Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen am Beispiel der Geotechnik

Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen am Beispiel der Geotechnik Prof. Dr.-Ing. Rolf KatzenbachDipl.-Ing. Johannes Giere (Vortragender) Institut und Versuchsanstalt für Geotechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Udo F. Meißner Prof. Dr.-Ing. Uwe RüppelDipl.-Ing. Steffen Greb (Vortragender) Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen DFG-Schwerpunktprogramm 1103 Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im KonstruktivenIngenieurbau

statische Prüfung Tragwerksplanung Geotechnik Technische Gebäudeausrüstung Motivation Bauherren-aktivitäten Bauaufsicht Architektur Stadt-planung Stadtbahn- bau Umweltüber- wachung Aufzugs- und Fördertechnik Sparten- sicherung Spezialtiefbau Abstimmung mit Anliegern Wasserhaltung Stahlbetonbau weitere Aktivitäts-bereiche iterative, stark arbeitsteilige und interdisziplinäre Projektrealisierung (Unikate) im Bauwesen unstrukturierte Kommunikation zwischen den Planungsbeteiligten

statische Prüfung Bauherren-aktivitäten statische Prüfung Tragwerks-planung Bauauf-sicht Architektur Tragwerksplanung Stadt-planung Geotechnik Geotechnik Stadtbahn-bau Techn. Gebäudeaus-rüstung Technische Gebäudeausrüstung Umwelt-über-wachung Aufzugs- und Förder-technik Abstim-mung mit Anliegern Spezial-tiefbau Sparten-sicherung Wasser-haltung weitere Aktivitäts-bereiche Stahlbeton-bau Ziel Bauherren-aktivitäten Bauaufsicht Architektur Stadt-Planung Stadtbahn- bau Umweltüber- wachung Aufzugs- und Fördertechnik Sparten- sicherung Spezialtiefbau Abstimmung mit Anliegern Wasserhaltung iterative, stark arbeitsteilige und interdisziplinäre Projektrealisierung (Unikate) im Bauwesen Koordination der Kommunikation zwischen den Planungsbeteiligten

Ansatz Lokale Prozess-Domänen (LPD) • Integration von Fachsoftware und Fachmodellen • Integration in den Kommunikationsverbund Informationspakete • Strukturierung der auszutauschenden Informationen (semantische Charakterisierung durch Metainformationen) Globales Prozess-Management-System (GPMS) Prozessmodellierung Informationsauswertung Kooperationsmodell Geotechnik Verknüpfung der Prozessmodellierung mit der Informationsauswertung

Stellen  Planungszustände Transitionen Planungsaktivitäten Marken Objekte, Ressourcen, Informationen Kanten Abhängigkeiten 2 3 2 Formale Prozessbeschreibung mit Petri-Netzen Grafischer Formalismus Mathematischer Formalismus: Stellen-/Transitionsnetz S/T-Netz : geordnetes 5 Tupel STN=(P, T, A, E, M0 ) Stellen P = { p1 , p2 , ..., pn } Transitionen T = { t1 , t2 , ..., tn }Kanten A  ((P  T)  (T  P))Anfangsmarkierung M0:P { 0, 1, 2, 3, ..., n } Kantenausdrücke E:A { 1, 2, 3, ..., n }

Formale Prozessbeschreibung mit Höheren Petri-Netzen [i<0] [a=b] (i,b) 1`(1103,“SPP“) (i,b) 1`(-2,“KIB“) (i,b) A Mathematischer Formalismus: Farbiges Petri-Netz [i>=0] A (i,b) (i,b) i C CP-Netz : geordnetes 9 Tupel CPN=(, P, T, A, N, C, G, E, I) Stellen P = { p1 , p2 , ..., pn } TransitionenT = { t1 , t2 , ..., tn }Kanten A, so dass T  P = A  P = T  A = Farben (Typen) Farbfunktion C:P KnotenfunktionN:A ((P T)  (T  P))KantenausdrückeE:AAusdruck, so dass a  A: [ Type(E(a))=C(p(a))MS  Type(Var(E(a)))  ]Schaltbedingung G:T  Ausdruck, so dass t  T: [ Type(G(t))=B  Type(Var(G(t)))  ] Anfangsmarkierung I:P  geschlossener Ausdruck, so dass p  P: [ Type(I(p))=C(p)MS ] 1`(“KIB“) (a) B

Sequenz Nebenläufigkeit AND-split/-join Verzweigung OR-split/-join Iteration   nutzerbasiert Prozessmodellierung mit Petri-Netzen Petri-Netz Blöcke zur Prozessmodellierung Spezielle Transitionen im Rahmen der Workflow-Modellierung  automatisch nachrichten-basiert zeitbasiert Interaktion

    Kopplung: Petri-Netz - Organisationsmodell Prozessmodell Organisationsmodell Petri-Netz(e) Produktmodell • Erfassung von: Akteuren, Rollen, Qualifikationen, Hoheiten, Verantwortlichkeiten • Umsetzung eines Organisationsmodells auf der Basis der IFC – ActorResource inklusive des Rollenkonzepts der ARIS – Struktur • Verknüpfung der Rollen mit den Planungsaktivitäten • Verknüpfung der Hoheiten mit den Planungszuständen

    Kopplung: Petri-Netz - Produktmodell Prozessmodell Organisationsmodell Petri-Netz(e) Produktmodell • Verknüpfung von Stellen mit Produktmodellen • Verknüpfung von Transitionen mit Verarbeitungsmethoden • Metainfomationen als Farben bzw. farbige Marken des Petri-Netzes

Prozessmuster zur dynamischen Gestaltungdes Petri-Netzes Vorstrukturiertes Netz(grob) • Vorstrukturierung der Arbeitsabläufe  „grobes Petri-Netz“ (globaler Prozess) •  Baugrubensicherung erstellen •  •  •  •  •  •  • Definition bauteilorientierter Prozessmuster •  •  •  •  Erweitertes Netz(fein) •  •  • Einfügen eines Prozessmusters  „feines Petri-Netz“ (lokaler, fachlicher Prozess) •  •  •  •  •  •  •  • Konzept für das Einfügen des Prozessmusters • Definition von „socket places“ • Definition von „port places“ Baugrubensicherung für rückverankerte Bohrpfahlwand im Grundwasser erstellen

B B Grundriss aufgehende Konstruktion Grundriss A A Bauteilorientierte Prozessmuster:Geotechnische Konstruktionselemente Schnitt B-B Schnitt A-A • Planungsprozesse für die Baugrubensicherung, Gründung und Technische Gebäudeausrüstung (TGA) laufen parallel • Interaktionen ergeben sich aus den technischen und rechtlichen Zusammenhängen • Prozessmuster werden durch die Fachplaner definiert Baugrubensicherung Gründung TGA Energiepfähle

Verbauwand mit Verbaupfählen Anlieger Verpressanker Entnahme-brunnen Bauteilorientierte Prozessmuster • Bauteil: funktionale Einheit aus planerischem Zusammenhang (nicht notwendigerweise physische Einheit) • kann Teil eines anderen Bauteils sein (hierarchische Struktur) • Beispiele: • Baugrubensicherung • Verbauwand • Verpressanker • Verbaupfähle • Sohldichtung • Grundwasserhaltung • Entnahmebrunnen • Grundwasseraufbereitungsanlagen • Gründung • Fundamentplatte • Pfähle • Kombinierte Pfahl-Plattengründung

Verbauwand mit Verbaupfählen Anlieger Verpressanker Entnahme-brunnen Bauteil Verbauwand:Aktivitäten und Zustände Lokale Prozessdomäne Geotechnik Aktivitäten Abstraktion von Planungszuständen und -aktivitäten

Bauteil Verbauwand:Informationen Lokale Prozessdomäne Geotechnik Informationen Abstraktion von Metainformation zur Steuerung des Planungsprozesses Verbauwand mit Verbaupfählen Anlieger Verpressanker Entnahme-brunnen

Verbauwand Entnahme-brunnen Baugrubensicherung Alternative b Offene Grundwasserhaltung Gründung Bauteilorientierte Prozessmuster:Beispiel Baugrubensicherung • Baugrube im Grundwasser • Problem der Beherrschung des Zustroms von Grundwasser in die Baugrube Anlieger Zwei alternative Lösungen für die Ausführung der Baugrubensicherung Alternative a Grundwasserhaltung mit Dichtsohle Verpressanker a Grundwasserhaltung mit Dichtsohle b Offene Grundwasserhaltung Dichtsohle Aktivitäten der Lokalen Prozessdomäne Geotechnik

  F  nutzerbasiert G nachrichten-basiert Bauteilorientierte Prozessmuster:Beispiel Baugrubensicherung  I kein Grundwasser IIa offene Grundwasserhaltung IIb wasserdichte Baugrube mit horizontaler Dichtung D   IIa E B  A IIb  I C • A Prüfung auf Vollständigkeit der Unterlagen, Auswertung Baugrundgutachten etc. • B Entwurf des Wasserhaltungskonzeptes • C,E,G Entwurf und Dimensionierung der Verbauwand inkl. geotechnischer Nachweise und Verformungsprognose • D Entwurf und Dimensionierung der Grundwasserhaltung inkl. wasserrechtlichem Genehmigungsantrag • F Entwurf und Dimensionierung der horizontalen Dichtung der Baugrube inkl. wasserrechtlichem Genehmigungsantrag

Geo-technik Interaktion Abstimmungsprozesse zwischen Prozessdomänen Alternative IIa: offene Wasserhaltung Genehmi-gungs-behörde  Wasserrechtliche Genehmigungsprozedur H Geotechnische Planung   D1 D2 D  E • D Entwurf und Dimensionierung der Grundwasserhaltung inkl. wasserrechtlichem Genehmigungsantrag • E Entwurf und Dimensionierung der Verbauwand • H Abstimmung wasserrechtliche Genehmigung

Verwendung farbiger Marken Planung GW-Absenkung  Beherrschungdes GW Planung Verbau   GW-Absenkung Auswertung Baugrundgutachtenetc. Planung Verbau  wasserdichterVerbau Mit GW  Planung Sohle  Planung Verbau Kein GW  Beispiele für farbige Marken (Notation nach Design/CPN): color Baugrund_GW = with GW | noGW; (* Grundwasser im Baugrund *) color Verbau = string; (* Beschreibung der Verbauart *) color GW_Haltung = with offen | keine; (* Beschreibung GW-Haltung *) color BGtyp = Product Verbau*GW_Haltung; (* Bildung eines Tupels *) var baugrund_gw : Baugrund_GW; (* Variablendefinitionen *) var baugrubentyp : BGtyp;

1` („Bohrpfahlwand“,offen) 1` („Bohrpfahlwand“,offen) Informationspaket Verbauwand Steuerung auf der Basis von Metainformation Alternative IIa: offene Wasserhaltung P4 [gwh = offen] bgtyp (vbs,gwh) bgtyp BGtyp T1 P2 T3 (vbs,gwh) BGtyp bgtyp P5 P1 BGtyp (vbs,gwh) BGtyp (vbs,gwh) T2 P3 [gwh = keine] BGtyp Initiale Markierung in P1: 1` („Bohrpfahlwand“,offen) color Baugrund_GW = with GW | noGW; color Verbau = string; color GW_Haltung = with offen|keine; color BGtyp = product Verbausystem*GW_Haltung; var bgtyp : BGtyp; var gwh : GW_Haltung; var vb : Verbau;

Informationspaket Verbauwand XML-basierte Metainformation im Sinne von farbigen Marken <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <CoopGT> <ColourInformation date=„07.05.2003" time=„10:56:14"> <Colours> <Colour> <Name>BGtyp</Name> <Types> <Type>Verbauwand</Type> <Type>GW_Haltung</Type> </Types> <Values> <Value>Bohrpfahlwand</Value> <Value>offen</Value> </Values> </Colour> </Colours> </ColourInformation> <ModelInformation> <Reference> <URL>http://localhost/baugrubenstatik.doc</URL> ... </Reference> </ModelInformation> </CoopGT>

Prototypische Implementierung  Client-Anwendungen der Geotechnik (Java/C++)mit Kommunikationsmechanismen auf der Basis von Web-Services     XML Informationen mit Metainformationen im Sinne von farbigen Marken Netzwerk-gerechter farbiger Petri-Netz-Server ProMiSE (Process Model in Structural Engineering)mit Kommunikationsmechanismen auf der Basis von Web-Services 

Jahr 1 2 3 4 5 6 Arbeitsprogramm Arbeitsprogramm Beginn des Förderungszeitraums: 1.11.2000 • Prozessanalyse • 1.1 Prozessabhängigkeiten.................... • 1.2 Aktivitätsbereiche............................. • 1.3 Fachinformationen............................ • Entwicklung des Kooperationsmodells • 2.1 GPMS................................................. • 2.2 LPD.................................................... • 2.3 Informationspakete........................... • Implementierung und Validierung • 3.1 Prototyp Kooperationsmodell.......... • 3.2 Validierung Kooperationsmodell..... bisherige Projektlaufzeit

Koordination Transition Stelle Stelle Transition Integratives Prozessmodell Kommunikation digitales Netz    Akteure/Rollen  Beobachter Beobachter Ressourcen Methoden Modelle

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