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

Technische Gebäudeausrüstung Motivation Geotechnik Technische Gebäudeausrüstung Tragwerksplanung statische Prüfung 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

Ziel Bauherren-aktivitäten statische Prüfung Bauauf-sicht Stadt-planung Stadtbahn-bau Tragwerks-planung Umwelt-über-wachung Wasser-haltung Stahlbeton-bau weitere Aktivitäts-bereiche Sparten-sicherung Abstim-mung mit Anliegern Architektur Geotechnik Techn. Gebäudeaus-rüstung Aufzugs- und Förder-technik Spezial-tiefbau Geotechnik Technische Gebäudeausrüstung Tragwerksplanung statische Prüfung 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

Kooperationsmodell Geotechnik 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

Formale Prozessbeschreibung mit Petri-Netzen Grafischer Formalismus Marken  Objekte, Ressourcen, Informationen Stellen  Planungszustände Transitionen  Planungsaktivitäten Kanten  Abhängigkeiten 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 } 2 3

Formale Prozessbeschreibung mit Höheren Petri-Netzen [a=b] 1`(1103,“SPP“) (i,b) (i,b) 1`(-2,“KIB“) (i,b) Mathematischer Formalismus: Farbiges Petri-Netz A [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 } Transitionen T = { t1 , t2 , ..., tn } Kanten A, so dass T  P = A  P = T  A =  Farben (Typen)  Farbfunktion C:P   Knotenfunktion N:A  ((P T)  (T  P)) Kantenausdrücke E: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

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

Bauteilorientierte Prozessmuster: Geotechnische Konstruktionselemente Grundriss aufgehende Konstruktion B Grundriss A 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

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 Entnahme-brunnen Verbauwand mit Verbaupfählen Verpressanker Anlieger

Bauteil Verbauwand: Aktivitäten und Zustände Lokale Prozessdomäne Geotechnik Aktivitäten Abstraktion von Planungszuständen und -aktivitäten Klärung der Aufgabenstellung / Prüfung auf Vollständigkeit der Unterlagen Festlegung der maßgeblichen Schnitte und Lasten Entwurf und Dimensionierung der Verbauwand Geotechnische Nachweise Prognose von Verformungen Zeichnerische Darstellung in Schnitten / Grundrissen / Abwicklungen / Details Erstellung eines geotechnischen Berichts / Baugrubenstatik Klärung der Aufgabenstellung / Prüfung auf Vollständigkeit der Unterlagen Festlegung der maßgeblichen Schnitte und Lasten Entwurf und Dimensionierung der Verbauwand Geotechnische Nachweise Prognose von Verformungen Zeichnerische Darstellung in Schnitten / Grundrissen / Abwicklungen / Details Erstellung eines geotechnischen Berichts Entnahme-brunnen Verbauwand mit Verbaupfählen Verpressanker Anlieger

Bauteil Verbauwand: Informationen Lokale Prozessdomäne Geotechnik Informationen Abstraktion von Metainformation zur Steuerung des Planungsprozesses Eingehend: Grundrisse und Schnitte des Gebäudes Informationen zur geplanten Nutzung des Gebäudes Baugrundgutachten Informationen zum Tragwerk und zu den Lasten Unterlagen zur Nachbarbebauung Unterlagen zu Sparten etc. Ausgehend: Geotechnischer Bericht / Baugrubenstatik Privatrechtliche Genehmigung zur Nutzung des Nachbargrundstücks für Verpressanker Anlieger Verbauwand mit Verbaupfählen Verpressanker Entnahme-brunnen

Bauteilorientierte Prozessmuster: Beispiel Baugrubensicherung Baugrube im Grundwasser Problem der Beherrschung des Zustroms von Grundwasser in die Baugrube Anlieger Verbauwand 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 Alternative b Offene Grundwasserhaltung Entnahme-brunnen Baugrubensicherung Gründung

Bauteilorientierte Prozessmuster: Beispiel Baugrubensicherung  I kein Grundwasser IIa offene Grundwasserhaltung IIb wasserdichte Baugrube mit horizontaler Dichtung D   IIa E B  F G  A IIb  I C  nutzerbasiert nachrichten-basiert 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

Abstimmungsprozesse zwischen Prozessdomänen Alternative IIa: offene Wasserhaltung Genehmi-gungs-behörde  Wasserrechtliche Genehmigungsprozedur H Geotechnische Planung Geo-technik   D1 D2 Interaktion 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 Beherrschung des GW Planung Verbau   Auswertung Baugrundgutachten etc. GW-Absenkung Planung Verbau  wasserdichter Verbau 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;

Steuerung auf der Basis von Metainformation Alternative IIa: offene Wasserhaltung 1` („Bohrpfahlwand“,offen) P4 [gwh = offen] bgtyp (vbs,gwh) bgtyp BGtyp (vbs,gwh) T1 P2 T3 BGtyp bgtyp BGtyp P1 P5 (vbs,gwh) BGtyp (vbs,gwh) T2 P3 [gwh = keine] BGtyp Informationspaket Verbauwand 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;

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> Informationspaket Verbauwand

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

Arbeitsprogramm Beginn des Förderungszeitraums: 1.11.2000 Jahr 1 2 3 4 5 6 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..... Arbeitsprogramm bisherige Projektlaufzeit

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