Simulation des Einflusses von Witterungsbedingungen auf die

Integrationsaspekte der Simulation:
Technik, Organisation und Personal
Gert Zülch & Patricia Stock (Hrsg.)
Karlsruhe, KIT Scientific Publishing 2010
Simulation des Einflusses von
Witterungsbedingungen auf die Bauausführung
A Simulation Approach to Integrate the Weather Impact
into the Execution Planning
Hong Ha Le, Hans-Joachim Bargstädt
Bauhaus-Universität Weimar, Weimar (Germany)
[email protected], [email protected]
Abstract: The execution planning is complex because of many uncertainties occurring during the execution process. One major uncertainty, which clearly affects
construction activities, is bad weather conditions, because most of the activities in
construction are exposed to weather and are sensitive to some of its features. Therefore, in the executing stage, the short term weather forecast should be considered to
make the execution plan for the upcoming days more realistic. This paper presents a
simulation approach to incorporate the impact of weather factors into the constraintbased simulation of construction processes, where weather effects are described as
constraints. The benefits of this reasearch are better supports in analyzing the impact
of weather on execution processes, in preparing practicable execution schedules, and
in making possible construction claims.
1
Einleitung
Bauplanung ist komplex, da viele Unsicherheiten während des Ausführungsprozesses auftreten. Die durch Wetterbedingungen verursachten Unsicherheiten können
einen Bauzeitenplan erheblich beeinflussen. Im Vergleich zur Planung können
erhebliche Terminabweichungen eintreten (SHAHIN u.a. 2007, S. 1798). In
Forschungsarbeiten über die Auswirkungen auf Arbeitsproduktivität und Bauzeit
wurden verschiedene Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Wetterbedingungen und
der Arbeitsproduktivität entwickelt (KOEHN, BROWN 1985, S. 133; THOMAS,
YIAKOUMIS 1987, S. 633). Andere Arbeiten haben darauf hingewiesen, wie der
Ablaufplan wegen des Wettereinflusses betroffen wird, und haben die Anforderung
der Baustelle in bezug auf ihre Wetterabhängigkeit analysiert (MOSELHI, ELRAYES 2002; HYUN-SOO u.a. 2005; SHAHIN u.a. 2007). Hier wurden in der
Planungsphase die Einflüsse des Wetters auf den zu prognostizierenden Ablaufplan
an Hand von Wetterdaten aus der Vergangenheit untersucht, oder es wurden die
typischen Wettermuster von spezifischen Regionen analysiert. Jedoch ist der Wechsel der Wetterbedingungen häufig komplexer und lässt sich nicht immer aus der
126
Le, Hong Ha; Bargstädt, Hans-Joachim
Vergangenheit heraus ableiten. Deshalb wird hier ein Ansatz verfolgt, bei dem die
aktuellen Wettervorhersagen für die spezifische Baustelle vor Ort betrachtet werden,
um jeweils die Ausführungsphasen der nächsten Tage besser absichern zu können.
Im Forschungsprojekt "Simulation of Outfitting Processes in Shipbuilding and Civil
Engineering" (SIMoFIT) der Bauhaus-Universität Weimar zusammen mit einem
Flensburger Schiffbauer wurde ein constraint-basiertes Simulationskonzept entwickelt, um die Bauablaufplanung zu verbessern (BEIßERT u.a. 2008, S. 1).
Der vorliegende Beitrag stellt die Entwicklung eines Modells vor, das die Auswirkungen von Wetterfaktoren in dieses constraint-basierte Simulationskonzept für
Bauprozesse einbindet. Hierbei werden die Auswirkungen von Wetterbedingungen
als Constraints beschrieben. Das Modell gewährt eine Simulationssumgebung, welche die Handhabung der operativen Ausführungspläne bezüglich der Einflüsse von
Wetterbedingungen unterstützen soll. Als Anwendungsbeispiel wird der Einfluss der
Witterung bei der Herstellung eines Fassadensystems dargestellt. Hierauf basierend
können auch andere Bauprozesse in ähnlicher Weise untersucht werden.
2
Die Witterungseinflüsse auf die Bauausführung
Bautätigkeiten werden häufig unter freiem Himmel durchgeführt, weshalb sie verschiedenen Wetterbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Wind, Niederschlag
ausgesetzt sind. Der Grad der Empfindlichkeit gegenüber diesen Faktoren ist sehr
unterschiedlich und abhängig von der Art des jeweiligen Bauprozesses oder Prozessschritts (MOSELHI, EL-RAYES 2002, S. 12). Die prinzipiell möglichen
Wirkungen von schlechtem Wetter können in drei Fallgruppen erfasst werden:
(1) die Arbeiter können vorübergehend keine Arbeiten ausführen. Derartige
Wetterbedingungen, die die Arbeit temporär unmöglich machen, sind z. B.
starker Regen, Schnee, Sturm, Frost, hohe Temperaturen und extreme Luftfeuchtigkeit. Studien haben gezeigt, dass oberhalb von +43 oC und unter -23 oC
verbunden mit Luftfeuchtigkeit größer als 50 % die Bedingungen zum
Arbeiten unerträglich werden und Arbeiten eingestellt werden müssen
(KOEHN, BROWN 1985, S. 134).
(2) Der Betrieb von Maschinen oder Geräten muss eingestellt werden. Häufig
betrifft diese Störungen die Belieferung mit Material, weil z. B. starker Wind
verhindert, Transporte mit dem Baukran durchzuführen. Infolge dessen kann
es zu Lieferengpässen kommen. Je nach Krantyp und Aufstellungsbedingungen sind maximale Windgeschwindigkeiten zu beachten, oberhalb derer der
Kran nicht mehr betrieben werden kann. Dieser Grenzwert liegt in der Regel
bei etwa v = 10 m/s bis 15 m/s. Je nach zu transportierender Last, z. B. bei
großvolumigen Bauteilen, muss er wesentlich niedriger angesetzt werden.
(3) Die Arbeitsproduktivität wird reduziert, womit eine Verlängerung der Ausführungszeit der betreffenden Bauprozesse verursacht wird. Im Rahmen dieser
Arbeit werden die Ansätze von Koehn und Brown übernommen (KOEHN,
BROWN 1985, S. 134). Sie haben Abhängigkeiten zwischen dem Produktivitätsfaktor PTH, der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit für allgemeine Bauarbeiten beschrieben, die sie mittels Regressionsanalyse aus beobachteten Daten formulieren (Abb.1). Der Produktivitätsfaktor kann maximal
1,0 sein und wird hier in Abhängigkeit der beiden Parameter abgemindert.
Simulation des Einflusses von Witterungsbedingungen auf die Bauausführung
127
45
0.7
0.8
0.9
40
35
0.7
0.8
0.9
30
1
Temperatur (oC)
25
0.6
0.5
0.7
0.8
0.9
1
1
20
15
10
1
1
1
5
0
-5
-10
-15
0.9
0.9
0.8
0.8
0.7
0.7
0.6
0.5
0.6
0.5
-20
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
-25
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
relative Feuchtigkeit (%)
Abbildung 1:
Arbeitsproduktivität als Funktion von Temperatur und relativer
Feuchtigkeit (KOEHN, BROWN 1985)
Dieses Ergebnis basiert auf einer großen Anzahl von historischen Daten und beschreibt somit einen Einfluss auf die Arbeitsleistung des Menschen. Ein weiterer
Faktor für eine komplexere Betrachtung von Baustellenbedingungen ist die Windgeschwindigkeit. Wird Wind als leichter Wind beobachtet, ändert dies die oben genannten Produktivitätsfaktoren nicht. Durch Befragen von Experten fanden die
Autoren heraus, dass Wind bis zur Windstärke 2 (v ≤ 3,3 m/s) praktisch keine
Auswirkung auf die Arbeitsleistung hat. Bei Windstärken größer als 7 (v > 17,1 m/s)
sollten die Arbeiten eingestellt werden. Für die Abhängigkeit zwischen Windgeschwindigkeit W und Produktivitätsfaktor PWC schlagen die Autoren ein Regressionspolynom vor. Mit Gl. (1) wird die Windgeschwindigkeit im Intervall von 3,4 m/s bis
17,1 m/s approximiert. Es wird ferner ausgeschlossen, dass die Produktivitätswerte,
die durch diese Gleichung berechnet werden, größer als 1,0 werden (d. h. falls PWC >
1,0, dann wird PWC = 1 gesetzt).
PWC = - 0,000252W3 + 0,003286W2 – 0,038148W + 1,09
(1)
Der Produktivitätsfaktor P ergibt sich nun in Abhängigkeit von Temperatur, Feuchtigkeit und Windgeschwindigkeit als Produkt aus PTH und PWC, Gleichung (2).
P = PWC x PTH
3
(2)
Simulationskonzept
Die constraint-basierte Simulation wird im Rahmen eines diskreten ereignisorientierten Simulationsmodells eingesetzt. Es gibt in diesem Ansatz zwei Arten von
Constraints, hard Constraints und soft Constraints. Hard Constraints definieren
zwingende Voraussetzungen für den Start eines Bauprozesses. Sie müssen erfüllt
128
Le, Hong Ha; Bargstädt, Hans-Joachim
sein, bevor ein Arbeitsschritt gestartet werden kann. Soft Constraints stellen dagegen
zweckmäßige Bedingungen dar, die nicht bzw. nicht vollständig erfüllt sein müssen.
Die Verletzung einer solchen Bedingung verursacht jedoch bestimmte Kosten.
Der gesamte Bauprozess wird in Arbeitsschritte heruntergebrochen. Jeder Arbeitsschritt benötigt eine bestimmte Ausführungsdauer und hat zu jedem Zeitpunkt einen
der drei möglichen Zustandswerte: nicht begonnen, in Arbeit oder beendet. Jeder zu
beginnende Arbeitsschritt bedingt die Verfügbarkeit bestimmter Materialien, Ressourcen und Arbeitsplätze. Diese werden während der Ausführung des Arbeitsschritts für alle anderen Arbeitsschritte gesperrt. Ist die geplante Ausführungszeit
des Arbeitschritts beendet, wird sein Zustandswert von "in Arbeit" auf "beendet"
gestellt, und alle gesperrten Ressourcen werden wieder freigegeben. Die Abfrage
nach ausführbaren Arbeitsschritten wird so lange wiederholt, bis alle Arbeitsschritte
den Status "beendet" haben. Aus der Protokollierung des Simulationslaufs kann ein
Terminplan erstellt werden (KÖNIG u.a. 2007, S. 191).
Eingebettet in diesen constraint-basierten Simulationsansatz haben die Autoren
einen Baustein WEATHER zur Integration von Witterungseinflüssen auf Basis des
Prinzips von hard und soft Constraints entwickelt. Der Ansatz konzentriert sich auf
die Auswirkungen der Wetterbedingungen in der Ausführungsphase und verwendet
dazu die Daten einer jeweils aktuellen 5-Tage Wettervorhersage. Auf Basis dieser
Vorhersage zu den Wetterbedingungen der jeweils folgenden Woche können die
witterungsbedingten Beeinträchtigungen prognostiziert und kann die Arbeitsvorbereitung angepasst werden. Somit wird die Ausführungsplanung während des Ausführungsprozesses überprüft, und eine Auswahl möglicher Alternativen zur Vermeidung negativer Auswirkungen kann untersucht werden.
3.1
Constraint-basierte Simulation des Bauprozesses
Zunächst werden die Bedingungen der Baustelle aufgenommen. Informationen zu
den Arbeitsschritten müssen den Bauprozess und seine technologischen Abhängigkeiten erfassen, die Ressourcenanforderungen definieren und Angaben zu den
Ausführungsdauern beinhalten. Alle Simulationsobjekte wie Bauaufträge, Personen,
Material, Ausrüstung werden durch Variable beschrieben. Notwendige Abhängigkeiten zwischen diesen Variablen, also z. B. Ausführungsreihenfolgen, Ressourcen
oder Materialanforderungen, werden als hard Constraints definiert (BEIßERT u.a.
2009), womit die technologischen Abhängigkeiten erfasst sind. Z. B. kann eine Vorsatzschale erst montiert werden, wenn die darunter liegende Wärmedämmung eingelegt worden ist. Die Ausführungsdauer der Arbeitsschritte wird zunächst unter
idealen Bedingungen angesetzt. Die gesamte Bauzeit während der Simulation wird
durch eine Simulationssuhr erfasst, ebenso wie das jeweils erforderliche Material,
die Personen usw.
3.2
WEATHER
Der Baustein WEATHER setzt die Wetterbedingungen aus der jeweiligen 5-Tage
Prognose um in entsprechende Wetterparameter während der Ausführung (Abb. 2).
Zu Beginn jedes neuen Arbeitsschritts wird die Zeit an der Simulationsuhr abgefragt
und an den Baustein WEATHER gegeben. Darauf basierend erzeugt WEATHER
die wetterbedingten Umgebungsparameter für diesen Arbeitsschritt.
Simulation des Einflusses von Witterungsbedingungen auf die Bauausführung
Abbildung 2:
129
Beschreibung des Bausteins WEATHER
Die Fälle (1) und (3) aus Abschnitt 2 sind nun bereits im Baustein WEATHER
implementiert. Der Fall (2) wird nachfolgend betrachtet. Es werden zunächst wetterempfindliche Arbeitsschritte identifiziert und ihre beeinflussenden Wetterfaktoren
bestimmt. Daraus ermittelt WEATHER die Grenzwerte für Arbeitsstillstand des aktuellen Arbeitsschritts oder deren Produktivitätsverminderung. Wenn der Produktivitätsfaktor kleiner als 1,0 ist, wird die Dauer der Bautätigkeit verlängert. So wird
die wetterabhängige Ausführungszeit DW jedes Arbeitsschritts berechnet mit:
DW = D / P
(3).
Abbildung 3 erläutert die Integration des Bausteins WEATHER im Simulationsmodell.
4
Anwendungsbeispiel
Am Beispiel einer Sanierungsbaustelle, bei der ein 5-geschossiges Schulgebäude
nachträglich eine vorgehängte wärmegedämmte Fassade erhält, wird der vorgestellte
Ansatz illustriert. Die Arbeitsschritte des eingesetzten Fassadensystems bestehen aus
vier Hauptkomponenten, die in zehn Teilarbeitsschritte zerlegt sind (Abb. 4). Die
technologischen Abhängigkeiten sind übersichtlich. So müssen die Wandwinkel am
Gebäude gesetzt sein, bevor das Vermessen und Zuschneiden des Dämmmaterials
möglich ist.
Die Ausführungsdauer der Arbeitsschritte wurde der Kalkulation entnommen bzw.
durch den Bauleiter vorab geschätzt, Bild 4. Für jeden Arbeitsschritt sind bestimmte
Materialien und Personen erforderlich. Zur Befestigung der Wandwinkel sind ein
Facharbeiter und mindestens noch ein Helfer sowie als Material ein Winkel mit den
zugehörigen Befestigungsmitteln erforderlich. Zur Simulation des Arbeitsablaufs
wird eine Kalenderzeit definiert. In diesem Beispiel ist eine tägliche Arbeitszeit
montags bis freitags von 8:00 Uhr bis 17:30 Uhr inklusive einer Pause von einer
Stunde festgelegt.
Mit diesem Modell kann nun der Ausführungsprozess sowohl ohne die Berücksichtigung von Witterungseinflüssen als auch mit konkreten Wetterdaten simuliert werden. Bei der Berücksichtigung der Wetterparameter werden im Modell jeweils die
Wetterbedingungen einer gesamten 5-Tage Periode eingespielt. Das Startdatum in
diesem Beispiel ist ein Wintertag. Die Simulation ergibt zwei unterschiedliche
Abläufe (Abb. 5).
130
Le, Hong Ha; Bargstädt, Hans-Joachim
Abbildung 3:
Integration des Bausteins WEATHER im Simulationsmodell
Abbildung 4:
Technologische Reihenfolge der Arbeitsschritte mit
Leistungsansätzen ohne witterungsbedingte Einflüsse
Ohne witterungsbedingte Behinderungen werden in 4 Werktagen 2126 Arbeitsschritte durchgeführt. Erfährt jedoch der Bauprozess während dieser 4 Werktage
Verzögerungen, so verlängert sich die Arbeitsdauer einzelner Arbeitsschritte wegen
des schlechten Wetters, und es können im gleichen Zeitraum nur 1742 Arbeitsschritte durchgeführt werden. Vergleichsweise wären diese 1742 Arbeitsschritte
ohne den Einfluss schlechten Wetters bereits fast einen ganzen Tag eher fertiggestellt worden (7 h 51 min). Die Ursachen für diese Zeitdifferenz im realen
Beispiel liegen darin, dass wegen Starkregens einige Stunden nicht gearbeitet werden konnte. In der übrigen Zeit ist die Arbeitsproduktivität wegen der ungünstigen
Kombination der Wetterbedingungen zeitweise ebenfalls reduziert. Abbildung 5
stellt vergleichend die Einflüsse des Wetters auf den Ausführungsprozess dar.
Simulation des Einflusses von Witterungsbedingungen auf die Bauausführung
Ohne Berücksichtigung
von Wettereinflüssen
17:27 15 Feb
2126 durchgeführte Arbeitsschritte
Ohne Berücksichtigung
von Wettereinflüssen
131
3 Werktage, 9 Stunden, 27 Minuten
9:38 15 Feb
1742 durchgeführte Arbeitsschritte
3 Werktage, 1 Stunde, 38 Minuten
Verzögerung
7 Stunden 51 Minuten
1742 durchgeführte Arbeitsschritte
Berücksichtigung von
Wettereinflüssen
17:29 15 Feb
3 Werktage, 9 Stunden, 29 Minuten
8:00
12/2
8:00
13/2
8:00
14/2
8:00
15/2
17:30
15/2
Zeit
Abbildung 5: Vergleich Ausführungszeit und Anzahl durchgeführter Arbeitsschritte
Nun können Simulationsexperimente durchgeführt werden, um bei der Vorbereitung
alternativer Ausführungspläne zu unterstützen. Tabelle 1 stellt vier unterschiedliche
Ergebnisse dar, in denen die baupraktisch möglichen Ablaufreihenfolgen bei gleicher wöchentlichen Wettervorhersage und gleicher Bauaufgabe zufällig verändert
wurden. Jedes Simulationsergebnis weist einen möglichen Ausführungsplan aus, bei
dem innerhalb der zwingenden Reihenfolge der Prozesskette die einzelnen Positionen am Gebäude jedoch in unterschiedlicher Parallelität zueinander abgearbeitet
werden. Statt ohne witterungsbedingte Störungen die 2126 Arbeitsschritte in 4
Arbeitstagen zu beenden, ergeben sich unter den gegebenen Wetterbedingungen
durchgehend weniger als 1800 Arbeitsschritte in dem vorgegebenen Zeitfenster von
4 Tagen. Dabei zeigt sich, dass in der im Experiment 2 gewählten Ablaufzuordnung
deutlich mehr Arbeitsschritte erledigt werden als im Experiment 3. Es ist also möglich, angesichts der erwarteten Wetterentwicklung durch geschickte VorabDisposition der mehr und der weniger wetterabhängigen Arbeitsschritte eine Optimierung der Gesamtzeit zu erreichen.
wetterverwandte Ausführungsprozess
Exp.
1
Anzahl der durchgeführten
Arbeitsschritte
1742
Bauzeit
(dd:hh:mm:ss.ssss)
3:09:29:06.3419
2
1753
3:09:29:24.2820
3
1733
3:09:29:35.4949
4
1740
3:09:28:28.1313
Tabelle 1:
5
Ergebnisse der Ausführungsdauer und Anzahl der durchgeführten
Arbeitsschritte von Experimenten
Fazit
Wetterbedingungen sind Ursache für unplanmäßige Verlängerung von Bauzeit und
sind oft mit erheblichen Mehrkosten verbunden. Das Reduzieren von wetterbeding-
132
Le, Hong Ha; Bargstädt, Hans-Joachim
ten Störungen während der Ausführung liegt bisher ausschließlich in der Hand der
Bauleitung und ist von deren Erfahrungen abhängig. Für eine zutreffendere Vorausplanung und Steuerung von Baustellen ist es deshalb wichtig, besser abzuschätzen,
in welcher Weise mögliche schlechte Wetterbedingungen die Ausführungsprozesse
beeinflussen könnten. Der Baustein WEATHER im Rahmen eines Simulationsmodells erlaubt eine flexible Handhabung der Beschreibung von Wetterbedingungen
und deren Folgen. Das Modell wird durch die Beschreibung verschiedener hard und
soft Constraints angepasst. Basierend auf den Simulationsergebnissen aus mehreren
Wetterszenarien können die zu erwartenden Witterungseinflüsse auf den Bauprozess
langfristig als auch kurzfristig vorab analysiert werden. Darauf aufbauend können
verschiedene Ausführungsstrategien entwickelt werden, um die möglichen negativen
Ausführungsfolgen zu minimieren. Der Baustein WEATHER wird derzeit noch
weiter entwickelt, um die Ergebnisse zu verifizieren und die Aussagen in Richtung
spezifischer Arbeitsanweisungen für das Personal auszubauen.
Literatur
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