Entwicklung eines RFID-basierten Informations- und Kommunikationssystems für die Baulogistik

Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik der Technischen Universität München Entwicklung eines RFID-basierten Informations- und Kommunikationssystems für die Baulogistik Cornelia S. Klaubert Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Willibald. A. Günthner 2. Univ.-Prof. Peter Klaus, D.B.A. Boston (em.), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Die Dissertation wurde am 29. Juni 2011 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 26. September 2011 angenommen.

Herausgegeben von: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Willibald A. Günthner fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Technische Universität München Zugleich: Dissertation, München, TU München, 2011 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Layout und Satz: Cornelia Klaubert Copyright Cornelia Klaubert 2011 ISBN: 978-3-941702-24-0 Printed in Germany 2011 I

Vorwort Vorwort Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) der Technischen Universität München und im Rahmen der Arbeit im Bayerischen Forschungsverbund Virtuelle Baustelle (ForBAU). Mein besonderer Dank gilt Dr.-Ing. Julia Boppert, die meine Entscheidung zur Promotion wesentlich beeinflusst hat und Dr.-Ing. Stefan Sanladerer, der mit seinem großen Engagement die Basis für das Gelingen von ForBAU gelegt hat. Sehr herzlich möchte ich mich bei dem gesamten Kollegium des Lehrstuhls fml für das angenehme und freundschaftliche Arbeitsklima sowie die stetige Hilfsbereitschaft bedanken. Insbesondere gilt dies für Stefan Kessler, der immer ein offenes Ohr für meine kleinen und großen Probleme hatte, für Janina Durchholz und Oliver Schneider sowie meine Kollegen des ForBAU-Büros Tim Horenburg, Markus Schorr und Johannes Wimmer. Durch die Arbeit im Team mit ihnen habe ich nicht nur viel erreicht, sondern der nötige Spaß bei der Arbeit hat auch nie gefehlt. Darüber hinaus möchte ich meinen ForBAU-Kollegen der weiteren Lehrstühle für die Zusammenarbeit danken - von und mit ihnen habe ich eine Menge gelernt. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Willibald. A. Günthner möchte ich nicht nur für die Möglichkeit zur Promotion danken, sondern vor allem für das entgegengebrachte Vertrauen, wodurch er mir ein selbstständiges Arbeiten ermöglichte. Herrn Prof. Peter Klaus, D.B.A. Boston Univ. (em.) danke ich für die Übernahme des Koreferates sowie Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister für den Vorsitz der Prüfungskommission. Meinem Freund Björn Lath danke ich ganz besonders für die vielfältige Unterstützung beim Schreiben dieser Arbeit. Mein größter Dank gilt, für den Beistand auf meinem Lebensweg und die stetige Förderung, meiner Familie. München, im September 2011 Cornelia Klaubert I

Es ist nicht genug, zu wissen, man muss auch anwenden; es ist nicht genug, zu wollen, man muss auch tun. Johann Wolfgang von Goethe II

Kurzdarstellung Kurzdarstellung Entwicklung eines RFID-basierten Informations- und Kommunikationssystems für die Baulogistik Cornelia S. Klaubert Überschrittene Kosten- und Zeitbudgets sowie mangelhafte Qualität sind Probleme, mit denen die Baubranche häufig zu kämpfen hat. Zurückführen lassen sich diese unter anderem auf wenig entwickelte Logistikprozesse und eine fehlende Durchgängigkeit in den Informationsstrukturen. Da zeitnahe Informationen jedoch die Basis für funktionierende Logistikprozesse bilden, wurde im Rahmen der Arbeit ein Informations- und Kommunikations- (IuK-) System entwickelt, welches einen durchgängigen Informationsfluss von, zu und auf der Baustelle ermöglicht. Hierzu wurden auf Grundlage von bauspezifischen Anforderungen RFID-basierte Kennzeichnungskonzepte für unterschiedlichste Baubetriebsmittel entwickelt, um diese einfach identifizieren zu können. Durch die Verwendung von mobilen Geräten und speziell entwickelten Softwarestrukturen ist es möglich, Informationen über den Baufortschritt und den Zustand von Materialien zu erfassen, zu dokumentieren und in Echtzeit an ein zentrales Datenmanagementsystem zu übergeben. Für die Bauindustrie sind solche Infrastrukturen besonders interessant, wenn sie nicht nur in der vergleichsweise kurzen Bauphase, sondern auch im Lebenszyklus verwendet werden können. Am Beispiel der Wartung von Ingenieurbauwerken wurde daher gezeigt, wie das entwickelte IuK-System auch langfristig einen Mehrwert generieren kann. III

Abstract Abstract Development of an RFID-based information and communication system for construction logistics Cornelia S. Klaubert Exceeded cost and time budgets as well as poor quality are issues with which the construction industry often has to cope. These problems can be traced back among other things to less-developed logistics processes and a lack of consistency in information structures. Since timely information constitute the basis for well functioning logistics processes, an information and communication (ICT) system was developed, which allows a continuous information flow to, from and on-site. Based on construction-specific requirements concepts for RFID-based identification of construction site equipment were developed. Through the use of mobile devices and specially developed software structures it is possible to gather, to document and to forward information about progress and condition of materials and equipment to a central data management system in real time. For the construction industry such infrastructures are particularly interesting if it is not only used in the relatively short construction phase but also for the entire lifecycle. How the developed ICT system can generate a long-term value is demonstrated using the example of the maintenance of a bridge. IV

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort... I Kurzdarstellung... III Abstract... IV Inhaltsverzeichnis... V Abbildungsverzeichnis... X Formelverzeichnis... XVI Tabellenverzeichnis... XVII Abkürzungsverzeichnis... XVIII 1 Die Rolle der Informationslogistik für das Bauen im 21. Jahrhundert... 1 1.1 Rahmenbedingungen der Bauindustrie... 3 1.1.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen... 3 1.1.2 Unikatfertigung... 3 1.1.3 Ortsgebundenheit des Produktes... 4 1.1.4 Witterungsabhängigkeit... 4 1.1.5 Baugrundrisiko... 4 1.1.6 Starke Fragmentierung der Branchenstruktur... 4 1.1.7 Langfristfertigung... 5 1.2 Aktuelle Entwicklungen in der Bauindustrie... 5 1.2.1 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen... 6 1.2.2 Neue Kooperationsformen... 6 1.2.3 Aus 2D wird 3D... 6 1.2.4 Vom Hammer zum Handy... 7 1.2.5 Einsatz automatischer Identifikationstechnologien... 8 1.3 Aufgaben der Informationslogistik... 9 1.4 Problemstellung der Arbeit... 10 1.5 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit... 12 2 Eindeutige Kennzeichnung von Objekten mittels Radiofrequenzidentifikation... 15 2.1 Einflüsse auf Objektkennzeichnungen... 15 V

Inhaltsverzeichnis 2.2 Möglichkeiten zur Objektkennzeichnung... 16 2.3 Vergleich von RFID und Barcode... 20 2.4 Komponenten eines RFID-Systems... 22 2.4.1 Transponder... 23 2.4.2 Schreib-/Leseeinheit... 24 2.4.3 IT-Infrastruktur... 26 2.5 Funktionsweise der RFID-Technologie... 26 2.5.1 Induktive Kopplung... 27 2.5.2 Elektromagnetische Kopplung... 28 2.5.3 Frequenzbereiche... 30 2.5.4 Near Field Communication... 32 2.5.5 Speicherzugriff... 33 2.5.6 Betriebsarten... 33 2.6 Einflussgrößen auf RFID-Systeme... 34 2.7 Standards der RFID-Technologie... 35 2.7.1 Electronic Product Code... 37 2.7.2 EPCglobal-Network... 37 2.7.3 Sendeleistungen... 38 2.8 Identifikationspunktkonzepte... 39 2.8.1 Mobile Erfassungsgeräte... 39 2.8.2 RFID-Gate... 40 2.8.3 Gabelstapler... 40 2.8.4 RFID-Theke... 41 2.9 Potentiale des RFID-Einsatzes für die Bauindustrie... 42 3 Konzept eines IuK-Systems für die Baulogistik... 45 3.1 Aufgaben eines IuK-Systems für die Baulogistik... 45 3.2 Funktionen eines IuK-Systems für die Baulogistik... 48 3.2.1 Informationen erfassen... 48 3.2.2 Informationen aufbereiten... 48 3.2.3 Informationen übertragen... 49 3.2.4 Informationen verarbeiten... 49 3.2.5 Informationen speichern... 49 3.3 Komponenten eines IuK-Systems für die Baulogistik... 49 3.3.1 Eindeutige Kennzeichnung... 50 3.3.2 Mobile Datenerfassung... 51 VI

Inhaltsverzeichnis 3.3.3 Zentrales Datenmanagement... 52 3.4 Stand der Technik in Industrie und Forschung... 53 3.4.1 Eindeutige Kennzeichnung - RFID... 53 3.4.2 Mobile Datenerfassung... 58 3.4.3 Zentrales Datenmanagement... 61 3.5 Zusammenfassung... 64 4 Umsetzung RFID-basierter Kennzeichnungskonzepte für die Bauindustrie... 67 4.1 Auswahl der Arbeitsfrequenz... 68 4.2 Betriebsmittelcluster... 70 4.3 Untersuchungsmethodik... 74 4.3.1 Versuchsaufbau... 74 4.3.2 Bestimmung der Auslesereichweite... 75 4.3.3 Versuchsumgebung... 76 4.3.4 Transponder-Grundlagenuntersuchungen... 78 4.3.5 Versuchsequipment... 79 4.3.6 Feldtests... 80 4.4 RFID-Kennzeichnung von Geräten am Beispiel Kleingeräte... 81 4.4.1 Nutzenpotenziale und Anforderungen... 81 4.4.2 Konzepte zur Kennzeichnung von Kleingeräten... 83 4.4.3 Versuche und Ergebnisse... 84 4.4.4 Mögliche Identifikationspunktkonzepte... 88 4.4.5 Übertragung der Ergebnisse auf die Klasse... 89 4.5 RFID-Kennzeichnung von Maschinenanbauteilen am Beispiel Bohrrohre... 90 4.5.1 Nutzenpotenziale und Anforderungen... 90 4.5.2 Konzept zur Kennzeichnung von Bohrrohren... 92 4.5.3 Versuche und Ergebnisse... 94 4.5.4 Mögliche Identifikationspunktkonzepte... 98 4.5.5 Übertragung der Ergebnisse auf die Klasse... 99 4.6 RFID-Kennzeichnung von Baubehelfen am Beispiel Systemschalungen... 100 4.6.1 Nutzenpotenziale und Anforderungen... 100 4.6.2 Konzept zur Kennzeichnung von Systemschalungselementen aus Holz... 102 VII

Inhaltsverzeichnis 4.6.3 Versuche und Ergebnisse... 103 4.6.4 Konzept zur Kennzeichnung von Systemschalungselementen aus Metall... 107 4.6.5 Versuche und Ergebnisse... 108 4.6.6 Mögliche Identifikationspunktkonzepte... 110 4.6.7 Übertragung der Ergebnisse auf die Klasse... 110 4.7 RFID-Kennzeichnung metallischer Rohrkörper mittels der Schlitzantenne... 111 4.7.1 Konzept der Schlitzantenne... 112 4.7.2 Voruntersuchungen zur Schlitzantenne... 113 4.7.3 Versuche und Ergebnisse... 116 4.7.4 Mögliche Identifikationspunktkonzepte... 121 4.7.5 Übertragung der Ergebnisse auf die Klasse... 122 4.8 RFID-Kennzeichnung von Halb- und Fertigfabrikaten am Beispiel Betonfertigteile... 123 4.8.1 Nutzenpotenziale und Anforderungen... 123 4.8.2 Konzept zur Kennzeichnung von Betonfertigteilen... 127 4.8.3 Versuche und Ergebnisse... 127 4.8.4 Mögliche Identifikationspunktkonzepte... 131 4.8.5 Übertragung der Ergebnisse auf die Klasse... 132 4.9 Zusammenfassung... 132 5 Umsetzung eines RFID-basierten IuK-Systems für die Bauausführung... 135 5.1 Spezifische Anforderungen... 135 5.1.1 Organisatorische Anforderungen... 136 5.1.2 Technische Anforderungen... 136 5.2 Betrachtetes Szenario... 138 5.3 Technisches Konzept... 140 5.3.1 Technologiebausteine... 141 5.3.2 Integrationskonzept... 150 5.3.3 Datenerfassung auf der Baustelle... 151 5.3.4 Datenintegration in das zentrale Datenmanagement... 154 5.4 Einsatz des IuK-Systems in der Bauausführung... 158 5.5 Zusammenfassung... 165 VIII

Inhaltsverzeichnis 6 Umsetzung eines RFID-basierten IuK-Systems für die Bauwerksprüfung... 167 6.1 Bauwerksprüfung nach DIN 1076... 168 6.2 Anforderungen an ein IuK-System für die Bauwerksprüfung... 169 6.3 Technisches Konzept... 170 6.3.1 Technologiebausteine... 170 6.3.2 Datenerfassung am Bauwerk... 170 6.3.3 Datenintegration in das ForBAU PDM-Portal... 174 6.4 Einsatz des IuK-Systems für die Bauwerksprüfung nach DIN 1076... 176 6.5 Zusammenfassung... 180 7 Relevanz von IuK-Systemen für die Bauindustrie in der Zukunft... 181 7.1 Zusammenfassung... 181 7.2 Ausblick... 182 8 Quellenverzeichnis... 185 IX

Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1 Viaduc de Millau [Leh-05]... 1 Abbildung 1-2 Struktur und Vorgehensweise der Arbeit... 13 Abbildung 2-1 Kennzeichnung eines Bohrrohrs durch eine aufgeschweißte Nummer... 17 Abbildung 2-2 Informatorische Lücke zwischen realer Baustelle und virtuellen Informationen (in Anlehnung an [Fle-04])... 17 Abbildung 2-3 Gängige AutoID-Systeme (nach [Gün-11a])... 18 Abbildung 2-4 Mit Barcode gekennzeichnete Baumaterialien... 18 Abbildung 2-5 Identifikation eines mit RFID gekennzeichneten Kartons... 19 Abbildung 2-6 Komponenten eines RFID-Systems [Müh-10]... 23 Abbildung 2-7 Aufbau von Transpondern (nach [Gün-11a])... 23 Abbildung 2-8 Transponder-Bauformen (nach [Gün-11a])... 24 Abbildung 2-9 Schreib-/Lesegerät mit externen Antennen (links); Schreib- /Lesegerät mit integrierter Antenne (rechts) [Gün-11b]... 25 Abbildung 2-10 Gerichtetes Antennenfeld [Int-11]... 25 Abbildung 2-11 Funktionsweise der induktiven Kopplung [Fin-06]... 27 Abbildung 2-12 Funktionsweise der elektromagnetischen Kopplung [Fin-06]... 29 Abbildung 2-13 Leselöscher und Überreichweiten im elektromagnetischen Feld [Gün-11b]... 30 Abbildung 2-14 Bargeldloses Bezahlen mit einem NFC-Handy... 33 Abbildung 2-15 Absorption (links) und Reflexion (elektro-) magnetischer Felder (rechts)... 35 Abbildung 2-16 Aufbau des EPC-Codes [GS1-11b]... 37 Abbildung 2-17 Handheld mit RFID-Funktionalität... 39 Abbildung 2-18 RFID-Gate [Gün-11a]... 40 Abbildung 2-19 Gabelstapler mit RFID-Antennen... 41 Abbildung 2-20 Identifikationspunktkonzept RFID-Theke; Die Pfeile kennzeichnen die RFID-Antennen.... 42 X

Abbildungsverzeichnis Abbildung 3-1 Ursachen von Störungen im Bauablauf [Fra-07]... 46 Abbildung 3-2 Bestandteile eines IuK-Systems [Glu-07]... 50 Abbildung 3-3 Symbol für die Komponente eindeutige Kennzeichnung... 50 Abbildung 3-4 Symbol der Komponente mobile Datenerfassung... 51 Abbildung 3-5 Symbol für die Komponente zentrales Datenmanagement... 52 Abbildung 3-6 Benötigte Komponenten für die Umsetzung eines IuK- Systems für die Baulogistik... 53 Abbildung 4-1 Umsetzung der Komponente eindeutige Kennzeichnung... 67 Abbildung 4-2 Workshop-Ergebnisse... 70 Abbildung 4-3 Betriebsmittelcluster im Hinblick auf den RFID-Einsatz; Klassen mit gestrichelter Umrahmung wurden von den Industriepartnern für wenig relevant bezüglich einer Kennzeichnung mit RFID bewertet... 72 Abbildung 4-4 Versuchsaufbau und Definition... 75 Abbildung 4-5 Reichweitenbestimmung [Gün-09b]... 76 Abbildung 4-6 Automatische Linearversuchsbahn des Lehrstuhls fml... 77 Abbildung 4-7 Referenzmodell zur Positionsbeschreibung eines Transponders... 78 Abbildung 4-8 Ergebnisse einer Transponder-Grundlagenuntersuchung am Lehrstuhl fml... 79 Abbildung 4-9 Beispiele für Kleingeräte... 81 Abbildung 4-10 Versuchsaufbau (nach [Sch-09b])... 84 Abbildung 4-11 Kennzeichnung einer Metallsäge im Griff... 85 Abbildung 4-12 Auslesereichweiten bei Integration des Transponders in den Griff... 86 Abbildung 4-13 Messergebnisse bei direkter Aufbringung eines Smart Labels auf dem Kunststoffgehäuse... 86 Abbildung 4-14 Kennzeichnung einer Kartuschenpistole mit einem Hard Tag.. 87 Abbildung 4-15 Kennzeichnung einer Bohrmaschine und eines Rutschers mit Smart Labels... 88 Abbildung 4-16 Messergebnisse bei Anbringung des Transponders auf dem Griff... 88 XI

Abbildungsverzeichnis Abbildung 4-17 Beispiele für Maschinenanbauteile... 90 Abbildung 4-18 Vorüberlegungen zur RFID-Bohrrohrschraube (nach [Hor- 09])... 92 Abbildung 4-19 Bohrrohrschraubenersatz mit integriertem RFID- Transponder [For-08], [Hor-09]... 93 Abbildung 4-20 Vorversuche in der Versuchsbahn am Lehrstuhl fml... 95 Abbildung 4-21 Versuchsaufbau zur Bestimmung der Winkelabhängigkeit (nach [Hor-09])... 96 Abbildung 4-22 Überblick über die Versuchsergebnisse... 96 Abbildung 4-23 RFID-Bohrrohrschraube und gekennzeichnetes Bohrrohr... 97 Abbildung 4-24 Identifikationspunkt zur Auslesung gekennzeichneter Bohrrohre [For-09]... 98 Abbildung 4-25 Kennzeichnung von Maschinenanbauteilen mit Nesttranspondern... 100 Abbildung 4-26 Beispiele für Baubehelfe... 100 Abbildung 4-27 Kennzeichnung von Systemschalungselementen aus Holz - Status quo... 103 Abbildung 4-28 Kennzeichnungskonzepte für Systemschalungen aus Holz [For-09]... 103 Abbildung 4-29 Lesereichweiten Smart Label Alien Squiggle unter dem Typenschild... 104 Abbildung 4-30 Lesereichweiten des Hardtags Confidex Ironside auf einer Holzschalung... 105 Abbildung 4-31 Gekennzeichnete Systemschalungen [For-09]... 106 Abbildung 4-32 Kennzeichnungskonzept Stopfen für Schalungselement mit Metallrahmen... 108 Abbildung 4-33 Auslesereichweite der Stopfen-Lösung ohne Versatz zwischen Antenne des Schreib-/Lesegerätes und Transponder... 108 Abbildung 4-34 Überblick über den Einfluss des horizontalen und vertikalen Versatzes auf die Auslesereichweite... 109 Abbildung 4-35 Identifikation von Systemschalungselementen mit einem mobilen Handheld... 110 Abbildung 4-36 Schlitzantenne auf einer Lokomotivachse [Heh-08]... 111 XII

Abbildungsverzeichnis Abbildung 4-37 Funktionsweise einer Schlitzantenne (nach [Fil-09])... 112 Abbildung 4-38 Verwendeter Schlitzkasten für die Grundlagenversuche... 113 Abbildung 4-39 Einfluss der Schlitzlänge auf die Auslesereichweite des Transponders RSI-IN 26 (nach [Fil-09])... 115 Abbildung 4-40 Orientierung des Transponders RSI IN-26 [Fil-09]... 116 Abbildung 4-41 Beste Orientierung in Abhängigkeit der Schlitzlänge und position [Fil-09]... 116 Abbildung 4-42 Halboffene und geschlossene Rohrschlitzantenne [Fil-09]... 117 Abbildung 4-43 Einsatz mit RFID-Transponder [For-09]... 117 Abbildung 4-44 Einfluss der Gestaltung des Schlitzes auf die Auslesereichweite (nach [Fil-09])... 118 Abbildung 4-45 Einfluss der Schlitzlänge auf die Auslesereichweite (nach [Fil-09])... 120 Abbildung 4-46 Rohrschlitzantennen in metallischen Absperrungen (nach [Fil-09])... 120 Abbildung 4-47 Feldversuche mit einem Gate in der Versuchshalle des Lehrstuhls fml [Fil-09]... 121 Abbildung 4-48 Brückenelemente und Tübbinge als Betonfertigteile... 123 Abbildung 4-49 Kennzeichnung von Betonfertigteilen Status quo... 124 Abbildung 4-50 Transport und Lagerung von Tübbingen... 126 Abbildung 4-51 Anbringungsmöglichkeiten eines Transponders in einem Betonteil (nach [Müh-10])... 127 Abbildung 4-52 Einfluss der Anbringungsposition auf die Auslesereichweite am Beispiel Wisteq WTUG 132... 129 Abbildung 4-53 Probekörper (nach [Müh-10])... 130 Abbildung 4-54 Einfluss des Betons auf die Auslesereichweite am Beispiel des Large Rigid... 130 Abbildung 4-55 Für das IuK-System benötigte Komponenten... 134 Abbildung 5-1 Umsetzung der Komponenten mobile Datenerfassung und zentrales Datenmanagement... 135 Abbildung 5-2 Informationsfluss von der Baustelle zum zentralen Datenmanagement... 141 XIII

Abbildungsverzeichnis Abbildung 5-3 Verwendete Erfassungsgeräte: Motorola MC 9090 (links); Motorola MC 75 (rechts)... 142 Abbildung 5-4 Erstellen einer Checkliste im Handyman Administrator... 145 Abbildung 5-5 Aufbau eines Auftrags... 146 Abbildung 5-6 Wörterbücher in Handyman... 147 Abbildung 5-7 Markierung eines Schadens... 147 Abbildung 5-8 Technologiebausteine des IuK-Systems... 150 Abbildung 5-9 Aufbau eines Auftrags... 151 Abbildung 5-10 Daten des Auftragskopfes... 152 Abbildung 5-11 Checkliste mit erfassten Daten... 152 Abbildung 5-12 Informationen eines fertiggestellten Auftrags... 153 Abbildung 5-13 Datenerfassung auf der Baustelle... 154 Abbildung 5-14 Datenstruktur eines PDM-Systems (nach [Sch-11b])... 155 Abbildung 5-15 Integration der Daten... 156 Abbildung 5-16 Funktionsweise des Parsers... 157 Abbildung 5-17 Integration der Daten in das ForBAU PDM-Portal... 158 Abbildung 5-18 Annahme eines Bauteils... 159 Abbildung 5-19 Aufnahme eines Schadens... 160 Abbildung 5-20 Darstellung des Bauteilstatus und der Mängelerfassung im ForBAU-PDM-Portal (nach [Sch-11b])... 161 Abbildung 5-21 Beispiel der Darstellung eines Statuswechsels [Sch-11b]... 163 Abbildung 5-22 Umgesetzte Komponenten des IuK-Systems für die Baulogistik... 165 Abbildung 6-1 Prüfung von Brücken mit Hilfskonstruktionen [Bun-04]... 167 Abbildung 6-2 Konzept der IuK-unterstützten Bauwerksprüfung... 168 Abbildung 6-3 Dialog zur Bauwerksprüfung... 171 Abbildung 6-4 Aufbau des Auftrags zur Bauwerksprüfung nach DIN 1076... 172 Abbildung 6-5 Checkliste Schadensbeschreibung... 173 XIV

Abbildungsverzeichnis Abbildung 6-6 Integration der Daten aus der Bauwerksprüfung nach DIN 1076... 174 Abbildung 6-7 Integration der Daten in das ForBAU PDM-Portal... 175 Abbildung 6-8 Eingabe der Prüfart und -richtung... 177 Abbildung 6-9 Beschreibung des Schadens... 177 Abbildung 6-10 Abschließen der Prüfung... 178 Abbildung 6-11 Darstellung der Prüfergebnisse im ForBAU PDM-Portal [Sch- 11b]... 179 XV

Formelverzeichnis Formelverzeichnis Formel 1 Berechnung des Übergangs zwischen Nah- und Fernfeld... 28 Formel 2 Berechnung der Wellenlänge... 28 XVI

Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1 Eigenschaften der RFID- und Barcode-Technologie (vgl. auch [Fin-08], [Kli-10], [Ker-06])... 21 Tabelle 2-2 Frequenzabhängige Eigenschaften von RFID-Systemen... 31 Tabelle 2-3 Überblick über die wichtigsten RFID-Standards... 36 Tabelle 2-4 Vergleich des Internets mit dem EPCglobal Network [Ste-05]... 38 Tabelle 2-5 Potentiale des RFID-Einsatzes in der Bauindustrie... 43 Tabelle 4-1 Eignung der unterschiedlichen RFID-Frequenzen für den Einsatz in der Bauindustrie... 69 Tabelle 4-2 Übersicht über die verwendeten Versuchstransponder... 80 Tabelle 4-3 Untersuchte Kleingeräte... 83 Tabelle 4-4 Ausgewählte Transponder für Versuche mit Kleingeräten... 85 Tabelle 4-5 Ausgewählte Transponder für Versuche mit Bohrrohren... 94 Tabelle 4-6 Ausgewählte Transponder für Versuche mit Holzschalungen... 104 Tabelle 4-7 Ausgewählte Transponder für Versuche mit der Schlitzantenne.. 114 Tabelle 4-8 Ausgewählte Transponder für Versuche mit Betonfertigteilen... 128 Tabelle 5-1 Organisatorische Anforderungen... 136 Tabelle 5-2 Technische Anforderungen an die Komponente mobile Datenerfassung... 137 Tabelle 5-3 Technische Anforderungen an die Komponente zentrales Datenmanagement... 138 Tabelle 5-4 Vorteile der Bauprojektdatenverwaltung mit PDM [Sch-11a], [Sch-11b]... 149 XVII

Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 2D 3D 4D 5D AutoID BASt BIM BMBF CAD CAFM CAX cm DIN DMS DNS DV EAN ECM ECMA EDGE EDV ERIP EPC ERP ERP ETSI fml GHz GPRS GPS GTIN HF zweidimensional dreidimensional vierdimensional fünfdimensional Automatische Identifikation Bundesanstalt für Straßenwesen Building Information Modelling Bundesministerium für Bildung und Forschung Computer Aided Design Computer Aided Facility Management Computer Aided Zentimeter Deutsches Institut für Normung e.v. Dokumentenmanagement-System Domain Name System Datenverarbeitung European Article Number Enterprise Content Management European Computer Manufacturers Association Enhanced Data Rates for GSM Evolution elektronische Datenverarbeitung Equivalent Radiated Isotropic Power Electronic Product Code Equivalent Radiated Power Enterprise Resource Planning European Telecommunications Standards Institute Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Gigahertz General Packet Radio Service Global Positioning System Global Trade Item Number High Frequency XVIII

Abkürzungsverzeichnis HOAI IC ICT IEC IFC IP ISO IT IuK JIS JIT JTC khz km LF m MHz mm Mrd NFC OCR ONS PDA PE Pos. PPP QM RFID RO RW SCM SHF SSL UHF UMTS Honorarordnung für Architekten und Ingenieure Integrated Circuit Information and Communications Techology International Electronic Commission Industry Foundation Classes Internet Protokoll International Organization for Standardization Informationstechnologie Information- und Kommunikation Just-in-sequence Just-in-time Joint Technical Committee Kilohertz Kilometer Low Frequency Meter Megahertz Millimeter Milliarde Near Field Communication Optical Character Recognition Object Name Server Personal Digital Assistant Polyethylen Position Public-Private-Partnership Qualitätsmanagement Radiofrequenzidentifikation Read Once Read Write Supply Chain Management Super High Frequency Secure Sockets Layer Ultra High Frequency Universal Mobile Telecommunications System XIX

Abkürzungsverzeichnis W WLAN WORM XML Watt Wireless Local Area Network Write Once Read Many Extensible Markup Language XX

1 Die Rolle der Informationslogistik für das Bauen im 21. Jahrhundert 1 Die Rolle der Informationslogistik für das Bauen im 21. Jahrhundert Schon seit jeher definiert sich der Mensch über die Bauwerke, die er erschafft. Hochkulturen wie die Ägypter, die Griechen oder die Römer erbauten Denkmäler, die bis heute beeindrucken. Und noch immer stellen Bauwerke neue Rekorde auf. Betrachtet man z.b. das Viaduc de Millau in Südfrankreich, das mit 2460 m die längste Schrägseilbrücke der Welt ist und mit einer maximalen Pfeilerhöhe von 343 m Längen von bis zu 342 m überspannt, so kann man von großen ingenieurtechnischen Leistungen sprechen. Verfolgt man die rasanten Entwicklungen der Baumaschinen oder der Werkstoffe, so erkennt man technische Fortschritte in allen Bereichen der Bauwirtschaft. Abbildung 1-1 Viaduc de Millau [Leh-05] Statt mit Innovation wird Bauen heute jedoch häufig mit hohen Kosten, mangelnder Qualität, Stau oder Lärm in Verbindung gebracht und statt in Innovationsreporten finden sich Meldungen über Bauprojekte im Schwarzbuch der Steuerzahler wieder. Doch wie kommt es zu dem oft negativen Image, das der Bauindustrie anhaftet? Negative Schlagzeilen über Kostenexplosionen und Teminüberschreitungen wie z.b. bei der Hamburger Elbphilharmonie [Foc-10] oder Qualitätsprobleme wie z.b. beim U-Bahn Bau in Köln [Fre-10] sind sicher Gründe dafür. Stellt man die Frage nach der Ursache für das Auftreten dieser Probleme, lautet die Antwort oft, dass 1

1 Die Rolle der Informationslogistik für das Bauen im 21. Jahrhundert die Rahmenbedingungen schwierig seien und bedingt durch die schwache Konjunktur der Kostendruck hoch sei. Bei einer tiefgründigeren Analyse der Situation lassen sich aber auch andere Auslöser erkennen. So zeigt sich in der Bauindustrie im Vergleich mit anderen Industriezweigen bisher nur eine sehr eingeschränkte Nutzung moderner Informations- und Kommunikationstechnologien [Cla-06]. Des Weiteren sind Abläufe häufig wenig abgestimmt und Prozessoptimierungen nur punktuell und nicht bereichsübergreifend umgesetzt [Gün-11a]. Dadurch kommt es an vielen Stellen zu Ineffizienzen oder Missverständnissen, die zu Mängeln oder Verzögerungen führen. In der stationären Industrie wurde bereits in den 1990er Jahren erkannt, dass in der Optimierung von Abläufen, vor allem aber in der Verbesserung von Logistikprozessen, große Verbesserungs- und Einsparungspotentiale liegen [Gün- 08b], [Cla-06], [Wom-91]. So wurden durch die Entwicklung von Konzepten wie Just-in-time (JIT) oder Just-in-sequence (JIS)-Belieferung Lagerbestände drastisch reduziert und damit Kosten eingespart [Dem-08]. Durch eine langfristige Lieferantenbindung ist es möglich, Logistikkonzepte auch über das eigene Unternehmen hinaus zu optimieren [Gün-11a]. In den vergangenen Jahrzehnten ist der Konkurrenzdruck in der Bauindustrie durch sich verschärfende Bedingungen immer weiter gestiegen [Gün-11a], so dass auch hier die Logistik stärker als Interessensfeld erkannt wird. Der Bedeutungszuwachs der Baulogistik zeigt sich zum einen in der wachsenden Sensibilität für die Bedeutung logistischer Prozesse für den Ablauf sowie für die termin-, kosten- und qualitätsgerechte Fertigstellung eines Bauprojektes. Zum anderen lässt er sich an der gestiegenen Zahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen zu diesem Thema ablesen [Zim-09], [Cla-06]. Trotz des Interesses zeigt ein Blick in die Baupraxis, dass die Durchsetzung von Logistikstrategien häufig auf Grund von mangelnden Informationen scheitert. So kommt es immer wieder zu Suchzeiten, da keine verlässlichen Informationen über den Bestand oder Lagerort von Materialien vorhanden sind [Sch-03]. Dieser Problematik begegnet die Baubranche statt mit einer genauen Definition von Prozessen und den dafür benötigten Informationen mit einer hohen Improvisationsbereitschaft. So werden nicht auffindbare Materialien per Eilbestellung nachgeordert oder Werkzeuge mal schnell von einer naheliegenden 2

1 Die Rolle der Informationslogistik für das Bauen im 21. Jahrhundert Baustelle ausgeliehen. Diese mangelnde Transparenz führt zu höheren Kosten und Mehraufwänden. 1.1 Rahmenbedingungen der Bauindustrie Um diesem Dilemma zu entweichen, spielt die Informationslogistik eine wesentliche Rolle. Denn nur auf Basis zuverlässiger und aktueller Informationen über den Bestand oder den Baufortschritt können Logistik- und Bauprozesse geplant und Feuerwehraktionen vermieden werden. Die Herausforderung besteht dabei primär nicht in der Behebung IT-technischer Defizite viele Lösungen haben sich in anderen Branchen bereits bewährt sondern vielmehr in der Verbesserung der Informationslogistik vor dem Hintergrund der besonderen Rahmenbedingungen der Bauindustrie [Gün-11a]. 1.1.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen Im Gegensatz zur stationären Industrie weist die Baubranche eine hohe branchenspezifische Ausprägung auf. Durch Gesetze, Verordnungen und Normen wird ein Bauvorhaben in ein sehr starres Projektumfeld eingebettet. Die strikte Trennung von Planung und Ausführung führt zu einem Datenbruch, bei dem viel von dem Wissen aus der Planungsphase verloren geht [Cla-06]. Hinzu kommt eine kaum überschaubare Anzahl an DIN-Normen - zur Zeit existieren für den Baubereich ca. 2000 - und weitergehenden Vorschriftenwerken der unterschiedlichen Bauherren, die zu beachten sind. Darüber hinaus verfügt jedes Bundesland über eine eigene Landesbauordnung sowie strenger werdende Umweltgesetze, so dass die Beteiligten immer wieder unterschiedliche Vorschriften beachten müssen [Wan-10]. 1.1.2 Unikatfertigung Aufgrund der in der Bauwirtschaft üblichen Einzel- und Auftragsfertigung ist die Produktvielfalt sehr hoch. Bauwerke werden oft nur einmal geplant und gebaut [Kra-05]. Wiederholungen gibt es selten. Auch wenn ein neu zu errichtendes Bauwerk konstruktiv mit einem bereits vorhandenen übereinstimmt, so sind oft die Einbindung in die Umgebung, der Baugrund oder die Geländeform unterschiedlich. Dieser Unikatcharakter besteht allerdings nur bei der Betrachtung des Bauwerks als Gesamtheit. Die zur Errichtung des Bauwerks notwendigen Prozesse, Materialien, Komponenten und Fähigkeiten wiederholen sich häufig 3