Die Visualisierung des Bauablaufs mit 4D-CAD

Diplomarbeit von Stefan Lindenberg

Einleitung:

Die Bauindustrie steht heutzutage zunehmend vor der Herausforderung komplexe Bauaufgaben in immer knapper bemessenen Planungs- und Ausführungsfristen umzusetzen. Diese Anforderung führt zu Bauablaufplänen, die eine enge und teilweise überlappende zeitliche Abfolge von Arbeitsabläufen vorsehen. Ein derart gestraffter Bauablaufplan hat zur Folge, dass die Arbeiten vieler Gewerke gleichzeitig zu koordinieren sind, wodurch die räumlichen Abhängigkeiten einzelner Arbeitsabläufe voneinander und von der Baustellensituation zunehmend an Bedeutung gewinnen. Ein unzureichend überdachtes Platzangebot auf der Baustelle führt in diesem Zusammenhang oftmals dazu, dass ein Bauablauf in vielen Situationen anfällig für Störungen ist.

Die geistige Vorwegnahme der mit parallel geplanten Vorgängen einher gehenden Bauzustände zeigt auch routinierten Baufachleuten zeitweilig die Grenzen ihrer Vorstellungskraft auf. Die konventionellen Darstellungsformen des Bauablaufs leisten im Bezug auf diese Problemstellung keine Abhilfe. Balkendiagramme, Liniendiagramme und Netzpläne abstrahieren die geplante Abfolge der Vorgänge in einem mehr oder minder starken Maße, und vermitteln kein unmittelbares Bild der geplanten Bauzustände zu bestimmten Zeitpunkten. Überdies können komplexe Bauablaufpläne, die vielfach verflochtene Vorgänge enthalten, in konventioneller Darstellung nicht ohne weiteres kommuniziert werden. Gerade die in ein Projekt involvierten Nichtfachleute können bei einer konventionellen Abbildung des Bauablaufs oftmals nicht die assoziative Brücke zu verschiedenen Baustellensituationen herstellen und erlangen selten einen Überblick bezüglich aller terminlichen Zusammenhänge. Straffe Bauzeitenpläne erfordern ebenso einen erhöhten Kommunikationsbedarf und Informationsfluss zwischen den Projektbeteiligten aller Verantwortungsbereiche. Um einen reibungslosen Bauablauf zu realisieren müssen Projektanforderungen und -einschränkungen sowie Problemstellungen unmissverständlich vermittelt werden.

Unberücksichtigte räumliche Zwänge oder Fehlinterpretationen einzelner Projektinhalte können zu teilweise ungeeigneten Bauablaufplanungen führen. Die Auswirkungen von Planungsentscheidungen, die nicht alle notwendigen Informationen mit einbeziehen, äußern sich in unproduktiven Arbeitsabläufen, terminlichen Verschiebungen und erhöhten Baukosten. Um die Auswirkungen dieser Entscheidungen im Kontext vieler Abhängigkeiten und Zwänge abzuschätzen und diesbezüglich Planungssicherheit zu gewinnen ist eine modellhafte Darstellung des Bauablaufs von großem Nutzen.

Die fortschrittlichste bildhafte Darstellungstechnik besteht in der Verwendung von 4D-Modellen. Durch die Integration von dreidimensionalen Modellen mit der Zeit werden hierbei die Informationen eines konventionellen Projektplans in eine beständige und zusammenhängende dreidimensionale Abbildung übersetzt. Die konsistente Darstellung der Bauzustände ermöglicht die vollständige virtuelle Vorwegnahme des Bauens in einem nahezu realistischen Raum-Zeit-Kontext. Durch die Verwendung von 4D-Modellen können sowohl Bauablaufpläne erprobt, überprüft und bewertet, als auch Planungsinhalte in einzigartiger Weise kommuniziert werden.

In der vorliegenden Diplomarbeit werden Aufbau, Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten von 4D-CAD-Modellen (4D-Modelle) im Bauwesen und die Auswertung von simulierten Bauabläufen untersucht. Ein Schwerpunktthema dieser Ausarbeitung besteht in der Betrachtung und Bewertung von räumlichen Zwangspunkten während der Bauausführung.

Zur Bearbeitung dieses Themas gliedert sich die Arbeit in vier ineinander übergreifende Teile auf, deren wesentliche Inhalte und Ergebnisse in der Schlussbetrachtung dieser Arbeit zusammengefasst und bewertet werden:

In Kapitel 2 und 3 werden die Grundlagen der 4D-Visualisation von Bauabläufen erarbeitet. Einführend wird die Begrifflichkeit des „4D-Modells“, insbesondere die Bedeutung der Vierdimensionalität in diesem Zusammenhang, erklärt. Die anschließende Beschreibung der 4D-Bausteine geht mit der Ausarbeitung der technischen Anforderungen im Hinblick auf die Erfordernisse einer praktikablen Verknüpfung von geometrischen und zeitlichen Informationen einher. Die Erläuterung der prinzipiellen Komponentenverknüpfung vervollständigt die Erarbeitung der grundlegenden Funktionsweise in der Theorie.

Die Kapitel 4 und 5 konkretisieren die Funktionsweise von 4D-CAD-Anwendungsprogrammen durch die praktische Umsetzung der vierdimensionalen Visualisation eines Bauablaufes. Zu diesem Zweck wird ein Beispielprojekt, einschließlich der erforderlichen Bauwerksgeometrie, der Baustelleneinrichtung und dem zeitlichen Projektrahmen eingeführt. Die Erstellung der Komponenten erfolgt unter Verwendung von unterschiedlichen Software-Anwendungsprogrammen, deren Funktionalität zugleich mit dem Modellierungsprozess beschrieben wird. Dieser Teil der Arbeit schließt mit dem Ergebnis eines vollständigen 4D-Modells, das auf der Grundlage von konventionell dargestellten Informationen entwickelt wurde.

Die Kapitel 6 und 7 stellen die Einsatzmöglichkeiten von 4D-Modellen in der Bauindustrie vor. Hierbei stehen das Kommunikationspotential und die Überprüfung von Bauabläufen und Baustellensituationen im Vordergrund. Der Auswertung von vierdimensional visualisierten Bauabläufen folgt die Einarbeitung von räumlich bedingten Konfliktsituationen, die anhand des Beispielprojekts verdeutlicht werden. Räumliche Zwänge werden durch die Abbildung der betreffenden Bauzustände identifiziert und durch die Anpassung der Planung vermieden. Die in Kapitel 6 beschriebene prinzipielle Vorgehensweise bei der Auswertung von 4D-Modellen erweitert die theoretischen Grundlagen der 4D-Visualisation.

In Kapitel 8 und 9 wird die Funktionalität von 4D-CAD-Anwendungsprogrammen zur Simulation von dynamischen Arbeitsumgebungen vorgestellt. Durch die Darstellung des ständigen Wechsels der genutzten Räume werden Zwangspunkte durch Überlagerungen von Raumanteilen in 4D-Modellen sichtbar. Die gleichzeitige Abbildung der vierdimensionalen Aspekte eines Bauablaufes eröffnet die Möglichkeit eine Vorgangsfolge durch die Anpassung des Platzangebotes in einer bestimmten Baustellensituation räumlich zu planen und diesbezügliche Interferenzen im Vorfeld auszuschließen. Zur Einführung in diese Thematik der weiterführenden 4D-Forschung werden Begriffe, Modellformate und Eigenschaften für die erforderlichen Räume bei der Ausführung verschiedener Vorgänge definiert. Anschließend wird der räumliche Planungsprozess durch die Anwendung auf das Beispielprojekt verdeutlicht. Räumliche Zwänge werden visuell erfasst und analytisch unter Einbeziehung einer systematischen Konfliktbetrachtung bewertet.

Inhaltsverzeichnis:

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