige Aufgabe. F¨ur Grenzleistungs- betrachtungen spielt z. B. die Kollisionspr¨ufung eine Rolle. ¨Uberschneiden sich Kranbereiche ¨uber gr¨oßere Bereiche, so sind gegenseitige Wartezeiten nicht mehr vernachl¨assigbar. Die Strategie-Entwicklung f¨ur Logistikprozesse muss ebenfalls weiter voran getrieben werden. In der Forschung existieren wenig Konzepte oder Ans¨atze, wieBaustellen aus logistischer Sicht zu f¨uhrensind. Das erfordertdie Zusam- menarbeit in vertikaler Richtung von operativer, dispositiver und adminis- trativer Ebene, um die Konzepte auf einander abzustimmen. Die Simulation 138 KAPITEL 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK bietet sich hier als Werkzeug an. Konzepte k¨onnen miteinander verglichen und im Vorhinein getestet werden. Neue Fragestellungen werden sich durch Praxisanwendung ergeben. Die Ein- beziehung des Umfeldes (z. B. stark befahrene Zufahrtsstraßen) oder der Zulieferer mit ihren Prozessen sind denkbare Erweiterungen. Eine Kopplung der Simulation mit Informations- und Kommunikationstech- nologien w¨urde es erm¨oglichen diese auch baubegleitend einzusetzen. Der aktuelle Baufortschritt w¨urde laufend mittels Ident- und ¨Ubertragungstech- nik der Datenbank gemeldet, die auf Grund der tats¨achlichen Situation eine neue Simulation anst¨oßt. Die simulationsgest¨utzte Logistikplanung einer Baumaßnahme hat damit das Potenzial genauso selbstverst¨andlich zu werden, wie die Statik oder die Kalkulation. Literaturverzeichnis [Abo99] Abourizk,SimaanM.: . In:http://delivery.acm.org/10.1145/170000/ 167911/p1271-abourizk.pdf? key1=167911&key2=3250324011&coll =GUIDE&dl=GUIDE&CFID=34501631&CFTOKEN=47600755. [Are03] Arendt, Claus: Modernisierung alter H¨auser, Deutsche Verlagsan- stalt, M¨unchen, 2003, S. 7. [Bal00] Ballard, Glenn: Lean Project Delivery System. 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[Zen04] Zentralverband Deutsches Baugewerbe: Analyse und Prognose (Bauwirtschaftlicher Bericht 2003/2004), 2004. Glossar *.dxf-Standard DrawingExchangeFormatisteinASCII-Text-basiertes CAD-Datei Austauschformat desUnternehmens Auto- desk. 3D-CAD-Modell Ein 3D-CAD-Modell (dreidimensionales Computer AidedDesign-Modell) ist eine im Computer entwickel- te dreidimensionale Zeichnung eines mehrteiligen kom- plexen Gegenstandes, der durch weitere (z. T. nicht- sichtbare) Attribute beschrieben wird. ABC-Analyse Die ABC-Analyse gruppiert Objekte nach zweidimen- sionalen Kriterien in die drei Klassen A, B und C mit dem Ziel wichtige Objekte von unwichtigen zu unter- scheiden. Z. B. k¨onnen Produkte in einem Lager nach ihrem Wert/Menge Verh¨altnis klassifiziert werden. Ein typisches Ergebnis w¨are, dass 10% aller Produkte65% des gesamten Lagerwertes ausmachen ( = Klasse A) 20%, 15% des Wertes ( = Klasse B), w¨ahrend 70% aller Produkte nur 20% des Wertes ( = Klasse C). AVA-Programme Angebot Vergabe Abrechnung - Programme unter- st¨utzen elektronisch die drei vorgenannten Aufgaben im Bauwesen. B2B-Gesch¨aft Als B2B-Gesch¨aft (Business to Business) bezeichnet man den Handel zwischen zwei gewerblichen Partnern ¨uber das Internet als Plattform. Bauvolumen Das Bauvolumen erfasstalle imInlanderbrachten Bau- leistungen, also Neu-, Um- oder Erweiterungsbauten und nichtwerterh¨ohende Reparaturen. BMBF Bundesministerium f¨ur Bildung und Forschung. DV DatenVerarbeitung, KurzformderElektronischen Da- ten Verarbeitung. Daten werden in einer (meist elek- 151 152 GLOSSAR tronischen) Form erfasst und in einer speziellen Form weiterbehandelt. E-Business Electronic-Business istdieallgemeine Beschreibungf¨ur den Internet Handel. Facility Management Unter Facility Management versteht man den Betrieb unddieVerwaltungvon Geb¨audenundAnlagen. H¨aufig ist diese CAD-unterst¨utzt, da viele Verwaltungsgegen- st¨ande wie Mietfl¨achen durch das Geb¨audemodell vi- sualisieren und bearbeiten lassen. Finite Elemente Die Methode der Finiten Elemente ist ein numerisches N¨aherungsverfahren zur Berechung partieller Differen- zialgleichungen. ImBauwesen wirddasVerfahrenh¨aufig in der Statik eingesetzt, wenn komplexe Tragwerke be- rechnet werden m¨ussen. Generalunternehmer Das Generalunternehmen ¨ubernimmt die Verantwor- tung gegen¨uber dem Bauherrn f¨ur die Erstellung ei- nes Bauwerks und koordiniert die einzelnen Gewer- ke. Hierbei kann das Unternehmen selbst die Gewerke durchf¨uhren oder Nachunternehmer einsetzen. Je nach Auspr¨agung werden auch Planungs- oder Ingenieur- leistungen ¨ubernommen. I & K-Technologie DieInformations-undKommunikationstechnologie be- fasst sich mit Techniken, bei denen Daten und Infor- mationen elektronisch erfasst, verarbeitet und weiter- geleitet werden. Wesentliche Komponenten sind dabei einerseits die mobilen Endger¨ate in allen m¨oglichen Formen und andererseits die zugeh¨origen Kommuni- kationsnetze in allen Gr¨oßenordnungen. Just-in-Time Das Just-in-TimeKonzeptentstammt urspr¨unglichdem Toyota-Produktions-System und ist die Leistungsbe- reitstellung genau zum Bedarfszeitpunkt. Das Konzept sieht dabei vor jegliche Zeit-, Material-, Arbeitskraft- oderEnergieverschwendunginnerhalbdergesamten Lie- ferkette zu vermeiden. Just-in-Time ist allerdings in- zwischen zu einem Schlagwort geworden, das lediglich den Lieferzeitpunkt beschreibt und die aus der Ver- schwendung entstehenden Kosten nur auf die vorgela- gerte Versorgungsstufe, meist die Lieferanten abw¨alzt. Lean Production Die Schlanke Produktion ist im Toyota-Produktions- system Ende der 1940er Jahre in Japan entstanden, GLOSSAR 153 bei der sehr konsequent alle nichtwertsch¨opfenden Pro- zesse, die nicht unbedingt notwendig sind, eliminiert wurden. Ein Konzept, um dies zu erreichen war die Just-in-Time Belieferung. Modal Split Der Modal Split weist die Verteilung eines Verkehrs- aufkommens auf verschiedene Verkehrstr¨ager auf. Der G¨uterverkehr in Deutschland wird vom Straßentrans- port domiminiert, gefolgt von der Schiene, der Binnen- schifffahrt, dem Luftverkehr und den Rohrleitungen. ODBC Die Open DataBase Connectivity ist eine auf der Da- tenbankspracheSQLbasierndestandardisierte Schnitt- stelle. OEM In der Automobilindustrie werden die Hersteller der Endprodukte als Original Equipment Manufacturer bezeichnet. Dabei werden viele Teile und Komponen- ten nicht mehr selbst produziert, sondern von ande- ren Herstellern eingekauft. Der Begriff ist allerdings in anderen Branchen wie die Computerindustrie auch anders besetzt, was der eigentlichen ¨Ubersetzung ent- spricht. Outsourcing Unter Outsourcing versteht man den Einkauf einer be- stimmten Leistung bei einem anderen Unternehmen, die ein Unternehmen bisher selbst ausgef¨uhrt hat. PDA Personal Digital Assistent; Mobile Kleincomputer, f¨ur die es eine Reihe an Softwareanwendungen gibt. Return on Invest Der Return on Invest (=ROI) beschreibt den Zusam- menhangzwischeninvestiertem Kapital unddemnach- folgend erzielten Gewinn bezogen auf eine bestimmte Zeitspanne (hier: Beginn der Planungen bis zur Ab- nahme). RFID-Technologie Die Radio Frequency Identification Technologie er- m¨oglicht esInformationenvon einenInformationstr¨ager mittels Radiowellen auszulesen, ohne das zu diesem unmittelbarer Sichtkontakt besteht. Sankey-Diagramm Sankey-Diagramme bilden Str¨ome von Objekten von einer Quelle zu verschiedenen Zielen in der Weise ab, dass die Breite der Pfeile zu den einzelnen Zielen die absolute oder relative Menge der Objekte repr¨asen- tiert. 154 GLOSSAR SQL Structured Query Language ist eine Datenbankspra- che f¨ur relationale Datenbanken. StVZO Straßenverkehrszulassungsordnung. Subunternehmer Sub- und Nachunternehmer stehen synonym f¨ur Un- ternehmen die im Unterauftrag des Hauptunterneh- mers Bauleistungen durchf¨uhren, ohne eine vertragli- che Verbindung zum Bauherrn zu haben. Der Haupt- unternehmer ist voll f¨ur die erbrachten Leistungen des Sub-/Nachunternehmers verantwortlich. VOB Die dreiteiligeVergabe- undVertragsordnungf¨urBau- leistungen regelt die Vergabe von Bauauftr¨agen durch ¨offentliche Auftraggeber. Der Teil B ‘Allgemeine Ver- tragsbedingungen f¨ur die Ausf¨uhrung von Bauleistun- gen’ (VOB/B) muss von ¨offentlichen Auftraggebern zum Vertragsbestandteil gemacht werden, bei privaten Akteuren kann dieser Vertragsbestandteil werden. Anhang A Umrechnungen von Zeiten und Koordinaten A.1 Simulationszeit → Realzeit F¨ur die Umrechnung der Simulationszeit in die Realzeit werden folgende Vereinfachungen getroffen: • Startdatum ist stets ein Montag. • Die t¨agliche Arbeitszeit ist fest. • Sa/So wird nicht gearbeitet. treal = tsim + parenleftBigceilingleftBig tsim tAZT ceilingrightBig −1 parenrightBig ·tRZT + parenleftBigceilingleftBig tsim 5·tAZT ceilingrightBig −1 parenrightBig ·tRZW (A.1) mit tsim = Simulationszeit tRZT = Ruhezeit pro Tag tRZW = Ruhezeit am Wochenende tAZT = Arbeitszeit pro Woche A.2 Realzeit → Simulationszeit Neben den in A.1 getroffenen Vereinfachungen gilt f¨ur diese Umrechnung die Einschr¨ankung, dass die eingegebene Realzeit in der Arbeitszeit liegen muss. Die Dauer zwischen dem Startwert (TT:MM:JJJJ:hh:mm) und dem Ereignis (TT:MM:JJJJ:hh:mm) in der Realzeit wird als treal eingegeben. 155 156ANHANGA. UMRECHNUNGENVONZEITENUNDKOORDINATEN tsim = floorleftbiggt real tWo floorrightbigg ·tAZW +    tAZW f¨ur floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tAZT > (tAZW +tAZT)−1 floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tAZT f¨ur floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tAZT ≤ (tAZW +tAZT)−1 +    0 f¨ur floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tAZT > (tAZW −1) * f¨ur floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tAZT ≤ (tAZW −1) (A.2) *    tAZT f¨ur treal mod tWo − floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tTag > tAZT treal mod tWo − floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tTag f¨ur treal mod tWo − floorleftBig treal mod tWo tTag floorrightBig ·tTag ≤ tAZT mit treal = Realzeit als Zeitspanne zwischen Startdatum und Ereignis tWo = Zeit pro Woche (bei [h] 7∗24 = 168) tTag = Zeit pro Tag (bei [h] 24) tAZW = Arbeitszeit pro Woche tAZT = Arbeitszeit pro Tag A.3. UMRECHNUNG KARTESISCHER KOORDINATEN 157 Die folgende Zeichnung zeigt den Verlauf von einem Mittwoch bis zu einem Samstag in der darauffolgenden Woche mit einer t¨aglichen Arbeitszeit von 10 h. Die Realzeit in [h] ist auf der Abszisse aufgetragen – die zugeh¨orige Simulationszeit in [h] kann auf der Ordinate abgelesen werden. 0 20 40 60 80 100 120 49 58 66 75 84 93 102 111 120 129 138 147 156 165 174 183 192 201 210 219 228 237 246 255 264 273 282 291 300 309 Realzeit [h] Si mu lat ion sz eit [h ] Abbildung A.1: Umrechnung Realzeit in Simulationszeit A.3 Umrechnung kartesischer Koordinaten Das Layout der Materialfluss-Simulation und die Koordinaten der Bauteile liegen in Kartesischen Koordinaten vor. Zur Bestimmung der Kranzeiten werden diese in Zylinderkoordinaten umgerechnet. y x y x3r Abbildung A.2: Kartesische/Zylinderkoordinaten 158ANHANGA. UMRECHNUNGENVONZEITENUNDKOORDINATEN x = cosϕ·r y = sinϕ·r z = h nach r und ϕ aufgel¨ost ergibt sich: r = radicalbig x2 +y2 ϕ = arctan yx +π ·u0(−x)·sgn (y) Der Winkel ϕ wirdin der Formel im Bogenmaß bestimmt. EineUmwandlung in Grad erfolgt durch Multiplikation mit 360/(2∗π). Die Eindeutigkeit des Winkels wird in der Formel durch Verwendung der Funktionen u0(−x) und sgn(y) erreicht, wobei u0(−x) f¨ur −x ≤ 0 den Wert 0 und f¨ur −x > 0 den Wert 1 annimmt, sowie die Vorzeichenfunktion sgn(y) f¨ur y > 0 den Wert 1, f¨ur y = 0 den Wert 0 und f¨ur y < 0 den Wert -1 annimmt. Dadurch ergeben sich nach Umrechnung in Grad eindeutige Winkel im Bereich −180◦ ≤ ϕ ≤ 180◦. y x d3 P0(x0,y0,z0) 32 31 P1(x1,y1,z1) P2(x2,y2,z2) r1 r2 v Abbildung A.3: Vektor im Raum Die Abbildung A.3 zeigt ein dreidimensionales, kartesisches Koordinatensys- tem, dessen Ursprungdurch den Punkt P0 bestimmt ist. Der Vektorvectorv, der in einem Zylinderkoordinatensystem mit selben Ursprung liegt, wird durch die kartesischen Punkte P1 und P2 beschrieben und bildet eine Bewegung vom Punkt P1 zu P2 ab. Die Einzelkomponenten des Vektors, lassen sich dabei mithilfe folgender Gleichungen bestimmen. Dazu ist es zun¨achst erforder- lich, die kartesischen Koordinaten der Punkte mithilfe der o. g. Formeln in Zylinderkoordinaten zu transformieren. dϕ = ϕ2 −ϕ1 dr = r2 −r1 dz = z2 −z1 Anhang B Erg¨anzende Tabellen B.1 Datenbanktabellen B.1.1 Materialtabelle Feldname Bedeutung Material_ID aus CAD Einheit in [Stk, m3,m2, t] Transporteinheiten Menge pro Lkw nach Einheit [Stk, m3,m2 t] Liefereinheiten Menge pro Kranumschlag nach Einheit [Stk, m3,m2 t] Krananschlag Zeit in [s] zum Anh¨angen der Last Kranabgabe Zeit in [s] zur Abgabe der Last Lagerbedingungen im Freien, mit Folie gesch¨utzt, nicht m¨oglich usw. Stapelbarkeit einfach, mehrfach Lagerfl¨achenbedarf in m2 pro Mengeneinheit Verschnitt in % Mehrbedarf Warengruppenschl¨ussel m¨oglicher Zugriff auf eine externe Datenbank Dauer (min) Aufwandswert f¨ur Verarbeitung des Dauer (max) Materials in [h]/Einheit Tabelle B.1: Feldnamen der Materialtabelle mit logistischen Eigenschaften Die Aufwandswerte entstammen im Wesentlichen den Richtwerten f¨ur Stun- denans¨atze nach dem Bauarbeitsschl¨ussel (BAS), die denen der Freundlieb GmbH ¨ubereinstimmten. Wenn nach BAS kein Stundensatz vorhanden war, wurden die Angaben der Freundlieb GmbH verwendet. 161 162 ANHANG B. ERG¨ANZENDE TABELLEN Material Einheit Aufwandswert Bemerkung (=Eh) [h/Eh] Fertigteil Stk 0,35-0,5 nach BAS Bewehrung t 12-27 nach BAS Ortbeton m3 0,3-0,5 nach BAS Fenster Stk 0,8-1,5 nach BAS Estrich m3 0,5-0,8 nach BAS Putz m2 0,3-0,4 nach BAS Trockenw¨ande m2 0,16-0,121 nach Freundlieb GmbH T¨uren Stk 0,8-1,5 nach BAS Tabelle B.2: Aufwandswerte Materialverarbeitung B.1.2 Arbeitsabschnitte Spalte 1 Spalte 2 ID fortlaufende Nummerierung Anzahl Anzahl der Bauelemente eines Arbeitsabschnitts Vorbelegung zur Entkopplung von Arbeitsabschnitten Vorg¨angerabschnitt ID eines m¨oglichen Vorg¨angerabschnitts Einbaufertig Kennzeichnung des Vorg¨angerstatus Tabelle B.3: Spalten der Arbeitsabschnittstabelle B.1.3 Materiallieferabschnitte Spalte 1 Spalte 2 ID fortlaufende Nummerierung Filltype_ID Material ID nach CAD Lieferdatum Datum und Uhrzeit der geplanten Lieferung Lieferzeitpunkt umgerechnet in Sekunden verk¨urzter Lieferzeitpunkt frei Tabelle B.4: Spalten der Materiallieferabschnittstabelle B.1. DATENBANKTABELLEN 163 B.1.4 Lagertabelle Spalte 1 Spalte 2 ID fortlaufende Nummerierung der L¨ager location_x globale x-Koordinate des Lagers location_y globale y-Koordinate des Lagers location_z globale z-Koordinate des Lagers Status 0: geschlossen/voll; 1: offen; -1: nicht mehr bedienbar Abstand Summe aller Abst¨ande Ziel der Bau- elemente zum Lager Tabelle B.5: Spalten der Lagertabelle 16 4 AN HA NG B. ER G ¨AN ZE ND E TA BE LL EN B. 2 Lo gis tis ch eM at er ial we rte B. 2.1 Pa ck m itt el- La de ein he it- Tr an sp or te in he it Material Packst¨uck Ladeeinheit Transporteinheit Menge Packmittel Anzahl Ladehilfsmittel Menge Anzahl Art Packst. /Ladeeinh. Ladeeinheiten Putz 30kg Sack 40 Euro-Palette 1200kg 12 Lkw Gipskarton 31,2kg lose 50 Sonder-Palette 1560kg 13,5 Lkw Ortbeton 1m3 lose – Betonbombe 1m3 7 Lkw Estrich 40kg Sack 30 Euro-Palette 1200kg 15 Lkw Bewehrung 1300kg lose 15 Rolle 1300kg 15 Lkw T¨uren 120kg lose 4 Sonder-Palette 1200kg 13 Lkw Fenster 60kg lose 4 Gestell 600kg 13 Lkw Fertigteil 3000kg lose 1 lose 1Stk 12 Lkw Tabelle B.6: Logistikstammdaten 1 B. 2. LO GI ST IS CH E M AT ER IA LW ER TE 16 5 B. 2.2 La ge rfl ¨ac he nb ed ar f Material Einheit Menge Lagerfl¨achenbedarf Einheit Einheit /Ladeeinheit /Einheit /Produkta /Ladeeinheit /Transportmittel [m2] [m2] [m2] Putz m2 120 1440 0,95 0,01 0,05 Gipskarton m2 78 1053 2,5 0,03 0,19 Ortbeton m3 1 7 – – – Estrich m3 13 195 0,96 0,07 0,21 Bewehrung t 1,3 19,5 32,5 25 2,08 T¨uren Stk 4 150 2,64 0,26 0,26 Fenster Stk 4 150 2,64 0,13 0,13 Fertigteil Stk 1 12 7,5 7,5 7,5 Tabelle B.7: Logistikstammdaten 2 aDurchschnittswert