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16.11.2022 | Lisa Lenz, Julian Graefenstein, Alexandra Nestorowicz, Kai Weist

BIM-basierte Fabrikplanung

Das komplexe System Fabrik vereint eine Vielzahl an Fachdisziplinen, die nach wie vor isoliert planen. Ein Baustein für die Zusammenführung der Bereiche zu einem interdisziplinären Planungssystem kann die BIM-Methode sein. So kann die zunehmende Komplexität beherrscht werden.

 

Ausgangssituation

Die Produktionswirtschaft erfährt eine immer stärker werdende Dynamik am Markt. Die Herausforderungen sind äußerst komplex und bedingen Anpassungen von Produktionssystemen und insbesondere eine ganzheitliche Betrachtung des Systems Fabrik.

An dieser Stelle muss eine gewisse Anpassungsintelligenz Berücksichtigung in der Fabrikplanung finden, um die Bedürfnisse der Kund*innen schnell verstehen und mit einer Fabrik agil bedienen zu können. Dabei dürfen die inhärenten Systeme der Fabrik wie etwa die Produktion, die Logistik, die Instandhaltung und das Gebäude nicht weiter isoliert betrachtet werden. Alle Fachbereiche und -disziplinen im Fabriksystem müssen synchronisiert und in Symbiose zueinander gesetzt werden, sodass die größtmöglichen Effizienzpotentiale erzielt werden können.

Damit eine Anpassung agil funktioniert, müssen digitale Werkzeuge und neue Methoden eingesetzt werden. Damit einhergehend müssen Methoden, die jeweils in den eigenen Fachdisziplinen etabliert sind, mit allen Bereichen abgestimmt und gegebenenfalls erweitert werden. Insbesondere die Produktions- und Bauplanung arbeiteten in der Vergangenheit isoliert voneinander. Jedoch wird zunehmend an einer konsequenten Zusammenführung dieser beiden Fachbereiche gearbeitet.

Die Building Information Modeling Methode ist dabei ein möglicher Garant für eine effiziente Gebäudeplanung in Kombination mit der Produktionssystemplanung. Zu verstehen ist sie im Sinne einer digitalen Arbeitsmethode aus der Bauplanung, im Rahmen welcher Informationen in Form von Daten bauteilbasiert differenziert in geometrische und nicht-geometrische Daten erfasst werden.

Planungsvorgehen in der Bauplanung versus Fabrikplanung

Sowohl für die Bauwirtschaft als auch für die Fabrikplanung existieren diverse Methoden zur Planung. Diese unterscheiden sich jedoch erheblich sowohl in ihrer inhaltlichen Ausrichtung als auch in ihrer Strukturierung.

Innerhalb der Bauwirtschaft findet weitestgehend die Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) Anwendung. Ein zentraler Begriff in der HOAI ist die „Leistung“, im Sinne eines in sich geschlossenen Arbeitspakets, welches von Architekten oder Ingenieuren erbracht werden muss, um diese in Rechnung stellen zu können.

Für die Zuordnung dieser Leistungen zu den jeweiligen Disziplinen der Fachplanungen wurden Leistungsbilder, wie zum Beispiel Gebäude und Innenräume definiert. Den zu erbringenden Leistungen sind neun Leistungsphasen (LPH) gegenübergestellt. Dabei sind die Leistungsphasen iterativ aufgebaut und werden in der Regel chronologisch durchlaufen. Somit ergeben sie in Ihrer Gesamtheit ein Prozessmodell zur Planung und Abwicklung von Bauprojekten.

Demgegenüber steht die VDI 5200, welche in der Regel im Zuge von Fabrikplanungsprojekten angewendet wird. Diese definiert analog zur HOAI ein sequenzielles Planungsvorgehen in sieben Planungsphasen. Die VDI 5200 berücksichtigt die Bauplanung durch die Einbindung der HOAI konkret, wodurch Interdependenzen zwischen den Disziplinen aufgezeigt werden können.

Eine konkrete Vereinigung der beiden Planungsvorgehen in Verbindung mit der Anwendung der BIM Methode ist aktuell nicht vorhanden. Diese Lücke soll mit Hilfe eines Ansatzes zur BIM-basierten Fabrikplanung adressiert werden. In diesem Zusammenhang stellt eine Symbiose aller planungsrelevanten Daten beider Fachbereiche unter Verwendung der BIM-Methode die Basis für einen ganzheitlichen Planungsprozess dar.

Interdisziplinäre Datensymbiose

Im Rahmen von Planungsprozessen in den einzelnen Fachbereichen, wie zum Beispiel der Bauplanung, werden zu bestimmten Zeitpunkten Leistungen von anderen an der Planung fachlich Beteiligten koordiniert sowie integriert. So können unter anderen Schnittstellenproblematiken behoben werden. Im Kontext der BIM-basierten Fabrikplanung muss eine fachbereichsübergreifende Datensymbiose erfolgen, so dass eine Vereinigung der Bauplanungsleistungen (Architektur-, Tragwerks-, TGA-Planung etc.), mit der Fabrikplanungsleistung (Layout, Betriebsmittel etc.) stattfinden muss.

Die Koordination und Integration der Planungsleistungen sollte unter Berücksichtigung eines dreistufigen BIM-Modell-Qualitätssicherungskonzeptes erfolgen, so dass in einer ersten Stufe die Datenqualität und Einhaltung der Projektstandards (Auftraggeber-Informationsanforderungen, BIM-Abwicklungsplan, etc.), die für alle Planungsbeteiligten festgelegt und innerhalb einer Planungsdisziplin (zum Beispiel Architektur, Layoutplanung etc.) sichergestellt werden müssen.

In einer zweiten Stufe erfolgt die Koordination und Integration der Planungsleistungen innerhalb eines Fachbereichs, wie zum Beispiel der Bauplanung oder der Fabrikplanung.

Abschließend folgt die dritte Stufe, in der die koordinierten Planungsleistungen der Bauplanung in Symbiose zu den koordinierten Planungsleistungen der Fabrikplanung gesetzt werden. Dies ist essenziell, um zum einen als ganzheitliche, transparente Planungsgrundlage für weitere Phasen zu fungieren sowie anschließend in weiteren Phasen effizient mit Hilfe von Datenanalysemethoden untersucht und evaluiert werden zu können. Die entsprechenden Fabrikplanungsinformationen als geometrische und nicht geometrische Daten des BIM-Modells, wie beispielsweise Abmessungen, Materialeigenschaften und notwendige Medienanschlüsse, werden dabei bauteilbasiert berücksichtigt. Auf dieser Basis können schließlich Variantenvergleiche und somit eine Optimierung der Planungsergebnisse durchgeführt werden.

Nach Symbiose der Daten in Stufe 3 folgt schließlich die Durchführung spezifischer für BIM in der Fabrikplanung relevanter BIM-Anwendungsfälle. Im Folgenden werden zwei BIM-Anwendungsfälle für die Fabrikplanung vorgestellt.

BIM-Anwendungsfall: BIM-Koordination – Prüfung des Raumbedarfs

Im Rahmen der BIM-Koordination werden die zusammengeführten BIM-Modelle aus Stufe 2 beziehungsweise 3 als Grundlage für die Durchführung von Regelprüfungen, wie zum Beispiel Kollisionsprüfungen verwendet. Diese sind im Kontext der BIM-basierten Fabrikplanung über einfache Kollisionen von Bauteilen bis hin zu einer Prüfung des Raumbedarfes von einzelnen Produktionsmaschinen oder auch gesamten Produktionsstraßen zu erweitern.

Somit kann für die vorgesehene Produktionseinheit der vorhandene Raum, bestehend aus Maschinengrundfläche, Bedienfläche, Fläche für Reparatur und Wartung etc. ermittelt und im Anschluss mit dem erforderlichen Maschinenarbeitsplatzraum in Varianten abgestimmt werden. Diese automatisierte Prüfung des vorhandenen Raums und der Abgleich mit dem erforderlichen Raum erfolgt anhand geometrischer und nicht geometrischer Informationen, wie des Bauteilnamens innerhalb des BIM-Modells. So können Kollisionen unter Berücksichtigung aller Rahmenbedingungen des Fabriksystems mit dem Gebäude identifiziert und effizient im Rahmen des Planungsprozesses beseitigt sowie im Zuge von Variantenvergleichen die bestmögliche Aufstelloption evaluiert werden.

BIM-Anwendungsfall: BIM-Koordination – Prüfung der technischen Machbarkeit

Als ein weiterer BIM-Anwendungsfall im Rahmen der BIM-Koordination kann im Kontext der Fabrikplanung die Prüfung von Qualitäten im Sinne der technischen Machbarkeit auf Basis der zusammengeführten BIM-Modelle aus Stufe 2 beziehungsweise 3 identifiziert werden. Im Zuge der Prüfung der technischen Machbarkeit können verschiedene fabrikplanungsrelevante Anforderungen, wie beispielsweise die Industriebaurichtlinie, DIN-Normen oder ähnliche in Regelprüfungen überführt und automatisiert überprüft werden.

Zu diesem Zweck werden unterschiedliche Regelprüfungen konzipiert mit deren Hilfe Restriktionen hinsichtlich gesetzlicher, normativer, produktspezifischer oder bauteilspezifischer Schnittstellen und Abhängigkeiten untersucht werden. Darüber hinaus werden Produktinformationen, wie zum Beispiel Materialeigenschaften oder der Energiebedarf von Produktionsmaschinen zur Bewertung der technischen Machbarkeit hinzugezogen, sodass sich insgesamt drei Handlungsfelder ergeben.

Die notwendigen Informationen beziehungsweise Daten zur Analyse der technischen Machbarkeit können sowohl Bauteile wie Türen als auch Produktionsmaschinen sein, für die gleichermaßen geometrische Informationen (3D) sowie weitere nicht geometrische Bauteilinformationen (Attribute) erfasst werden müssen. Diese werden genutzt, um in Form der analysierten rechtlichen Bewertungskriterien, Produktinformationen sowie Schnittstellen und Abhängigkeiten von Bauteilen untereinander identifizieren zu können.

Dementsprechend können auch automatisierte Prüfungen von Fluchtweglängen analog der Industriebaurichtlinie (rechtliche Bewertungskriterien) oder die elektrische Versorgung der Produktionsmaschine in erforderlicher Ausprägung mit einem maximalen Abstand zur Produktionsmaschine (bauteilspezifische Schnittstellen und Abhängigkeiten) durchgeführt werden.

BIM-Anwendungsfall: Mietermanagement

Als weiterer relevanter Use-Case im Zuge der BIM-integrierten Fabrikplanung kann das BIM-basierte Mietermanagement in Verbindung mit einer BIM-gestützten Layoutplanung hervorgehoben werden. Insbesondere bei der Vermietung von Produktionsflächen innerhalb von Produktionsstandorten ist eine agile Evaluation der örtlichen Gegebenheiten für potenzielle Mieter von hohem Interesse.

Im Zuge der Prüfung des Raumbedarf können verschiedene Layouts effizient im BIM-Modell dargestellt und mit allen Beteiligten begutachtet werden. Dies hat den Vorteil, dass die im Layoutworkshop ausgewählte Layoutgestaltung unmittelbar im BIM-Modell zur Verfügung steht. Außerdem ist es möglich, Layoutworkshops dezentralisiert von verschiedenen Standorten aus durchzuführen. Zudem können Produktions- und Logistikwege mittels Ablaufanimationen geprüft und evaluiert werden. Kritische Situationen können bereits im Vorfeld begutachtet und Lösungen modellbasiert herbeigeführt werden.

Fazit und Ausblick

Zusammenfassend bildet die BIM-Methode einen exzellenten Ansatz für eine zukunftsorientierte ganzheitliche Fabrikplanung. Dafür müssen nicht nur die Planungsabläufe aufeinander abgestimmt, sondern auch der Datenfluss zwischen den Disziplinen ganzheitlich organisiert und koordiniert werden. Hier offenbaren sich nicht nur enorme Potentiale in einer effizienteren Bearbeitung, sondern auch Erkenntnisse durch neue mögliche Datenanalysen, die auf Grundlage einer ganzheitlichen und synchronisierten Datenbasis in Form eines BIM-Fabrik-Modells möglich sind.

Burggräf, P.; Schuh, G. (Hrsg.): Fabrikplanung. Handbuch Produktion und Management 4. 2. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden.

Gralla, M.; Weist, K. C. (2020): Komplexitätsbeherrschung durch Anwendung dynamisch-interdisziplinärer BIM-Modelle. Ein Lösungsansatz für die Fabrikplanung. In: Hofstadler, C.; Motzko, C. (Hrsg.): Agile Digitalisierung im Baubetrieb. Grundlagen, Innovationen, Disruptionen und Best Practises. 1. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden.

Grundig, C.-G. (2015): Fabrikplanung. Planungssystematik – Methoden – Anwendungen. 5., akt. Aufl., Hanser Verlag, München.

HOAI (2021) Honorarordnung für Architekten und Ingenieure, dtv Verlagsgesellschaft; 36. Aufl., 2020.

Lenz, L. T. (2020): Bewertungssystem zur Entscheidungsunterstützung von Fabrikgebäudeanpassungen auf Basis von Building Information Modeling, Dissertation, Hrsg. Gralla M.; Schriftenreihe des Lehrstuhls Baubetrieb und Bauprozessmanagement der Technischen Universität Dortmund, Band 6, Reguvis Verlag, Köln.

VDI-Richtlinie 5200 (2011), 02.2016: VDI 5200, Blatt 1, Fabrikplanung, Planungsvorgehen.

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Bilder
© Dr. Lenz
Autoren

Dr.-Ing. Lisa Lenz ist promovierte Bauingenieurin und Postdoc an der TU Dortmund sowie Geschäftsführerin im Exist-geförderten Startup-Forschungsprojekt Building Information Cloud. Darüber hinaus ist sie Gründerin und Gesellschafterin der Building Information Management GLW GmbH.

lenz@bimanagement.de

 


Dr.-Ing. Julian Graefenstein ist promovierter Wirtschaftsingenieur und Postdoc an der TU Dortmund sowie Geschäftsführer im Exist-geförderten Startup-Forschungsprojekt Building Information Cloud.

 


Alexandra Nestorowicz (M.Sc.) ist wissenschaftliche Mitarbeiterin des Exist-geförderten Startup-Forschungsprojekts Building Information Cloud an der TU Dortmund. Darüber hinaus ist sie als freischaffende Ingenieurin im Projektgeschäft der Building Information Management GLW GmbH tätig.

 


Kai Weist (M.Sc.) ist Bauingenieur und promoviert zum Thema BIM in der Fabrikplanung im GRK 2193 am Lehrstuhl Baubetrieb und Bauprozessmanagement der TU Dortmund. Zudem ist er geschäftsführender Gesellschafter der Building Information Management GLW GmbH. Diese vereint in ihrem Geschäftsbereich BIM-Fabrikplanung verschiedene Erfahrungen aus der Forschung, Gremienarbeit und Praxis.

bimanagement.de

 

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