Simulation von Logistikprozessen auf Baustellen auf Basis von 3D-CAD Daten Dissertationsschrift zur Erlangung des Doktorgrades (Dr.-Ing.) an der Universita¨t Dortmund in der Fakulta¨t Maschinenbau von Dipl.-Ing. Jo¨rg Weber 15. Oktober 2007 Die vorliegende Arbeit wurde von der Fakulta¨t Maschinenbau der Univer- sita¨t Dortmund als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Vorsitzender der Pru¨fungskommission: Prof. Dr.-Ing. K. Thermann Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. U. Clausen Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. M. Gralla (Fakulta¨t Bauwesen, Uni Dortmund) Dritter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. A. Kuhn Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung 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 ’Wertscho¨pfungsdenken, Logis- tikplanungsinstrumente’ . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Simulation von Prozessen auf Baustellen . . . . . . . . . . . . 20 3 Systemanalyse Baustelle 23 3.1 System Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Unterschiede zur stationa¨ren Industrie . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.1 Tempora¨rer Standort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.2 Unikatcharakter und Gro¨ße 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 fu¨r Ver- und Entsorgungstransporte . . . . . . . 36 3.3.2 Baustellenkrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.3 Baustraßen und -wege . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.4 Baustellenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Logistikstrategien fu¨r 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 Modellpru¨fung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4.2 Pru¨fung des Konzeptmodells . . . . . . . . . . . . . . 58 4.4.3 Pru¨fung 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 Modellpru¨fung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Modellpru¨fung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.4 Auswertungen und Strategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.4.1 U¨bersicht u¨ber 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 Verku¨rzung der Bauzeit um 10% . . . . . . 123 6.4.5 Variante 4 Verku¨rzung der Bauzeit um 15% . . . . . . 125 6.4.6 Sondervariante Optimierung der Lkw-Ankunft . . . . . 127 III 6.4.7 Sondervariante Zusammenladungsmo¨glichkeiten . . . . 129 6.4.8 Tabellarische Zusammenstellung . . . . . . . . . . . . 131 6.5 Diskussion der Ergebnisse und U¨bertragbarkeit . . . . . . . . 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 Erga¨nzende 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 Lagerfla¨chenbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 IV Abbildungsverzeichnis 1.1 Planungsreihenfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 Ganzheitliche Betrachtung der Logistik nach [Kra01] und [Ju¨n98] 10 2.2 Die drei Sa¨ulen der Logistik nach [Ju¨n00] . . . . . . . . . . . 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 fu¨r eine Quelle-Senke-Matrix . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5 Kosten fu¨r Subunternehmerta¨tigkeiten im Bauhauptgewerbe . 28 3.6 Der Paradigmenwechsel von der Zeichnung zum Modell . . . 32 3.7 Spezialfahrzeug fu¨r Transportbeton . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.8 Exemplarisch ausgewa¨hlte Spezialfahrzeuge im Bauwesen 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 Abha¨ngigkeit vom Fahrzeugtyp 42 3.15 Etagenlager nach [Boe04] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.16 Optimale Bestellmenge unter Beru¨cksichtigung der Lagergro¨ße 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 Zielgro¨ße 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 der Arbeitsabschnitte undMateriallieferabschnit- te in einem Gantt-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.6 Kopplung der Arbeitsabschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.7 Manipulationsmo¨glichkeiten 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 Stu¨ckgut–Liefereinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.21 Nicht Stu¨ckgut–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 U¨bersicht 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 wa¨hrend der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 6.9 Kumulierte Liefermenge Systemlast A u¨ber die Bauzeit . . . 115 6.10 Kranauslastung und Anzahl Lkw . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.11 Auslastung Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.12 Kumulierte Liefermenge Systemlast C u¨ber 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 fu¨r 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 fu¨r die Simulation . . . . . . . . 33 3.2 Zustand von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 Informationen im Warengruppenschlu¨ssel . . . . . . . . . . . 35 5.1 Systemlastneutral versus systemlastvera¨ndernd . . . . . . . . 64 5.2 Label der Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.3 Durchschnittliche Geschwindigkeiten in Abha¨ngigkeit der Ge- samtstrecke und der Maximalgeschwindigkeit . . . . . . . . . 84 5.4 Fallunterscheidungen am Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5 Inputdaten und ’Handrechnung’ fu¨r 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 Auspra¨gungsmo¨glichkeiten verschiedener Merkmale . . . . . . 113 6.8 Varianten mit ihren Auspra¨gungen . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.9 Kennzahl Einheit·Abstand Lagerort zu Einbauort . . . . . . . 119 6.10 Ergebnisse der Abfrage zur Zusammenlegung von Material . . 130 6.11 Erla¨uterung 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 zuru¨ckgegangen. Erst seit 2006 sind wieder positive Zahlen zu verzeichnen [Wei07]. Die Unterneh- men ka¨mpfen dennoch weiter ums U¨berleben. Ein schrumpfender Markt mit gleichzeitig hohen U¨berkapazita¨ten in den Unternehmen fu¨hrt auf 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 Milita¨r hat [Bau00]. Aufgabe der Logistik war der Nachschub und die Versorgung der ka¨mpfen- den Truppe mit Material und Munition. Man betrachtete die Versorgung des Heeres als eigensta¨ndige 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 zusammengeho¨ren, wird allein dadurch deutlich, dass 2005 45% des gesamten Prima¨rmaterialeinsatzes auf das Baugewerbe entfa¨llt [NNa07]. Die Entsorgungsmengen lagen 2003 in der Gro¨ßenordung 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 no¨tig sind, ist dadurch er- schwert. Die Besonderheiten des Bauwesens (vgl. Kap. 3) lassen eine direkte 1 2 KAPITEL 1. EINLEITUNG U¨bertragung von Logistikkonzepten der stationa¨ren 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 fu¨hrt teilweise dazu, dass die Notwendigkeit einer eigensta¨ndigen, logistischen Betrachtungsweise der Bauwerkserstellung in Frage gestellt wird, da ”Logistik ja schon immer betrieben“ wurde. Einzentraler Ansatzpunkt ist aber die systematische und standardisierte Anwen- 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 eigensta¨ndige Leistung zu etablie- ren. In der stationa¨ren Industrie ist daraus ein eigener Wirtschaftszweig mit u¨ber 1 Mio. Bescha¨ftigten 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 Herauslo¨sen logistischer Teilprozesse und die separate Betrachtung zu einer deutlichen Verbesserung der Produk- tivita¨t gefu¨hrt hat. Die Logistik hat sich zur dritt gro¨ßten Branche entwi- ckelt, auch wenn sie als eigensta¨ndige Branche noch nicht aufgefu¨hrt wird [Kla06]. Die Produktivita¨t 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 ermo¨glicht, verschie- dene Logistikkonzepte zu simulieren, um auf diesem Wege Erkenntnisse u¨ber deren Effektivita¨t zu erhalten und eine Vergleichbarkeit auf Simulationsebe- ne zu erreichen bevor eine Baumaßnahme durchgefu¨hrt wird. Damit erwei- tert sich das Erfahrungswissen auf virtuelle Baustellen, was zu Produkti- vita¨tssteigerungen fu¨hrt, da einige mo¨gliche 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-ja¨hrigen Kri- se in einem Aufschwung [Wei07] und ist fu¨r 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 schrumpfende Branche. Die Krise der letzten Jahre am Bau wurde von einigen Experten auch als Strukturwan- del [Hoc02], [Gir03], [Wei05] bezeichnet. Leere o¨ffentliche Kassen und die Zuru¨ckhaltung der gesamten Wirtschaft fu¨hrten zu einer Versta¨rkung des Abwa¨rtstrends, der u. a. auch durch den demografischen Wandel der Ge- sellschaft hervorgerufen wurde. Die dadurch entstandenen U¨berkapazita¨ten fu¨hrten zu einem z. T. ruino¨sen Preiskampf, der wiederum nicht selten zu Schwarzarbeit und Unterwanderung des Mindestlohns fu¨hrte. Ob der derzei- tige Aufschwung diese Trends nachhaltig vera¨ndern kann, bleibt abzuwarten. Im europa¨ischen Vergleich steht die deutsche Bauwirtschaft mit 216 Mrd.e Bauvolumen in 2006 weiterhin der Spitze, wenngleich andere La¨nder dyna- mischere Zuwachsraten ausweisen ko¨nnen[NNb07]. Ein weiteres wichtiges Merkmal kennzeichnet die Bauwirtschaft in Deutsch- land: fast 89% aller Bauunternehmen sind Kleinunternehmen mit weniger als 20 Bescha¨ftigten. Die Anzahl dieser Unternehmen stieg seit 1995 durch Be- triebsaufspaltungen, Verkleinerungen und Neugru¨ndungen um 20%, wa¨hrend sich im gleichen Zeitraum die Zahl der Betriebe mit mehr als 20 Bescha¨ftig- ten halbierte [Wei05]. Die Bauwirtschaft ist durch Kleinbetriebe gepra¨gt, die stark autonom agieren. Die wirtschaftliche Situation macht es notwendig die Produktivita¨t in der Bauwerkserstellung zu erho¨hen. Hierzu mu¨ssen die Logistikkosten aller Be- teiligten auf den Baustellen reduziert werden. 1.2.2 Trends Vor dem Hintergrund der wirtschaftlichen Situation sind die zuku¨nftigen Herausforderungen der Bauwirtschaft groß. Nicht zuletzt auch durch die Computerentwicklung mit zunehmender Rechnerleistung werden Bauaufga- ben komplexer. Die Entwu¨rfe werden gewagter. Infolge dessen steht nicht nur die Tragwerksplanung sondern daran anschließend auch der Baubetrieb vor gro¨ßeren 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 Geba¨udeausru¨stung wird im- mer aufwa¨ndiger. Dies hat weitere Spezialisierung zur Folge und mehr Einzelgewerke, die koordiniert werden mu¨ssen. • Lage der Baustelle: Hinzu kommen vermehrt innersta¨dtische Pro- blemzonen mit schwierigen Zufahrtssituationen und geringen Arbeits- ra¨umen, 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 Fußga¨ngerzone 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 Geba¨ude und Anlagen so- wie der Verkehrsinfrastruktur sind vermehrt Aufgaben in der Bauwirt- schaft. Die reinen Neubauten sind wegen Kosten und Platzmangel zu- nehmend seltener. Gru¨nde hierfu¨r sind einerseits im privaten Bereich der demografische Wandel und der Trend zu mehr Single-Haushalten und andererseits im gewerblichen Bereich ku¨rzer werdende Produktzy- klen sowie ein erho¨hter Innovationsdruck, der laufende Anpassungen auch der Immobilien erfordert. Randbedingungen sind die in der Re- gel noch schlechteren Platzverha¨ltnisse als im Neubau und der unter Umsta¨nden notwendige Weiterbetrieb des Geba¨udes, der Anlage oder auch der Infrastruktur. Im Gewerbe- und Industriebau sind Weiter- nutzungen wa¨hrend eines Umbaus die Regel. • Vorfertigung: Die versta¨rkte Vorfertigung und das industrialisierte Bauen ([NNb03], [Hoc02]) verlangen eine entsprechende Vorplanung und damit Daten und Informationen u¨ber Planungsentscheidungen. Hier kommt es auf der Baustelle immer wieder zu Konflikten, wenn es zu Umplanungen kommt [Ols77]. Daru¨ber hinaus hat das industriali- sierte Bauen Auswirkungen einerseits auf la¨ngere Transportwege, da die Spezialisierung auf Vorfertigung die Lieferdistanzen erho¨ht, 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 stationa¨ren Industrie weiter hinter- her. Eine Erhebung des statistischen Bundesamtes fu¨r das Jahr 2005 ermittelte niedrige Nutzungswerte im Vergleich zu den anderen Wirt- schaftszweigen [NNb06]. Die Prognosen und Perspektiven fu¨r das B2B- Gescha¨ft [Pfo05] deuten zwar hier auf eine deutliche Verbesserung hin, aber dies gilt auch fu¨r die anderen Branchen. • Personal: Mit dem derzeitigen positiven Zahlen kommt ein weiteres Problem auf die Bauunternehmen zu: der Fachkra¨ftemangel auf allen Ebenen eines Unternehmens. Neben dem demografischen Wandel hat die Baukrise zu immer kleiner werdenden Ausbildungs- und Studien- zahlen gefu¨hrt. Alle Trends weisen darauf hin, dass die Komplexita¨t von Bauaufgaben und deren Erstellung weiter steigen wird und Instrumente notwendig sind dieser 1.3. ZIEL DER ARBEIT 5 Komplexita¨t 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 koha¨rieren. 1.3 Ziel der Arbeit Ziel dieser Arbeit ist es, ein simulationsgestu¨tzes Verfahren zu entwickeln, dass es ermo¨glicht, im Vorfeld verschiedene Logistikkonzepte fu¨r 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 beschra¨nkt wird. Die Ergebnisse erga¨nzen das Expertenwissen durch konkrete Zahlenwerte und unterstu¨tzen den Entscheidungsprozess u¨ber den Vergleich von Alter- nativen. Damit lassen sich mo¨gliche Produktivita¨tssteigerungen auch bei komplexer werdenden Bauvorhaben schnell und kostengu¨nstig im Vorhinein testen. Das Instrument fu¨r 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 Materialflu¨sse einer Baustelle simuliert, die an der Baustellengrenze beginnen, eine evtl. Zwischenlagerung beinhalten und mit dem Erreichen des Einbauortes enden. Datengrundlage fu¨r die Materi- alstro¨me der Baustoffe ist das bauteilorientierte 3D-CAD-Modell (Geba¨ude- modell). Das Modell stellt u¨ber eine Schnittstelle alle Eigenschaften der Bauteile wie • Baustoffe, • Volumen, • Masse, • Lage im Raum, usw. bereit. Die Terminplanung liefert die Informationen des Arbeitsbeginns und des Fertigstellungszeitpunktes der Bauteile, sowie die Verknu¨pfung der Ta¨tig- keiten. Daru¨ber hinaus werden die Transportwege, die Transportmittel, die Umschlagmittel und die Zwischenlagerorte der Arbeitsvorbereitung entnom- men. Die Kapazita¨t 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- terialflu¨sse beeinflussen ko¨nnen, werden abgescha¨tzt. Dies ist z. B. die Nut- zung des Krans fu¨r den Transport von Bauhilfsstoffen und sonstigem Hilfs- Material wie Schalung oder Geru¨stmaterial. Unplanma¨ßige Sto¨rfaktoren wie 6 KAPITEL 1. EINLEITUNG Witterungseinflu¨sse oder Maschinenausfa¨lle werden im Rahmen dieser Ar- beit als Erweiterungsmo¨glichkeit angesehen. Mit Hilfe der Simulation wer- den mo¨gliche 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 mo¨glich. Eine Visualisierung der Materialstro¨me auf Grund der in der Simulation ermittelten Daten ist ein ’Nebenprodukt’, welches die Ergebnisse transparent und in gewissen Grenzen u¨berpru¨fbar 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 Produktivita¨t zu steigern. Die Arbeitsvorbereitung wird in der Praxis aus Kostengru¨nden ha¨ufig vernachla¨ssigt. Das Expertenwissen ist meist die Entscheidungsgrundlage im Baubetrieb. In der vorliegenden Ar- beit werden erstmals die Daten eines Geba¨udemodells mit denen des Bauzei- tenplans zu einer Systemlast fu¨r eine Materialfluss-Simulation kombiniert. Damit ist es mo¨glich Materialfluss-Simulationen, wie sie aus der stationa¨ren Industrie bekannt sind, auch im Bauwesen zu nutzen. SIMUBAU entha¨lt mehrere Komponenten mit denen die Materialflu¨sse individueller Bauvor- haben schnell und flexibel modelliert werden ko¨nnen. Der modulare Aufbau ermo¨glicht es SIMUBAU zu erweitern und zu verfeinern. Durch den laufen- den Abgleich mit der Baupraxis werden langfristig die Simulationsergebnisse das bisherige Expertenwissen weiter erga¨nzen. Abgrenzung: Der Materialfluss ist nur eine Komponente, die die Terminplanung und da- mit den Bauablauf beeinflusst. Weitere Komponenten sind Komplexita¨t des Bauvorhabens, Qualita¨t, Anzahl und Motivation der Bauarbeiter, Qualita¨t der Baustelleneinrichtungsplanung usw. Die Optimierung des Materialflusses kann nur in Abha¨ngigkeit vom vorgegebenen Bauablauf erfolgen. Abbildung 1.1 zeigt, dass die Baulogistik vom Baubetrieb abha¨ngt und diese wiederum vom gewa¨hlten Bauverfahren, bzw. der Tragwerksplanung (vgl. [Len96]). Eine Beeinflussung und damit eine A¨nderung der vorgelagerten Bereiche ist die Ausnahme, da dann in diesen Umplanungen erforderlich sind, die wiederum auf die nachgelagerten Bereiche einwirken, was zu Mehraufwand fu¨hrt, der vermieden werden sollte. Ein Beispiel einer solchen Ausnahme wa¨re die Umstellung des Bauverfahrens von Fertigteile auf Ortbeton, wenn die Transportkapazita¨ten fu¨r Fertigteile nicht ausreichen. Die Umplanungen wu¨rden die Datengrundlage des Modells vera¨ndern und auch den Bauablauf. Zu Beginn eines Projekts sind die Einflussmo¨glichkeiten 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 und liefert Auslastungen der genutzten Ressourcen im Verlauf der Bauzeit. 1.4. GLIEDERUNG DER ARBEIT 7 Bauverfahren Baubetrieb/ Arbeitsvorbereitung Baulogistik Planung 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 Einfu¨hrung 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 bescha¨ftigen. Hierbei werden verschiedene Ansa¨tze 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 fu¨r die Modellbildung wichtig sind, erla¨utert. Darauf aufbauend werden Logistikstrategien fu¨r 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 u¨ber verschiedene Darstellungsweisen ein allgemeines Konzeptmodell einer Baustelle aufgebaut. Aus 3D Geba¨udemo- 8 KAPITEL 1. EINLEITUNG delldaten wird mit Hilfe des Bauzeitenplans eine Systemlast fu¨r das Modell generiert. Daran anschließend werden die entwickelten Modellbausteine von SIMUBAU beschrieben, die fu¨r die Abbildung der logistischen Prozesse not- wendig sind. Die Erla¨uterungen zur Modellpru¨fung und die entsprechenden Nachweise folgen im Anschluss. Die Beschreibung der Strategien und Re- geln aus ’Simulationssicht’, die zu den oben erwa¨hnten Logistikstrategien korrespondieren, beendet das Kapitel. In dem Kapitel Anwendungsbeispiel folgt nach einer Beschreibung eines Bau- vorhabens, das simuliert wurde, die Auswertung der Strategien und die Darstellung der Ergebnisse. Speziell wird der Einsatz von Etagenla¨gern, die Einfu¨hrung von Lieferzeitfenstern sowie die Bauzeitverku¨rzung unter- sucht. Zusa¨tzlich werden einige Sondervarianten untersucht, deren Ergeb- nisse ebenfalls bewertet und auf Allgemeingu¨ltigkeit hin gepru¨ft werden. Im diesem letzten Kapitel wird eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben, wobei insbesondere auf den weiteren Forschungsbedarf fu¨r die Si- mulation von Logistikprozessen eingegangen wird. Kapitel 2 Stand der Baulogistikforschung Ausgehend von einer kurzen Einfu¨hrung des Logistikbegriffs mit einer hori- zontalen und einer vertikalen Sichtweise wird in diesem Kapitel die Baulogis- tikforschung dargestellt und, so weit mo¨glich, mit Praxisbeispielen erga¨nzt. Des Weiteren wird der Stand der Forschung hinsichtlich der Anwendung von Simulationsmethoden im Bauwesen wiedergegeben. 2.1 Logistik Neben einer Reihe weiterer Definitionen fu¨r Logistik sei hier stellvertretend die Definition von Ju¨nemann wiedergegeben: Logistik ist die ”wissenschaft-liche Lehre von der Planung, Steuerung und U¨berwachung der Material-, Personen-, Energie-, und Informationsflu¨ssen in Systemen“ [Ju¨n98]. Verku¨rzt 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 ha¨ufig noch durch weitere wie richtige Menge, richtige Qualita¨t oder richtiger Preis erga¨nzt. Die Logistik wurde bis 1945 im rein milita¨rischen Zusammenhang gebraucht. Die logistischen Planungsteams des amerikanischen Milita¨rs legten im zwei- ten Weltkrieg die Grundlagen einerseits fu¨r 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 Ju¨nemann auch als horizonta- ler Aufbau der Unternehmenslogistik bezeichnet wird [Ju¨n98]. Die vertikale Gliederung der Unternehmenslogistik bezieht sich auf die drei Ebenen Mana- gement, Logistik und Materialfluss [Ju¨n98]. 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 vertikale Sichtweise Abbildung 2.1: Ganzheitliche Betrachtung der Logistik nach [Kra01] und [Ju¨n98] (Abteilungsdenken) wird durch ein flussorientiertes Prozessdenken ersetzt [Kra01], [Wom92]. Dieses beinhaltet immer eine Quelle-Senkenbeziehung, womit einerseits eine Kunden-Lieferantenbeziehung und andererseits eine Wertscho¨pfung innerhalb des Prozesses ausgedru¨ckt wird. Mit Kunden sind nicht nur die Endkunden gemeint, sondern alle beteiligten Akteure entlang der Logistikkette innerhalb eines Unternehmens und u¨ber Unternehmens- grenzen hinweg. Das Kundendenken mit dem Ziel dessen Bedu¨rfnisse zu befriedigen [Pfo03]bricht das Abteilungsdenken auf und integriert die Vor- raussetzungen fu¨r den darauffolgenden Prozess. Der andere Aspekt, die Wertscho¨pfung, verdeutlicht, dass Prozesse einen wertscho¨pfenden Beitrag zum Gesamtprodukt leisten sollen. Womack spricht von ”mudda“ [Wom92], dem japanischen Wort fu¨r Verschwendung, wenndies nicht der Fall ist. Logistikaktivita¨ten erho¨hen den Gebrauchswert eines Gutes durch eine bessere Verfu¨gbarkeit und nicht zwangsla¨ufig durch eine bessere Eignung [Pfo03]. Prozesse sind selbsta¨hnlich, d. h. jeder Prozess kann in eine eigene Prozess- kette mit ho¨herer Genauigkeit u¨berfu¨hrt werden [Kuh95] . Prozesse ko¨nnen damit auf einer gro¨beren, u¨bersichtlicheren Ebene bis hin zur Detailebene auf diese beiden Aspekte hin untersucht werden, womit die ganzheitliche Sichtweise ausgedru¨ckt wird. Zielsetzung logisitischer Aktivita¨ten ist es, die Materialien schnell durch die Teilsysteme eines Unternehmens oder einer Or- ganisation ”fließen“ zu lassen, um eine hohe Wertscho¨pfung zu generieren. Die Basis der Logistik bilden die Sa¨ulen Technik, Informatik und Betriebs- 2.2. BAULOGISTIK 11 wirtschaft (vgl.2.2). Zur Technik geho¨ren alle Materialflusselemente, die an Technik Informatik Betriebs- und Volkswirt- schaft Logistik Abbildung 2.2: Die drei Sa¨ulen der Logistik nach [Ju¨n00] der physikalischen Umsetzung der logistischen Grundprozesse Transport, Umschlag, Lagerung (TUL-Prozesse) beteiligt sind. Dazu geho¨ren außer- und innerbetriebliche Transportmittel, Beha¨lter, Fo¨rdersysteme, 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 [Ju¨n00]. Die Informatik bildet die Grundlage fu¨r den u¨berwiegend elektronischen Informationsfluss, der Daten und Informationen verwaltet, und dem Ma- terialfluss vorauseilt. Die Informatik durchdringt alle Unternehmensebenen und verbindet sie u¨ber den Informationsfluss. Die Betriebswirtschaft leistet den entsprechenden wirtschaftlichen Beitrag zu den oben genannten Prozessen und ist letztendlich der Treiber fu¨r jegliche logistische Aktivita¨t in Wirtschaftssystemen [Pfo03]. 2.2 Baulogistik Wie die klassische Logistik durchla¨uft 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 erla¨utert. Abbildung 2.3 liefert einen U¨berblick u¨ber die drei Phasen der Baulogistik, die natu¨rlich nicht ganz trennscharf zu sehen sind. Logistische Fragestellungen wurden auch vor Einfu¨hren 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 erga¨nzt. 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 Anfa¨ngen der 1990er Jahre [Eng91], [Les94], [Mai95]. Dort wurde der Begriff Logistik im Zusammenhang mit dem Bauwesen eingefu¨hrt [Kul81], [Eng91] und auf die materialflusstechni- schen Besonderheiten 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 fu¨r die mangelhafte Sensibilita¨t im europa¨ischen 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 fu¨r 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 burtsstunde der 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- terialstro¨me der Ver- und Entsorgung stellte. Man muss dabei zwischen dem Bereich Nord und dem Bereich Su¨d mit dem Potsdamer Platz unterscheiden. Berechnungen eines einzelnen Bauvorhabens haben ergeben, dass ca. 60.000 LKW-Einheiten pro Jahr erforderlich gewesen wa¨ren. Fu¨r alle Bauvorhaben ha¨tte dies 1.700 LKW-Einheiten/d und damit den Verkehrsinfarkt fu¨r den Innenstadtbereich Berlins bedeutet. Abbildung 2.4: Inselversorgung Da die beiden Bereiche durch den Gru¨ngu¨rtel Tiergarten getrennt wa- ren, wurden zwei Logistikbereiche eingefu¨hrt. Die Baulogistik stu¨tz- te sich auf zwei Maßnahmen: zum Einen die Nutzung der Verkehrs- tra¨ger Bahn und Schiff. Zum Ande- ren wurden die Verkehrsstro¨me u¨ber Logistikzentren in der Na¨he der Bau- stellen gebu¨ndelt. Fu¨r die beiden Verkehrstra¨ger, u¨ber die ca. 90% der Transporte abgewickelt wurden, sprach neben der Umweltfreundlich- keit und Straßenentlastung vor al- lem die Leistungsfa¨higkeit. Fu¨r den Logistikbereich Su¨d wurde 1993 die Baustellenlogistik Potsdamer Platz GmbH (Baulog) gegru¨ndet [Mai95]. Der Logistikbereich Su¨d mit der Bau- log stand seit dem immer mehr im Mittelpunkt des Interesses als der Be- reich Nord, obwohl sich die Ver- und Entsorgungsmengen fu¨r beide Bereiche ungefa¨hr die Waage halten. Fu¨r die Umsetzung des Logistikkonzeptes der Baulog wurde eine Basisinfrastruktur erstellt. Eine vom o¨ffentlichen 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 Bauabfa¨lle, sowie das Grundwassermanage- ment [Huf97]. Die Baulog musste die Versorgungssicherheit aller Baustellen garantieren. Die Baulog bildete quasi ein Monopol, womit ein Stu¨ck Mark- wirtschaft verloren ging [Die94]. Die Zufahrtsregelungen waren rigide: Je- de Transportgenehmigung fu¨r LKW kostenpflichtig, wobei unangemeldete Transporte zuru¨ckgewiesen wurden[Dom97]. Man sprach in diesem Zusam- menhang auch von Umerziehung der Firmen [Dom97]. Die Dispositionss- pielra¨ume der Unternehmen wurden eingeschra¨nkt. Beim Baulog-Leitstand, der die logistischen Maßnahmen steuerte, wurde ein Visualisierungsverfahren [Ste02] eingesetzt. Es visualisierte die einge- setzten logistischen Ressourcen wie Logistikpla¨tze, Transportwege, Deponi- en usw, um diese entsprechend dynamisch planen, steuern und kontrollieren zu ko¨nnen. Andererseits diente es als DV-gestu¨tztes Planungs- und Kon- trollsystem der Umschlageinrichtungen und der Transportwege, um deren Kapazita¨ten zeitnah als Information fu¨r die Beteiligten zur Verfu¨gung zu stellen. Im Logistikbereich Nord wurden Zeitfenster fu¨r die Anlieferung von Mate- rial eingefu¨hrt, was eine Entzerrung und eine bessere Ausnutzung der Bau- straßen zu Folge hatte. Die Verweildauer der LKW auf dem Gela¨nde wurde begrenzt und konnte mit einem Satellitenortungssystem kontrolliert werden. Das Konzept Baulog war erfolgreich, der Verkehrsinfarkt wurde vermieden, die Verkehrsverlagerung erreicht und eine Bu¨ndelung der Verkehre hat statt- gefunden [Bau97]. Die Bauzeiten wurden im Wesentlichen eingehalten, bzw. das Projekt war u¨berhaupt durchfu¨hrbar. Die Frage, ob die ausfu¨hrenden Unternehmen selbst davon profitiert haben, bleibt z. T. offen [Bau97]. Die Maßnahmen waren restriktiv und haben den freien Wettbewerb teilweise unterdru¨ckt. Die Baulogistik hat zusa¨tzlich ca. 130 Mio. DM gekostet, das sind 1,2% der Bausumme im Logistikbereich Su¨d [Mai95]. Ob es durch die restriktiven Maßnahmen nicht auch zu Verzo¨ge- rungen gekommen ist, ist ebenso offen wie die Auswirkungen der Marktbe- schra¨nkung. Dies ist systemimmanent, da ein Vergleich einfach nicht mo¨glich ist. Zusammenfassend sind die Einzelaspekte der Logistikkonzepte dieser Ent- wicklungsphase aus Theorie und Praxis dargestellt: • Methodische Beschaffung fu¨r Auslandsbaustellen • Einrichtung eines Logistikleitstandes • Abkoppelung des Baugela¨ndes vom o¨ffentlichen Verkehrsraum (Insel- Fa¨hren-Prinzip) 2.2. BAULOGISTIK 15 • Zugang nur u¨ber die Logistikbereiche • Ausstellung von Transport- und Sondertransportgenehmigungen • gestaffeltes Entgeldsystem fu¨r alle Zulieferer • Vorgaben von Anlieferungszeitfenstern • Kontrolle des LKW-Verkehrs auf dem Baustellengela¨nde via Satellit • Zeitliche Beschra¨nkungen des LKW-Aufenthaltes auf dem Baustellen- gela¨nde Der Zielkonflikt zwischen Qualita¨t, Zeit und Kosten wird immer der Haupt- fokus der Unternehmen sein und muss daher auch immer der der Baulogis- tik sein. Mo¨gliche Verkehrsverlagerungen oder Verkehrsvermeidung sind aus Unternehmenssicht nur Nebenprodukte aus dem Erreichen der Zielkonflikt- komponenten. Die angewandten Konzepte sind jedoch wegen der Gro¨ßenordnung und Auf- gabenstellung nicht oder nur in Teilen auf andere Baustellen u¨bertragbar. Wenn gleich es eine solch große Baustelle in einem innersta¨dtischen Bal- lungsraum die na¨chsten Jahre und Jahrzehnte ho¨chst wahrscheinlich nicht mehr geben wird, hat diese doch einen wichtigen Impuls gegeben u¨ber 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 gepra¨gt von tiefer- greifenden Logistikkonzepten. Diese Phase ist vergleichsweise kurz, da recht schnell ein umfassenderer Logistikbegriff in der Entwicklungsphase 3 2.2.3 eingefu¨hrt wird. Mehrere Studien [Ber83] [Boe02a], [Sch02] belegen die man- gelnde Produktivita¨t auf der Baustelle. Boenert stellt in [Boe02a] das Konzept eines Logistikkoordinators vor, der bei einem Bauvorhaben im Schlu¨sselfertigbau fu¨r die Logistik verantwortlich ist. Dies schließt wie im Baulog-Konzept eine Transportkoordinierung mit Anmeldung und Genehmigung ein (Beschaffung). Dazu geho¨ren auch das Fla¨chenmanagement und die Kla¨rung der Liefermen- genbedarfe. Beim Fla¨chenmanagement wird die Etagenlogistik vorgeschla- gen, bei der die Gewerke in den Etagen tempora¨r Zonen erhalten, wo das einzubauende Material in Na¨he 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 fu¨r mittelsta¨ndische Bauunternehmen entwickelt [Mar01]. Ziel war es, das E-Business in der mittelsta¨ndischen Bauwirtschaft ein- zufu¨hren und Angebots-, Bestell- und Lieferprozesse durch das Internet zu vereinfachen und zu beschleunigen. A¨hnliche Untersuchungen wurden an der TU-Berlin [Ott01] gemacht. Diese Phase ist gepra¨gt durch die praktische Anwendung jenseits der Mega- projekte wie der Potsdamer Platz und stellt die Logistik als ’natu¨rlichen’ Teil der Bauausfu¨hrung dar. Die Elemente dieser Phase sind zusammengefasst: • Denken in logistischen Einheiten • Einsatz eines Logistik-Koordinators • Einfu¨hren von E-Business in der Bauwirtschaft • Lieferkonzepte bis zum Einbauort • Etagenlogistik • zentrale Entsorgungslogistik 2.2.3 Entwicklungsphase 3 ’Wertscho¨pfungsdenken, Logistik- planungsinstrumente’ Anfang der 2000er Jahre wurde der Begriff Baulogistik in der Forschung sta¨rker gefu¨llt und es folgten einige Dissertationen zu dem Thema mit un- terschiedlichen Schwerpunkten. Unternehmensu¨bergreifende Kooperationen ru¨ckten in den Fokus und die Managementebene (vgl. Abb. 2.1)wurde sta¨rker betont, wobei die Integration der Logistik in die Planung ein Schritt in diese Richtung ist. Einen ganzheitlichen Ansatz beschreibt Grote [Gro02]. Fu¨r die Organisation und Steuerung einer Baumaßnahme schla¨gt er die Nutzung der Kybernetik vor (”KOPF“). Die steigende Komplexita¨t heutiger Bauvorhaben steht imVordergrund 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 fu¨r 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 Arbeitsfla¨chen von ca. 300 m2 eingeteilt, so dass anteilig die Positionen diesen Arbeitsfla¨chen zugeordnet werden konnten. Neben einer vereinfachten Abschlagsrechnungsstellung u¨ber die Arbeitspa- kete, sollte die Kontrolle der Produktivita¨t und die Just-in-Time Lieferung der Baustoffe ermo¨glicht werden. Die Kontrolle der Produktivita¨t erfolgt u¨ber den Soll-Ist-Vergleich der Arbeitsstunden fu¨r 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] Kalku¨hler fu¨hrt in seiner Arbeit [Kal03] eine ABC-Analyse u¨ber die Gewer- ke im schlu¨sselfertigen Hochbau durch, um die Kostentreiber einer Baumaß- nahme zu ermitteln. Im Anschluss macht er, a¨hnlich wie Leinz, Vorschla¨ge, welche Beschaffungsprozesse sich jeweils fu¨r die A-, 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 fu¨r Nachtra¨ge gesenkt werden ko¨nnen. Schmidt greift in seiner Arbeit [Sch03] den Supply Chain Management - Gedanken (=SCM) der stationa¨ren Industrie auf und entwirft ein dem Bau- wesen angepasstes SCM System. Er entwickelt eine sogenannte ”ProjektSupply Chain“, um dem Projektcharakter des Bauwesens abzubilden. Basis fu¨r Verbesserungen in dieser Projekt Supply Chain sieht Schmidt in der von Goldratt entwickelten Theorie der Engpa¨sse. Schmidt fordert fu¨r folgende Elemente im Bauwesen den Aufbau von Supply Chains: • Baukonstruktion, 18 KAPITEL 2. STAND DER BAULOGISTIKFORSCHUNG • Baugera¨te, • Baustoffe, • Bauausfu¨hrung, • Baustoffentsorgung. Wie in Kapitel 2.1 erla¨utert stellt die unternehmensu¨bergreifende Logistik wie der Supply Chain Management Ansatz die z. Z. ho¨chste 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 A¨ußerungen von Praktikern in [Sch03] deutet an, dass es bis zur tatsa¨chlichen Umsetzung solcher Ansa¨tze noch weit hin ist. Krauß entwickelt in ihrer Arbeit [Kra05] ein Modell zur systematischen Plan- ung von Logistikprozessen auf Baustellen in der schlu¨sselfertigen Ausfu¨hrung 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 fu¨r die Steuerung und Kontrolle der Prozesse in der Ausfu¨hrungsphase. Krauß unterscheidet in ihrem Ansatz Fertigungs- und Logistikprozesse, deren Abha¨ngigkeiten im ”Verlauf der Bauzeit nur unzureichend“ beru¨cksichtigt werden. Ihr Mo-dell stellt die Fertigungs- und Logistikprozesse so in Beziehung, dass die Fertigungsprozesse von den Logistikprozessen unterstu¨tzt werden und die erforderlichen Ressourcen erhalten. Das Modell besitzt fu¨r folgende Punkte Eingabemasken: • allgemeine Pojektdaten, • Fla¨chenmodell, • Materialflussmittel, • Infrastrukturfla¨chen, • Fertigungsprozesse, • Ver- und Gebrauchsressourcen, • Versorgungsprofile, • Ablaufpla¨ne. Das Modell berechnet auf Grund der Eingabedaten die Dauern und Anfangs- sowie Endzeitpunkte der Logistikprozesse, sowie die Kapazita¨tsauslastungen der Ressourcen, wobei Konflikte gepru¨ft und durch den Anwender behoben werden ko¨nnen. 2.2. BAULOGISTIK 19 Die Entwicklung der I&K-Technologie ist fu¨r 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 unterstu¨tzen ko¨nnen. Die Einsatzmo¨glichkeiten sind da- bei vielfa¨ltig, angefangen von elektronischen Stundenzetteln u¨ber Abnahme- unterstu¨tzungen bis hin zum elektronischen Lieferschein. Aktuell wird der Einsatz von RFID-Technologie im Bau untersucht. Diese Informationen, die elektronisch verfu¨gbar sind, ko¨nnten ebenfalls in einer Simulation genutzt werden. Arbeiten, die keinen unmittelbaren logistischen Hintergrund haben, aber fu¨r diese Arbeit wichtig sind, werden im Folgenden erwa¨hnt. To¨pfer stellt in ihrer Arbeit [To¨p01] Grundlagen fu¨r eine manuelle und rechnergestu¨tzte Baustelleneinrichtungsplanung vor, wa¨hrend Bo¨ttcher [Bo¨t94] auf die rech- nergestu¨tzte Arbeitsvorbereitung eingeht. Ebenfalls mit der Layoutplanung von Baustellen bescha¨ftigt 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 Produktivita¨t 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 fru¨her eingesetzt. Koskela beschreibt bereits 1992 in [Kos92] die Mo¨glichkeiten einer U¨bertragung des Lean Pro- duction1 Gedankens auf die Bauindustrie. Wenngleich die Logistik nicht ex- plizit genannt ist, ru¨cken 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 La¨ndern, die sich zunehmend mit Supply Chain Management in Construction (z. B. [OBr99]), oder Just-in-Time Strategien [Ber97] bescha¨ftigen. 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 fu¨r Verschwendungen und Problemen meist nicht in der Stufe, in der sie auftreten, sondern in einer ihr vorgelagerten und ha¨ufig auf einer ho¨heren Organisationsebene. Die Ergebnisse machen deutlich, dass eine mo¨glichst umfassende Betrachtung der Prozesse notwendig ist. Die Diskussionen und Untersuchungen im Forschungsbereich bezu¨glich der Baulogistik finden zunehmend in den Hand- und Lehrbu¨chern fu¨r 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 U¨berblick u¨ber den Stand der Forschung bezu¨glich der Simulation von Bau- und Logistikprozessen auf Baustellen. Es erfolgt wo- bei zuna¨chst eine Bestandsaufnahme der Forschung im englischsprachigen Ausland. Die im Anschluss aufgefu¨hrten spa¨teren Arbeiten aus dem deutsch- sprachigen Raum unterstreichen die Anwendungsbreite von Simulation als Methode im Bauwesen. Simulationen werden dann eingesetzt, wenn ein System zwar modelliert, aber die Fragestellung nicht analytisch gelo¨st 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 zuru¨ck. Das bekannteste Simulationswerkzeug im internationalen Raum fu¨r das Bauwesen ist CYCLONE, dass bereits 1973 von Halpin entwickelt wurde [Hal92]. Dieses bildet die Grundlage fu¨r eine Reihe von Weiterentwicklun- gen in diesem Gebiet. CYCLONE zeichnete sich durch die grafische Un- terstu¨tzung und die Einfachheit der Modellierung aus, die allerdings wieder- um die Anwendung bei komplexen Prozessen einschra¨nkte. Es folgten Werkzeuge wie INSIDE, RESQUE, UMCYCLONE, CIPROS, STROBOSCOPE usw. (aufgefu¨hrt nach [Cha04]), die sich unter anderem dadurch hervortaten, dass der Funktionsumfang gro¨ßer wurde und die Mo¨glich- 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 fu¨r 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 Fla¨chenkomponente und einer Optimierungs- komponente. Die Planung von Baustellen in Bezug auf Sicherheit und Fla¨che 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 tempora¨rer Ressourcen, wie Bu¨ro-Container, Lagerfla¨chen usw. Die Minimierung der Wege zwischen den tempora¨ren Ressourcen unter Beru¨cksichtigung 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 Gro¨ße und die Komplexita¨t 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 Lo¨sungsan- 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. Zielgro¨ßen sind die Krananzahl, die Kranstandorte, sowie die Kranwahl und die Anzahl der Lkw in Abha¨ngigkeit 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 u¨ber das CAD-Layout parametrisiert ein Baustellenmodell generiert. Das Petrinetz, das das stochastische und dynamische Verhalten des Systems abbildet, wird u¨ber eine Schnittstelle in AutoCAD integriert und wird dort initialisiert. Das Modell bietet sowohl die Prozess- als auch die Projektsimulation an, wobei auf Prozessebene realita¨tsnahe Einsa¨tze von Baggern und Lkw abgebildet werden. Die Projektsicht bietet die Gegenu¨ber- stellung von Massenverteilungsvarianten auf Basis der abgebildeten Logis- tikprozesse an. In der CAD wurde ein anderer Weg beschritten. Sogenannte 4D-Modelle ver- knu¨pfen 3D CAD-Daten mit der ’vierten’ Komponente Zeit. Damit ko¨nnen Baufortschritte zu jedem beliebigen Zeitpunkt simuliert, oder besser visuali- siert [Cla02] werden, da von einer Simulation gesprochen wird, wenn die Zeit- 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 Vorga¨ngen aus Projektplanungs- programmen lassen sich u¨ber eine Schnittstelle (vgl. Kap. 5) realisieren. Der große Vorteil der Methode ist die Anschaulichkeit durch Visualisierung, die z. B. in der Bauu¨berwachung zum Tragen kommt. Echtzeitbilder (von Web-cams) der Baustelle werden den 4D Bildern gegenu¨bergestellt 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 bezu¨glich des Nutzens fu¨r das Baumanagement. Die Analyse-Funktionen seien noch nicht ausreichend. Daher beno¨tige man ein ”integriertes“ 4D Sys-tem, was ein ”direkte Verknu¨pfung“ von Netzplantechnik und 3D Informa-tionen zulasse. Kapitel 3 Systemanalyse Baustelle Die Systemanalyse Baustelle arbeitet die Besonderheiten des Bauwesens ge- genu¨ber der stationa¨ren 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 Beru¨cksichtigung der branchenspezifischen Eigenheiten fu¨r 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 na¨her erla¨utert. • Die Produktionssta¨tte ist tempora¨r. • Die zu errichtenden Bauobjekte sind standortgebunden. • Sie weisen einen Unikatcharakter (Einzelfertigung) auf. • Die Organisationsform ist projektartig. • Es existieren vergleichsweise ’viele’ Produktionssta¨tten. • Eine Baumaßnahme wird in spezialisierte Gewerke gegliedert. • Durch den Projektcharakter ist die Datenlage eingeschra¨nkt. 23 24 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE 3.2 Unterschiede zur stationa¨ren Industrie Die Automobilindustrie, als innovative, stationa¨re Industrie, wird ha¨ufig als Vorbild fu¨r die Bauindustrie herangezogen [Bar03]. In den USA und in Deutschland gibt es Ansa¨tze, den ’Lean Production’-Gedanken der japa-nischen Automobilindustrie auf den Bau zu u¨bertragen [Bal00], [Oll03]. Das Konzept, Kosten zu reduzieren und gleichzeitig die Qualita¨t zu erho¨hen, ist ein fu¨r die deutsche Bauwirtschaft erforderlicher Ansatz [Mor06]. In Deutsch- land wird im europa¨ischen Vergleich ”zu teuer gebaut“, was Blecken u. a. aufdie derzeitigen Wettbewerbsmodelle zuru¨ckfu¨hrt[Ble01]. Er sieht in Partne- ringansa¨tzen, wie sie in anderen Industrien erfolgreich eingesetzt werden, ein hohes Kostensenkungspotential. Im Folgenden werden Eigenheiten des Bau- wesens erla¨utert, die beachtet werden mu¨ssen, wenn Konzepte aus anderen Branchen auf das Bauen u¨bertragen werden sollen. 3.2.1 Tempora¨rer Standort Aufgrund des tempora¨ren Standorts muss sich der Baubetrieb stets auf neue, teils unbekannte Standortbedingungen einlassen, die zu Sto¨rfaktoren fu¨r die Produktion werden ko¨nnen: • Baugrund und Witterungsverha¨ltnisse, • vorgegebene Platzverha¨ltnisse fu¨r die Baustelleneinrichtung, • vorhandene Infrastruktur im unmittelbarer Umgebung, • evtl. o¨ffentliches Interesse am Standort (Umweltbeeintra¨chtigung) • o¨ffentlich-rechtliche Rahmenbedingungen Ein tempora¨rer Standort fu¨hrt außerdem zu einem ’Wegeproblem’. Wie aus Abbildung 3.1 ersichtlich a¨ndern sich die Wege fu¨r die Zulieferer bei einer neuen Baustelle. Teilweise werden Baustellen nur ein einziges Mal angefahren. Touren mu¨ssen neu disponiert werden, Fahrer sich auf neue Strecken einstellen. 3.2.2 Unikatcharakter und Gro¨ße der Objekte Bauwerke werden individuell unter Beru¨cksichtigung der Umgebung ein ein- ziges Mal geplant und gebaut. Bei Erstellung mehrerer gleichartiger Geba¨ude (z. B. Reihenha¨user) werden die individuellen Wu¨nsche der Bauherren beru¨ck- sichtigt. Der Unikatcharakter la¨sst sich am ehesten mit dem Prototypen- bau der stationa¨ren Industrie vergleichen, allerdings mu¨ssen bis zur Se- rienfertigung eine Reihe gleichartiger Prototypen gebaut werden, so dass 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATIONA¨REN 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 ha¨ufig die Beteiligten fu¨r jedes Vorha- ben neu zusammengestellt werden, so dass sich selten langfristige Kunden- Lieferantenbeziehungen (s. Kap. 3.2.3) bilden ko¨nnen. Der Unikatcharak- ter und die kurzfristigen Beziehungen fu¨hren neben den bereits erwa¨hnten Standortbedingungen (s. Kap. 3.2.1) dazu, dass auf Baustellen ha¨ufig im- provisiert [Kam94] wird. Der Unikatcharakter bedeutet nicht, dass sich die Prozesse oder die Bauver- fahren bei neuen Vorhaben grundlegend vera¨ndern [Ram01]. Im Gegenteil, viele Prozesse des Bauwesens sind in sich wiederkehrende Prozesse, die sich teilweise gut fu¨r die Simulation eignen [Hal99]. Die Gro¨ße des zu erstellenden Objekts ist ebenfalls von Bedeutung. Ein Bauwerk ist um ein vielfaches gro¨ßer als typische Produkte1 der stationa¨ren Industrie. In der stationa¨ren Industrie fließen die Objekte durch die Produktion und werden an jeder Station vera¨ndert (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 a¨hnliche Bauabschnitte gefertigt werden. In Abbildung 3.2 sind die Arbeitsgruppen so getaktet, dass die Arbeits- leistung fu¨r jeden Abschnitt gleich ist. So kommt es nicht zu gegenseitigen Behinderungen. Die zweite Arbeitsgruppe kann unmittelbar mit ihrer Arbeit im ersten ra¨um- lichen Abschnitt beginnen, sobald die erste Gruppe in den zweiten Abschnitt wechselt. Sind die Arbeitsleistungen unterschiedlich (unterschiedliche Stei- 1Eine Ausnahme bilden sicherlich ’Produkte’ wie Schiffe [Ste06] oder Flugzeuge, die a¨hnliche Gro¨ßenordnungen aufweisen. Hier gibt es Anknu¨pfungspunkte zur Baulogistik. 26 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE V t Arb eits gru pp e 1 Abschnitt 1 2 3 n tt t t Arb eits gru pp e 2 Arb eits gru pp e 3 Arbeitstakte Abbildung 3.2: Taktfertigung gungen) kommt es zu ra¨umlichen Konflikten, oder zu nicht ausgelasteten Abschnitten (zeitliche Verschwendung). Ein Geba¨ude ’wa¨chst’, womit sich Gro¨ße und Gestalt a¨ndern. Funktions- fla¨chen und Verkehrswege passen sich den Vera¨nderungen an. Nicht das Produkt fließt an den Arbeitsstationen entlang, sondern die ’Arbeitspla¨tze’ bewegen sich am entstehenden Objekt entlang [Bau92]. Der Materialfluss folgt den Arbeitspla¨tzen, der Ort der Senke a¨ndert sich folglich mit der Bewegung der Arbeitspla¨tze. Senke 2 Senke 1 Senke 3 Senke 4 Senke 5 Abbildung 3.3: Materialfluss im Hochbau 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATIONA¨REN INDUSTRIE 27 Krauß schla¨gt hierzu in [Kra05] ein ”Fla¨chenmodell“ vor, um die Funktions-fla¨chen ra¨umlich zuzuordnen. Damit lassen sich nicht nur Fla¨chen innerhalb von Geba¨uden, a¨hnlich wie Mietfla¨chen im Facility Management, verwalten, sondern auch Freifla¨chen der Baustelleneinrichtung. Abbildung 3.3 veranschaulicht den Materialfluss innerhalb eines Geba¨udes. Es wird deutlich, dass das Material im Geba¨ude verteilt wird und fu¨r eine Materialart die lokale Senke nur einmal vorhanden ist. Fu¨r die Berechnung der Materialflu¨sse muss man die Wege kennen, u¨ber die das Material trans- portiert wird, da der Zeitverbrauch und damit die Kosten pro Ressource abha¨ngig von der zuru¨ckgelegten Strecke ist. In Produktionsanlagen werden ha¨ufig 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, erha¨lt man die Transportleistung. Mit Hilfe von Sankey- Diagrammen werden Materialstro¨me innerhalb einer Produktionsanlage vi- sualisiert. Fu¨r das Bauwesen wa¨re ein solches Vorgehen selbst bei einer star- ken Vergro¨berung immer noch zu aufwa¨ndig. Die Einmaligkeit des Bauwerks [Anzahl Behälter/Schicht] Senke Quelle Ko ns ig na tio ns la ge r ( 1) Sp al ta nl ag e (2 ) Co ila ge r ( 3) Sp er rla ge r ( 4) Pr es se (5 ) LK W -E nt la du ng ( 6) W er kz eu gl ag er ( 7) La ge r_ ne u (8 ) Le er gu tla ge r _ (a uß en ) (9 ) M ag az in (1 0) Sc hr ot tp la tz ( 11 ) Pr es sw er k- Üb er ga be pu nk t ( 12 ) Pr es sw er k- Ha lle 1 ( 13 ) Pr es sw er k- Ha lle 2 ( 14 ) Sc hw ei ße re i- al lg . (1 5) Sc hw ei ße re i- Au fh än ge p Sc hw ei ße re i- Au fh än ge pu nk t 2 ( 17 ) TK M -Ü be rg ab ep un kt (1 8) TK M -a llg . ( 19 ) I-P un kt 1 1 (2 0) La ge r-a llg . ( 21 ) La ge r-L KW -B e- un d En tla du ng (2 2) I-P un kt 1 2 (2 3) Jit -L ag er -a llg . ( 24 ) Jit -L ag er -L KW -B el ad un g (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 fu¨r eine Quelle-Senke-Matrix wu¨rde eine solche Maßnahme kaum rechtfertigen. Mit der Dynamik der We- ge wird ein weiteres Kennzeichen des Bauwesens deutlich: Die Vera¨nderun- gen des Bauwerks an sich fu¨hren zu Verlagerungen der Funktions- und der Verkehrsfla¨chen, was zusa¨tzlich zu Umstellungen der Materialflu¨sse fu¨hrt. Girmscheid nennt den Projektcharakter sowohl innovationshemmend als auch innovationsauslo¨send [Gir03], da prinzipiell jede Form der Projektarbeit einen hohen Grad an Kreativita¨t zula¨sst. Allerdings werden die fu¨r ein Pro- 28 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE jekt entwickelten Innovationen nicht fu¨r weitere Projekte genutzt. Das sieht Girmscheid als einen der ”Hauptgru¨nde“ fu¨r die unterdurchschnittliche In-novationsrate in der Bauwirtschaft. 3.2.3 Kunden-Lieferanten Beziehungen Wa¨hrend bei der Automobilindustrie ’viele’ Zulieferer ’wenige’ Hersteller2 beliefern, stehen ’viele’ Zulieferer ’vielen’ Baustellen gegenu¨ber. Ein Beispiel aus dem Wohungsbau zeigt, dass allein die Anzahl der Baugenehmigun- gen fu¨r Wohnungen sich im Jahre 2005 auf u¨ber 240 000 ([NNa05]) belief. Selbst unter der Annahme, dass mehrere Wohnungen zu einem Bauvorhaben geho¨ren, wird der Unterschied deutlich. Hierbei sind als Zulieferer nicht nur die Baustoffha¨ndler, sondern auch die Subunternehmer gemeint, die bei den Großunternehmen bereits 46% der Ta¨tigkeiten [NNb05] auf der Baustelle u¨bernehmen. Der Anteil an Nachunternehmerleistungen nimmt u. a. durch die Entwicklung des Schlu¨sselfertigbaus 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 fu¨r Subunternehmerta¨tigkeiten im Bauhauptgewerbe gen bis hin zur Erbringung von Bauleistungen fu¨r einzelne Gewerke, die z. T. noch in mehrere Teilauftra¨ge gesplittet sind, werden durch Subunterneh- mer durchgefu¨hrt. Die Vergabe erfolgt auch im Ausland [Vri99] meist an den gu¨nstigsten 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 STATIONA¨REN INDUSTRIE 29 sind die Zusammenarbeiten allein wegen der relativ hohen Investionen auf Seiten der Zulieferer la¨ngerfristig. Zum Aufbau von Strukturen, die nicht nur Einzelergebnisse, sondern Gesamtergebnisse verbessern, sind aber la¨ngerfris- tige Zusammenarbeiten notwendig [Ble01]. Dafu¨r ist ein Vertrauensaufbau notwendig, aber auch Investitionen, die auf diese Zusammenarbeit zuge- schnitten sind. Dies und der schon erwa¨hnte hohe Anteil an Kleinunterneh- men im Baubereich fu¨hren dazu, dass sich nur schwer Standards aufstellen lassen. Fu¨r den Bereich des Informationsaustausches wa¨ren Standards aber dringend notwendig. Der Einsatz von Informations- und Kommunikations- technologien (I&K), angefangen von der vernetzten Planung u¨ber internet- basierte Projektsteuerung bis hin zur Sendungsverfolgung von Baumaterial auf der Baustelle, sind im Bauwesen noch stark unterentwickelt und mu¨ssen weiter ausgebaut werden. 3.2.4 Gewerkesystematik und Auftragsvergabe Ein weiterer Unterschied zur stationa¨ren Industrie besteht darin, dass eine Baumassnahme traditionell in Gewerke gegliedert wird. Kostendruck und Materialentwicklungen haben zu einer immer sta¨rker werdenden Spezialisie- rung und damit zu einer Vermehrung der Gewerke auf Baustellen gefu¨hrt. Wa¨hrend es 1950 fu¨nf Gewerke gab [Gro02], sind es heute schon u¨ber sech- zehn. Zur einheitlichen und erscho¨pfenden Beschreibung von Bauleistungen fu¨r Ausschreibungen wurde 1965 vom Gemeinschaftsausschuss Elektronik im Bauwesen (GAEB) das Standard-Leistungsbuch (StLB) entwickelt. Ziel dabei war es, neben dem Finden einheitlicher Begriffsbestimmungen fu¨r Aus- schreibung, Angebot und Abrechnung auch den Datenaustausch mit Hilfe der elektronischen Datenverarbeitung zu ermo¨glichen. Insbesondere bei 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 eingefu¨hrte 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 ermo¨glichen. Es ist in 75 Leistungsbereiche auf- gegliedert, die relativ allgemein die enthaltenen Leistungen kategorisieren. Innerhalb der Bereiche werden die einzelnen Leistungen speziell beschrieben. Beispiele fu¨r die Bereiche sind: • 000 Sicherheitseinrichtungen, Baustelleneinrichtungen, • 001 Geru¨starbeiten, • 002 Erdarbeiten, 30 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE • 003 Landschaftsbauarbeiten, usw. Weiterhin werden die 75 Bereiche in 14 Leistungspakete nach u¨bergeordne- ten Baukategorien zusammengefasst. In das Paket Rohbau werden beispiels- weise alle diesen Bauabschnitt betreffenden Leistungsbereiche eingeordnet: • 000 Sicherheitseinrichtungen, Baustelleneinrichtung, • 001 Geru¨starbeiten, • 002 Erdarbeiten, • 012 Mauerarbeiten, usw. Mehrfachzuordnungen sind durchaus mo¨glich, da z. B. die Baustelleneinrich- tung in jedem Bauabschnitt auszufu¨hren ist. Die Art undWeise der Systema- tisierung zeigt, dass Bauprojekte insgesamt in viele kleine Teile aufgegliedert werden. Traditionell wurden diese einzelnen Gewerke durch mehrere Unter- nehmen ausgefu¨hrt. Derzeit geht der Trend zur Bauausfu¨hrung 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 ausfu¨hrt und im Ausbau auf Nachunternehmen zuru¨ckgreift. Allerdings fu¨hrte die vorhandene Verga- bepraxis dazu, auch die Rohbauleistungen Subunternehmen zu u¨bertragen, 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 eigensta¨ndig durchzufu¨hren, wodurch ei- ne Vielzahl an einzelnen unkoordinierten Materialstro¨men entsteht. Der Auftraggeber hat vor und wa¨hrend des Baus starken Einfluss auf Kon- struktion, Baustoffe und Bauablauf. Die Praxis zeigt, dass ha¨ufig A¨nderun- gen wa¨hrend des Bauablaufs veranlasst werden, was nach VOB/B §1/3 auch das Recht des Auftraggebers ist (nach [Bau92]). A¨nderungen werden bei- spielsweise bei Ortbetonbauweisen bis zum Betonierzeitpunkt durchgefu¨hrt. Dabei geht man davon aus, dass dies keine Mehrkosten verursacht [Ols77]. A¨nderungen werden aber auch durch Pru¨fingenieure veranlasst, die in Ver- tretung der Baubeho¨rden die Sicherheit der Konstruktion pru¨fen. Hier soll nicht in Frage gestellt werden, ob diese A¨nderungen notwendig sind. Wich- tig ist an dieser Stelle nur festzuhalten, dass die daraus entstehenden Kos- ten mit zunehmendem Projektfortschritt steigen [Lun84]. Der Kostendruck fu¨hrt zudem zu einer erzwungenen Verku¨rzung des Planungszeitraums, was in der Regel zu einer spa¨ten bis hin zur baubegleitenden Ausfu¨hrungspla- nung fu¨hrt. 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATIONA¨REN INDUSTRIE 31 Ein weiteres Problem besteht in der Auftragsvergabe. Die Geba¨udeentwu¨rfe sind zum großen Teil nicht fertigungsgerecht, weil zum Zeitpunkt des Ent- wurfs der ausfu¨hrende 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 gu¨nstigsten erscheint, wobei die Auslastung der ei- genen Ressourcen beru¨cksichtigt werden. Girmscheid spricht von ”Synergieb-arrieren“[Gir03], die zwischen Entwurfs-, Ausfu¨hrungsplanung, Ausfu¨hrung und Nutzung bestehen. Gerade im Fertigteilbau sind Umplanungen schwie- rig zu managen, da der Vorteil der stationa¨ren 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 Zusammenha¨ngen wird im Bauwesen nach [Gir03] durch die traditionelle Projektabwicklungsformen behindert. Die tempora¨r und zu unterschiedlichen Zeitpunkten in ein Bau- projekt eingebundenen Akteure orientieren sich eher an den eigenen Zielen als an den Gesamtzielen. Hier mu¨ssen 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- geschra¨nkt. Ein Hauptgrund ist die Einzelfertigung an tempora¨ren Stand- orten. Daten mu¨ssen fu¨r jedes Projekt neu aufgenommen werden und sind im Wesentlichen nur fu¨r dieses Projekt gu¨ltig. 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 Fa¨llen wird der Mangel an Daten durch das Erfahrungswissen (”Bauen ist Erfahrungswissenschaft“) der Bauleitungausgeglichen. 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. Projektu¨bergaben 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 ku¨ndigt den Gu¨terfluss an und ermo¨glicht die Vorbereitung des Gu¨terempfangs. Der zweite informiert u¨ber die gelieferten Gu¨ter, wa¨hrend der dritte den stattgefundenen Gu¨terfluss meldet. Die Zeichnung spielt im Bauwesen eine zentrale Rolle zur U¨bermittlung von Daten und Informationen. Dies gilt insbesondere fu¨r die Informationsu¨bert- ragung an die Bauausfu¨hrenden. Ebenso von Bedeutung sind z. B. Ausschrei- 32 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE bungstexte , aber die Zeichnung ist immer Grundlage (vom Entwurf bis zur Ausfu¨hrungszeichnung) fu¨r alle weiteren ’Datengeneratoren’. Wa¨hrend an- fangs nur Architektenpla¨ne und Schalpla¨ne in CAD gezeichnet wurden, hat die elektronische ’Zeichenhilfe’ den gesamten Bereich der Zeichnungserstel- lung vom Entwurf u¨ber Bewehrungs- und Werkpla¨ne 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 ko¨nnen Bauteile wie Wa¨nde, Stu¨tzen oder Bal- ken sein, oder auch Einrichtungsgegensta¨nde wie Tu¨ren oder Stu¨hle. Fla¨chen oder Raumvolumina ko¨nnen ebenfalls als Objekte betrachtet und bearbeitet werden. Diese Objekte haben Eigenschaften wie Abmessungen, Materialien usw. – im Falle von Fla¨chen sind es Informationen wie Mietzeiten und der- gleichen – und sind in einer Datenbank hinterlegt (Geba¨udedaten). So lassen sich die Eigenschaften der Objekte direkt vera¨ndern und weitere generieren. Es entsteht ein virtuelles Geba¨udemodell, das Daten und Informationen aller Fachplaner beinhalten kann. Um einen hochwertigen, plattformunabha¨ngigen Datenaustausch zwischen CAD-Programmen zu gewa¨hrleisten, 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 gegru¨ndet wurde und der inzwischen Mitglieder aus u¨ber 20 La¨ndern angeho¨ren. Ziel der IAI ist es einen fu¨r das Bauwesen einheitlichen Datenaustausch zwischen allen Fachplanern u¨ber den gesamten Lebenszyklus hinweg zu schaffen. Der IFC-Standard ermo¨glicht das virtuelle Geba¨udemodell und damit se- mantische Informationen austauschen, d. h. es ko¨nnen deutlich mehr und ho¨herwertige Daten ausgetauscht werden als beispielsweise mit dem *.dxf- Standard. Die Bauteile besitzen neben den grafischen Informationen (Punk- 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATIONA¨REN INDUSTRIE 33 te, Linien, Fla¨chen) weitere Informationen, z. B. Material, Zeit, Kosten. Es ist ebenso mo¨glich neue Objekte zu definieren und zwischen den Akteuren auszutauschen, wenn man es vereinbart hat. Damit ko¨nnen alle Fachplaner auf das gleiche Modell zugreifen und dabei ihre speziellen Applikationen verwenden. Die parallele Erfassung von Daten durch die Planer entfa¨llt und A¨nderungen die mehrere oder alle betreffen, mu¨ssen nur einmal durchgefu¨hrt werden. Das Geba¨udemodell dient der Datenhaltung, angefangen von der Ausschrei- bung bis zum Betreiben des Geba¨udes. AVA-Programme greifen fu¨r die Aus- schreibung zur Mengenermittlung auf die Bauteildaten zu. Fu¨r den Bauan- trag sind z. B. Fla¨chen der einzelnen Nutzungsbereiche notwendig. Das Fa- cility Management nutzt das Modell nach der Erstellung fu¨r die Berechnung von Miet- oder Reinigungsfla¨chen 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 ko¨nnen. Anwendung Daten CAD - Bauteilabmessungen, - Bauteillage (x, y, z) Facility Management - Baustoffe, - Fla¨chenmanagement Terminplanung - Einbauzeitpunkte, - Einbaureihenfolgen, - Ressourcenverwaltung Tabelle 3.1: Daten anderer Anwendungen fu¨r 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. zusa¨tzlich die Zeit und die Kosten- Komponente. Die Verknu¨pfung des 3D-Modells mit dem Bauzeitenplan ist fu¨r die Logistiksteuerung erforderlich, denn erst mit der Komponente Zeit wird aus dem ’virtuellen’ Geba¨ude ein ’Leistungs’-Plan. Die Leistungsbe- schreibung im Bauwesen erfolgt in der Regel in Ausschreibungen u¨ber Stan- dardleistungstexte, bei denen gewerkeweise Leistungen beschrieben und mit einer Zusammenfassung der Mengen, z. B. 20m2 Kalksandsteinmauerwerk d = 11, 5 cm, versehen werden. Grote weist in [Gro02] darauf hin, dass die- se Aufschlu¨sselung kein Hinweis auf den Ort oder einen Bauabschnitt gibt, d. h. es wird nicht klar, ob es sich um eine einzige oder fu¨nf Wa¨nde handelt, ob die Wand im Keller erstellt wird oder im 20. Stockwerk. Der Komplexita¨tsgrad eines Bauvorhabens ha¨ngt u. a. von dessen Gro¨ße, der Neuheit des Bauverfahrens, der Ku¨rze der Projektlaufzeit und den Platz- verha¨ltnissen 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 Komplexita¨ts- grad die Bauleitung vereinfachen. Natu¨rlich ist der Aufwand der Datener- hebung hoch und mit Kosten verbunden. Wird die Datenerhebung jedoch ein integraler Bestandteil der Bauprozesse, unterstu¨tzt 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 Erla¨uterung/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, zuga¨nglich Mehrfachaufnahme erforderlich Daten sind nicht austauschbar Medienbru¨che, papierbehaftet Daten sind fehlerbehaftet U¨bertragungsfehler, keine einheitlichen Standards Daten sind nicht aggregierbar Datenintegrita¨t Daten werden mehrfach Konsistenzprobleme bei aufgenommen (Redundanz) Fachplanern Tabelle 3.2: Zustand von Daten An Bauprojekten sind viele Akteure beteiligt. Durch die wachsende Komple- xita¨t der Bauvorhaben in den letzten Jahren hat sich die Anzahl zwangsla¨ufig noch vergro¨ßert. Wa¨hrend der Bauphase ist der Datenaustausch zwischen den einzelnen Fachplanern aber ein unabdingbarer Bestandteil der Zusam- menarbeit. Die zunehmende Arbeitsteiligkeit (vgl. 3.2.4) erho¨ht die Notwen- digkeit ”expliziten“ Wissens [Wei06]. Reibungsverluste zwischen aufeinanderfolgenden Gewerken ko¨nnen neben einer fachgerechten Ausfu¨hrung dersel- ben nur durch einen ada¨quaten Informationsfluss minimiert werden. Wie be- reits ausgefu¨hrt sind die Subunternehmer meist handwerklich orientiert und kleinsta¨ndisch und wollen oder ko¨nnen sich nicht an einem elektronischen Datenaustausch beteiligen. Dies belegt auch die eher ”zo¨gerliche Annahme“eines internetbasierten Baustoffbestellsystems [Mar01]. Die Geba¨udemodelldaten sind fu¨r 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 fu¨r die eigentliche Bauphase sondern auch fu¨r die anschließende Betriebspha- se (Facility Management) erforderlich. Die Baupraxis zeigt aber, dass Daten fu¨r das Facility Management nach Bauabschluss neu erhoben werden und 3.2. UNTERSCHIEDE ZUR STATIONA¨REN INDUSTRIE 35 nicht auf den Planungsdaten des Architekten aufgebaut werden ko¨nnen. Die gro¨ßten Kosten im Sinne der Life Cycle Costs fu¨r ein Bauwerk entstehen nicht wa¨hrend der Bauphase, sondern anschließenden Betriebsphase. Das Facility Management ist aus diesem Grunde entstanden. Kostensenkungen in der Betriebsphase sind durch effektive Steuerung mo¨glich, wobei diese wiederum von der zur Verfu¨gung stehenden Datenbasis abha¨ngt. Der Baustoffhandel als ein Akteur hat in einem Ausschuss eine standar- disierte Baustoffdatenbank [NN01] entwickelt. Ziel war es eine einheitliche Datenbasis fu¨r den Baustoffhandel zu schaffen. Innerbetrieblich kann so eine strukturierte Preisliste erstellt werden. U¨berbetrieblich wurde der elektro- nische Datenaustausch verbessert. Auch sind so externe Betriebsvergleiche mo¨glich. Es wurde das gesamte fu¨r die Baubranche erforderliche Artikelsortiment erfasst und ein sogenannter Warengruppenschlu¨ssel eingefu¨hrt. Das wurde notwendig um eine rationelle Verarbeitung von Daten in den jeweiligen Wa- renwirtschaftssystemen des Fachhandels zu gewa¨hrleisten. An der Standar- disierung der Artikelstammdaten wurden folgende Akteure beteiligt: Her- steller, Fachhandel, Handelskooperationen und Softwarehersteller fu¨r Wa- renwirtschaftssysteme. Diese haben sich in einer Arbeitsgruppe versta¨ndigt Pflicht- und optionale Informationen (vgl. 3.3) im Artikelstamm aufzuneh- men. Pflicht-Informationen optionale Informationen Hersteller ILN Herstellername Hersteller-Ku¨rzel Maße/Gewichte (ohne Verpackung) Erstellungsdatum Menge pro Packung Bewegungskennzeichen Verpackungsmaße Artikelnummer (EAN, IAN) Verpackungsart Artikelkurzbeschreibung Handhabungsanweisungen Bau-Warengruppenschlu¨ssel Palettenangaben Gefahrstoff-Informationen Ursprungs-/Herkunftsland Entsorgung der Verpackung Mediendaten Tabelle 3.3: Informationen im Warengruppenschlu¨ssel 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- men gestu¨tzt, bei der u. a. nach dem Einsatz von ERP-Software (=Enterprise Ressource Planning) gefragt wurde. Spezielle Software wurde hauptsa¨chlich 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 fu¨r den Materialfluss relevanten Ressourcen einer Hochbau-Baustelle vorgestellt. Die Vorstellung beschra¨nkt sich auf die fu¨r das Modell wichtigen Aspekte. Umfangreichere Beschreibungen sind der Literatur (z. B. [Bau92], [Len96] und [To¨p01]) zu entnehmen. 3.3.1 Lkw fu¨r Ver- und Entsorgungstransporte Der Lkw ist fu¨r den Baustellenverkehr das mit Abstand wichtigste Verkehrs- mittel. Seine Vorteile liegen in seiner Fla¨chenverkehrs- und seiner Gela¨nde- tauglichkeit. Der Anteil am Modal Split fu¨r die Hauptgu¨tergruppe ”Steineund Erden“ liegt bei 94,7% (1996) und damit weit u¨ber dem Gesamt-Modal Split von ca. 75% [Fla¨99]. Die z. Z. nach StVZO zula¨ssigen Abmessungen betragen 2,55 m in der Brei- te, 4,0m in der Ho¨he und 12m La¨nge fu¨r Solofahrzeuge, 16,75m fu¨r Zug- maschinen mit Sattelauflieger sowie 18,75m fu¨r Fahrzeuge mit Anha¨nger. Die ebenfalls nach StVZO zula¨ssigen Gesamtgewichte richten sich nach der Achszahl und betragen 17,0 t fu¨r zweiachsige Fahrzeuge ohne Anha¨nger, 24 t fu¨r dreiachsige Fahrzeuge und 40,0 t fu¨r Fahrzeuge mit Anha¨nger bzw. Sat- telauflieger (zitiert nach [Ju¨n00]). Abbildung 3.7: Spezialfahrzeug fu¨r Transportbeton Baustellentransporte erfordern ha¨ufig Spezialaufbauten, die nicht mit Stan- dardfahrzeuge durchgefu¨hrt werden ko¨nnen. u. a. beno¨tigen 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 unabha¨ngig zu sein. Insbesondere Entsorgungsfahrzeuge mit Entsorgungscontainern verfu¨gen u¨ber eigene Ladeeinrichtungen, und sind somit kranunabha¨ngig. Abbildung 3.8: Exemplarisch ausgewa¨hlte Spezialfahrzeuge im Bauwesen nach [Neu00] 38 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE 3.3.2 Baustellenkrane Der Baustellenkran ist das wichtigste Umschlag- und Baustellentransport- mittel im Hochbau [Len96] und ist ein diskontinuierliches Fo¨rdermittel [Ju¨n00]. Man unterscheidet zwischen Fahrzeugkranen, Turmdrehkranen und Sonder- kranen, von denen die Turmdrehkrane am ha¨ufigsten eingesetzt werden. Turmdrehkrane kann man nach ihrer Mobilita¨t, ihrer Auslegerart oder ih- rem Drehwerksystem kategorisieren. Mobile Baustellenkrane sind in der Re- gel schienengebunden und sind bis zu einer Ho¨he von ca. 50m einsetzbar [Len96]. Daru¨ber sind aus Standsicherheitsgru¨nden 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 Geba¨udes erfolgen [To¨p01]. Neben der Bauho¨he 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 vera¨ndert zum Radialtransport die Auslegerneigung mit der Folge, dass sich gleichzeitig die Lastho¨he vera¨ndert. Der kurze Gegen- ausleger und die Variabilita¨t in vertikaler Ebene bringt bei beengten Platz- verha¨ltnissen Vorteile [To¨p01], fu¨r den Einbau von Fertigteilen ist allerdings eine exakte Positionierung der Last erforderlich, was durch die gekoppelte Vera¨nderung von Ho¨he 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 ho¨her. 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) u¨ber die Anzahl der produktiven Arbeits- 3.3. BAUSTELLENRESSOURCEN 39 Abbildung 3.10: Turmdrehkran, obendrehend, Katzausleger, Quelle: Wolff- kran kra¨fte, wobei ein Turmdrehkran in etwa 15-20 Arbeitskra¨fte versorgt [Cla07a]. Der zu erstellende Bruttorauminhalt, die auf die Baustoffe bezogenen Auf- wandswerte und die einzubauende Gesamtmenge werden ebenfalls beru¨ck- sichtigt [To¨p01]. 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 fu¨r 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 wegfa¨llt. Die Teilzeiten kann man der folgenden Prozesskette entnehmen. Bauer gibt fu¨r den Betoneinbau mit dem Ku¨bel einen Sicherheitsabstand von 3m u¨ber der Einbaustelle an. Er wird vereinfachend fu¨r 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 (fu¨r z-Richtung) d = Differenz zweier Werte an = Last anha¨ngen abg = Last abgeben Fu¨r die Leistungswerte maximale Dreh-, Hub-, und Katzfahrgeschwindig- keiten werden von den Kranherstellern Geschwindigkeiten in Abha¨ngigkeit von der angeha¨ngten Last gemacht. Vereinfachend wird mit der Maximal- geschwindigkeit gerechnet, die dem Mittelwert der angeha¨ngten Lasten ent- spricht. Die Bandbreite der Geschwindigkeiten ist so schmal, dass die Be- stimmung der maximal mo¨glichen Geschwindigkeit in Abha¨ngigkeit der an- geha¨ngten Last den Mehraufwand nicht rechtfertigen wu¨rde. Das stimmt mit dem Vorgehen in [VDI 2195] u¨berein, in der ebenfalls von durchschnittlichen Gewichten ausgegangen wird. Ob die Geschwindigkeiten erreicht werden, ha¨ngt zudem von der zuru¨ckzulegenden 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 fu¨hrt zu folgender Berechnungsvorschrift (vgl. [Mo¨l01]): tBew = { 2 · √ s a fu¨r s < v 2 a Profil I s v + va fu¨r s ≥ v 2 a Profil II (3.1) Die Bewegungszeiten th, tphi und tr werden zuna¨chst getrennt 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, wird die Teilbewe- gung ’Heben’ getrennt ausgefu¨hrt [Scho02]. Die Dreh- und die Katzbewegung wird nach folgender Vorschrift u¨berlagert: tFahrt = Max { 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 Arbeitsgera¨te sind nicht selten Sondertransporte, die auf Grund der Abmessungen in besonderer Weise in der Planung beru¨ck- sichtigt werden mu¨ssen. Ebenso sind die Wenderadien und die u¨berstri- chene Fla¨che der Lkw zu beachten. Die Wendemo¨glichkeiten ko¨nnen als Wendetrapez, Wendekreis oder als Wendehammer ausgebildet werden. Die zugeho¨rigen Abmessungen sind der Abbildung 3.13 zu entnehmen. Als An- Abbildung 3.13: Platzbedarf beim Wenden und Abbiegen nach [Neu00] haltspunkt fu¨r die Schleppkurve dient Abbildung 3.14. Die Breite einspuriger Baustraßen betra¨gt 3,5m mindestens jedoch 3,0m falls der angegebene Wert 42 KAPITEL 3. SYSTEMANALYSE BAUSTELLE nicht mo¨glich ist. Fu¨r zweispurige Straßen sind jeweils 3m hinzu zu addieren [To¨p01]. Abbildung 3.14: Schleppkurven nach [Neu00] in Abha¨ngigkeit vom Fahr- zeugtyp 3.3.4 Baustellenlager Lagern ist nach VDI 2411 ”jedes geplante Liegen des Arbeitsgegenstandesim Materialfluss“. Differenziert man nach Puffern, Lagern, Speichern (vgl. [Gud05]) so kommt im Baustellenlager nur das Puffern vor, also das kurz- zeitige Liegen von geringen Arbeitsvorra¨ten. Das Lagern und Speichern von Baustoffen und Material in gro¨ßeren Mengen kommt lediglich im Baustoff- handel vor. Daher hat das Baustellenlager eine • Bereitstellungsfunktion, • Sicherheitsfunktion, • U¨berbru¨ckungsfunktion. Steuerungsfunktionen oder Spekulationsfunktionen, wie sie in der stationa¨ren Industrie bekannt sind, gibt es fu¨r Baustellenla¨ger nicht. Mit der Bereitstel- lung werden alle fu¨r die aktuell laufenden Prozesse erforderlichen Baustoffe zur Verfu¨gung gestellt. Die Sicherheitsfunktion gewa¨hrleistet die Versorgung 3.4. LOGISTIKSTRATEGIEN FU¨R BAUSTELLEN 43 der Prozesse bei unbekannten und ungeplanten (stochastischen) Asyn- chronita¨ten [Kra05]. Die U¨berbru¨ckungsfunktion dagegen gewa¨hrleistet die Versorgung bei allen bekannten und geplanten Asynchronita¨ten. Lagerpla¨tze im Bauwesen sind außerhalb oder innerhalb des Bauwerks an- geordnet. Die La¨ger außerhalb des Bauwerks sind Freila¨ger, bei denen es sich in der Regel um eine freie Fla¨che handelt. Wegen der meist sehr un- ebenen und unbefestigten Bodenverha¨ltnisse im Außenbereich wird in der Praxis auf jegliche Lagertechnik verzichtet und eine einfache Bodenlagerung durchgefu¨hrt. Eine Sonderform der Außenla¨ger bilden Magazincontainer fu¨r Kleinteile und Silo-, bzw. Tankla¨ger. Bei der (Puffer-) Lagerung innerhalb von Geba¨uden spricht man von Eta- genla¨gern, bei deren Einrichtung z. T. auf eine Zonung geachtet (vgl. Abb. 3.15) wird, d. h. den einzelnen Gewerken werden genaue Lagerfla¨chen, die auf dem Boden markiert sind, zugeordnet. Dadurch wird einerseits ein ’Wild- wuchs’ an Einzellagern verhindert und gleichzeitig werden die Verkehrs- fla¨chen 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 Gu¨ter mu¨ssen witterungsbesta¨ndig bzw. so verpackt sein. Die Stapelfa¨higkeit von Stu¨ckgu¨tern hat Einfluss auf die erforderliche Lagerfla¨che, wobei die Unfall- verhu¨tungsvorschriften einzuhalten sind. 3.4 Logistikstrategien fu¨r 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 Wertscho¨pfung von Bauunter- nehmen. Der Fokus liegt auf der Prozesssteuerungs- oder operativen Ebene, d. h. auf allen Entscheidungen, die den physischen Materialfluss betreffen. Strategien ho¨herer Ebenen, wie z. B. zentrale Beschaffungskonzepte, sind nicht aufgefu¨hrt, weil sie fu¨r das in dieser Arbeit entwickelte Modell nicht von Bedeutung sind. Die in Kapitel 3.2 beschriebenen Unterschiede des Bauwesens zur stati- ona¨ren Industrie machen es erforderlich, zwischen Standard-Strategien und individuellen Strategien zu unterscheiden. Standard-Strategien sind all je- ne, die unabha¨ngig von einer konkreten Baustelle zu betrachten sind (z. B. [Jac98], [Kra05]), z. B. die Einrichtung einer Zugangsbeschra¨nkung auf ei- ne Baustelle. Standardstrategien sind auf Grund unternehmenspolitischer Entscheidungen auf Baustellen eines Unternehmens anzuwenden. Die Ein- richtung einer Lieferavise fu¨r Lkw mit zugeordneten Zeitfenstern ist eine solche baustellenunabha¨ngige Strategie, wenn man von der grundsa¨tzlichen Entscheidung einer Einfu¨hrung absieht. Dem gegenu¨ber stehen die individuellen Strategien, die die konkreten Rand- bedingungen einer Baustelle in einem Logistik-Konzept beru¨cksichtigen ([Kra04], [Tam04], [Die94] usw). Die Konzepte schließen beispielsweise auch lokale Verkehrssituationen mit ein und sind fu¨r jedes Vorhaben neu zu erar- beiten. Die Simulation von Materialflu¨ssen auf Baustellen, wie sie in dieser Ar- beit vorgestellt wird, ist eine Methode, Strategien fu¨r individuelle Projekte zu untersuchen, da die Systemlast unmittelbar aus den konkreten CAD- Daten des Bauobjekts generiert wird. Die Ableitung allgemeingu¨ltiger Stra- tegien erfolgt dann durch Abstraktion der Ergebnisse. Zur Bildung von Standard-Strategien sind weitere Simulationen anderer Bauvorhaben erfor- derlich, um die Allgemeingu¨ltigkeit der abgeleiteten Strategien zu besta¨ti- 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 ha¨ngt die Gro¨ße eines Lagers von den o¨rtlichen, individuellen Gegebenheiten ab. Eine unklare Kennzeichnung von Lagerfla¨che gegenu¨ber anderen Funktions- fla¨chen fu¨hrt nicht selten dazu, dass letztere als Lagerfla¨chen missbraucht werden und es so zu Sto¨rungen im Betriebsablauf kommt. 3.4. LOGISTIKSTRATEGIEN FU¨R BAUSTELLEN 45 Sind aus Platzgru¨nden die Lagerfla¨chen beschra¨nkt, was oftmals der Fall ist [Kam94], richten sich die Bevorratungsstrategien (vgl. Kap. 3.4.2) oder auch Bestellmengenstrategien [Kam94] nach dem Angebot der Lagerfla¨che, d. h. Zufluss, Lagerfla¨che und Abfluss durch Verarbeitung stehen in engem Zusammenhang. Die Gro¨ße der Lagerfla¨che 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 zugeho¨rigen Lieferzeitpunkten mit den Lieferintervallen. Aus Sicht der Baustelle (als Produktionssta¨tte) ha¨ngt die Entscheidung u¨ber die Bevorratungsstrategie von dem Lagerfla¨chenange- bot auf der Baustelle, den Kapitalbindungskosten durch Lagerung und der Anliefersituation ab. Fu¨r den Rohbau wird fast ausschließlich ’auf Abruf’ angeliefert, weil der Kran auch als Einbaumittel genutzt wird und Baustof- fe z. T. nicht lagerfa¨hig sind (Ortbeton). Die Anliefersituation ist relevant, wenn eine Pufferung von anliefernden Lkw nicht mo¨glich ist und deswegen bestimmte Transporte zu weniger hochbelasteten Zeiten durchgefu¨hrt wer- den. Kamm stellt in [Kam94] mehrere ”Modelle zur Bestimmung der optima-len Bestellmenge“ vor, wobei er die Lagerfla¨che als ”in den meisten Fa¨llenausschlaggebende Einschra¨nkung 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 Beru¨cksichtigung der Lager- gro¨ße sind in dieser Arbeit nur die Auswirkungen verschiedener Bestellmengen auf die Systemleistung untersucht worden. Es ist mo¨glich, 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 u¨berpru¨ft werden, ob unter Beru¨cksichtigung der U¨berlagerung der Einzelbestellmengen und der stochastischen Einflu¨sse die Obergrenze des Lagers eingehalten wird oder nicht. 3.4.3 Lieferstrategien Aus Sicht der Lieferanten ist eine hohe Auslastung der Transportkapazita¨t 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 ko¨nnen. Auf einer Sammeltour (vgl. Abb. 3.17) werden alle Baustoffe und Bauteile, die nicht ein spezielles Transportmittel beno¨tigen, gesammelt und zur Baustelle gebracht. Zulieferer 2 Zulieferer 1 Zulieferer 3 Zulieferer 4 Abbildung 3.17: Einsatz eines Gebietsspediteurs Ein weiterer Aspekt ist die Mo¨glichkeit, einen Transport mit mo¨glichst weni- gen Transportmitteln durch zufu¨hren, indem die Lieferintervalle so gestaltet sind, dass Shuttle-Verkehre (vgl. Abb. 3.18) mo¨glich 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 FU¨R BAUSTELLEN 47 die Transportmittel nicht kompatibel sind. Damit wird eine gleichma¨ßige zeitliche Auslastung der Lkw u¨ber eine la¨ngere 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 durchgefu¨hrt, wenn es nicht mit den Belangen der Baustelle kollidiert. Fu¨r einen Lieferan- ten ist neben den bereits erwa¨hnten Punkten auch die Wartezeiten der Lkw vor Ort von Interesse. Kapitel 4 Grundlagen der Simulationsmethode Dieses Kapitel dient als Einfu¨hrung in die Simulation und kla¨rt Begriffe und allgemeine Vorgehensweisen. Die Darstellung beschra¨nkt sich auf die notwendigen Aspekte des in Kapitel 5 entwickelten Simulations-Modells. Ausfu¨hrlichere Darstellungen zum Thema sind der Literatur z. B. [Pag91], [Pid04], [Rob04] und [Law00] zu entnehmen. Des Weiteren wird die Simula- tionsumgebung fu¨r 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 u¨bertragbar sind“. Dabei ist eine ”hinreichend korrekte Abbildung“ [Pag91] des Originals erforderlich,um u¨ber die Ergebnisse auf die Wirklichkeit zuru¨ckschließen zu ko¨nnen. Der Abstraktionsgrad und die Idealisierung haben damit Einfluss auf die Qua- lita¨t und die Quantita¨t der verwertbaren Ru¨ckschlu¨sse 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 a¨ndern. In logistischen Systemen sind die ”in der Regelganzzahlige[n] Werte“ [Sch97] dieser Verhaltens- oder Eigenschaftsa¨nderun- 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 zula¨sst, ein Verhalten des Modells hervorruft. Mit der Analyse des Verhaltens kann er Ru¨ckschlu¨sse auf das Original ziehen. Im Bauwesen gibt es neben Prozessen mit offensichtlich diskreten Objek- ten (Bauteile, Lkw, Personal usw.) auch kontinuierliche Prozesse, wie Be- tonfo¨rderung u¨ber Pumpen. Diese Prozesse lassen sich durch zeitdiskrete Prozesse approximieren, ohne das Ergebnis der logistischen Untersuchung zu beeintra¨chtigen. Die Frage nach dem sinnvollen Einsatz fu¨r die (diskrete) Simulation wird nach [VDI 3633-1] durch den Begriff ”simulationswu¨rdig“ beschrieben. Da-bei wird in der Literatur ([VDI 3633-1], [Pag91], [Pid04]) darauf hingewie- sen, dass die Simulation ein aufwa¨ndiges 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 entfa¨llt, bleiben unter den mathematischen Modellen1 nur die Analytischen Methoden und die Simulation (vgl. Abb. 2.6 auf Seite 20). Analytische Ansa¨tze versagen oft bei dynamischen und kurzlebigen Pro- zessen [Pid04], da ha¨ufig mit Mittelwerten gearbeitet wird. Aussagen u¨ber Spitzenwerte werden nicht oder nur unvollsta¨ndig getroffen [Rob04]. Dies kann aber zu A¨nderungen im Modellverhalten fu¨hren, 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) fu¨r realita¨tsnahes Modellverhalten ist mit analytischen Methoden nur eingeschra¨nkt mo¨glich [Rob04]. Simulationen liefern eine ”anschauliche Darstellung“ des Modellverhaltensu¨ber die Zeit ([Pag91]), was fu¨r die dynamischen Prozesse im Bauwesen und den sta¨ndigen Vera¨nderungen 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 fu¨r die Simulati- onsziele relevanten Komponenten und Beziehungen existieren. Im Bauwesen existieren die Realmodelle noch nicht. Alle Informationen mu¨ssen aus den Planungen entnommen werden und durch Vergangenheitswerte erga¨nzt wer- den. Eine weitere Abstrahierung erfolgt in der Umsetzung des konzeptionellen in ein Computermodell, indem die softwarespezifischen Modellierungselemen- te verwendet werden. U¨ber die Auswertung der Simulationsergebnisse und dem Abgleich mit dem Realsystem wird die Richtigkeit der Modelle gepru¨ft und angepasst. Damit beginnt der Kreislauf von neuem und wird abgebro- chen, wenn die Simulationsergebnisse genu¨gend genau mit dem Realsystem u¨bereinstimmen. 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- abha¨ngigen Weise mit den bereits erwa¨hnten Idealisierungen. Fu¨r 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 Komplexita¨t sind stochastische Modelle determi- nistischen Modellen vorzuziehen [Pag91]. Die stochastische Beschreibung der Vorga¨nge erfolgt u¨ber spezielle Verteilungen, die im Folgenden beschrieben sind. Verteilungsfunktionen Simulationsexperimente mit stochastischen Elementen sind Zufallsexperi- mente, da sich das Verhalten nicht genau vorhersagen la¨sst. Daher sind sta- tistische Verfahren notwendig, um dieses Verhalten so zu beschreiben, das sich Aussagen u¨ber das Gesamtsystem ableiten lassen. Mit Hilfe von Ver- teilungen wird ein Bereich angegeben, indem sich die Zufallsgro¨ße befindet [Pag91]. Wiederholt sich ein Ereignis ha¨ufig genug na¨hert sich die Punkt- verteilung der Einzelereignisse der theoretischen kontinuierlichen Verteilung an. Die Bedeutung der Normalverteilung fu¨r die Simulation begru¨ndet sich t Mittelwert f(t) Abbildung 4.3: Normal-Verteilung in der Tatsache, dass eine Zufallsvariable, die sich additiv aus unabha¨ngigen Einzelwirkungen zusammensetzt, als anna¨hernd 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 Begru¨nder der Warteschlangen- theorie (dem Da¨nen A.K. Erlang) benannt ist, ist eine sehr variable Ver- teilungsform, die in der industriellen Praxis ha¨ufig 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 fu¨r k = 1 in die Normalverteilung fu¨r k →∞ u¨ber. Mittelwert t f(t) Abbildung 4.5: Negativexponential-Verteilung Die Negativexponential-Verteilung eignet sich fu¨r alle voneinander unabha¨ngi- gen Ereignisse. Sie wird nur durch den Mittelwert beschrieben. Man spricht auch von einer ”geda¨chtnislosen Verteilung“ [Har82]. Zufa¨llige Ankunftszei-ten sind typischerweise negativ-exponentialverteilt. Die Gleichverteilung ist die einfachste Verteilung u¨berhaupt und ersetzt die Normalverteilung, wenn obere und untere Grenze gleich sind. Die Verteilung in Abbildung 4.7 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 ha¨ufig 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 (Aktivita¨t). In der vorliegenden Arbeit wird dieser als ”Simulationszeit-horizont“ bezeichnet, nicht der Simulationszeit, weil diese mit der Rechenzeit des Computers verwechselt werden ko¨nnte ([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 = 1283247 s). Der Beobachtungszeitraum entha¨lt arbeitsfreie Zeiten (Nacht und Wochen- ende), die aus dem Simulationszeithorizont herausgelo¨st werden, damit die • Simulationszeit nicht unno¨tig verla¨ngert 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) verfa¨lscht. Zur Vereinfachung werden eine feste ta¨gliche Arbeitszeit und eine feste Wo- chenendzeit festgelegt. Feiertage und sonstige außergewo¨hnliche Freizeiten bleiben unberu¨cksichtigt. 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 ko¨nnen 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 lo¨sen mo¨chte, so zu formulieren, dass die Ergebnisse als Lo¨sung brauchbar sind. In [VDI 3633-3] sind zur leichteren Problemdefinition Be- griffe eingefu¨hrt worden, die im Folgenden erla¨utert werden. Zuna¨chst muss eine ”Zielgro¨ße“ definiert werden, die Auskunft u¨ber die Antwort des Sys-tems auf die Systemlast gibt. ”Einflussgro¨ßen“ sind all jene Gro¨ßen, diedurch ihre Vera¨nderung eine signifikante Vera¨nderung der Zielgro¨ße bewir- ken. Sind die Vera¨nderungen allerdings nicht kontrollierbar, nennt man sie Sto¨rgro¨ße. Die kontrollierte Vera¨nderung der Einflussgro¨ßen erfolgt in Stu- fen. Die [VDI 3633-3] weist fu¨nf Verfahren zur Experimentdurchfu¨hrung aus, wobei hier nur die One-by-One-Factor-Methode erwa¨hnt 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 Einflussgro¨ße vera¨ndert, mit dem Ziel die Auswirkungen genau einer Gro¨ße bestimmen zu ko¨nnen. Die gegenseitige Beeinflussung der Einflussgro¨ßen bleibt dabei unberu¨cksichtigt und eignet sich daher nur fu¨r voneinander unabha¨ngige Einflussgro¨ßen. 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-knu¨pfungen der Modellbausteine realisiert. Zur Feinabstimmung ist (meist eine eigene) Programmiersprache erforderlich, mit der komplexere Strategien oder Verhaltensweisen der Hauptobjekte abgebildet werden ko¨nnen [Pid04]. Die Abbildung der Logistikprozesse u¨ber die gesamte Bauzeit ist systemim- manent eine ”Simulation mit festem Ende“ [VDI 3633-1]. Daraus folgt, dasseine ’Einschwingzeit’ entfa¨llt und die Unabha¨ngigkeit der Stichproben durch die Anzahl der Simulationsla¨ufe gewa¨hrt werden muss. Innerhalb des Kon- fidenzintervalls, das mit zunehmendem Stichprobenumfang schmaler wird, liegt mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit der ’tatsa¨chliche’ gesuchte Mit- telwert der Zielgro¨ße. 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 Zielgro¨ße und dem Konfidenzintervall gewa¨hrleistet sein, dass • die Stichproben unabha¨ngig sind, • die Mittelwerte und Varianzen des Modells gleich sind, und • sich eine Normalverteilung der Zielgro¨ße einstellt. 4.3. ERGEBNISSE 57 4.3 Ergebnisse Nach Durchfu¨hrung der Experimente am Computermodell lassen sich Ru¨ck- schlu¨sse 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 Modellpru¨fung, die im folgenden Kapitel (Kap.4.4) behandelt wird, ist auch der Prozess selbst iterativ. Die Simulati- on erlaubt in gewissen Grenzen ’Was-wa¨re-wenn’-Szenarien, die bestimmte Vorhersagen u¨ber das Verhalten des Realsystems zulassen. Mo¨glicherweise wird auch das Realsystem auf Grund der Ergebnisse angepasst, so dass eine Vera¨nderung auch des Konzept- bzw. des Computermodells notwendig wird. Dies gilt nicht nur fu¨r Realsysteme, die noch in Planung sind, wie typischer- weise im Bauwesen, sondern auch bei bestehenden Systemen, die umgenutzt werden. Da, wie erwa¨hnt, die Logistikprozesse u¨ber die Bauzeit simuliert werden, mu¨ssen die Ergebnisse entsprechend ebenfalls u¨ber 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 Modellpru¨fung Wie die Modellbildung selbst ist die Modellpru¨fung ebenfalls ein iterati- ver Prozess. Wenngleich eine vollsta¨ndige Modellvalidierung unmo¨glich ist [Pid04], ist eine gro¨ßtmo¨gliche Sorgfalt einerseits und eine entsprechend vor- sichtige Auswertung der Ergebnisse andererseits notwendig. Hierzu gibt es, je nach Anwendungsfall, eine Reihe von Pru¨fverfahren. Im Folgenden wer- den die in dieser Arbeit verwendeten kurz vorgestellt, fu¨r weitere wird auf die Literatur verwiesen ([Law00] und [Pag91]). Anhand der Beziehungen in Abbildung 4.2 lassen sich die einzelnen Schritte der Modellpru¨fung ableiten, da zu jeder Modellierungsbeziehung eine eigene Pru¨fung geho¨rt. Page weist auf das ”Problem der uneinheitlichen Begriffsbildung“ bei derModellvalidierung hin [Pag91], weswegen zuna¨chst einige Begriffe erla¨utert werden. 4.4.1 Begriffsbestimmung Validierung Die Validierung ist nach Brockhaus [NNg05] die ”Gu¨ltigkeitspru¨fung imSoftwareentwicklungsprozess, die eine Analyse hinsichtlich der U¨bereinstim- mung von Zielstellung und Ergebnis vornimmt (z. B. mittels Testla¨ufen). 58 KAPITEL 4. GRUNDLAGEN DER SIMULATIONSMETHODE Im Gegensatz zur Verifikation beweist eine derartige Analyse jedoch nicht die Korrektheit der getesteten Software.“ Es la¨sst sich durch folgende Frage ausdru¨cken: ”Ist es das richtige Modell?“ Verifizierung Verifizieren bedeutet laut Duden [NNc03] ”durch U¨berpru¨fen die Richtigkeiteiner Sache besta¨tigen“. Oder wieder als Frage ausgedru¨ckt: ”Ist das Modell richtig?“ Kalibrierung Das Kalibrieren stellt den Bezug bekannter Werte einer Messgro¨ße zu den ausgegebenen Werten einer Messeinrichtung her. Ist die Messgro¨ße beispiels- weise die Zeit, die der Transport eines Bauteils mit dem Kran u¨ber eine bestimmte Strecke dauert, so muss das richtig kalibrierte Simulationsmodell die gleiche Zeit2 liefern wie die ’Wirklichkeit’. Die Ermittlung der Messgro¨ßen 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 ko¨nnen nicht alle stochastischen Fa¨lle berechnet wer- den; • Die Ermittlung aller Eingangsparameter unterliegen einer begrenzten Genauigkeit; • Die notwendigen Vereinfachungen und Abstraktionen fu¨hren zu Ab- weichungen vom realen System. 4.4.2 Pru¨fung des Konzeptmodells Die U¨berfu¨hrung 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. Fu¨r das Konzeptmodell sind nach [Pag91] im Wesentlichen drei Pru¨fungen notwendig: • Pru¨fung der Hypothesen und vereinfachende Annahmen; 2innerhalb von Toleranzgrenzen 4.5. DIE SIMULATIONSUMGEBUNG ENTERPRISE DYNAMICS 59 • Pru¨fung der Daten; • Pru¨fung der Struktur. Als Pru¨fmethode kommt hauptsa¨chlich die Expertenbefragung in Betracht, wa¨hrend fu¨r die Datenpru¨fung entsprechende Analysemethoden hinzukom- men. 4.4.3 Pru¨fung des Computermodells Die Verifizierung des Computermodells bezu¨glich der Umsetzung des Kon- zeptmodells erfordert a¨hnliche 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 ko¨nnen. Mit Hilfe von Hand- rechnungen sind diese Teilmodelle verifizierbar. Die Validierung des Computermodells bezu¨glich des Realsystems kann u¨ber drei Schritte erfolgen [Pag91]. Bei der Plausibilita¨tspru¨fung wird das Ver- halten des Systems mit dem Realsystem verglichen. Dies geschieht u¨ber Expertenbefragungen und analytische Vergleichsrechungen. Die Sensitivita¨tsanlyse zielt darauf ab, wie das Modell auf Vera¨nderungen 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 fu¨r ein zuku¨nftiges System hat, da mit Abschluss eines Bau- vorhabens auch der Wert der Simulation beendet ist, wenn man von der Erfahrungsanreicherung absieht. Dennoch la¨sst sich u¨ber die genannten Me- thoden und Pru¨fungsschritte 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 mo¨glichst 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 mo¨glichst gering gehalten werden muss. Der zweite Aspekt setzt voraus, dass einerseits die Simulationsumgebung strukturorientiert ist, um die Materialflusswege richtig abbilden zu ko¨nnen, und andererseits eine externe Datenbank zum Datenaustausch verwendet werden kann. Die oben genannten Gru¨nde waren wesentlich fu¨r 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 entha¨lt bereits eine Logistik-Suite mit Grundmodulen zur Abbildung von Materialflu¨ssen in der stationa¨ren 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“. Atomesind Objekte, die gleich aufgebaut sind, Eigenschaften besitzen und auf Er- eignisse reagieren ko¨nnen. 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. Demgegenu¨ber 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 ko¨nnen in einem Modell-Layout u¨ber 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. U¨ber eine eigene Skriptsprache ko¨nnen Atome vera¨ndert oder neue erzeugt werden. Neue Atome ko¨nnen der bereits vorhandenen Bibliothek hinzugefu¨gt und beliebig verwendet werden. Die Vera¨nderung der Atome bezu¨glich der Lage im Raum, deren Anzahl oder Leistungsparameter ermo¨glicht es Varianten zu generieren, ohne die System- last zu vera¨ndern. 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 fu¨r SIMUBAU erforderlichen Atome und Atomgruppen aufbauen. Sie werden bezu¨glich ihres grundlegenden Verhaltens beschrieben, wobei al- le eine Reihe an Einstellmo¨glichkeiten und Parameter besitzen, auf die hier nicht eingegangen wird. Sie existieren in einer a¨hnlichen Form auch in an- deren Materialfluss-Simulatoren. arrivial-list Die arrival-list ist eine Tabelle fu¨r BEO, die programmseitig auch als product bezeichnet werden, mit fest definierten Zeitpunkten der Erzeugung und dient als Quelle. Es ko¨nnen daru¨ber hinaus weitere Eigen- schaften definiert werden, 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 Kapazita¨tsgrenze erreicht ist. server Der server, bzw. in vereinfachter Form der fast server, hat die Auf- gabe, ankommende BEO aufzunehmen und nach einer bestimmten Zeit (’Cy- cleTime’) weiter zu geben. Im Wesentlichen entsteht ein Zeitverbrauch, es ko¨nnen aber auch Vera¨nderungen 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 eigensta¨ndige Einheit (BEO) im Simu- lator behandelt wird. Diese kann dann weiter verschachtelt werden. Der stacker arbeitet in a¨hnlicher Form, nur das kein container extra erzeugt werden muss. unpack Das unpack -Atom lo¨st die im assembler oder stacker zusammen- gefassten Einheiten wieder auf. Kapitel 5 Modellbeschreibung Das Kapitel entha¨lt die Herleitung eines konzeptionellen Modells, die Ent- wicklung einer Systemlast aus den Geba¨udemodelldaten und Beschreibun- gen der Datenhaltung. Zudem werden die entwickelten Module des Simu- lators vorgestellt und durchgefu¨hrte Modellpru¨fungen 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 zuna¨chst nicht-wert- scho¨pfenden (vgl. Kap. 2.1) Prozesse werden bewusst aus dem baubetrieb- lichen Kontext herausgelo¨st und separat betrachtet und bewertet. Die Ein- fu¨hrung des Prozessdenkens und die damit verbundene Trennung von wert- scho¨pfenden und nicht-wertscho¨pfenden Prozessen entsprechen dem Vorge- hen aus den Anfa¨ngen der Logistik in der stationa¨ren Industrie. Darauf dass auch diese indirekt wertscho¨pfend sein ko¨nnen, wurde in [Wir01] hingewie- sen. In Kap. 3.2.5 wurde die Notwendigkeit von Daten fu¨r eine effektive Logis- tik im Bauwesen dargelegt. Die Informationen Material, Menge, Ort und Zeit bilden die Basisgro¨ßen und damit die Systemlast fu¨r die Simulation. Es handelt sich um eine individuelle Logistikuntersuchung. Man unterscheidet systemlastneutrale und systemlastvera¨ndernde Logistikkonzepte. Alle Va- riationen bezu¨glich des Layouts oder der Anzahl und Leistungsfa¨higkeit der Ressourcen sind systemlastneutral. Vera¨nderungen in der Systemlast entste- hen durch Modifikation der zeitlichen Komponente der Materialien. 63 64 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG systemlastneutral systemlastvera¨ndernd A¨nderungen des Layouts A¨nderungen der Gesamtbauzeit → Wegeanordnung viele Lieferungen mit geringen Mengen → Standorte der Ressourcen wenige Lieferungen mit großen Mengen A¨nderungen der Ressourcen Vorgabe von Zeitfenstern → eingesetzte Anzahl Bu¨ndelung von Verkehren → Kapazita¨t und Leistungs- fa¨higkeit Tabelle 5.1: Systemlastneutral versus systemlastvera¨ndernd 5.2 Systemlast 1. Definition Nach Kuhn [Kuh95] ”wird die Systemlast bestimmt durch dieGesamtheit des Quelle-Senke-Verhaltens eines logistischen Systems (Umwelt-, Kunden-, Lieferanteinflu¨sse)“. Zur Mo- dellbildung werden aus der Gesamtheit nur die Einflu¨sse 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 Transportauftra¨ge, Mengen, Termine usw.) • Produktdaten (Arbeitspla¨ne und Stu¨cklisten). Wa¨hrend die erste Definition sehr allgemein gehalten ist, zielt die zweite stark auf die Situation der stationa¨ren 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 u¨ber die Quellen in das System eingespeist und verarbeitet. Makroskopisch betrachtet ist die Systemlast die Erstellung des Geba¨udes in der geplanten Bauzeit. Um dieses Ziel zu erreichen, muss das Geba¨ude 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 Mo¨glichkeit 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, Da¨mmung und Außenputz. Die Bau- stoffe/Bauteile haben unterschiedliche morphologische Eigenschaften und geho¨ren zu unterschiedlichen Gewerken, womit sie zeitlich getrennt verar- beitet werden. Sofern diese zusammengesetzten Bauteile nicht bereits vor- gefertigt an die Baustelle geliefert werden, mu¨ssen sie als eigensta¨ndige Kom- ponenten, im Folgenden als Bauelemente bezeichnet, unabha¨ngig 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 (Erla¨uterung 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 u¨ber Anzahl der Lkw und Anzahl der La- dungstra¨ger fu¨r einen Lieferabruf ableiten. Der Gesamtauftrag ’Bauwerkser- stellung in der Bauzeit’ ist auf Einzelauftra¨ge (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 ko¨nnen. Im konkreten Fall wurde das Programm Archicad (Ver- sion 9.0) genutzt. Die Bauteildaten mu¨ssen noch um deren Koordinaten erga¨nzt werden, da diese u¨ber die ODBC-Schnittstelle nicht ausgelesen wer- den ko¨nnen. Dies geschieht u¨ber 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- gro¨ßen der Logistik, die ”Auftra¨ge“ nach [VDI 3633-1]: Material, Menge undOrt, allerdings ohne zeitliche Komponente. Die bisherige Vorgehensweise hat die Ausgangslage nicht vera¨ndert. Um eine Systemlast zu erhalten, muss die zeitliche Komponente zugefu¨gt werden. Das ist zuna¨chst eine baubetriebliche Planungsleistung, die in der Regel in der Arbeitsvorbereitung durchgefu¨hrt wird. Es geschieht durch Festlegung von Arbeitsabschnitten und Terminen. Arbeitsabschnitte sind ra¨umlich abgegrenzte Bereiche, in denen bestimmte Arbeiten zu einem be- stimmten Zeitpunkt (Termin) durchgefu¨hrt werden. Die Erga¨nzung durch die Komponente Zeit ergibt eine Leistung (Arbeit/Zeit), d. h. die Vera¨nde- 5.3. DATENBANK 67 rung der Zeit ist ein wesentliches Kriterium fu¨r die Vera¨nderung der Sys- temlast, da man davon ausgehen kann, dass alle anderen Komponenten un- vera¨ndert 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, Geru¨ste, Maschinen, Verbrauchsmaterial usw. mu¨ssen transportiert z. T. sogar mehrfach umgeschlagen und gelagert werden. Die Nebenprozesszeiten fu¨r den Kran werden von Experten zwischen 20 und 30% der Gesamtzeit angegeben. Die Nebenprozesse werden von der Bau- leitung mo¨glichst in die auslastungsschwachen Zeiten gelegt. Ein Zeitpunkt, wann diese Prozesse stattfinden, ist schwer abzuscha¨tzen. Bei der Auswer- tung der Ergebnisse mu¨ssen die Ressourcenverbra¨uche der Nebenprozesse entsprechend beru¨cksichtigt 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 Geba¨udemodellen effizient Systemlasten generierbar. Die weitere Vorgehensweise nach Datensammlung und -sortierung ist der folgenden Abbildung 5.3 zu entnehmen. Die Datenbank, die als Grundlage fu¨r 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, • Stu¨tzen- und Balkenelementen, • Tu¨r- und Fensterelementen, • sowie freien Objektelementen. Der genaue Aufbau der Tabellen ist dem Anhang B zu entnehmen. Die Bauteiltabellen enthalten als geometrische Daten Abmessungen, Fla¨chen und Volumina. Zusa¨tzlich existieren, neben CAD spezifischen Angaben, Daten u¨ber Querschnitte, Materialien und Elementaufbauten. 5.3. DATENBANK 69 Die Analysetabellen ermo¨glichen es, weitere Bauelemente zu generieren, die nicht explizit in der CAD gezeichnet wurden. Das sind im Wesentlichen Be- wehrungen, die u¨ber die Bewehrungsgrade der Bauteilarten abgeleitet wer- den. Weitere Daten, wie erforderliches Schalmaterial, oder Geru¨stmaterial, ließen sich ableiten, sind aber nicht Gegenstand der Untersuchung. Des Wei- teren werden die Mengen der Bauelemente in die zur weiteren Verarbeitung u¨bliche Einheit umgerechnet. Die Logistikdatentabellen (vgl. B.1.1 und B.2) enthalten Angaben u¨ber lo- gistische Materialeigenschaften. Das sind Handlingszeiten, Transport- und Umschlagmengen und lagertechnische Daten, wie Stapelbarkeit oder Lager- fla¨chenbedarf. Diese Daten sind entweder nur bedingt von den tatsa¨chlich eingesetzten Ressourcen oder vom Material selbst abha¨ngig. Das bedeutet, dass die Logistikdatentabelle unabha¨ngig 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 ra¨umliche Abschnitte gegliedert. Datenbankabfragen selektieren Bauelemente gleichen Materials und gleicher Abschnittszugeho¨rig- 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. Arbeitsabsc hnitt n Arbeitsabsc hnitt n+1 M ateriallieferabsc hnitt k Arbeitsabsc hnitt 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 beru¨cksichtigt werden. Die La¨nge der Balken ergibt sich aus der durchschnittlichen Verarbeitungsdauer des Materials multipli- ziert mit der Materialmenge. Die zugeho¨rigen Materiallieferabschnitte sind als Dreieck symbolisiert. Abbildung 5.5: Darstellung der Arbeitsabschnitte und Materiallieferab- schnitte in einem Gantt-Diagramm Fertigungsprozesse auf Baustellen laufen abha¨ngig von den Randbedingun- gen und baubetrieblichen Entscheidungen parallel oder seriell ab. Die Abbil- dung serieller und voneinander abha¨ngiger 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 (standardma¨ßig 0) gespeichert. In der Senke werden die Ist-Werte hochgeza¨hlt, sobald ein Bauelement eingebaut wird. Ein Arbeitsabschnitt ist abgeschlossen, sobald der Ist-Wert mit dem Soll-Wert u¨bereinstimmt. Da aber zwangsla¨ufig nicht alle Arbeitsabschnitte von einander abha¨ngen, oder ein nachfolgender Arbeitsabschnitt nach einer teilweisen Fertigstellung 5.3. DATENBANK 71 des vorangegangenen angefangen werden kann, ko¨nnen 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 fru¨her (fu¨r α > 0) begonnen werden, bis hin zur vollsta¨ndigen Entkopplung der Arbeitsabschnitte (fu¨r α = 1). Das zweite Reihenfolgekriterium (vgl. Abb. 5.6) ist ein fest vorgegebener beliebiger, Vorga¨ngerabschnitt, der u¨ber 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 gea¨ndert werden und auch die Gro¨ße der Arbeits- abschnitte ist unbeschra¨nkt wa¨hlbar und je nach Material unterschiedlich. Die Materiallieferabschnitte sind genau wie Arbeitsabschnitte aufgebaut. Eine Trennung ist notwendig, um die Materiallieferungen von den Arbeits- abla¨ufen zu entkoppeln. Beispielsweise ko¨nnen zu einem Arbeitsabschnitt mehrere Materiallieferabschnitte geplant werden, oder ein Materiallieferab- schnitt wird zur Transportoptimierung um die Bauelemente des na¨chsten Arbeitsabschnitts erweitert. Der folgende screenshot (Abb. 5.7) zeigt die Maske in der die Manipulationen durchgefu¨hrt werden ko¨nnen. In der linken Spalte sind alle Materiallieferabschnitte aufgefu¨hrt, wobei diese nach einem Material gefiltert werden ko¨nnen. In der rechten Spalte stehen alle Bauele- mente, die zu dem links ausgewa¨hlten Materiallieferabschnitt geho¨ren. Die Bauelemente ko¨nnen einzeln oder als Gruppe ausgewa¨hlt und einem anderen Abschnitt zugeordnet werden. Ebenso ist es mo¨glich einen weiteren neuen Materiallieferabschnitt zu erzeugen und die ausgewa¨hlten 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 grundsa¨tzlich entspricht. Bedeutung erha¨lt die Reihenfolge bei der 72 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Abbildung 5.7: Manipulationsmo¨glichkeiten der Materiallieferabschnitte verku¨rzten Lastfahrt in der Kranspielzeitberechnung fu¨r 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; • Verknu¨pfung von logistischen Eigenschaften mit dem Material; • Steuerungsinstrument fu¨r die Simulation. Die Datenbank bereitet die Daten so auf, dass sie direkt vom Simulator ein- gelesen und verarbeitet werden ko¨nnen. U¨ber eine ODBC-Schnittstelle ist sie an den Simulator angeschlossen und kann u¨ber SQL-Befehle angesteuert werden. Aus Performance Gru¨nden werden alle Daten bei der Initialisierung in internen Programmtabellen gespeichert. Eine na¨here Erla¨uterung der Ta- belleninhalte erfolgt in den entsprechenden Unterkapiteln. Die ’Auftra¨ge’ durchlaufen die in Kapitel 5.5 beschriebenen Atome. 5.4 Konzeptionelles Modell 5.4.1 Zielsetzung Bei Logistikprozessen im Baubetrieb sind Simulationen hauptsa¨chlich im strategischen Bereich, also vor einer Baumaßnahme, relevant. Die durch die Arbeitsvorbereitung oder einen Logistiker geplanten Strategien sind mit der Simulation pru¨fbar. Die folgenden Fragestellungen weisen auf die Zielgro¨ßen 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 Zielgro¨ßen mu¨ssen bereits im Aufbau des konzep- tionellen Modells beru¨cksichtigt 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 Produktionssta¨tte (Baustelle), der Ort der hauptsa¨chlichen Wertscho¨pfung ist, und dort Produktivita¨tssteigerungen, oder -verluste die gro¨ßten 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 verknu¨pft, dass sie interagie- ren ko¨nnen. Diese Module sind allgemein gehalten, so dass sie fu¨r beliebige 74 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Baustellen eingesetzt werden ko¨nnen. Das Modell ist strukturorientiert, d. h. die Lage der Module ist durch Koordinaten beschrieben, die auf die CAD- Daten des Geba¨udemodells abgestimmt sind. Die Systemlast erfasst diejenigen Materialmengen, die unmittelbar zum Pro- dukt ’Bauwerk’ geho¨ren. Nicht von der Systemlast abgebildet werden: • Transporte von Sekunda¨r- und Terzia¨rgu¨ter, also Bauhilfsstoffe und Verbrauchsmaterial, sowie Schalungs- und Geru¨stmaterial. • 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 Ergebnisse sind die Nebenprozesse zu beru¨cksichtigen, da diese z. T. ebenfalls Ressourcenkapazita¨ten 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) na¨her beschrieben werden. In der Abbildung sind die Elemente durch einen sta¨rkeren Rahmen1 gekenn- zeichnet, bei denen ein Zeitverbrauch stattfindet. Die Pfeile, die nach oben zuru¨ckweisen, wurden nur exemplarisch eingezeichnet. 1Aus optischen Gru¨nden 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 fu¨r eine Hochbau-Baustelle ist ’allge- mein’ gu¨ltig. Fu¨r ein konkretes Simulations- bzw. Computermodell mu¨ssen 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 mu¨ssen die Atome ent- sprechend ihrer Aufgabe verbunden werden. Die Atome bzw. Atomgruppen (vgl. Abb. 5.10), die fu¨r SIMUBAU entwickelt wur- den, werden im Folgenden vorgestellt. Soweit mo¨glich erfolgt die Beschreibung in der Reihen- folge des konzeptionellen Modells. Die Atom- beziehungen werden anhand von Ausschnitts- vergro¨ßerungen des U¨bersichtsbildes 5.9 und screenshots der Atome in der Simulationsumgebung erla¨utert. 5.5.1 Bauelemente Die VDI 3633 ([VDI 3633-1]) bezeichnet die Systemlastdaten als Auftra¨ge, die im 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 u¨blichen 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 Gro¨ßen, 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 beru¨cksichtigt. In der Auswertung ist nicht Abbildung 5.12: Transporteinheit der Durchsatz (Anzahl pro Stunde) die entscheidende Kenngro¨ße, 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 vera¨ndert werden ko¨nnen. 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 ermo¨glichen es, Teilmengen von 2Eine Ausnahme bildet natu¨rlich die Mengeneinheit Stk., da diese gleich der Anzahl der BEO ist. 78 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG bestimmten ra¨umlichen 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 einzufu¨hren (vgl. Abb. 5.13 und U¨bersicht 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, die mit einem Zeitstempel, dem Lieferzeitpunkt, versehen sind. Diese sind in der arrival-list gespeichert und werden gleichzeitig erzeugt, wenn sie zum selben Materiallieferabschnitt geho¨ren. Abha¨ngig von diesem werden sie in eine queue geleitet. Der assembler verknu¨pft die Bauelemente mit containern (Lkw). Die Zuordnung erfolgt mit Hilfe der MateriallieferID, u¨ber 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 Stu¨ckgutbereich 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 u¨ber 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 = n ∑ 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,BEMLkw (5.2) #BE/Lkw = n#Lkw (5.3) mit M = Gesamtmenge j = Index fu¨r Materiallieferabschnitt BE = Bauelement n = Anzahl Bauelemente pro Materiallieferabschnitt m = Einzelmenge eines Bauelementes i = Index fu¨r Bauelement MLkw = Menge pro Lkw Im Durchschnitt wird damit die ladungsbegrenzende Menge pro Lkw einge- halten. Im Extremfall ko¨nnen einige Lkw u¨berladen, 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 beru¨cksichtigen. 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 betrifft im Wesentlichen den Rohbau, bei dem der Kran als Einbau- mittel fungiert und stark 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 gewa¨hrleisten. Die Steuerung erfolgt i. d. R. durch die Bauleitung. Daher kann man von einer getakteten Belieferung ausgehen. Der Einfluss von Staus und sonstigen Lieferverzo¨gerungen 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 Verspa¨tungen fu¨hren, als zu vorzeitigem Ankommen [Wil77]. Hierfu¨r wird eine Erlang-Verteilung mit dem Faktor k=2 gewa¨hlt. 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 fru¨hes Ankommen ist auf Grund des zeitlichen U¨bergangs im Simulationszeithorizont nicht mo¨glich (Ende Tag n = Anfang Tag n+1). Ein vorzeitiges Ankommen ist fu¨r 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 unabha¨ngig von einander (unkoordiniert) Material anliefern. Da alle Lkw-Beladungs-Module unabha¨ngig von einander sind, ko¨nnen diese auch unabha¨ngig von einander gesteuert werden, welches der eigensta¨ndigen Disponierung der beteiligten Akteure entspricht. Alle Lkw-Beladungs-Module sind mit dem Atom Ein- fahrt, Disposition verknu¨pft. In SIMUBAU ist die Annahme hinterlegt, dass Material eines Materiallie- ferabschnitts innerhalb von zwei Tagen vor dem Beginn des zugeho¨rigen 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 81 Arbeitsabschnitts geliefert wird. Dabei wird fu¨r 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 fu¨r 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 mu¨ssen, die mit den erwarteten Ankunftszeiten korrelieren. x f(x) [%] 7: 00 9: 0 0 12: 00 13: 00 7: 00 Tag 1 8,75 3,75 6,25 3,75 17:00 9 : 00 12: 00 13: 00 1 7: 00 Tag 2 8,75 3,75 6,25 3,75 0 7 20 0 18 0 00 21 6 00 3 60 00 43200 5 40 0 0 5 7 60 0 7 2 00 0 [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. Zuna¨chst wird gepru¨ft, welche Krane die Zielorte der Bauelemente im Lkw erreichen ko¨nnen. Sollte kein Kran alle Bauelemente in seiner Reichweite haben, werden die Krane (mindestens ein Kran) ausgewa¨hlt, die die meis- ten Bauelemente verarbeiten ko¨nnen. Danach wird aus dieser Gruppe der na¨chste 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 ha¨ufig anzutreffenden Hauptkran ab. Welcher Kran fu¨r die Ladung eines Lkw optimal ist, beruht meist auf dem Erfahrungswissen der Bauleitung 3Expertengespra¨ch mit Herrn Goetz, Gescha¨ftsfu¨hrer 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 mu¨ndlich oder fernmu¨ndlich an den Lieferanten wei- tergegeben. Den seltenen Fall, dass der falsche Kran angefahren wird und ein Umrangieren erfolgt, ist in SIMUBAU nicht beru¨cksichtigt. 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 fu¨r 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 hier zwei Zeitstempel mit denen eine eventuelle 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 u¨ber den Baufortschritt und globale Lage- reigenschaften und wurden in einer eigenen Atomgruppe angelegt, da von verschiedenen Atomen auf die Tabellen zugegriffen wird. Die ausfu¨hrliche Beschreibung der Felder ist dem Anhang B zu entnehmen. Weitere Initiali- sierungen und Vorbelegungen von Werten erfolgt in den Atomgruppen, zu denen die Werte geho¨ren. Die Atomgruppe verfu¨gt weder u¨ber Eingangs- noch Ausgangskana¨le. 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 zuru¨ck, 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 Verknu¨pfung 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 beno¨tigen keine weiteren bauspezifischen A¨nderungen. Die Wege setzen sich aus den entsprechenden Teilstu¨cken 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 Materialflu¨sse) und der Zeitverbrauchsanteil auf den Wegen ist gering. Die aus U¨berschlagsrechnungen gewonnenen Werte fu¨r 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 Abha¨ngigkeit der Ge- samtstrecke und der Maximalgeschwindigkeit Die Werte gelten unter der Annahme, dass • die Maximalgeschwindigkeit vorwa¨rts 30 km/h und ru¨ckwa¨rts 10 km/h betra¨gt; • die Anfahr- und Bremsbeschleunigung 1 m/s2 betra¨gt; • der Lkw aus dem Stand linear bis zu der Maximalgeschwindigkeit be- schleunigt und die Geschwindigkeit bis zum Ende der Strecke aufrecht erha¨lt (’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 Wegefu¨hrungen komplexer, sind genauere Untersuchungen not- wendig. Modellanpassungen sind einfach durchzufu¨hren. Nach der Entladung der Lkw (vgl. folgendes Kapitel) fahren sie wieder auf einem anderem Weg zur Einfahrt zuru¨ck (vgl. Abb. 5.18. Verla¨sst 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 fu¨r nachfolgende Lkw wieder freigegeben. 5.5.6 Lkw-Entladung Die Atomgruppe Lkw-Entladung stellt die Bauelemente in der Menge einer Liefereinheit dem Kran zur Verfu¨gung. Sobald das letzte Bauelement den Lkw verla¨sst, wird der Lkw freigegeben und verla¨sst 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 beru¨cksichtigt (vgl. Abb. 5.21). U¨ber die Menge wird im Kranmodul bestimmt, ob fu¨r 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: Stu¨ckgut–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 Stu¨ckgut–Liefereinheiten Dadurch ko¨nnen alle Bauelemente auf die gleiche Weise verarbeitet werden, unabha¨ngig von der Mengeneinheit. Die Bauelemente, die zu einer Liefereinheit zusammengefasst sind, ko¨nnen nicht direkt zum Einbauort umgeschlagen werden, da unterschiedliche Ziel- koordinaten vorhanden sind. Diese Bauelemente und Bauelemente eines Ar- beitsabschnitts, dessen Vorga¨ngerabschnitt noch nicht fertig gestellt ist, wer- den u¨ber das Kranmodul in ein Lageratom umgeschlagen. Ein Lageratom kann den Status vorhanden/nicht vorhanden und voll/nicht voll haben. Der erste Status wird fu¨r die Einrichtung von tempora¨ren La¨gern genutzt, der zweite ergibt sich aus dem Platzbedarf der eingelagerten Bauelemente im Verha¨ltnis zur vorhandenen Lagerfla¨che. 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 Absta¨nde (Luftlinie) aller Bauelemente zu allen vorhandenen und nicht vollen La¨gern. Der Transport erfolgt in das Lager, welches am na¨chsten zu allen Einbauorten einer Liefereinheit liegt. Das Hauptlager hat immer den Status ’vorhanden’ und ’nicht voll’, um einen Deadlock zu verhindern. Der container erha¨lt die Nummer des gewa¨hlten Lagers. Das Verfahren wird auch fu¨r die container angewendet, die nur ein Element enthalten, da das optimale Lager fu¨r den Fall bekannt sein muss, wenn der Vorga¨ngerabschnitt nicht fertig sein sollte. 5.5.7 Kranmodul Das Kranmodul simuliert einen ortsfesten Turmdrehkran, durch die Berech- nung der Bewegung des Kranhakens unter Beru¨cksichtigung 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 u¨ber den Eingangskanal sowie mit dem Lager, bzw. dem Einbauort u¨ber Ausgangskana¨le 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- gefu¨hrt, wobei das ’n’ fu¨r die Zahl des Krans steht, fu¨r den Fall dass mehrere Krane im Einsatz sind. Neben demMaterial wird die endgu¨ltige ’CycleTime’, die aktuelle Simulationszeit und der Name des Bauelements gespeichert. Der Zeitverbrauch (’CycleTime’) ist die wesentliche Kenngro¨ße dieser Res- source, die sich auf ein Bauelement bezieht. Sie unterscheidet sich wie im Folgenden erla¨utert 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 ha¨ngt 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 Abha¨ngigkeit ganz oder teilweise ausgeschaltet werden (vgl. Abb. 5.4), dann wird direkt eingebaut, wenn die Bedingung des abgeschlossenen Vorga¨ngerabschnittes erfu¨llt ist. Ein weiteres Kriterium fu¨r den Umschlag ins Lager ist die Reichweite des Krans. Bei ihrer U¨berschreitung wird das Bauelement ins Lager umgeschlagen, welches allerdings auch zum Deadlock fu¨hrt, da das Bauelement von dort nicht eingebaut werden kann und der Arbeitsabschnitt nicht abgeschlossen werden kann. Dieser gesteuerte Dead- lock dient der U¨berpru¨fung der Kranreichweiten fu¨r 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’ beru¨cksichtigt. Die Basis der ’CycleTime’- Berechnung bildet die Kranspielzeit nach 3.3.2, wobei das Bauteilkonzept der Simulation beru¨cksichtigt werden muss. Wie in Bauelemente beschrie- ben, ist die Baustoffmenge eines Bauelementes entweder kleiner, gro¨ßer oder genau gleich der Menge, die der Kran auf einmal transportieren kann (Kran- kapazita¨t). Je nach Mengeneinheit wird dieser Umstand unterschiedlich be- handelt. Ist die Anzahl der Bauelemente im Stu¨ckgutbereich (vgl. Kap. Lkw-Entladung S. 85) gro¨ßer als die Krankapazita¨t, werden so viele Bauelemente in einem container zu einer Liefereinheit zusammengefasst, wie die Krankapazita¨t es ermo¨glicht (im Beispiel der Abb. 5.20 n=4). Fu¨r 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 Krankapazita¨t (Liefereinheit < 1), ist nicht mo¨glich und wird daher nicht betrachtet. Im Nicht-Stu¨ckgutbereich (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 Fa¨lle ”kleiner, gro¨ßer oder genau gleich“ zu unterscheiden. Es entstehenzwei Grundfa¨lle, die der Abbildung 5.23 zu entnehmen sind. Fall 1 beschreibt den Normalfall eines Kranspiels nach Abb. 3.11, Fall 2 den Sonderfall einer verku¨rzten Lastfahrt. Der Sonderfall tritt dann auf, wenn der Quotient aus der Menge des i-ten Bauelements und der Krankapazita¨t nicht ganzzahlig ist. Bei der Berechnung der ’CycleTime’ fu¨r das Bauelement i+1 muss die vorhandene Restmenge (der Kran ist nicht leer) beru¨cksichtigt werden, da der Kran immer die volle Kapazita¨t ausnutzt. Es folgt eine verku¨rzte 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 = Krankapazita¨t ⇒ Fall 1 • Menge mi, BE < Krankapazita¨t ⇒ Fall 2, wenn Kran nicht leer Fall 1, wenn Kran leer • Menge mi, BE > Krankapazita¨t ⇒ 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 Krankapazita¨t, ergibt sich ein Tou- renproblem, da sich der Sonderfall ’verku¨rzte Lastfahrt’ mehrfach aneinan- der reiht. Die Reihenfolge der Bauelemente innerhalb eines Materialliefer- abschnitts wird daher so gewa¨hlt, dass die Absta¨nde untereinander minimal sind. Die Abgabezeiten tabg beziehen sich auf die Abgabe der kompletten Um- schlageinheit. Diese werden mit dem Faktor α = Menge/Krankapazita¨t mul- tipliziert, um zeitliche Auswirkungen von Mindermengen zu beru¨cksichtigen. 90 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Bauelement Menge Kran- Kranspiele kapazita¨t Fertigteil 1 Stk 1 Stk 1 Kranspiel Ortbeton 1,2 m3 1,0 m3 2 Kranspiele + Restmenge von 0,8m3fu¨r Bauelement i+1 Bewehrung 0,048 t 5,0 t verku¨rzte Lastfahrt von i nach j, wenn Restmenge bei i-1 vorhanden, sonst 1 Kranspiel + Restmenge von 4,952 t Tabelle 5.4: Fallunterscheidungen am Beispiel Daraus folgt fu¨r 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 ko¨nnen. Daher wird die endgu¨ltige Ergebnisgro¨ße 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 fu¨r den Direkteinbau geeignet sind, an den Kran ’zuru¨ckgegeben’ sobald die Einbaukriterien erfu¨llt sind, die im Einbauort gepru¨ft werden. Die Freigabe der Bauelemente fu¨r 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 ausgewa¨hlter Priorita¨tsregel die Rei- henfolge festgelegt, wobei die Ta¨tigkeit fu¨r eine Einheit nicht abge- oder un- terbrochen wird. Der erste Fall minimiert die Lkw-Durchlaufzeit, der zweite die beanspruchte Lagerfla¨che. 5.5.8 Lager Das Lager dient fu¨r die Bauelemente des Direkteinbaus und fu¨r die anderen Bauelemente als Puffer-Lager. Die folgende Abbildung zeigt zuna¨chst 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 u¨ber ein unpack -Atom mit einem queue-Atom verbun- den. Das unpack -Atom und ein daran angeha¨ngter sink -Atom dient dazu die Liefereinheiten wieder aufzulo¨sen, damit die Bauelemente nicht in ih- ren Liefereinheiten gespeichert werden. Ein Tabellen-Atom protokolliert die Lagerzu- und -abga¨nge. Das queue-Atom bedient zwei Verarbeitungsmo¨glich- keiten. Die eine ist fu¨r Bauelemente des Direkteinbaus. Das stacker -Atom erzeugt hierbei den fu¨r das Kranmodul erforderlichen container(vgl. Abb. 5.25). Die zweite Mo¨glichkeit 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- nisgro¨ßen des Lagers. Zum Einen wird damit die Dimensionierung des La- gers gepru¨ft, zum Andern ist eine kurze Lagerdauer bei gleichzeitiger ho- her Funktionalita¨t des Gesamtsystems auf Grund der ungu¨nstigen Lagerbe- dingungen (ho¨here Diebstahlgefahr, ho¨here Bescha¨digungsgefahr [Kam94]) von Baustellenlagern, anzustreben. Aus Vereinfachungsgru¨nden ist die Ka- pazita¨t unscharf, d. h. die Summe aus aktueller Lagermenge und Menge des aktuell einzulagernden Bauelementes kann gro¨ßer 100% werden. Ein Ele- ment wird auch dann eingelagert, wenn die Menge mi, BE gro¨ßer ist als die noch zur Verfu¨gung stehende Lagerkapazita¨t. Danach wird das Lager ge- schlossen und erst wieder ero¨ffnet, wenn die Kapazita¨t durch Auslagerung unter 100% sinkt. Bei der Lagerfla¨chendimensionierung 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 Lagerfla¨chenbedarf der Tabelle tbl_material ist ein Fla¨chenverbrauch pro Mengeneinheit angegeben. Damit ergibt sich der Fla¨chenverbrauch aus dem Produkt von Menge und Fla¨chenbedarf. Zudem erfolgt die Berechnung der Kapazita¨t lediglich u¨ber Addieren und Subtrahieren des Fla¨chenbedarfs der Bauelemente. Eine genauere Betrachtung mit Beru¨cksichtigung der Ein- zelabmessungen des Bauelementes sowie des genauen Lagerplatzes innerhalb des Lagers ist zwar denkbar, aber fu¨r die hier betrachteten Ziele nicht von Bedeutung. Wie bereits bei Atom Lkw-Entladung beschrieben, werden tem- pora¨re Lager und Dauerlager unterschieden. Damit ko¨nnen Lager abgebildet werden, die in einer bestimmten Bauphase vorhanden sind und dann wieder aufgelo¨st werden mu¨ssen. Die Ero¨ffnung/Schließung dieser La¨ger erfolgt u¨ber Arbeitsabschnitte. Ist ein bestimmter Arbeitsabschnitt abgeschlossen, so wird ein korrespondierendes Lager ero¨ffnet. Die Vollendung eines weiteren, bestimmten Arbeitsabschnit- tes schließt das Lager wieder, d. h. das Lager ist fu¨r den Kran nicht mehr erreichbar. Die Auslagerung erfolgt in der Reihenfolge der Arbeitsabschnitte mit der kleinsten Abschnittsnummer beginnend. Sobald ein Vorga¨ngerabschnitt 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 Kapazita¨t haben, wird die Reihenfolge der freigegebenen Bauelemente zusa¨tzlich nach den ’freien’ Ka- pazita¨ten sortiert, auch wenn diese eine ho¨here Abschnittsnummer haben. 5.5. DIE ATOM-BIBLIOTHEK VON SIMUBAU 93 5.5.9 Verarbeitung Die Atomgruppe Verarbeitung simuliert den Zeitverbrauch fu¨r Transport4 und Einbau der Materialien, die den Kran nicht als Einbaumittel verwenden, was hauptsa¨chlich im Ausbau der Fall ist. Die Atomgruppe repra¨sentiert die Arbeit einzelner gewerkebezogener Kolonnen ohne Kran. Eine Kolonne verarbeitet seriell alle gewerkezugeho¨rigen Bauelemente aller La¨ger. Verarbeitung Einbauort Lager 1 Abbildung 5.26: Verarbeitung Die Atomgruppe besteht aus mehreren fast server Atomen der Logistik- Suite, die jeweils eine Kolonne repra¨sentieren. In jedem fast server wird genau ein Material verarbeitet. Alle La¨ger sind mit den fast servern u¨ber einzelne Kana¨le verbunden. Die La¨ger verteilen die Materialien, die fu¨r die Verarbeitung bestimmt sind, sortenrein auf Einzelkana¨le. Die fast server besitzen fu¨r jedes Lager einen Eingangskanal. Als optische Pru¨fhilfe wird je nach Material die Farbe des Atoms gewechselt. Wechseln die Farben bei einem Atom sind die Eingangskana¨le falsch angeschlossen. Die Bau- elemente werden nach einer ’CycleTime’ (Verarbeitungszeit) an die Atom- gruppe Einbauort 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 fu¨r ein Gewerk kann durch A¨nderung des Aufwandswerts angepasst werden. Sollten mehr Materialien dazukommen, kann die Atomgruppe durch einfaches Kopieren eines der fast server erga¨nzt werden. 4vom Lagerort auf der Baustelle zum Einbauort 94 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Auf stochastische Einflu¨sse wird in diesem Atom verzichtet, da keine genaue- re Untersuchung der Prozesse erforderlich ist. Das ha¨ngt 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 u¨ber die Fertigstellungsmeldungen einzelner Arbeitsabschnitte durch Ankommen der Bauelemente und der Visualisierung. Die Steuerung bezieht sich auf das Abrufen von Lkw und das Verwalten der La¨ger (o¨ffnen, schließen usw.). Die Atomgruppe besteht aus einem unpack - einem queue- und zwei sink - Atomen der Logistik-Suite. Abbildung 5.27: Einbauort-Atomgruppe Die Eingangskana¨le 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 u¨ber Ausgangskana¨le verbunden. Das unpack - und die beiden sink -Atome haben eine untergeordnete Bedeu- tung. Sie stellen der queue die erforderlichen Bauelemente zur Verfu¨gung und nehmen die container bzw. die fertig gestellten Bauelemente auf. Die Auf- nahme der Bauelemente ist lediglich dann erforderlich, wenn zur besseren 5.6. MODELLPRU¨FUNG 95 U¨bersichtlichkeit in der 2D-Ansicht Bauelemente ’gelo¨scht’ werden sollen. Anderenfalls bleiben die Bauelemente zur Visualisierung in der queue, in der geza¨hlt und der Einbaustatus festgehalten wird. In der tbl_Arbeitsabschn (vgl. Anhang B.1.2) wird die Fertigstellung der Arbeitsabschnitte festgehalten. Durch die Abha¨ngigkeiten zu den Vorga¨nger- abschnitten wird SIMUBAU gesteuert. Die Freigabe fu¨r die Lkw in der Lkw- Beladung erfolgt erst, wenn der Vorga¨ngerabschnitt abgeschlossen ist (Pull- Prinzip). Des Weiteren werden in der queue die La¨ger verwaltet, sofern es sich um tempora¨re La¨ger handelt. Die Steuerung, d. h. die ’O¨ffnung’ oder das ’Schlie- ßen’ eines Lagers erfolgt ebenfalls u¨ber die Fertigstellung eines bestimmten Arbeitsabschnitts. Ein Etagenlager kann beispielsweise erst dann genutzt werden, wenn die zugeho¨rige Rohdecke erstellt ist. Der korrespondierende Arbeitsabschnitt muss dazu abgeschlossen sein. Fu¨r das vorliegende Mo- dell wird nur der Kran als Umschlagmittel genutzt. Ist die daru¨ber liegende Decke des Etagenlagers eingebaut, ist das Lager fu¨r 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 Statusa¨nderung erfolgt in der Tabelle tbl_lager, der Atomgruppe Initialisierung (vgl. S. 82). 5.6 Modellpru¨fung Die Validierung eine Modells kann, wie in Kap. 4.4 erla¨utert, 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 gepru¨ft. 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 ko¨nnen ’allgemeine’ Fa¨lle definiert werden, so dass die Gemeingu¨ltig- keit eines Atoms gewa¨hrleistet werden kann. Eine Reihe an Tests wurden am Hauptmodell (vgl. Kap. 6) realisiert, da bestimmte Untersuchungen nur dar- an durchzufu¨hren sind. Dies bezieht sich insbesondere auf bestimmte Regeln, die in den Atomen gespeichert sind und Entscheidungen nach sich ziehen. In der folgenden Aufza¨hlung sind die Atome mit ihren in Kapitel 6 gepru¨ften 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 fu¨r 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 fu¨r Lager und Lkw-Beladung – O¨ffnen und Schließen von Lagern 5.6.1 Teilmodelle Teilmodell Kran Zur Verifizierung des Kranmoduls wurde ein Teilmodell erstellt, dass alle Funktionalitia¨ten 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 wurden alle Winkeleinstellungen inklusive der richtigen Drehrichtung positiv gepru¨ft. Ebenso konnten die zugeho¨rigen Zeiten mittels Handrechnung an Hand der Eingabe- und der Lagekoordinaten kontrolliert werden. Zudem konnte der Sonderfall der verku¨rzten 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. MODELLPRU¨FUNG 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. U¨ber die Vera¨nderung 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 repra¨sentieren drei La¨ger, die die Produkte gleichen Materials (Mat-ID) an die zugeho¨rige Verarbeitungskolonne, den fast server, senden. Ziel ist es, zu pru¨fen, ob die Verarbeitungskolonne das richtige Material 98 KAPITEL 5. MODELLBESCHREIBUNG Abbildung 5.30: Teilmodell Verarbeitung erha¨lt 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- # La¨ger 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’ fu¨r Teilmodell Verarbeitung Die Ankunftszeiten wurden willku¨rlich zwischen 0 und 99 s gewa¨hlt. Verein- fachend wurden verschiedene Verarbeitungszeiten (10 s, 20 s, 30 s, 40 s) gewa¨hlt. Nach einem Simulationszeithorizont (vgl. Kap. 4.2.2) von t = 540 s sind alle Produkte unmittelbar verarbeitet, was mit der Handrechnung u¨berein- stimmt. Die Anzahl der Produkte auf jedem fast server wurde ebenfalls gepru¨ft, um sicherzustellen, dass die Materialien an die zugeho¨rigen fast server geschickt wurden. 5.7. STRATEGIEN UND REGELN 99 5.7 Strategien und Regeln Wie in Kapitel 3.4 erla¨utert, wird Strategie im spieletheoretischen Sinne verwendet. Fu¨r die Steuerung eines einzelnen STATOs wird der Begriff Regel benutzt, wie er ebenfalls in [Kli00], aber auch als Priorita¨ts-Regel in [Jeh99] verwendet wird. Eine Regel entha¨lt eine Ausfu¨hrungsanweisung, die an eine oder mehrere mo¨glicherweise komplexe Bedingungen geknu¨pft 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 gea¨ndert werden ko¨nnen [Kli00]. In der Simulation ko¨nnen A¨nderungen am System bei gleicher Systemlast und bei gleichem System A¨nderungen an der Systemlast untersucht werden. A¨nderungen am System beinhalten: • die ra¨umliche Anordnung der Ressourcen, • die Anzahl der Ressourcen, • Leistungskenngro¨ßen der Ressourcen, • Regeln, die in den Ressourcen hinterlegt sind. Systema¨nderungen sind vergleichweise einfach durchzufu¨hren und entspre- chen operativen Entscheidungen auf der Baustelle und der Baustellenein- richtung in der Arbeitsvorbereitung Sie gehen aber bezu¨glich der Arbeits- vorbereitung u¨ber eine reine Layoutplanung hinaus, da zusa¨tzlich 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 Ausfu¨hrung jedoch na¨her zusammengefu¨hrt, da bestimmte Entscheidungen vorweggenommen werden. Systemlasta¨nderungen resultieren aus dem Wechsel der Bevorratungsstrate- gien. Die Gro¨ße der Lagerfla¨chen sind ein limitierender Faktor, die dadurch die Bevorratungsstrategien und damit die Systemlast direkt beeinflussen. Die U¨bersicht in Abbildung 5.31 verdeutlicht, dass verschiedene Instanzen fu¨r die Strategien verantwortlich sind und an unterschiedlichen Stellen im Gesamtsystem implementiert werden. Die Systemlasta¨nderung erfordert den gro¨ßten Aufwand, da es sich um eine Beeinflussung der Zulieferverkehre han- delt. Systema¨nderungen auf Simulationsmodellebene bilden die Planungs- entscheidungen der Arbeitsvorbereitung ab, wa¨hrend die Systema¨nderungen auf Bausteinebene in der Regel die Entscheidungen der Bauleitung vor Ort repra¨sentieren. Wie oben bereits erwa¨hnt 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 durchgefu¨hrt wird. Strategien und Regeln Datenbankebene Bausteinebene SystemänderungenSystemlaständerungen Simulationsmodellebene Disposition Layoutplanung operative Lenkung Instanz Abbildung 5.31: U¨bersicht Strategien und Regeln 5.7.1 Bevorratungs- und Lieferstrategien Bevorratung- und Lieferstrategien sind im Wesentlichen Dispositionsent- scheidungen, die auf Datenbankebene abgebildet werden. Die Vera¨nderung 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 unvera¨nderlich angenommen. Fu¨r den Vergleich zweier Entwu¨rfe sind folglich zwei CAD- Modelle erforderlich. Da sich aber mit wesentlichen Vera¨nderungen des Bau- werks auch die Baustelleneinrichtung und damit das System a¨ndern wu¨rde, wa¨re ein Vergleich nur sehr grob zu fu¨hren, weil sich Systemlast und Sys- tem gleichzeitig vera¨ndern. Durch den Aufbau in der Datenbank kann die Systemlast sehr flexibel variiert werden. Durch die Trennung von Arbeitsab- schnitten und Materiallieferabschnitten ko¨nnen diese bis auf Bauteilebene vera¨ndert werden, d. h. Materiallieferabschnitte ko¨nnen teilweise oder ganz zusammengelegt oder auch in weitere Materiallieferabschnitte zerlegt wer- den. Die zugeho¨rigen Lieferzeitpunkte sind ebenfalls variabel vera¨nderbar. 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 fru¨hrer terminierte Materiallieferabschnitte optimieren. 5.7.2 Lagerstrategien Die Lagerstrategien sind Systema¨nderungen im Bereich der Layoutplanung. Das Modell SIMUBAU la¨sst eine beliebige Anzahl an La¨gern zu, wobei zwi- schen einem Hauptlager und Neben-, oder Etagenla¨gern unterschieden wird. Das Hauptlager hat eine unbegrenzte Kapazita¨t, da die Prozesse eines vol- len, bzw. u¨berfu¨llten Lagers (’Abweisen’ der Lkw) nicht abgebildet wur- den. U¨ber die relative Gro¨ße der Auslastung kann das Lager dimensioniert werden. Eingelagert werden alle Bauelemente, außer Ortbeton, sofern der Vorga¨ngerabschnitt noch nicht fertig ist oder der Einbau nicht mit dem Kran erfolgt. Dies gilt im Wesentlichen fu¨r alle Ausbaumaterialien. Die Etagenla¨ger sind kapazita¨tsma¨ßig begrenzt und werden fu¨r die Einlage- rung geschlossen, wenn sie voll sind. Bauelemente mu¨ssen bei vollem Etagen- lager ins Hauptlager umgeschlagen werden. U¨ber einen Parameter ko¨nnen die Neben- oder Etagenla¨ger zu- oder abgeschaltet werden. Die Grundstra- tegie der La¨ger sieht vor, dass das Lager genutzt wird, welches zur Zeit der Anlieferung offen ist und dem Einbauort in Luftlinie am na¨chsten 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 fu¨r den Kran nicht mehr erreichbar ist. Das Einlagern u¨ber Absetzen auf Hilfsgeru¨ste oder mit Bauaufzu¨gen ist hier nicht vorgesehen. Als Zielgro¨ße wird eine Entfernungskennzahl berechnet, die die Distanz zwi- schen Lager und Einbauort repra¨sentiert. Damit la¨sst sich ermitteln, welche Variante die ku¨rzesten Baustellentransporte induziert. U¨ber die Koordinaten 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 ausdru¨ckt. Belegt man diese Kennzahl mit Kosten fu¨r einen Handtransport auf der Baustelle, so kann man dies mit den erho¨hten Kapitalbindungskosten und dem Risiko einer la¨ngeren Lagerung vergleichen, die entstehen, wenn Aus- baumaterial bereits in der Rohbauphase im Geba¨ude 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, ko¨nnen Lieferzeitfenster mit SIMUBAU vereinfacht abgebildet werden. U¨ber 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 Kapazita¨ten stehen die konkret angewendeten Strategien und de- ren Auswertung im Mittelpunkt. 6.1 Beschreibung des Bauvorhabens Das genannte Bauvorhaben dient als Anwendungsbeispiel fu¨r SIMUBAU. Abbildung 6.1: Ansicht von Nord-Ost Das Geba¨ude besteht aus drei Bauko¨rpern: einer Tiefgarage, einem dreisto¨cki- gen halbrunden Anbau und einem zwo¨lfsto¨ckigen Riegelgeba¨ude, dem Haupt- 103 104 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL bauwerk. Das Bauvorhaben entstand als Schlu¨sselfertigbau unter der Lei- tung des mittelsta¨ndischen 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 Lagerfla¨che zu erkennen. Die Tiefgarage ist bereits fertig, so dass deren Decke als Lager dient. Die Rohbaukonstruktion besteht aus Fertigteilen und Halbfertigteilen mit Ort- betonerga¨nzung. Im Erdgeschoss bestehen einige Stu¨tzen aus Ortbeton. Die tragenden Wa¨nde sind zum Großteil Doppelfiligranwa¨nde, die Decken wer- den mit Filigran und Ortbeton ausgefu¨hrt. Die nichttragenden Wa¨nde wur- den in Trockenbauweise erstellt. Alle Betonwa¨nde 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 fu¨r die Lkw verzeichnet und die Grundstu¨cksgrenzen angegeben. Die rotunterlegte Fla¨che ent- spricht dem zwo¨lfsto¨ckigen Rie- gelgeba¨ude und dem dreisto¨cki- gen runden Anbau. Die Lager- fla¨che (gru¨n, unmaßsta¨blich) ist im Bereich der fertigen Tiefga- rage eingezeichnet. Da die ge- samte Planung in 2D ausgefu¨hrt wurde, erfolgte zuna¨chst die Er- stellung eines 3D-Modells vom Hauptgeba¨ude (vgl. Abb. 6.3) ohne die Nebengeba¨ude abzubil- den, da die kritische Situation fu¨r die logistischen Abla¨ufe in der U¨ber- gangsphase der Rohbau- zur Ausbauphase im Hauptgeba¨ude gesehen wurde. Durch die U¨bertragung in ein eigenes Modell konnten nicht alle Originalpla- nungen u¨bernommen werden. U¨ber Vergleichs- und U¨berschlagsrechnungen wurden die Mengen des 3D-Modells gepru¨ft. Die angenommenen Vereinfa- chungen haben fu¨r 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 Aufza¨hlung entha¨lt die betrachteten Gewerke: • Rohbau – Fertigteil (=FT) – Bewehrung (=Bew) – Ortbeton (=OB) • Ausbau – Fenster – Putz – Estrich – Tu¨ren – Trockenbau Im Anschluss an die Erstellung des Modells wurden die Daten u¨ber die ODBC-Schnittstelle in eine Datenbank u¨berfu¨hrt und die Bauteile um die Koordinaten des IFC-Modells erga¨nzt (vgl. Kap. Systemlast auf Seite 64ff). Das erfolgte mit Hilfe einer eigenen JAVA-Applikation, die die Koordinaten der Bauteile u¨ber den Schlu¨ssel (’Global-User-ID’) aus der IFC-Datei auslas und mit dem Schlu¨ssel 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- pen Lkw-Beladung zu erkennen. Vom Atom Einfahrt fu¨hren zwei Wege zu den zwei Abladestellen, die von je- weils einem Kranmodul bedient wer- den. Beide Kranmodule ko¨nnen die La¨ger erreichen. Innerhalb des ge- schlossenen Quadrates befindet sich das Hauptlager, die Etagenla¨ger so- wie das Atom Einbauort liegen in dem Bereich, wo das Hauptgeba¨ude entsteht. Die Atomgruppe Verarbei- tung ist zwischen den zwei Kranmo- dulen angeordnet, wobei deren geo- metrische Lage fu¨r 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 Geba¨ude quer geteilt, so dass pro Geschoss zwei etwa gleich große Abschnitte entstan- den. Diese Grundabschnitte sind die Ausgangsbasis fu¨r die Materialliefer- und Arbeitsabschnitte aller Gewerke. Bei der Variantenbildung werden die Abschnitte, d. h. die ra¨umliche Gro¨ße als auch die Anzahl der BEO pro 106 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Abbildung 6.4: Simulationsmodell Materialabschnitt, entsprechend den Anforderungen abgea¨ndert. 6.2 Leistungswerte der Ressourcen Wie im Kapitel Modellbeschreibung erla¨utert, sind alle Kenn- und Leistungs- werte der Ressourcen u¨ber Parameter einstellbar. Nach Anordnung der Res- sourcen und deren Verbindung untereinander u¨ber ein Wegenetz entsteht ein Logistiksystem mit einer charakteristischen Leistungsfa¨higkeit. Sie ha¨ngt demnach einerseits von den Maschinenleistungswerten und andererseits von der Anzahl, der geometrischen Anordnung und dem Zusammenspiel der Res- sourcen ab. In den folgenden Unterabschnitten werden die fu¨r das Anwendungsbeispiel verwendeten Werte aufgelistet und erla¨utert. 6.2.1 Lkw Leistungswerte Die Leistungswerte der Lkw wurden vereinfachend fu¨r die einzelnen Mate- rialien pauschalisiert. Es sind volle Lkw-Kapazita¨ten angesetzt, wobei bei den untersuchten Materialien in der Regel das Gewicht ausschlaggebend ist. 6.2. LEISTUNGSWERTE DER RESSOURCEN 107 Eine Ausnahme bilden Tu¨ren 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 fu¨r eine ho¨he- re Genauigkeit verarbeiten, d. h. fu¨r alle definierten Materiallieferabschnitte ko¨nnte eine eigene Transporteinheit hinterlegt werden. Fu¨r eine Logistikpla- nung im Vorfeld eines Bauvorhabens ist eine solche Genauigkeit nicht no¨tig. Alle Transporteinheiten wurden in der fu¨r das Material u¨blichen Einheit abgelegt, um aus den u¨ber das Geba¨udemodell ermittelten Mengen auf die Anzahl der Lkw schließen zu ko¨nnen. Damit erha¨lt man die Mindestanzahl an Lkw (untere Schranke), da die Auslastung bei 100% liegt. Bauelement Transporteinheit Einheit (Kapazita¨t) Fertigteile 12 Stk/Lkw Bewehrung 20 t/Lkw Ortbeton 7 m3/Lkw Fenster 50 Stk/Lkw Estrich 195 m3/Lkw Putz 1440 m2/Lkw Trockenwa¨nde 1053 m2/Lkw Tu¨ren 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 unabha¨ngig. 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 Ausfu¨hrungspla¨nen (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 fu¨r die Geschwindigkeit und die Beschleuni- gung fu¨r die Bewegungen Drehen, Katzfahrt und Heben ko¨nnen den folgen- den drei Unterkapiteln entnommen werden. Diese sind parametrisiert und ko¨nnen vera¨ndert werden. Stochastische Einflu¨sse wurden pauschal durch eine Normalverteilung mit einer Standardabweichung von 10% der ’Cycle- Time’ abgedeckt und ko¨nnen 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 Trockenwa¨nde 78 m2/Umschl 50 40 Tu¨ren 4 Stk/Umschl 50 40 Tabelle 6.2: Kran Grundleistungswerte Drehung Nach Abbildung 6.5 betra¨gt die Drehgeschwindigkeit konstant 0, 8 Umin . Um- gerechnet auf Grad und Sekunden ergibt sich V = 4, 8 ◦/s. Beschleunigung und Bremsverzo¨gerung 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 ko¨nnen Tabelle 6.3 entnommen werden. Gro¨ße 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 Ho¨chstlast abnimmt. Vereinfachend wird eine konstante Ma- ximalgeschwindigkeit von 100 m/min angesetzt, da der Großteil der an- geha¨ngten Lasten nach Auswertung der Datenbank bis 3 t betra¨gt. Die Be- schleunigungszeit wurde vom Hersteller mit ca. 4 s angegeben. Tra gl as te n [t] Arbeitsgeschwindigkeit [m/min] 3,0 6,0 20 40 60 80 10 0 Stufenlose Beschleunigung Abbildung 6.6: Arbeitsgeschwindigkeit Katzfahren nach Herstellerangaben Die fu¨r die Simulation angenommenen Werte sind Tabelle 6.4 zu entnehmen. Gro¨ße Ausgangswert Umrechnungswert Bemerkung Geschwindigkeit 100m/min V = 1, 66m/s Herstellerangaben Beschleunigung/ ca. 4 s 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. 3 t betra¨gt. Die mittlere Beschleuni- gung betra¨gt nach Herstellerangaben ca. 0, 25 m/s2. Die genannten Werte sind fu¨r die Simulation umgerechnet worden und ko¨nnen 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 Gro¨ße 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 aufgefu¨hrten maschinenabha¨ngigen Leistungswerten sind in Ta- belle 6.6 weitere Prozesszeiten angeben, die in der Simulation verwendet werden. Der Lagerfla¨chenbedarf beschreibt die Fla¨che, die ein Baumateri- al pro Einheit in einem Lager im Durchschnitt beno¨tigt. Die erforderlichen Verkehrsfla¨chen sind anteilig in die Werte aufgenommen worden (Brutto- werte). Die Verarbeitungsdauer ist der Mittelwert der Aufwandswerte fu¨r die einzelnen Gewerke, bezogen auf die Materialeinheiten (vgl. Tab. B.2 im Anhang). 6.3 Modellpru¨fung Die Verifikation der Einzelbausteine erfolgte bereits in Kapitel 5.6, so dass im Folgenden nur noch auf Validierung des Gesamtsystems eingegangen wird. Wie in Kapitel 4.4.3 dargestellt, ko¨nnen drei Methoden zur Modellvalidie- rung herangezogen werden: • die Plausibilita¨tspru¨fung, • die Sensitivita¨tsanalyse, • der Outputvergleich. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 111 Material Lager- Einheit Verarbeitungs- Einheit fla¨chenbedarf 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 Trockenwa¨nde 0,09 m2/m2 0,14 h/m2 Tu¨ren 0,26 m2/Stk 1,15 h/Stk Tabelle 6.6: Lager- und Verarbeitungswerte Fu¨r die Plausibilita¨tspru¨fung wurden die Ergebnisse der Bauleitung des Bau- vorhabens vorgelegt, die den Verlauf der Aktivita¨tskurven sowie die ange- nommenen Grundwerte z. B. fu¨r die Kranspielzeitberechnungen besta¨tigte. Die in [Dre80] angegebenen Aktivzeiten zwischen 51 und 64% fu¨r den Kran stimmen mit den im Modell ermittelten Werten (35-37%) u¨berein, wenn man zwischen 20 und 30 % fu¨r Nicht-Material-Transporte [Cla07a] ansetzt. Das Herstellungsverfahren mit Halbfertigteilen la¨sst wegen der nicht erfor- derlichen Schalung dabei eher auf den unteren Wert schließen. Die Sensitivita¨t des Gesamtmodells la¨sst sich an Hand der Ergebnisse der Untervarianten (vgl. Kap. 6.4.8) ablesen: Die stufenartige Vera¨nderung der Parameter fu¨hrt zu einer stetigen Vera¨nderung der Zielgro¨ßen. Daher la¨sst sich sagen, dass das Modell ausreichend robust ist. Stichprobenartige Zeitaufnahmen der Kranspiele in der Bauphase wurden durchgefu¨hrt. Ein Vergleich mit den Modellergebnissen besta¨tigte 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 u¨ber die (’virtuelle’) Bauzeit eine Reihe an Daten u¨ber die Auslastung der eingesetzten Ressourcen. Da sich Systemlast und Modell u¨ber die Zeit a¨ndern, ist es notwendig den zeitlichen Verlauf dieser Daten zu beru¨cksichtigen. Dies ist anders als bei stationa¨ren Systemen, die nach einer Einschwingphase einen stationa¨ren Zustand einnehmen, der eine ge- wisse Bandbreite besitzt. Somit sind Durchschnittswerte u¨ber die gesamte Bauzeit nur bedingt fu¨r eine Auswertung geeignet. 112 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Abbildung 6.8: Modell wa¨hrend der Simulation Abbildung 6.8 zeigt einen Screenshot des Modells mit bereits eingebauten Ma- terialien. Die Form des Geba¨udes im Grundriss ist sichtbar. Die verschiede- nen Farben repra¨sentieren die verschie- denen Materialien. Die Visualisierung dient hauptsa¨chlich der U¨berpru¨fung der Lage des Geba¨udes im Bezug auf die Kranstandorte und die Lagerfla¨chen. Es werden die Komponenten Lkw (Durch- laufzeit), Kran (Auslastung) und La- ger (Kapazita¨t, Lagerdauer usw.) auf ih- re Leistungsfa¨higkeit hin untersucht. Es wird auf Funktion und Schwachstellen gepru¨ft. Dies bildet die Ausgangslage fu¨r weitere Untersuchungen. Bei gleichblei- bender Systemlast werden Varianten im Layout gepru¨ft. Im einfachsten Fall wer- den die Standorte der einzelnen Module wie z. B. der Kranstandort vera¨ndert. Eine zahlenma¨ßige Vera¨nderung der Komponenten verlangt etwas ho¨heren Modellierungsaufwand. Hier lauten die Fragestellungen: • Wie a¨ndert sich die Auslastung bei einem zusa¨tzlichen Kran, bzw. • Sind mehrere kleinere La¨ger 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 ha¨ufig nicht mo¨glich. In Kapitel 5.7 wurden Strategien verschiedener Instanzen vorgestellt, die in diesem Kapitel exemplarisch getestet werden. Die Strategien werden durch die verschiedenen Auspra¨gungen der Merkmale repra¨sentiert, die in Tabelle 6.7 zusammengefasst sind. Die Auspra¨gungen 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 U¨bersicht u¨ber 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 Auspra¨gung 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 + Etagenla¨ger E Liefersteuerung viele kleine wenige große Materiallieferungen Materiallieferungen F Bauzeitverku¨rzung um 10% 15% Tabelle 6.7: Auspra¨gungsmo¨glichkeiten verschiedener Merkmale orientieren sich an den Zielgro¨ßen, die durch die Strategien beeinflusst wer- den. Vier Varianten wurden betrachtet und nach ihrer Zielgro¨ße benannt. Die Auspra¨gungen der verschiedenen Merkmale nach Tabelle 6.7 und die verschiedenen Systemlasten (A, B, C, usw.) ergeben durch Kombination die in Tabelle 6.8 aufgefu¨hrten Varianten mit Untervarianten. Die Sondervari- anten behandeln Einzelaspekte, die in den entsprechenden Kapiteln na¨her erla¨utert werden. Sie basieren z. T. auf den anderen Varianten. • Variante 1 Wegeminimierung • Variante 2 Minimierung der Lkw-Durchlaufzeit • Variante 3 Verku¨rzung der Bauzeit um 10% • Variante 4 Verku¨rzung der Bauzeit um 15% • Sondervarianten – Begrenzung der Kranreichweite – Optimierung der Systemlast – Zusammenladungsmo¨glichkeiten Fu¨r alle durchgefu¨hrten Varianten und Sondervarianten wurden 60 Simula- tionsla¨ufe durchgefu¨hrt, was sich als ausreichend genau fu¨r die Zielgro¨ßen herausgestellt hat. Fu¨r die Erstellung der Grafiken wurden Einzelergebnisse (in Tabellenform) der Simulationsla¨ufe u¨berlagert und aufbereitet. 6.4.2 Variante 1 Wegeminimierung In der Variante 1 Wegeminimierung wird die Nutzung eines Hauptlagers mit der Nutzung von zusa¨tzlichen Etagenla¨gern 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 Auspra¨gungen • 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 Etagenla¨ger (Systemlast C). Als Zielgro¨ße wird die Wegeminimierung definiert, d. h. das Material soll so nah wie mo¨glich am Einbauort gelagert werden, um den baustellenseitigen Transportweg zu minimieren. Damit sind fu¨r Variante 1 zwei Systemlasten erforderlich, die Systemlast A als Referenzsystemlast und die Systemlast C mit vorzeitiger Lieferung bestimmter Materialien. Einflussgro¨ße ist die Lagerdauer, da das Ausbaumaterial bereits fru¨her geliefert werden muss, um mit dem Kran auf die Etage gebracht zu werden. In der Baupraxis existieren noch andere Mo¨glichkeiten Material in Etagen einzulagern, die hier aber nicht betrachtet werden. Im Simulator wird das dem Einbauort na¨chstliegende Lager angesteuert, sofern es fu¨r den Kran zuga¨nglich 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 zugeho¨rige 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 1 3 KW 1 5 KW 1 7 KW 1 9 KW 2 1 KW 2 3 KW 2 5 KW 2 7 KW 2 9 KW 3 1 KW 3 3 KW 3 5 KW 3 7 KW 3 9 KW 4 1 KW 4 3 KW 4 5 KW 4 7 KW 4 9 KW 5 1 ku m ul ie rte L ie fe rm en ge FT Trockenwände Putz Ortbeton Estrich Bewehrung Fenster Tür 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.9: Kumulierte Liefermenge Systemlast A u¨ber 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)fu¨r 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 Lagerfla¨che von 500m2 angesetzt sind. Fu¨r die Grafiken wurde ’stellvertretend’ ein Simulationslauf gewa¨hlt, der bezu¨glich der Anzahl wartender Lkw dem Mittelwert entspricht. Man erkennt deutlich, dass der zweite Kran erst ab ca. der 28. bis zur 44. KW beno¨tigt 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 Au sl as tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 An za hl d er 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 sl as tu ng Lagerbestand 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.11: Auslastung Lager durchgefu¨hrt, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewa¨hrleisten. Fu¨r deren repra¨sentative Ermittlung wurden 60 unabha¨ngige Simulationsla¨ufe durchgefu¨hrt, 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 Lagerfla¨che 55 m2 2 Beschreibung der Untervariante ’1.3’ Hauptlager und Etagenla¨ger Durch ’Einschalten’ des Parameters Etagenlager und Verwendung der Sys- temlast C entsteht die Untervariante ’1.3’ Hauptlager und Etagenla¨- 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 1 3 KW 1 5 KW 1 7 KW 1 9 KW 2 1 KW 2 3 KW 2 5 KW 2 7 KW 2 9 KW 3 1 KW 3 3 KW 3 5 KW 3 7 KW 3 9 KW 4 1 KW 4 3 KW 4 5 KW 4 7 KW 4 9 KW 5 1 ku m ul ie rte L ie fe rm en ge FT Trockenwände Putz Ortbeton Estrich Bewehrung Fenster Tür 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.12: Kumulierte Liefermenge Systemlast C u¨ber die Bauzeit Fu¨r die Systemlast wurden Materiallieferabschnitte zusammengefasst und in die Zeit eingeplant, in der die Lager fu¨r den Kran erreichbar sind. Es bestehen drei Etagenla¨ger in den Geschossen eins, fu¨nf und neun. Der Verlauf der Liefermenge in der Grafik zeigt deutlich die fru¨here Anlieferung und die Sprunghaftigkeit gegenu¨ber 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 fu¨r 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 Au sl as tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 An za hl d er 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 st an d Lagerbestand1 E-Lagerbestand 2 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.14: Auslastung Hauptlager und Etagenlager 2 Zielgro¨ße ist die Verringerung der Lager-Einbauortentfernung. Diese wurde, nach Material getrennt, fu¨r jedes Lager einzeln bestimmt und dann zusam- mengefasst. Um eine Vergleichsgro¨ße zu erhalten, wurde die dem Material 1ohne Beru¨cksichtigung 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 st an d 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 Vera¨n- 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 Tu¨ren 14960 13764 [Stk ·m] -8,0 Tabelle 6.9: Kennzahl Einheit·Abstand Lagerort zu Einbauort Die weiteren Ergebnisse (Auswertung der Mittelwerte aus 60 Simulationsla¨ufen) 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 Beru¨cksichtigung etwaiger Wochenenden 120 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL • erforderliche Lagerfla¨che 160 m2 Fazit: Die Simulation zeigt eine im Mittel 17,8%-tige Verku¨rzung des Trans- portweges auf der Baustelle. Vergleichsweise teure Handtransporte lassen sich durch das Einfu¨hren von Etagenla¨gern deutlich reduzieren. Durch Multiplikation der Kennzahlen mit Kostensa¨tzen ist es mo¨glich, diese direkt mit etwaigen Kapitalbindungskosten, die durch die verla¨ngerte La- gerung entstehen, zu vergleichen. Da diese aber von den Vertra¨gen mit den jeweiligen Lieferanten abha¨ngen, ist jeweils eine Einzelfallentscheidung erfor- derlich. Dabei mu¨ssen qualitative Faktoren, wie Behinderungen durch gela- gertes Material auf den Etagen und Gefahren einer la¨ngeren Lagerdauer auf der Baustelle (Bescha¨digung und Diebstahl) in den Kostensa¨tzen beru¨cksich- tigt werden. Diese ko¨nnen aber vergleichsweise gut im Vorhinein abgescha¨tzt werden. Zudem bleibt festzuhalten, dass die Simulation Kennzahlen und damit Grund- lage fu¨r eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bezu¨glich der Etagenla¨ger 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 A¨nderung 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 durchgefu¨hrt, 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 • Systemlast A (Referenz) oder Systemlast B (optimierte Lkw-Auslastung) Lieferzeitfenster Die Einfu¨hrung 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 wa¨re 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 L kw Lkw wartende Lkw Beginn Ausbau Ende Rohbau2 Halbgeschosse Abbildung 6.16: Anzahl der Lkw und der wartenden Lkw weite reichende Steuerung der Anlieferverkehre fu¨r den kritischen Zeitraum denkbar. Auffa¨llig ist, dass eine ho¨here Gesamtzahl an Lkw eine relativ ho¨he- 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, wa¨hrend in der anderen Woche bis zu 43 Lkw in der Woche noch keine Wartezeiten auslo¨sen. Kran bevorzugt Lager Krantransporte aus dem Lager gegenu¨ber der Entladung der Lkw zu priori- sieren bewirkt eine leichte Verbesserung (im Mittel 1%) der Ausgewogenheit des Kraneinsatzes, hat aber zur Folge, dass mehr Lkw warten mu¨ssen und die Wartezeiten la¨nger werden. Die Ausgewogenheit zeigt sich einerseits durch einen kleineren Mittelwert in der Kranauslastung und in einer kleineren Streuung. Die Auswirkungen auf die vorhandenen Messgro¨ßen 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 wa¨re, dass der Kran das Lager ’freira¨umen’ muss, um neues Material ein- lagern zu ko¨nnen. Das sollte aber im Vorfeld der Simulationsplanung schon vermieden werden und ist damit nicht ’abbildungswu¨rdig’. 122 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL Optimierung der Lkw-Auslastung Im Ausgangsszenario wird jedemMateriallieferabschnitt 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 fru¨hzeitigeren Materiallieferabschnitten (vgl. Abb. 5.7), reduziert sich die Anzahl der Lkw von 877 auf 755. Dies ist eine Reduzierung um fast 14% u¨ber 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 sta¨rker belastet, die durchschnittliche Lagerdauer erho¨ht sich von ca. 4 auf 7,5 d. Zudem ist eine gro¨ßere Lagerfla¨che (810 m2, gegenu¨ber 55 m2) erforderlich. Dies entspricht etwa dem Faktor 15. Fu¨r die Lkw erho¨ht 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 ko¨nnten, erho¨ht 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 st an d Lagerbestand 2 Halbgeschosse Beginn Ende Abbildung 6.17: Lagerauslastung bei Optimierung der Lkw-Auslastung Abbildung 6.17 zeigt den vera¨nderten Lagerbestand mit den verha¨ltnisma¨ßig großen Ausschla¨gen in der Rohbauphase. Das ist in dem großen Fla¨chenbe- darf der Fertigteile begru¨ndet, die liegend gelagert werden mu¨ssen. Durch die Optimierung der Lkw-Auslastung werden Bauelemente bereits geliefert, die nicht unmittelbar eingebaut werden ko¨nnen und somit zwischengela- gert werden. Die Lagerbesta¨nde gehen bis zur Ausbauphase immer auf Null 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 123 zuru¨ck, da die gelagerten Bauelemente vollsta¨ndig verbaut werden. Ein Si- cherheitsbestand ist auf Grund der ’Abrufstrategie’ nicht erforderlich. Fazit: Die drei aufgefu¨hrten Strategien fu¨hren zu Verbesserungen der Sys- temleistung, wenngleich es nicht zu gro¨ßeren A¨nderungen der Zielgro¨ßen fu¨hrt. Sie sollten nur als Erga¨nzung bzw. in Kombination mit anderen ein- gesetzt werden, um effektivere Gesamtstrategien zu erhalten. • Lieferzeitfenster: Trotz deren Einfu¨hrung 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 fu¨hrt zwar zu leichten Verbesserungen der Ausgewogenheit (geringere Last- spitzen) des Krans, fu¨r sinnvolle Schlussfolgerungen sind aber detail- lierte Simulationen mit weiteren Messgro¨ßen erforderlich. • optimierte Lkw-Auslastung: Die Anzahl der Lkw insgesamt la¨sst sich um 14%, bzw. ohne Fertigteile und Ortbeton sogar um 65% re- duzieren. Diese Optimierung erfordert allerdings die Bereitstellung er- heblicher Lagerfla¨chen. Da diese i. d. R. begrenzt sind, muss ein Kom- promiss zwischen Reduzierung der Lkw-Fahrten (Lieferanten) und der Lagerfla¨che (Baustelle) gefunden werden. Die Anzahl wartender Lkw und deren Wartezeiten verbessern sich im U¨brigen nicht. 6.4.4 Variante 3 Verku¨rzung der Bauzeit um 10% In Variante 3 wird die Bauzeit um 10% geku¨rzt, d. h. alle Zeitspannen zwischen Anfang der Baustelle (t = 0) und den Lieferzeitpunkten (t = n) werden um 10% verringert, wa¨hrend alle anderen Leistungswerte sowie die Aufwandswerte konstant bleiben. Die Zielgro¨ße ist die Robustheit des Sys- tems gegenu¨ber einer erho¨hten Systemlast. Die Fragestellung lautet: Wann kollabiert das System? Die Einflussgro¨ßen sind Kranauslastung, Anzahl war- tender Lkw, Wartezeit Lkw und Lagergro¨ße. Grafik 6.18 zeigt gegenu¨ber der Referenz (Abb. 6.10) eine deutliche Links- verschiebung, wobei die Linksverschiebung des Lagers (Abb. 6.19) nicht ganz so deutlich ausfa¨llt (vgl. Abb. 6.11). Der Anteil an der Gesamtleistung steigt fu¨r 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- punkt fu¨r das Ende der Bauzeit, zeigt sich, dass die effektive Bauzeit sich nur um 6,5% verku¨rzt 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 Au sl as tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 70 An za hl d er 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 Lagerfla¨chenmehrbedarf ist in diesem Fall (vgl. Kap. 6.4.3) unwesentlich. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 125 Fazit: Im System sind große Leistungsreserven bezu¨glich der Logistikprozes- se Transport, Umschlag und Lagerung vorhanden. Dass die effektive Bauzeit sich nur um 6,5% verku¨rzt, zeigt den Engpass auf: die Verarbeitungsprozes- se. Dies belegt auch die ansteigende mittlere Lagerdauer der Baustoffe. 6.4.5 Variante 4 Verku¨rzung der Bauzeit um 15% In dieser Variante wurde die Bauzeit um 15%, um die Auswirkungen weiterer Verku¨rzungen zu untersuchen. Ziel- und Einflussgro¨ßen 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 Au sl as tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 70 An za hl d er 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 Gegenu¨ber 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 a¨ndern sich gegenu¨ber 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 fru¨her 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’ Verku¨rzung 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. Fu¨r einen effektiven Baubetrieb ist eine volle Auslastung des Krans nicht denkbar, d. h. der Hauptkran kommt bei einer Auslastung von u¨ber 70% in bestimmten Kalenderwochen an die Leistungsgrenzen. Dennoch zei- gen sich deutlich die Umverteilungsmo¨glichkeiten des Systems und damit seine Leistungsfa¨higkeit. Probleme bezu¨glich der logistischen Prozesse sind offensichtlich eher im organisatorischen Bereich begru¨ndet, als in der Leis- tungsfa¨higkeit zugeho¨riger Ressourcen. Sondervariante Begrenzung der Kranreichweite In dieser Variante wird die Reichweite des Krans 2 um 5m verku¨rzt. In den Regeln fu¨r 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 vollsta¨ndig ersetzen. Die Auswirkungen auf die Systemleistung sind groß. Die Anzahl wartender Lkw wa¨chst 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 Au sl as tu ng in [% ] 0 10 20 30 40 50 60 An za hl d er 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 gegenu¨ber der Ausgangsvari- ante bei der maximal knapp 2 Lkw gleichzeitig warten mussten. Der Anteil an allen Transporten fu¨r einen Kran vera¨ndert sich unwesentlich. Fazit: Gegenu¨ber den anderen Varianten hat die Reduzierung der Reich- weite die gro¨ßten Auswirkungen. Das System reagiert empfindlich auf Ein- schra¨nkungen der Flexibilita¨t. Dabei ist auffa¨llig, dass sich das Anteilverha¨lt- nis an allen Transporten nur marginal vera¨ndert. Es kommt demnach nicht zu einer generellen Verlagerung der ’Auftra¨ge’ auf einen Kran, sondern zu einer Umsortierung. Ein flexibles System bezu¨glich alternativer Materialflusswege ist fu¨r einen reibungslosen Ablauf der Logistikprozesse von großer Bedeutung. 6.4.6 Sondervariante Optimierung der Lkw-Ankunft Die Vera¨nderung der Bauzeit und die Einfu¨hrung von Lieferzeitfenstern hat zwar eine Vera¨nderung im Hinblick auf die die Anzahl wartender Lkw und deren Wartezeit gebracht, aber es kam zu keiner deutlichen Reduzierung der Zielgro¨ßen. Daher wurde die Systemlast im Hinblick auf die Ankunftszeiten der Lkw vera¨ndert. Vor allem die Lkw fu¨r 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 st an d Ausbau_B_Opt Ausbau_B 2 Halbgeschosse Beginn Ausbau Ende Rohbau Abbildung 6.23: Lagerbestandskurve fu¨r 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 ho¨heres Anfangsniveau, da in der Anfangs- phase nur eingelagert wird. Die durchschnittliche Lagerdauer4 verla¨ngert sich von 7,5 d auf 23,8 d und die maximale Lagerauslastung wa¨chst um ca. 30% auf 1050m2. Der grobe Verlauf der Anzahl der Lkw (vgl. Abb. 6.24) u¨ber 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 geho¨ren. Hier ist eine verfeinerte Steuerung der Lieferabrufe erforderlich. Fazit: Der Eingriff in die Systemlast hat deutliche Auswirkungen auf die An- zahl wartender Lkw. Es zeigt sich, dass ein gezieltes nach vorne Verschieben der Lkw fu¨r den Ausbau die kritische Zone entlastet. Das Verfahren ist sehr wirksam und fu¨hrt zu einer deutlichen Entlastung der Baustellensituation, wenn die Anzahl wartender Lkw reduziert werden muss. ’Erkauft’ wird das durch eine deutlich la¨ngere durchschnittliche Lagerdauer, die erforderliche Lagerfla¨che wa¨chst ebenfalls. Der Vorteil der Simulation in diesem Fall ist die gezielte Steuerung der Lkw auf Grund der Simulationsergebnisse im Gegensatz zu pauschalen Restrik- tionen fu¨r 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 L kw 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 Zusammenladungsmo¨glichkeiten Diese Sondervariante ist lediglich eine zusa¨tzliche Auswertung der bereits vorhandenen Daten mit einem speziellen Hintergrund. Der in [Lei03] be- schriebene Gebietsspediteur wu¨rde zur besseren Auslastung Sammeltouren bilden und verschiedene Materialien, soweit sie gemeinsam transportierbar wa¨ren, zusammen auf die Baustelle bringen. Um das Potential abzuscha¨tzen, wie viele Materialien zusammen auf die Baustelle geliefert werden ko¨nnten, werden die Lkw-Ergebnisse nochmals gesondert ausgewertet. Folgende Ma- terialien sind grundsa¨tzlich zusammen transportierbar: • Bewehrung, • Putz, • Gipskartonplatten, • Estrich, • Fenster, 130 KAPITEL 6. ANWENDUNGSBEISPIEL • Tu¨ren. Die Ausgangsvariante generierte 877 Lkw-Fahrten insgesamt, ohne die Fertig- teil- und Ortbetonfahrten verbleiben 172 Lkw-Fahrten. Wie bereits in Ka- pitel 6.4.3 erwa¨hnt, 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. U¨ber 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 ko¨nnen. 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 erwa¨hnt, wurden nicht alle Materialien des Ausbaus im CAD-Modell abgebildet. Diese ko¨nnen 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 u¨berschlagen 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 fa¨llt 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 Mo¨glich- keiten die Zahl der Lkw-Touren durch Sammeln zu reduzieren. Sie belas- tet das Lager nicht sta¨rker, weil Materialien zur besseren Auslastung nicht fru¨hzeitiger als erforderlich geliefert werden. Ist das Lager der begrenzende Faktor, ko¨nnen Sammeltouren eine Alternative zu der Variante in Kapitel 6.4.3 sein, die eine Reduzierung der Lkw-Fahrten in der gleichen Gro¨ßenord- nung zula¨sst. 6.4. AUSWERTUNGEN UND STRATEGIEN 131 Ho¨herer Handlingsaufwand wegen des zusa¨tzlichen Umschlags ko¨nnen in Kauf genommen werden, da das Prinzip in der stationa¨ren Industrie bereits erfolgreich eingesetzt wird und sich die Besonderheiten des Bauwesens hier nicht auswirken. Dennoch muss im Bauwesen noch U¨berzeugungsarbeit ge- leistet werden, da diese Strategie nur in Ausnahmefa¨llen zur Anwendung kommt, was mit der Wahlfreiheit der Lieferanten durch die Nachunterneh- mer zusammenha¨ngt. 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. Erla¨utungen zu den Spalten sind in Tabelle 6.11 zu entnehmen. Spalte Erla¨uterung 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 Gro¨ße 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: Erla¨uterung der Tabellenspalten von 6.12 132 K A PIT EL 6. A N W EN D U N G SBEISPIEL 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 U¨BERTRAGBARKEIT 133 6.5 Diskussion der Ergebnisse und U¨bertragbar- keit In diesem Kapitel erfolgt eine Gesamtbetrachtung der Simulation und der Auswertung des Anwendungsbeispiels. ImMittelpunkt stehen u¨bergeordnete Aussagen u¨ber das Modell, den Ergebnissen und deren U¨bertragbarkeit auf andere Bauvorhaben sowie die Entwicklung allgemein gu¨ltiger Aussagen. Das Modell hat sich sowohl hinsichtlich von Systemlasta¨nderungen als auch von Modella¨nderungen als robust erwiesen. Lediglich bei einer Sondervarian- te haben sich deutlich andere, wenngleich plausible, Ergebnisse eingestellt, da die Leistungsfa¨higkeit des Systems stark eingeschra¨nkt wurde (vgl. 6.4.5). 1. Hauptaussage Flexibilita¨t vor Leistungserho¨hung Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Umschlag-Ressourcen fu¨r die Logis- tikprozesse flexibel sein sollten. Redundante Ressourcen ko¨nnen erheblich einfacher Systemspitzen bewa¨ltigen. 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 Leistungsfa¨higkeit 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 Einfu¨hrung von Lieferzeitfens- tern durchaus einen positiven Effekt hat, aber in kritischen Bereichen Trans- porte umWochen nach vorne verschoben (Liefer-Entzerrung) werden mu¨ssen, damit die Anzahl wartender Lkw deutlich verringert wird. Es wird deutlich, dass es nicht ausreicht die ankommenden Lkw u¨ber die Zeitfenster zu takten, sondern den gesamten Anlieferungsprozess zu beachten. Andernfalls mu¨ssen, wie Praxisbeispiele zeigen, die Lieferzeitfenster sehr streng eingehalten und unpu¨nktliche Lieferungen abgewiesen werden. In der Baupraxis sollten da- her lieferzeitunkritische Materialien soweit wie mo¨glich vorverlegt werden. Zudem sind Lieferzeitfenster auch nur in wenigen kritischen Wochen erfor- derlich. 5Gespra¨ch 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 Einfu¨hrung von Etagenlagern erreicht. Damit lassen sich die baustellenseitigen Transporte verringern. Das erforderte das Vorhalten von Lagerkapazita¨ten und eine la¨ngere Lagerdauer. Die Simulati- on liefert die Datengrundlage fu¨r eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung. Die Allgemeingu¨ltigkeit der oben genannten Aussagen ist nur mit der Ein- schra¨nkung der o¨rtlichen Randbedingungen mo¨glich. Bei a¨hnlichen Gege- benheiten, wie in Kapitel 6.1 beschrieben, d. h. mit A¨hnlichkeiten bezu¨glich • des Bauverfahrens, • der Kubatur, • der Platzverha¨ltnisse und • der Zeitleiste, lassen sich die Aussagen direkt u¨bertragen. Da Ressourcen in der Regel immer mit großen Reserven ausgelegt werden, haben die Systeme eine aus- reichende Elastizita¨t, 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 Sta¨rke 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 na¨hert bei gleichzeitiger Einhaltung eines Sicherheitsabstandes. Werden die Vorteile der Simulation genutzt, wird sie eine a¨hnliche Entwick- lung nehmen, wie die Berechnungsverfahren in der Statik. Auch dort wurde das Erfahrungswissen der Baumeister u¨ber die Tragfa¨higkeit von statischen Systemen und Bauteilen durch computergestu¨tze Rechenverfahren, wie z. B. die Finiten Elemente, ersetzt. In der Statik hat die Computerentwicklung die Arbeit der Ingenieure vera¨ndert, sie selbst aber nicht ersetzt. Das gleiche wird fu¨r die Simulation gelten. Kapitel 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung Der Betrieb einer Baustelle ist die Kernkompetenz von Bauunternehmen und der Ort der prima¨ren Wertscho¨pfung. 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 Ansa¨tze nicht zula¨sst. Ein wesentlicher Anteil der Ta¨tigkeit auf der Baustelle, der Produktionssta¨tte, ist logistischer Art. Gerade hier zeigen sich in der Baupraxis immer wieder Ma¨ngel, bzw. Potenziale zur Produktivita¨tssteigerungen. Softwaretechnische Unterstu¨tzung fu¨r die Bauleitung gibt es allerdings nur im geringen Maße. Daher entstand die Idee dieser Arbeit, ein Instrument zu entwickeln, dass die Bauleitung darin unterstu¨tzt im Vorhinein kostengu¨nstig und schnell verschiedene Konzepte bezu¨glich der Logistik zu testen und zu bewerten. Die Baulogistik hat in den letzten Jahren eine sta¨rkere Aufmerksamkeit in der Bauwirtschaft erfahren, nicht zuletzt durch die ’Erfolge’ der Logistik in der stationa¨ren Industrie. In der Forschung sind diesbezu¨glich 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. Aufbauend auf bereits vorhandenen Forschungen wurden in dieser Arbeit die Unterschiede des Bauwesen zur stationa¨ren Industrie bezu¨glich der Logisti- kanforderungen aufgearbeitet und um eine Reihe von Aspekten erga¨nzt. Die Erga¨nzungen waren erforderlich, um die Methode der Simulation mit dem Anforderungsprofil des Bauwesens korrekt verknu¨pfen zu ko¨nnen. 135 136 KAPITEL 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Grundlegende Aspekte und Begriffsbestimmungen der Simulationsmethode bezogen auf den in der Arbeit vorgestellten Ansatz und dienten der U¨berlei- 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 Geba¨udemodell unterstu¨tzte die Entwicklung eines effizienten System- lastgenerators. Als Basis fu¨r das weitere Vorgehen wurde ein ’allgemeingu¨ltiges’ Simulati- onsmodell fu¨r 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 fu¨r eine Simulationsumgebung, in der logistische Prozesse einer individuel- len Baustelle durch Anordnen, Verbinden und Parametrisieren speziell ent- wickelter Atome abgebildet werden ko¨nnen. An einem Praxisbeispiel wurden die Auswirkungen hergeleiteter Logistikstra- tegien dargestellt und beurteilt. Dabei konnte die Validita¨t des Modells nach- gewiesen werden. Im Anschluss erfolgte die Extrahierung allgemeingu¨ltiger Aussagen aus den Ergebnissen. Das Logistiksystem sollte bezu¨glich des Ma- terialtransports eher flexibel als mit hoher Leistungsfa¨higkeit ausgelegt sein, eine Lieferentzerrung ist einer Liefersteuerung vorzuziehen und Etagenla¨ger sind gegenu¨ber einem Hauptlager von Vorteil. 7.2 Ausblick Eine Baustelle ist auf Grund ihrer Einmaligkeit pra¨destiniert fu¨r eine Si- mulation. Verschiedene Lo¨sungsansa¨tze ko¨nnen 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, gegenu¨ber Simulationen in der stationa¨ren Industrie. Dort erfolgen i. d. R. die Kosteneinsparungen durch Simulation in der la¨ngerdauernden Betriebs- phase. Der inzwischen hohe Komfort in der Eingabe heutiger Simulationsprogram- me ist der eine entscheidende Punkt dafu¨r, dass dieser Aufwand fu¨r eine Simulation reduziert werden kann. Gerade das Bausteinkonzept, mit den Mo¨glichkeiten der Wiederverwendung auch sehr spezieller Komponenten und Ressourcen, ermo¨glicht es, ein Simulationsmodell sehr schnell zusam- menzustellen oder zu vera¨ndern. Diese ’erweiterte’ Baustelleneinrichtungs- planung ermo¨glicht Kostenreduzierungen im Kernbereich von Bauunterneh- men. 7.2. AUSBLICK 137 Das Erzeugen der Systemlast aus einem Geba¨udemodell 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 fu¨r alle beteiligten Akteure vom Entwurf u¨ber die Kalkulation bis hin zum Betrieb von Geba¨uden gab es in den letzten Jahren große Fortschritte. Gleichwohl ist das Geba¨udemodell mit der CAD Planung in drei Dimensionen noch la¨ngst nicht allgemeine Baupraxis. Hier muss weiter an der Standardisierung des Datenaustausches gearbeitet und U¨berzeugungsarbeit bei den Praktikern geleistet werden. Fu¨r genauere Untersuchungen lassen sich aus dem Geba¨udemodell weitere Elemente der Systemlast ableiten. Als Beispiel sei hier die Schalung genannt. Es lassen sich auch m2-Deckenfla¨chen 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 ko¨nnen. Eine ’automatisierte’ Aufarbeitung dieser Rohdaten wu¨rde den Aufwand fu¨r eine Simulation weiter reduzieren. Die na¨chsten Schritte wa¨ren in einer CAD-gebundenen Baustelleneinrichtungsplanung zu machen, bei der die ge- planten Ressourcen bereits mit simulationsrelevanten Parametern zu verse- hen wa¨ren. Dieses erweiterte Geba¨udemodell wu¨rde nicht nur die Systemlast liefern, sondern auch Lage und Leistungskenngro¨ßen der Ressourcen. U¨ber eine zu definierende Schnittstelle ko¨nnten Simulationsmodelle ’automatisch’ aus der Baustelleneinrichtungsplanung erstellt werden. Neben der technischen Weiterentwicklung bezu¨glich der Bausteinbibliothe- ken von Materialfluss-Simulatoren und dem Geba¨udemodell als Systemlast, mu¨ssten versta¨rkt 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 mu¨ssen weitere branchenspezifische Ressourcen, wie z. B. eine Betonpumpe oder ein Bauaufzug entwickelt werden. In wie weit auch Fer- tigungsprozesse simuliert werden mu¨ssen, um zu genaueren Ergebnissen zu gelangen ist ebenfalls zu kla¨ren. Andererseits ist die Verfeinerung der be- reits vorhandenen Bausteine eine zuku¨nftige Aufgabe. Fu¨r Grenzleistungs- betrachtungen spielt z. B. die Kollisionspru¨fung eine Rolle. U¨berschneiden sich Kranbereiche u¨ber gro¨ßere Bereiche, so sind gegenseitige Wartezeiten nicht mehr vernachla¨ssigbar. Die Strategie-Entwicklung fu¨r Logistikprozesse muss ebenfalls weiter voran getrieben werden. In der Forschung existieren wenig Konzepte oder Ansa¨tze, wie Baustellen aus logistischer Sicht zu fu¨hren sind. Das erfordert die 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 ko¨nnen 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 wu¨rde es ermo¨glichen diese auch baubegleitend einzusetzen. Der aktuelle Baufortschritt wu¨rde laufend mittels Ident- und U¨bertragungstech- nik der Datenbank gemeldet, die auf Grund der tatsa¨chlichen Situation eine neue Simulation ansto¨ßt. Die simulationsgestu¨tzte Logistikplanung einer Baumaßnahme hat damit das Potenzial genauso selbstversta¨ndlich zu werden, wie die Statik oder die Kalkulation. Literaturverzeichnis [Abo99] Abourizk, Simaan M.: . 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 Ha¨user, Deutsche Verlagsan- stalt, Mu¨nchen, 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 Drawing Exchange Format ist ein ASCII-Text-basiertes CAD-Datei Austauschformat des Unternehmens 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. ko¨nnen Produkte in einem Lager nach ihrem Wert/Menge Verha¨ltnis klassifiziert werden. Ein typisches Ergebnis wa¨re, dass 10% aller Produkte 65% des gesamten Lagerwertes ausmachen ( = Klasse A) 20%, 15% des Wertes ( = Klasse B), wa¨hrend 70% aller Produkte nur 20% des Wertes ( = Klasse C). AVA-Programme Angebot Vergabe Abrechnung - Programme unter- stu¨tzen elektronisch die drei vorgenannten Aufgaben im Bauwesen. B2B-Gescha¨ft Als B2B-Gescha¨ft (Business to Business) bezeichnet man den Handel zwischen zwei gewerblichen Partnern u¨ber das Internet als Plattform. Bauvolumen Das Bauvolumen erfasst alle im Inland erbrachten Bau- leistungen, also Neu-, Um- oder Erweiterungsbauten und nichtwerterho¨hende Reparaturen. BMBF Bundesministerium fu¨r Bildung und Forschung. DV DatenVerarbeitung, Kurzform der Elektronischen 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 ist die allgemeine Beschreibung fu¨r den Internet Handel. Facility Management Unter Facility Management versteht man den Betrieb und die Verwaltung von Geba¨uden und Anlagen. Ha¨ufig ist diese CAD-unterstu¨tzt, da viele Verwaltungsgegen- sta¨nde wie Mietfla¨chen durch das Geba¨udemodell vi- sualisieren und bearbeiten lassen. Finite Elemente Die Methode der Finiten Elemente ist ein numerisches Na¨herungsverfahren zur Berechung partieller Differen- zialgleichungen. Im Bauwesen wird das Verfahren ha¨ufig in der Statik eingesetzt, wenn komplexe Tragwerke be- rechnet werden mu¨ssen. Generalunternehmer Das Generalunternehmen u¨bernimmt die Verantwor- tung gegenu¨ber dem Bauherrn fu¨r die Erstellung ei- nes Bauwerks und koordiniert die einzelnen Gewer- ke. Hierbei kann das Unternehmen selbst die Gewerke durchfu¨hren oder Nachunternehmer einsetzen. Je nach Auspra¨gung werden auch Planungs- oder Ingenieur- leistungen u¨bernommen. I & K-Technologie Die Informations- 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 Endgera¨te in allen mo¨glichen Formen und andererseits die zugeho¨rigen Kommuni- kationsnetze in allen Gro¨ßenordnungen. Just-in-Time Das Just-in-Time Konzept entstammt urspru¨nglich dem Toyota-Produktions-System und ist die Leistungsbe- reitstellung genau zum Bedarfszeitpunkt. Das Konzept sieht dabei vor jegliche Zeit-, Material-, Arbeitskraft- oder Energieverschwendung innerhalb der gesamten 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 abwa¨lzt. Lean Production Die Schlanke Produktion ist im Toyota-Produktions- system Ende der 1940er Jahre in Japan entstanden, GLOSSAR 153 bei der sehr konsequent alle nichtwertscho¨pfenden 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 Verkehrstra¨ger auf. Der Gu¨terverkehr 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- tenbanksprache SQL basiernde standardisierte 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 U¨bersetzung ent- spricht. Outsourcing Unter Outsourcing versteht man den Einkauf einer be- stimmten Leistung bei einem anderen Unternehmen, die ein Unternehmen bisher selbst ausgefu¨hrt hat. PDA Personal Digital Assistent; Mobile Kleincomputer, fu¨r die es eine Reihe an Softwareanwendungen gibt. Return on Invest Der Return on Invest (=ROI) beschreibt den Zusam- menhang zwischen investiertem Kapital und dem nach- folgend erzielten Gewinn bezogen auf eine bestimmte Zeitspanne (hier: Beginn der Planungen bis zur Ab- nahme). RFID-Technologie Die Radio Frequency Identification Technologie er- mo¨glicht es Informationen von einen Informationstra¨ger mittels Radiowellen auszulesen, ohne das zu diesem unmittelbarer Sichtkontakt besteht. Sankey-Diagramm Sankey-Diagramme bilden Stro¨me 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 repra¨sen- tiert. 154 GLOSSAR SQL Structured Query Language ist eine Datenbankspra- che fu¨r relationale Datenbanken. StVZO Straßenverkehrszulassungsordnung. Subunternehmer Sub- und Nachunternehmer stehen synonym fu¨r Un- ternehmen die im Unterauftrag des Hauptunterneh- mers Bauleistungen durchfu¨hren, ohne eine vertragli- che Verbindung zum Bauherrn zu haben. Der Haupt- unternehmer ist voll fu¨r die erbrachten Leistungen des Sub-/Nachunternehmers verantwortlich. VOB Die dreiteiligeVergabe- und Vertragsordnung fu¨rBau- leistungen regelt die Vergabe von Bauauftra¨gen durch o¨ffentliche Auftraggeber. Der Teil B ‘Allgemeine Ver- tragsbedingungen fu¨r die Ausfu¨hrung von Bauleistun- gen’ (VOB/B) muss von o¨ffentlichen Auftraggebern zum Vertragsbestandteil gemacht werden, bei privaten Akteuren kann dieser Vertragsbestandteil werden. Anhang A Umrechnungen von Zeiten und Koordinaten A.1 Simulationszeit → Realzeit Fu¨r die Umrechnung der Simulationszeit in die Realzeit werden folgende Vereinfachungen getroffen: • Startdatum ist stets ein Montag. • Die ta¨gliche Arbeitszeit ist fest. • Sa/So wird nicht gearbeitet. treal = tsim + (⌈ tsim tAZT ⌉ − 1 ) · tRZT + (⌈ tsim 5·tAZT ⌉ − 1 ) · 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 fu¨r diese Umrechnung die Einschra¨nkung, 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 156ANHANG A. UMRECHNUNGEN VON ZEITEN UND KOORDINATEN tsim = ⌊ treal tWo ⌋ · tAZW +    tAZW fu¨r ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · tAZT > (tAZW + tAZT )− 1 ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · tAZT fu¨r ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · tAZT ≤ (tAZW + tAZT )− 1 +    0 fu¨r ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · tAZT > (tAZW − 1) * fu¨r ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · tAZT ≤ (tAZW − 1) (A.2) *    tAZT fu¨r treal mod tWo − ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · tTag > tAZT treal mod tWo − ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · tTag fu¨r treal mod tWo − ⌊ treal mod tWo tTag ⌋ · 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 ta¨glichen Arbeitszeit von 10 h. Die Realzeit in [h] ist auf der Abszisse aufgetragen – die zugeho¨rige Simulationszeit in [h] kann auf der Ordinate abgelesen werden. 0 20 40 60 80 100 120 49 58 66 75 84 93 10 2 11 1 12 0 12 9 13 8 14 7 15 6 16 5 17 4 18 3 19 2 20 1 21 0 21 9 22 8 23 7 24 6 25 5 26 4 27 3 28 2 29 1 30 0 30 9 Realzeit [h] Si m ul at io ns ze it [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 xijr Abbildung A.2: Kartesische/Zylinderkoordinaten 158ANHANG A. UMRECHNUNGEN VON ZEITEN UND KOORDINATEN x = cosϕ · r y = sinϕ · r z = h nach r und ϕ aufgelo¨st ergibt sich: r = √ x2 + y2 ϕ = arctan yx + π · u0(−x) · sgn (y) Der Winkel ϕ wird in der Formel im Bogenmaß bestimmt. Eine Umwandlung 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) fu¨r − x ≤ 0 den Wert 0 und fu¨r −x > 0 den Wert 1 annimmt, sowie die Vorzeichenfunktion sgn(y) fu¨r y > 0 den Wert 1, fu¨r y = 0 den Wert 0 und fu¨r y < 0 den Wert -1 annimmt. Dadurch ergeben sich nach Umrechnung in Grad eindeutige Winkel im Bereich −180◦ ≤ ϕ ≤ 180◦. y x dij P0(x0,y0,z0) ij2 ij1 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 Ursprung durch den Punkt P0 bestimmt ist. Der Vektor ~v, 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 zuna¨chst 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 Erga¨nzende 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 Anha¨ngen der Last Kranabgabe Zeit in [s] zur Abgabe der Last Lagerbedingungen im Freien, mit Folie geschu¨tzt, nicht mo¨glich usw. Stapelbarkeit einfach, mehrfach Lagerfla¨chenbedarf in m2 pro Mengeneinheit Verschnitt in % Mehrbedarf Warengruppenschlu¨ssel mo¨glicher Zugriff auf eine externe Datenbank Dauer (min) Aufwandswert fu¨r Verarbeitung des Dauer (max) Materials in [h]/Einheit Tabelle B.1: Feldnamen der Materialtabelle mit logistischen Eigenschaften Die Aufwandswerte entstammen im Wesentlichen den Richtwerten fu¨r Stun- denansa¨tze nach dem Bauarbeitsschlu¨ssel (BAS), die denen der Freundlieb GmbH u¨bereinstimmten. Wenn nach BAS kein Stundensatz vorhanden war, wurden die Angaben der Freundlieb GmbH verwendet. 161 162 ANHANG B. ERGA¨NZENDE 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 Trockenwa¨nde m2 0,16-0,121 nach Freundlieb GmbH Tu¨ren 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 Vorga¨ngerabschnitt ID eines mo¨glichen Vorga¨ngerabschnitts Einbaufertig Kennzeichnung des Vorga¨ngerstatus 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 verku¨rzter Lieferzeitpunkt frei Tabelle B.4: Spalten der Materiallieferabschnittstabelle B.1. DATENBANKTABELLEN 163 B.1.4 Lagertabelle Spalte 1 Spalte 2 ID fortlaufende Nummerierung der La¨ger 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 Absta¨nde Ziel der Bau- elemente zum Lager Tabelle B.5: Spalten der Lagertabelle 164 A N H A N G B. ERG A¨ N ZEN D E TA BELLEN B .2 Logistische M aterialw erte B .2.1 P ackm ittel-Ladeeinheit-Transporteinheit Material Packstu¨ck Ladeeinheit Transporteinheit Menge Packmittel Anzahl Ladehilfsmittel Menge Anzahl Art Packst. /Ladeeinh. Ladeeinheiten Putz 30 kg Sack 40 Euro-Palette 1200 kg 12 Lkw Gipskarton 31, 2 kg lose 50 Sonder-Palette 1560 kg 13,5 Lkw Ortbeton 1m3 lose – Betonbombe 1m3 7 Lkw Estrich 40 kg Sack 30 Euro-Palette 1200 kg 15 Lkw Bewehrung 1300 kg lose 15 Rolle 1300 kg 15 Lkw Tu¨ren 120 kg lose 4 Sonder-Palette 1200 kg 13 Lkw Fenster 60 kg lose 4 Gestell 600 kg 13 Lkw Fertigteil 3000 kg lose 1 lose 1Stk 12 Lkw Tabelle B.6: Logistikstammdaten 1 B.2. LO G IST ISC H E M AT ER IA LW ERT E 165 B .2.2 Lagerfla¨chenbedarf Material Einheit Menge Lagerfla¨chenbedarf 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 Tu¨ren 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