Computergestützte Konstruktion, Fertigung und Arbeitssteuerung von Ausbaubauteilen

Computergestützte Konstruktion, Fertigung und Arbeitssteuerung von Ausbaubauteilen Von der Fakultät Bauwesen der Universität Dortmund angenommene DISSERTATION zur Erlangung des Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften von Dipl.-Ing. Rajeh Romhein Dortmund Juni 2002

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Romhein, Rajeh: Computergestützte Konstruktion, Fertigung und Arbeitssteuerung von Ausbaubauteilen / Rajeh Romhein. Als Ms. gedr.. - Berlin : dissertation.de, 2002 Zugl.: Dortmund, Univ., Diss., 2002 ISBN 3-89825-482-8 Copyright dissertation.de Verlag im Internet GmbH 2002 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, auf Datenträgern oder im Internet und der Übersetzung, vorbehalten. Es wird ausschließlich chlorfrei gebleichtes Papier (TCF) nach DIN-ISO 9706 verwendet. Printed in Germany dissertation.de - Verlag im Internet GmbH Pestalozzistraße 9 10 625 Berlin URL: http://www.dissertation.de

Vorwort Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Baubetrieb der Fakultät Bauwesen an der Universität Dortmund. An dieser Stelle möchte ich all jenen danken, die bei der Entstehung dieser Arbeit inhaltliche Anregungen sowie redaktionelle und formale Hilfestellungen gegeben haben. Mein besonderer Dank gilt zunächst meinem akademischen Lehrer Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Udo Blecken für die wissenschaftliche Betreuung. Er hat die Entstehung dieser Arbeit durch die wertvollen Anregungen und seine stets tatkräftige Unterstützung sehr gefördert. Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Künne, der dem Fachgebiet Maschinenelemente der Fakultät Maschinenbau der Universität Dortmund vorsteht, danke ich herzlich für die Übernahme des Korreferats. Des weiteren möchte ich mich bei Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Hettler, dem Inhaber des Lehrstuhles Baugrund-Grundbau an der Universität Dortmund, für die Bereitschaft bedanken, diese Arbeit als weiteres Mitglied der Prüfungskommission hilfreich zu unterstützen. Weiter gilt mein Dank Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann vom Fachgebiet Stahlbau der Universität Dortmund für die Übernahme des Promotionsvorsitzes. Anschließend möchte ich allen Mitarbeitern des Lehrstuhls Baubetrieb danken, die durch ihre Unterstützung und ihre Hilfsbereitschaft zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Nicht zuletzt danke ich meinen Eltern, die mir eine Ausbildung zukommen ließen, welche die Anfertigung dieser Arbeit überhaupt erst ermöglichte. Dortmund, im Juni 2002 Rajeh Romhein I

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Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort... Inhaltsverzeichnis... Abbildungsverzeichnis... Abkürzungsverzeichnis... Seite I III VIII XII 1. Einleitung... 1 1.1 Identifizierung des Problems... 2 1.2 Zielsetzung der Studie... 4 1.3 Aufbau der Studie... 4 2. Stand der Technik... 7 2.1 Computer Integrated Manufacturing (CIM)... 7 2.2 Computer Integrated Building (CIB)... 9 2.3 Datenaustausch im Bauwesen und Stand der Entwicklung... 14 2.4 Electronic Data Interchange (EDI)... 16 2.4.1 Entstehungsgeschichte... 16 2.4.2 Vorteile des EDI-Einsatzes... 17 2.5 Objektorientierte Modellierung im Bauwesen... 18 3. Vorfertigung in der Bauindustrie... 23 3.1 CAD-Einsatz im Bauwesen... 23 III

Inhaltsverzeichnis 3.2 CAD/CAM-Einsatz in der Holzbauindustrie... 25 3.2.1 Historische Entwicklung... 25 3.2.2 Datenaustausch im Holzbau... 37 3.3 CAD/CAM-Einsatz in der Betonfertigteilindustrie... 39 3.3.1 Historische Entwicklung... 40 3.3.2 Betonstahlbearbeitung... 45 3.3.3 Datenaustausch von Bewehrungsdaten... 46 3.4 CAD/CAM-Einsatz bei der Mauerwerksfertigung... 47 3.4.1 Historische Entwicklung... 47 3.4.2 Vorfertigung von komplexen Mauerwerkselementen... 50 3.5 Open Building... 51 4. Vorschlag einer Fertigungsstraße für Trockenbauwände am Beispiel von Metallständerwänden... 54 4.1 Darstellung einer Fertigungsstraße... 54 4.1.1 Anlagen im Fertigungsbereich... 57 4.1.2 Anlagen im Montagebereich... 58 4.1.3 Anlagen im Transportwesen... 60 4.1.4 Anlagen im Lagerbereich... 61 4.2 Arbeitsprozeß in der Fertigungsstraße... 62 4.2.1 Konstruktion der Wandelemente... 62 4.2.2 Arbeitsabläufe in der Fertigungsstraße... 64 4.3 EDV-Konzept... 68 5. Computergestützte Konstruktion der Trockenbauwand... 71 5.1 Ziel und Aufgabe des Konstruktionsprozesses... 72 5.1.1 Makro- und Variantentechnik... 74 5.1.2 CAD-Systeme... 77 5.2 Konstruktionsregeln... 82 5.2.1 Wandsystemauswahl... 83 IV

Inhaltsverzeichnis 5.2.2 Wandanschlüsse... 84 5.3 Stücklistenwesen... 89 5.3.1 Stücklisten-Formen... 90 5.3.2 Konstruktionsstücklisten... 92 5.4 Datenaustausch... 96 5.4.1 CAD-Schnittstellen... 97 6. Computergestützte Arbeitsvorbereitung... 101 6.1 PPS-System... 101 6.1.1 Produktionsplanung... 102 6.1.1.1 Produktionsprogrammplanung... 104 6.1.1.2 Mengenplanung... 105 6.1.1.3 Termin- und Kapazitätsplanung... 106 6.1.2 Produtionssteuerung... 107 6.1.2.1 Auftragsveranlassung... 107 6.1.2.2 Auftragsüberwachung... 108 6.2 Betriebsdatenerfassung... 108 6.3 Betriebsdatenerfassungssysteme... 110 6.4 Informationsfluß und PPS/BDE- Kopplung... 113 6.5 Verflechtung der Fertigung mit der Montage und dem bestehenden Rohbau... 117 7. Computergestützte Fertigung... 120 7.1 Fertigungssteuerung... 122 7.1.1 Fertigungsleitstand... 123 7.1.2 Steuerung von CNC-Maschinen... 125 7.1.2.1 NC-Programmierung... 126 7.1.2.2 CAD/NC-Integration... 128 7.2 Arbeitsverteilung für Fertigung und Montage... 129 V

Inhaltsverzeichnis 7.2.1 Gestaltungskriterien des operativen Fertigungsbereiches und der Arbeitsorganisation... 132 7.2.2 Auslieferung... 133 7.3 Montage auf der Baustelle... 134 7.4 Wirtschaftliche Untersuchung der teilautomatisierten Fertigung... 135 7.4.1 Zeitstudie am Beispiel von Holzrahmenwänden... 135 7.4.1.1 Allgemeine Beschreibung des Arbeitssystemes... 135 7.4.1.2 Eingebaute Menge... 138 7.4.1.3 Ergebnisse... 146 7.4.2 Kalkulation der Baustellenfertigung... 147 7.4.3 Vorfertigung im Werk ohne teilautomatisierte Fertigung... 150 7.4.4 Teilautomatisierte Vorfertigung im Werk... 152 7.4.5 Analyse der Ergebnisse und Grenzkostenbetrachtung... 154 8. Entwicklung einer EDV- gestützten Anwendung als Prototyp für Vorfertigung von Trockenbauwänden am Beispiel von Metallständerwänden... 158 8.1 Objektorientierte Programmiersprache C++ und AutoCAD als Softwaregrundlagen... 158 8.2 Aufbau der Programmoberfläche... 159 8.2.1 Oberflächenspezifische Standardelemente... 160 8.2.2 Beispiel eines Dialogfensters... 162 8.2.3 Inhaltlicher Aufbau und Ablauf des Programms... 164 8.3 Programmergebnisse... 184 8.3.1 EDV- gestützte Stücklistenerstellung... 184 8.3.2 EDV- gestützte Schnittstelle für CAD-Zeichnungen... 184 8.3.3 Datenaustausch von Metallständerwände-Daten... 187 8.3.3.1 Headerblock... 188 8.3.3.2 Profilblock... 188 8.3.3.3 Beplankungsblock... 190 8.3.3.4 Schraubenblock... 190 8.3.3.5 Aussparungsblock... 191 VI

Inhaltsverzeichnis 9. Zusammenfassung... 193 Literaturverzeichnis... 194 VII

Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.1 Bausteine eines CIM-Systems [AWF 85]... 8 Abbildung 2.2 CIM: horizontale und vertikale Integration von DV-Anwendungen im Maschinenbau... 9 Abbildung 2.3 CIB: Horizontale und vertikale Integration von DV-Anwendungen im Bauwesen... 10 Abbildung 2.4 Vergleich additiver mit integrativer Planung... 12 Abbildung 2.5 Datenaustausch und gemeinsame Datennutzung mit IAI... 16 Abbildung 2.6 EDI-Nutzeneffekte [Müller 95]... 17 Abbildung 2.7 Informationsfluß im Bauplanungsprozeß nach HOAI... 19 Abbildung 2.8 Objektorientierte Modellierung... 21 Abbildung 2.9 Vergleich:Objektorientierte (C++) Prozedurale Modellierung (FORTRAN) [Rüppel 93]... 22 Abbildung 3.1 Holzbearbeitungszentrum... 27 Abbildung 3.2 Schwellen-/Pfetten-Station [Weinmann]... 31 Abbildung 3.3 Riegelwerkstation [Weinmann]... 32 Abbildung 3.4 Einlegetisch [Weinmann]... 33 Abbildung 3.5 Multifunktionsbrücke [Weinmann]... 33 Abbildung 3.6 Schmetterlingswender [Weinmann]... 34 Abbildung 3.7 Aufstelltisch [Weinmann]... 35 Abbildung 3.8 Verteilwagen [Weinmann]... 35 Abbildung 3.9 Magazin [Weinmann]... 36 Abbildung 3.10 Giebeltisch [Weinmann]... 37 Abbildung 3.11 Komponente einer rechnerintegrierten Fertigung (CIM) im Betonfertigteilwerk [Ehmer 91]... 41 Abbildung 3.12 Datenverbund von CAD, Kalkulation, Produktionsplanung und steuerung (SPS sowie CAM)... 42 Abbildung 3.13 Haupt-EDV-Datenfluß... 43 Abbildung 3.14 Bewehrungsteppich-Schweißanlage [BAMTEC 2001]... 46 Abbildung 3.15 Datenaustausch von Bewehrungsdaten [BVBS 95]... 47 Abbildung 3.16 Ein-/ Ausgabeschnittstellen des Programmes Wandplan... 49 Abbildung 4.1 Darstellung einer Fertigungsstraße... 56 Abbildung 4.2 Kappsägen-Anlage [Hess]... 57 Abbildung 4.3 Abrollstation für Folien und Dämmstoff [Hess]... 58 Abbildung 4.4 Einlegetisch [Weinmann]... 58 Abbildung 4.5 Schmetterlingswender [Hess]... 59 Abbildung 4.6 Laser- Projektion-Anlage [Hess]... 59 Abbildung 4.7 MFA- Multifunktionsbrücke [Hess]... 60 Abbildung 4.8 Vakuumheber [Hess]... 60 Abbildung 4.9 Verteiler [Hess]... 61 VIII

Abbildungsverzeichnis Abbildung 4.10 Finishstation[Hess]... 61 Abbildung 4.11 Wandelement ohne Aussparungen... 63 Abbildung 4.12 Wandelement mit Aussparung... 63 Abbildung 4.13 Arbeitsabläufe in einer Fertigungsstraße... 66 Abbildung 4.14 Datenkommunikation [Abeln 1990]... 68 Abbildung 5.1 Datenbestand während des Konstruktionsprozesses [Koller 89]... 71 Abbildung 5.2 Arbeitsschritte beim Planen und Konstruieren [Pahl 97]... 73 Abbildung 5.3 Elementierung von Wänden... 79 Abbildung 5.4 Wandelement mit zugehörigen Stücklisten... 80 Abbildung 5.5 Kriterien zur Wahl von Wandsystemen [vgl. Beck u.a. 96, Peskova 96]... 83 Abbildung 5.6 Eckausbildung von Einfachständerwänden... 84 Abbildung 5.7 Eckausbildung von Doppelständerwänden... 85 Abbildung 5.8 Eckausbildung von Installationswänden... 86 Abbildung 5.9 T- Ausbildung von Einfach- und Doppelständerwänden... 86 Abbildung 5.10 Die Verwendung von Eckprofilen... 87 Abbildung 5.11 Anschluß an zwei Massivwände... 87 Abbildung 5.12 Anschluß an Boden... 88 Abbildung 5.13 Anschluß an eine Decke... 88 Abbildung 5.14 Beispiel eines Stücklistenkopfs... 89 Abbildung 5.15 Erzeugnisstruktur [vgl. Grupp 76]... 90 Abbildung 5.16 Struktur- Stückliste für Erzeugnis E1... 90 Abbildung 5.17 Erzeugnisstruktur in Baukasten- Stücklisten... 91 Abbildung 5.18 Baukasten- Stücklisten für die Erzeugnisstruktur E1... 91 Abbildung 5.19 Mengenübersichts- Stückliste für das Erzeugnis E1 nach Abbildung 5.17... 92 Abbildung 5.20 Positionsliste... 93 Abbildung 5.21 Profilstückliste... 94 Abbildung 5.22 Beplankungstückliste... 94 Abbildung 5.23 Mineralwolledämmstoffen- Stückliste... 95 Abbildung 5.24 Schnellschraubenstückliste... 95 Abbildung 5.25 Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemen [Haasis 95].. 96 Abbildung 5.26 Übersicht über relevante Schnittstellenformate... 97 Abbildung 5.27 BTL-Datei für eine Linie... 99 Abbildung 5.28 Programmablaufplan für Generierung einer Zeichnung [Kaup 95]. 100 Abbildung 6.1 Funktionen eines PPS-Systems... 102 Abbildung 6.2 Grunddaten [vgl. Meinberg 95]... 103 Abbildung 6.3 Funktionsbereiche der Produktionsplanung... 103 Abbildung 6.4 Teilfunktionen der Produktionssteuerung [Hackstein 89] [Glaser 92]... 107 Abbildung 6.5 Gliederung und Verwendung von Betriebsdaten [Weck 89]... 109 IX

Abbildungsverzeichnis Abbildung 6.6 Zusammenhang zwischen Datenart und objekten in BDE- System [Hackstein 89]... 112 Abbildung 6.7 Regelkreisdarstellung des Fertigungsbereichs [Meinberg 95]... 114 Abbildung 6.8 Bauablauf bei vorgefertigten nichttragenden Innenwänden... 116 Abbildung 6.9 Vermessung der Punkte und die Übergabe in die Firmenrechner [vgl. Meinen 2000]... 119 Abbildung 7.1 Informations- und Materialfluß in einem komplexen CAM System 122 Abbildung 7.2 Integration eines Leitstandes in ein CIM-Konzept über offene Standards... 125 Abbildung 7.3 Alternative CAD/NC-Kopplungsvarianten... 128 Abbildung 7.4 Ablauf der Fertigung... 130 Abbildung 7.5 Stanzbereiche und Öffnungsgröße... 131 Abbildung 7.6 Computerunterstützte Fertigung von Metallständerwandelementen.[Merrik]... 131 Abbildung 7.7 Zeichnung auf unterschiedlichen Layern... 132 Abbildung 7.8 Fertigungsstraße bei der Fa. Kampshoff in Bocholt... 138 Abbildung 7.9 Wand Nr. 7... 138 Abbildung 7.10 Wand Nr. 3... 139 Abbildung 7.11 Holzprofile für die Wand Nr. 7... 139 Abbildung 7.12 Beplankung für die Wand Nr.7... 139 Abbildung 7.13 Holzprofile für die Wand Nr. 3... 140 Abbildung 7.14 Holzprofile für die Fassade von Wand Nr. 3... 141 Abbildung 7.15 Zeitaufnahme für Herstellung Wand Nr.7... 142 Abbildung 7.16 Zeitaufnahme für Herstellung Wand Nr.3... 143 Abbildung 7.17 Verteilung der Tätigkeiten in % für Wand Nr. 7... 144 Abbildung 7.18 Verteilung der Tätigkeiten in % für Wand Nr. 3... 145 Abbildung 7.19 Schematische Darstellung eines Kalkulations-Beispielelementes.. 148 Abbildung 7.20 Kosten-Zusammenstellung Baustellenfertigung, ML: 60 DM/h... 149 Abbildung 7.21 Kosten-Zusammenstellung Baustellenfertigung mit unterschiedlichen Mittellohnansätzen... 149 Abbildung 7.22 Kosten-Zusammenstellung Baustellenfertigung mit partiell sinkendem Mittellohn... 150 Abbildung 7.23 Kosten-Zusammenstellung Werksfertigung für ein bzw. vier Elemente... 151 Abbildung 7.24 Kosten-Zusammenstellung Werksfertigung für 4 Elemente mit verschiedenen Mittellöhnen und Produktivitätssteigerungsstufen 25, 30 und 35%... 152 Abbildung 7.25 Kosten-Zusammenstellung einer teilautomatisierten Werksfertigung... 153 Abbildung 7.26 Kosten-Zusammenstellung einer teilautomatisierten Werksfertigung mit verschiedenen Mittellöhnen und Produktivitätssteigerungsstufen unter Reduzierung von 40% durch Automatisierung... 153 X

Abbildungsverzeichnis Abbildung 7.27 Vergleichsbetrachtung Baustellen- und Werksfertigung mit und ohne Teilautomatisieung und verschiedenen Baustellen- und Werkslöhnen... 154 Abbildung 7.28 Notwendige Elemente zur Umsetzung... 155 Abbildung 7.29 Umsatz und Einsparung pro Elementzahl... 156 Abbildung 7.30 Grafik Break-even-Point - Ermittlung (Approximation)... 157 Abbildung 8.1 Steuerelemente... 161 Abbildung 8.2 Beispiel eines Dialogfensters... 162 Abbildung 8.3 Hauptfenster des Programms... 164 Abbildung 8.4 Hauptmenüpunkte mit den dazugehörigen Befehlen... 165 Abbildung 8.5 Ablaufdiagramm... 166 Abbildung 8.6 Dialogfenster Bauvorhaben... 167 Abbildung 8.7 Wandsysteme und dazu gehörende Profile... 168 Abbildung 8.8 Dialogfenster Wandkoordinaten... 169 Abbildung 8.9 Eingabe der Dateinamen zur Ausgabe... 170 Abbildung 8.10 Festlegen der Wandanschlüsse... 171 Abbildung 8.11 Dialogfenster Türen... 172 Abbildung 8.12 Dialogfenster Fenster... 173 Abbildung 8.13 Dialogfenster Dämmstoff... 173 Abbildung 8.14 Dialogfenster Sanitär... 174 Abbildung 8.15 Dialogfenster WC... 175 Abbildung 8.16 Dialogfenster Waschtisch... 176 Abbildung 8.17 Dialogfenster Urinal... 177 Abbildung 8.18 Installationszonen für die Abwasser- und Wasserversorgungsleitungen... 178 Abbildung 8.19 Dialogfenster Elektro... 179 Abbildung 8.20 Installationszonen nach DIN 18015 Teil 3 [RWE 98]... 180 Abbildung 8.21 Elektro-Installationszonen... 181 Abbildung 8.22 Dialogfenster Heizung... 182 Abbildung 8.23 Installationszonen für Heizungsleitungen... 183 Abbildung 8.24 Eingebaute Menge eines Wandelementes... 185 Abbildung 8.25 Zeichnung eines Wandelementes... 186 Abbildung 8.26 Headerblock... 188 Abbildung 8.27 Profilachsen... 188 Abbildung 8.28 Profilblock... 189 Abbildung 8.29 Y-Achse... 189 Abbildung 8.30 X-Achse... 189 Abbildung 8.31 Beplankungsblock... 190 Abbildung 8.32 Schraubenblock... 191 Abbildung 8.33 Aussparungsblock... 192 Abbildung 8.34 Programmausgabe von Metallständerwand-Daten... 192 XI

Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis AWF BDE CAAD CAD CAM CAP CAQ CIB CIM CNC DIN DNC EDV FTW HOAI Hrsg. IAI IFC ISDN ISO ISYBAU LV MDE NC OOA OOD OOM PPS SPS VDI Ausschuß für wirtschaftliche Fertigung e.v. Betriebsdatenerfassung Computer Aided Architectural Design Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing Computer Aided Planing Comuter Aided Quality Computer integrated Building Computer integrated Manufacturing Computer Numerical Control Deutsches Institut für Normung e.v. Direct Numerical Control Elektronische Datenverarbeitung Fertigteilwerk Honorarordnung für Architekten und Ingenieure Herausgeber Industry Alliance for Interoperability Industry Foundation Classes Integrated services digital network International Organisation for Standardization Integriertes Datenverwaltungssystem Leistungsverzeichnis Maschinendatenerfassung Numerical Control Objektorientierte Analyse OOA Objektorientiertes Design Objektorientierte Modellierung Produktionsplanung und steuerung Speicherprogrammierbare Steuerung Verein deutscher Ingenieure XII

Einleitung 1. Einleitung Die Bauwirtschaft Deutschlands steckt in einer großen Strukturkrise, die Baukosten sind auch im Vergleich zu anderen EU-Ländern zu hoch und die Nachfrage wird auf ein mittleres Niveau der 80er Jahre zurückgehen. Es gibt dazu verschiedene Lösungsvorschläge aus organisatorischer, marktwirtschaftlicher und technischer Sicht, wie die Baukosten gesenkt werden können. In dieser Arbeit soll ein technischer Vorschlag aufgegriffen werden, nämlich die Vorfertigung und dort insbesondere die Vorfertigung von nichttragenden Trockenbauwänden, die mit Haustechnik integriert sind. Die Vorfertigung bei der Erstellung von Bauteilen gelingt in der Fabrik leichter, schneller sowie passgenauer, und es wird witterungsunabhängig produziert. Die Arbeiten sind mit sicheren Qualitätsstandards und mit geringerem Materialverlust durchzuführen. Das führt auf der Baustelle zu kürzeren Bau- und Montagezeiten, sowie zu einer Verringerung der Gewerkevielfalt und der Anzahl der Beschäftigten und einem damit verbundenen Koordinationsaufwand [vgl. Kirchhoff 1999]. Die Vorfertigung setzt voraus, daß Produktionsbereich, Absatz, Beschaffung und Finanzen als Hauptbestandteil der industriellen Fertigung und auch aller Teilbereiche der Produktion mit dem Ziel der Optimierung des Gesamtbetriebes verzahnt sind. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der Fertigung ist dabei die enge Zusammenarbeit von Konstruktion, Produktionsplanung und Absatz. Die optimale Ausnutzung des Produktionsapparates und der Werkstoffe ist Ziel der Organisation der Vorfertigung. Sie bewirkt wegen der Ausschaltung von Leer- und Wartezeiten geringe Kosten und Durchlaufzeiten [vgl. Arit 94]. Dabei kristallisieren sich die Aspekte heraus, die für den zukünftigen Erfolg eines Vorfertigungskonzeptes wichtig sind, das das Ziel verfolgt, durch eine konsequente Kundenorientierung neue Zukunftsperspektiven zu eröffnen. Das sind u.a. [Ehlting 2001]: - Nutzung aller technischen und wirtschaftlichen Vorteile einer industrialisierten Vorfertigung - Einbeziehung des Ausbaus und vor allem der Haustechnik in das Vorfertigungskonzept und Entwicklung von möglichst komplexen Elementen - Entkopplung von Rohbau- und Ausbau-Bauelementen - Berücksichtung der Planungsgrundsätze des Open Building 1

Einleitung - Befriedigung individueller Kundenwünsche durch eine flexible Vorfertigung - Einbeziehung moderner, elektronischer Datenverarbeitungsprinzipien in die Planung, Produktion und Montage von vorgefertigten komplexen Bausystemen - Stärkere Sensibilisierung aller Projektbeteiligten für die besondere Stellung und Bedeutung des zukünftigen (bekannten oder auch unbekannten) Bewohners und - Beratung, Betreuung und Unterstützung des Kunden in der Entscheidungsphase Dieses Vorfertigungskonzept verlangt allerdings nach weitreichenden organisatorischen Umstrukturierungen im Baumarkt. So müssen zukünftig Konzepte erarbeitet werden, wie die festgefahrenen Rahmenbedingungen des Baumarktes dahingehend flexibilisiert werden können, daß Architekten, Produzenten, Bauunternehmen und Handwerker in die Lage versetzt werden, solche offenen und komplexen Bausysteme zu planen, zu produzieren und zu verwenden [Ehlting 2001]. 1.1 Identifizierung des Problems Bei Betrachtung des Bauvorgangs ist festzustellen, daß sich im Laufe der Zeit einige Bereiche des Ausbaus von der handwerklichen Fertigung auf der Baustelle zur stationären industriellen Fertigung verlagert haben und daß dieser Entwicklungsprozeß noch nicht abgeschlossen ist. Im Gegensatz zum Rohbau ist der Ausbau die Phase der Bauwerkserstellung, in der, bedingt durch die hohe Anzahl der beteiligten Gewerke, eine enge Verflechtung von Zeit, Betriebsmitteln und Personen entsteht und der immer bedeutungsvoller wird. Viele verschiedene Arbeitsleistungen müssen koordiniert werden, vor allem die Verknüpfung zwischen den Ausbaugewerken am Bau. Gemeinsam ist allen Ausbauarbeiten, daß Betriebe verschiedener Art an der Bauwerkserstellung beteiligt und miteinander verflochten sind. Durch die Vielzahl der am Bau eingesetzten Betriebe und Gewerke ist immer wieder eine Arbeitsverzögerung festzustellen. Ein erhöhter Arbeitsaufwand der verschiedenen Teilleistungen, die vor allem nach Erstellung des Rohbaus im und am Gebäude erbracht werden, macht somit einen rationellen Arbeitsablauf unmöglich, verlängert die Bauzeit und erhöht die Baukosten. 2

Einleitung Der steigende Bedarf an preisgünstigen Wohnungen stellt Planer, Bauherren und Kapitalanleger vor die Aufgabe, Baukosten durch überlegte Planung und rationelle Baudurchführung zu senken. Ziel ist dabei, im Rahmen der technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten Bauzeit und -kosten einzusparen, ohne einen Qualitätsverlust bei der Baugestaltung und -ausführung hinzunehmen. Eine Möglichkeit, möglichst viele verschiedene Arbeitsvorgänge auf der Baustelle durch einen zu ersetzen, ist die Verwendung von vorgefertigten Bauteilen, die Komponenten eines Bauwerks sind oder selbst ein Bauwerk bilden. Ihr Einsatz auf der Baustelle bewirkt eine Reduzierung der Arbeitsabläufe, da eine Vielzahl von technischen und organisatorischen Verknüpfungen entfallen. Von allen Verfahren, die eine Produktionssteigerung und Rationalisierung am Bau anstreben, ist die Verwendung komplexer, vorgefertigter Bauteile das effektivste, da die wachsende Industrialisierung die Möglichkeiten dafür schafft. Anstatt ein Bauteil in mehreren Arbeitsgängen und aus vielen Einzelteilen am Bau zusammenzufügen, ist es bei dem Verfahren der Vorfertigung möglich, einzelne Bauteile in ortsfesten Produktionsanlagen, in Fabriken oder Werkstätten komplett herzustellen, so daß auf der Baustelle nur noch die Montage erfolgt. Die industrielle Herstellung von Fertigteilen bringt der Bauwirtschaft erhebliche Vorteile. So können alle Bauteile mit gleichbleibender Qualität wetterunabhängig hergestellt werden. Die Bauwerkserstellung wird vereinfacht, die Bauzeit verkürzt und der Mangel an Facharbeitern aufgefangen. Weitere Vorteile sind die Verringerung der Verluste an Aufwand, Betriebsmitteln und Baustoffen sowie die Minimierung der Baukostensteigerung. Bei der Anwendung von vorgefertigten Bauteilen muß man jedoch beachten, daß die Arbeitsvorbereitungen, die Einrichtung und die Ausstattung der Produktionsstätten aufwendiger sind als bei den anderen Verfahren. Aus diesem Grund müssen vorgefertigte Bauteile in höherer Stückzahl bei längeren Produktionszeiten hergestellt werden, um wirtschaftlich effektiv zu sein. 3

Einleitung 1.2 Zielsetzung der Studie Der Wunsch nach möglichst effizienter und kundenorientierter Produktion von Bauelementen führte zur Technologie der Vorfertigung von Wandelementen. Diese Arbeit beschreibt Möglichkeiten zur Erweiterung der technologischen Fertigung und Montage von Trockenbauwänden am Beispiel von Metallständerwänden. Ferner wurde eine EDV-gestützte Anwendung als Prototyp für eine rechnergestützte Planung und Produktion von Metallständerwänden erstellt, so daß durch die enge Verknüpfung der Planung mit der Vorfertigung eine CAD-CAM-Kopplung entsteht. Mit der für die Vorfertigung eingesetzten Anlage und dem neu entwickelten Programm ist eine durchgängige Lösung vom CAD-System bis hin zur automatischen Fertigung (Bearbeiten von Profilen und Beplankungen) zu realisieren. Der Einsatz von CAD-System und Programm verkürzt allgemein die Erstellungszeit der Baupläne und der Fertigungszeichnungen. Alle benötigten Materialien der Bauelemente werden mit Hilfe des Programms errechnet. Sie werden dann sowohl als Fertigungsdaten in Form von Zeichnungen und Stücklisten als auch als Steuerungsdaten an die CNC-Maschinen ausgegeben. Die Daten der Bauelemente legt man für die automatische Maschine in einem festgelegten Fileformat ab, das vom Fertigungsrechner eingelesen werden kann. Eine Wand wird künftig nicht mehr als Wand bezahlt werden, sondern als fertiges Bauelement inklusive der Installationen [Ryll 2002]. 1.3 Aufbau der Studie Die vorliegende Arbeit ist in neun Kapitel gegliedert. Im ersten Kapitel wird nach der Darstellung des Problems das Ziel der Arbeit festgelegt. Der allgemeine Stand der Technik in der Fertigung ist Schwerpunkt des zweiten Kapitels. In diesem Zusammenhang soll die Entwicklung der stationären Vorfertigung in der Bautechnik im Vergleich zum Idealmodell des Automobilbaues dargestellt werden. Es wird der Datenaustausch im Bauwesen erläutert und gezeigt, wie eine durchgängige Datenverarbeitung unter Anwendung der objektorientierten Modellierung zu erreichen ist. 4

Einleitung Weiterhin wird die objektorientierte Modellierung im Bauwesen unter Nutzung der objektorientierten Programmierung in C++ kurz erklärt. Der Einsatz von CAD/CAM und von CNC-Maschinen in der Bauindustrie ist Thema des dritten Kapitels. Darüber hinaus wird der Einsatz dieser Systeme in der Holzbau- und Betonfertigteilindustrie sowie bei der Mauerwerksfertigung erläutert. Kapitel 4 beschreibt ein Anlagenkonzept und eine Fertigungsstraße für die Vorfertigung von nichttragenden Trockenbauwänden mit integrierter Haustechnik. Die Grundzüge eines hier einsetzbaren EDV-Konzeptes werden außerdem abgeleitet. Kapitel 5 enthält die Beschreibung eines computergestützten Konstruktionsprozesses der Trockenbauwand. Die konstruktive Beschreibung von Wandkonstruktionen und deren Varianten erfolgt unter Berücksichtigung der Regeln, die der Konstruktion von Bauelementen und Bauelementesystemen zugrunde liegen. Hierzu gehören die Wandanschlüsse zu anderen Wänden bzw. an die Decke und den Boden. Die im Konstruktionsprozeß erstellten Fertigungsunterlagen (Zeichnungen, Stücklisten sowie Materialauszüge) werden ebenfalls dargestellt. Im Kapitel 6 wird schwerpunktmäßig über die computergestützte Arbeitsvorbereitung berichtet. In diesem Zusammenhang wird auf das Produktionsplanung- und Produktionssteuerung-System (PPS) eingegangen und die Möglichkeiten, die dieses System bietet, werden erläutert. Hierzu soll die Notwendigkeit der Betriebsdatenerfassung für ein funktionierendes PPS-System dargelegt werden. Eine Verknüpfung der Baustellenmontage mit der Vorfertigung wird dabei als Bestandteil der Bauwirtschaft ebenfalls besprochen. Das Thema computergestützte Fertigung wird im Kapitel 7 behandelt. In diesem Zusammenhang werden das CAM-System, die Steuerung von CNC-Maschinen, der Fertigungsleitrechner und deren Aufgaben erläutert. Ferner wird anhand einer wirtschaftlichen Betrachtung der Einsatz einer teilautomatisierten Fertigung begründet. Dazu zählen Zeitstudien und Kalkulationen sowie eine Grenznutzenberechnung. Im Kapitel 8 wird der Prototyp einer EDV-gestützten Anwendung für die Vorfertigung von Trockenbau-wänden am Beispiel von nichttragenden Metallständerwänden mit Haustechnikintegration vorgestellt. 5

Einleitung Diese EDV-gestützte Anwendung wurde mit Hilfe der objektorientierten Programmiersprache C++ realisiert, wobei die Programmierung der Dialogfenster in Visual C++ Version V.5.0 erfolgte. Eine Schnittstelle für den Transfer zwischen dem CAD-, PPS- und CAM-System bzw. CNC-Maschinen wird ebenfalls vorgestellt. Abschließend werden alle Erkenntnisse und Ergebnisse dieser Arbeit in Kapitel 9 zusammengefasst. 6