Bauablaufsimulation und -animation für die Planung von Brückenbauvorhaben

Laufzeit: 02.2010-09.2013

Projektbeschreibung

Die Planung von Bauabläufen ist eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe. Um diese Arbeit zu erleichtern, wird am Fachgebiet CMS ein Forschungsprojekt mit der Zielsetzung durchgeführt, eine halbautomatisierte Bauablaufsimulation und Ablaufanimation für Brückenbauvorhaben zu entwickeln. Das Projekt gliedert sich in drei Teile:

Erstellen eines intelligenten 3D-Modells, dessen Komponenten mit Informationen zu Konstruktionsmethoden und Bauablauffolgen verknüpft werden (Preparator).
Ablaufsimulation und Zeitoptimierung: Mit Hilfe einer Diskrete-Ereignis-Simulation wird die Gesamtprojektdauer aus Teilprozesszeiten bestimmt. Auf Basis eines Monte-Carlo-Ansatzes werden Reihenfolgen variiert und eine möglichst optimale Lösung bestimmt.
Animation: Aus der bestimmten Ablauffolge wird eine 4D-Animation erzeugt

Mit Hilfe der Animation soll die berechnete Ablauffolge visualisiert werden, um Planer schon in frühen Phasen der Planung auf Schwierigkeiten und mögliche Kollisionen beim Bauablauf aufmerksam zu machen.

Bauablaufsimulation

Die wesentlichen Eingabedaten einer Animation sind die Anfangs- und Endzeitpunkte der einzelnen Ablaufschritte. Um diese zu ermitteln, muss eine Ablaufsimulation durchgeführt werden. Mit einer Constraint-basierten Simulation können zuverlässige Ablaufergebnisse unter Beachtung der Verfügbarkeit der verschiedenen Ressourcen generiert werden. Der wesentliche Vorteil des Constraint-Ansatzes ist, dass die Reihenfolge der einzelnen Arbeitsschritte nicht fest vorgegeben, sondern dynamisch auf der Basis von Zufallsselektionen bestimmt wird. Im hier verfolgten Konzept werden die Eingabedaten für die Simulation mit Hilfe des Preparators erzeugt. Als Ergebnis der Simulation bekommt der Planer einen möglichst optimalen Bauablaufplan mit detaillierten Auswertemöglichkeiten zu Maschinen- und Personalauslastung. Die Simulation kann nicht nur den Planer, sondern auch den Bauleiter unterstützen. Änderungen am Bauablauf können schnell und flexibel im Simulationstool abgebildet werden, wodurch die Auswirkungen einer Entscheidung direkt beurteilt werden kann.

Einsatz des Preparators zum Erzeugen eines intelligenten 3D Modells

In unserem Konzept werden die Eingangsdaten für die Bauablaufsimulation auf der Basis eines 3D-Modells der Brücke erzeugt. Wenn dieses Modell ausreichend detailliert ist, können einzelne Objekte identifiziert und mit entsprechenden Bauablaufschritten verknüpft werden. Das Programm besteht aus zwei Hauptteilen. Der erste ist der eigentliche Preparator, der zweite ist die Ressourcen-Verwaltung, mit deren Hilfe die verfügbaren Mitarbeiter, Maschinen und Materialen mit ihren Eigenschaften definiert werden. Zunächst muss in den Preparator ein 3D-Brückenmodell eingelesen werden. Die zugehörige Liste der Objekte (linke Seite), aus denen das Modell besteht, wird automatisch generiert. Oben links befinden sich Steuerelemente zur Identifikation des Bauteils und eine Liste von vordefinierten Bauverfahren, die zum Objekt zugeordnet werden können. Oben in der Mitte können Reihenfolgebeziehungen zwischen Bauablaufschritten (z.B.: Schalen und Betonieren) definiert werden, und auf der rechten Seite ist das Ergebnis der Zuweisung dargestellt: eine hierarchische Liste der Prozessschritte zum Bau der Brücke.

Ablaufanimation

Ergebnis der Ablaufsimulation ist nicht nur die Reihenfolge der Bauschritte, sondern auch die Anfangs- und Endzeitpunkte der einzelnen Aktivitäten. Die Verknüpfung dieser Zeitpunkte mit dem 3D-Modell ermöglicht, eine Ablaufanimation automatisch zu generieren. Für die einzelnen Bauschritte werden verschiedene Aufbauanimationen parametrisch vordefiniert und später mit der Anfangs- und Endzeitpunkte verbunden. Mit Hilfe der Animation kann der ganze Ablauf der Brücke verfolgt sowie Schwierigkeiten und mögliche Kollisionen in frühen Phasen der Planung oder des Baus erkannt werden.