Anwendung von Lean-Prinzipien im Erdbau – Entwicklung ... Dissertation Kurzfassung Kurzfassung

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  • Anwendung von Lean-Prinzipien im Erdbau �

    Entwicklung eines Baustellenleitstands auf Basis von

    Virtual Reality

    Zur Erlangung des akademischen Grades eines

    DOKTOR-INGENIEURS

    an der Fakultät für

    Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften

    des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

    genehmigte

    DISSERTATION

    von

    Kim Kirchbach M.Sc.

    aus Hamburg

    Tag der mündlichen Prüfung:

    20.05.2014

    Referent: Prof. Dr.-Ing. Fritz Gehbauer, M.S. Institut für Technologie und Management im Baubetrieb des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

    Korreferent: Prof. Dr. Andreas Oberweis Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

    Karlsruhe 2014

  • Dissertation Kurzfassung

    Kurzfassung

    Auf den meisten Baustellen ist Optimierungspotential vorhanden � vor allem der Erdbau ist durch eine hohe Dynamik und groÿe Unsicherheit charakterisiert. Die erfolgreiche Nutzung moderner Kommunikationstechnologien in der stationären Industrie und die ergebnisreichen Anwendungen von Lean Management Prinzipien im Bauwesen versprechen in Kombination aussichtsreiche Unterstützung zur Prozessverbesserung auf Erdbaustellen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Baustellenleitstands auf Basis von Virtual Reality für den Erdbau unter Berücksichtigung des Lean Management.

    Durch Untersuchungen auf Basis der Literatur konnte festgestellt werden, dass das Potential von IT-Werkzeugen im Bauwesen erkannt wird und deren Einsatz generell erwünscht ist. Es fehlen aber auf die Bedürfnisse der am Bau beteiligten Personen zugeschnittene Adap- tionen. Es konnte zudem u. a. durch Baustellenbesuche erkannt werden, dass die bisherigen Planungs- und Steuerungsmethoden im Erdbau aufgrund der vorherrschenden Dynamik un- geeignet sind. Neuartige und �exible Konzepte sind erforderlich, um auf diese Eigenschaften und eventuelle Störfälle variabel reagieren zu können. Prinzipien des Lean Management bieten einen vielversprechenden Lösungsansatz für diese Problematik.

    Um die Bedürfnisse der am Bau beteiligten Personen besser zu verstehen, wurde eine An- forderungsanalyse auf Basis von Interviews durchgeführt und vor diesem Hintergrund der Leitstand methodisch aufgebaut, die dafür benötigten Konzepte o�en gelegt und eine pro- totypische Implementierung erstellt. Die grundlegende Methode des holistischen Leitstands ist es, Informationen zu bündeln und eine erhöhte Daten- und damit Prozesstransparenz zur Verfügung zu stellen.

    Hierfür werden alle Baumaschinen mit Sensoren ausgerüstet, über eine Baustellenkommu- nikationsplattform miteinander verbunden sowie mit einer Software-Komponente ausgestat- tet, sodass diese, nach dem Prinzip des jid oka, Abweichungen vom Normalbetrieb erkennen und innerhalb de�nierter Rahmenbedingungen selbstständig darauf reagieren können: Die wichtigste Komponente stellt hierbei das digitale Kanban dar, das unter Verwendung des Pull-Prinzips dynamisch die Allokation der Transportgeräte auf der Baustelle vornimmt.

    Der Leitstand kann als Visualisierungskomponente auf Basis der aufgenommen Daten den aktuellen Stand auf der Baustelle darstellen. Ortsbezogen erhält der Bauleiter mithilfe von Virtual-Reality-Methoden Informationen zu den Leistungsdaten der Baumaschinen sowie den Prozessen und kann auf einfache Art und Weise einen Überblick über die Baustelle gewinnen. Die Daten können ebenfalls auf mobilen Endgeräten abgerufen werden, wobei hier eine zusätzlich Unterstützung durch eine innovative Augmented-Reality-Funktion gewährt wird. Der entwickelte Prototyp wurde in einem mehrstu�gen Verfahren erfolgreich getestet.

    Mithilfe einer stochastischen Simulation kann zudem eine quantitative Verbesserung beim Einsatz des VR-Leitstands bestätigt werden: Wartezeiten der Baumaschinen können verrin- gert werden, was zu einer erhöhten Leistung der gesamten Baustelle führt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der Einsatz eines Baustellenleitstands auf Basis von Virtual Reality und die damit verbundene Anwendung der Lean Management Methoden eine e�zientere und e�ektivere Gestaltung der Prozesse auf Erdbaustellen erlaubt.

    Kim Kirchbach i

  • Dissertation Abstract

    Abstract

    Most building sites show optimization potential � especially in the area of earthworks where signi�cant uncertainties and a high degree of dynamics are common. The combination of applied communication technologies in the stationary industry with the bene�ts derived from lean management principles in construction promises good opportunities for process enhancement in earthworks. This thesis describes the development of a virtual reality-based construction site control centre for earthworks that also considers the principles of lean management.

    A review of the prevailing literature revealed an existing recognition and general accep- tance of the information technology potential for civil engineering projects, however, the adaptations to the requirements of the construction industry are yet to be made. Among other things, is has been determined through visits of construction sites that the presently available planning and control methods in earthworks are unsuitable due to their prevailing dynamics. In order to be able to �exibly respond to these characteristics and possible inci- dents, innovative and �exible concepts are required. Here, the principles of lean management o�er a promising approach to this problem.

    In order to gain a better understanding of the construction workers' needs, a requirement analysis based on interviews has been performed. Against this background, the control centre has methodically been designed, the needed concepts disclosed and a prototype im- plemented. The holistic control centre aims at providing a high level of process transparency through information bundling and increased data transparency. For this purpose, all con- struction machines on site are equipped with integrated sensors as well as with a special software component and then connected via a construction site wide communication plat- form. With regard to the principles of jid oka, the construction machines are then able to detect unusual conditions and independently respond to those within de�ned conditions: The main component represents the digital kanban, which dynamically adapts the allocation of transport vehicles at the construction site.

    The control centre as a visualisation component shows the current state of the construction site based on the collected data. With the help of virtual reality methods, the construction manager receives on-site performance data of the construction machines and processes and consequently gains a comfortable and easy overview of the construction site. This data can be also received on mobile devices where an innovative augmented reality function provides additional support. The developed prototype has already been successfully tested in a multi-stage procedure.

    A stochastic simulation con�rms the quantitative improvement: idle times of the construc- tion machines are reduced which increases the performance of the entire construction site. This thesis shows that the use of a virtual reality-based construction site control centre for earthworks in combination with the application of lean management principles enables a more e�cient and e�ective design of earthworks processes.

    Kim Kirchbach iii

  • Dissertation Vorwort des Verfassers

    Vorwort des Verfassers

    Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissen- schaftlicher Mitarbeiter am Institut für Technologie und Management im Baubetrieb (TMB) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

    Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Fritz Gehbauer, M.S. für die Übernahme des Hauptre- ferats. Neben der fachlichen, akademischen Auseinandersetzung förderte er mich durch die Ermöglichung der Teilnahme an zahlreichen internationalen Konferenzen sowie dem For- schungsaufenthalt in Groÿbritannien und motivierte mich, aktiv die Forschungsarbeit mit Industriepartnern zu gestalten. Besonders bedanken möchte ich mich für die Freiheiten, die er mir während des gesamten Forschungsvorhabens gewährte.

    Prof. Dr. Andreas Oberweis des Instituts für Angewandte Informatik und Formale Beschrei- bungsverfahren (AIFB) danke ich sehr herzlich für seine Bereitschaft das Korreferat zu übernehmen und die Arbeit unter Informatik-Aspekten zu betreuen. Von seinen kritischen Anregungen und der konstruktive Unterstützung konnte ich stets pro�tieren.

    Vielen Dank auch an die weiteren Mitglieder der Promotionskommission Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Hinz des Instituts für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF), der mir jederzeit für konstruktive Gespräche zur Verfügung stand, und Prof. Dr.-Ing. Sascha Gentes, Tech- nologie und Management des Rückbaus kerntechnischer Anlagen (TMRK) des TMB.

    Mein Dank gilt ebenfalls dem Karlsruhe House of Young Scientists (KHYS) für die Förde- rung des Auslandsaufenthalts.

    Viele weitere Kollegen, Freunde und Industriepartner trugen zum Resultat dieser Forschung bei. Ihnen und Euch allen möchte ich danken, die direkt oder indirekt durch Ideen und Unterstützung zu dieser Arbeit beitrugen: Pascal Becker, Christian Bohn, Michael Denzer, Gerd Hembach, Gernot Hickethier, Jens Ho�mann, Gregory Howell, Jakob Karalus, Patrick Kern, Kristin Kirchbach, Daniel Knecht, Lauri Koskela, Bettina Nelles, Markus Reinhardt, Ste�en Reinhardt, Christoph Runde, Raphael Sacks, Heinrich Schlick, Harald Schneider, Annett Schöttle, Dominik Steuer,