Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen am Beispiel der Geotechnik...

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Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen am Beispiel der Geotechnik FG-Schwerpunktprogramm 1103 ernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau 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

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Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen

am Beispiel der Geotechnik

DFG-Schwerpunktprogramm 1103Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau

Prof. Dr.-Ing. Rolf KatzenbachDipl.-Ing. Johannes Giere (Vortragender)Institut und Versuchsanstalt für Geotechnik

Prof. Dr.-Ing. habil. Udo F. MeißnerProf. Dr.-Ing. Uwe RüppelDipl.-Ing. Steffen Greb (Vortragender)Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen

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TUDMotivation

Wasserhaltung

Spezialtiefbau

Aufzugs- und Fördertechnik

Stahlbetonbau

Sparten-sicherung

Architektur

Bauherren-aktivitäten

Bauaufsicht

Stadt-planung

Stadtbahn-bau

Abstimmungmit

Anliegern

Umweltüber-wachung

Geotechnik

Technische Gebäudeausrüstung

Tragwerksplanung

statische Prüfung

weitere Aktivitäts-bereiche

unstrukturierte Kommunikation zwischen den Planungsbeteiligten

iterative, stark arbeitsteilige und interdisziplinäre Projektrealisierung (Unikate) im Bauwesen

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TUDZiel

Wasserhaltung

Spezialtiefbau

Aufzugs- und Fördertechnik

Sparten-sicherung

Architektur

Bauherren-aktivitäten

Bauaufsicht

Stadt-Planung

Stadtbahn-bau

Abstimmungmit

Anliegern

Umweltüber-wachung

Geotechnik

Technische Gebäudeausrüstung

Tragwerksplanung

statische Prüfung

Koordination der Kommunikation zwischen den Planungsbeteiligten

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

iterative, stark arbeitsteilige und interdisziplinäre Projektrealisierung (Unikate) im Bauwesen

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TUD Ansatz

Lokale Prozess-Domänen (LPD)

Globales Prozess-Management-System (GPMS)

Informationspakete

Prozessmodellierung

Informationsauswertung

Strukturierung der auszutauschenden Informationen (semantische Charakterisierung durch Metainformationen)

Verknüpfung der Prozessmodellierung mit der Informationsauswertung

Integration von Fachsoftware und Fachmodellen

Integration in den Kommunikationsverbund

Kooperationsmodell Geotechnik

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TUD

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 }

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Marken Objekte, Ressourcen, Informationen

Stellen Planungszustände

Transitionen Planungsaktivitäten

Kanten Abhängigkeiten

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TUD

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 ]

Formale Prozessbeschreibung mit Höheren Petri-Netzen

Mathematischer Formalismus: Farbiges Petri-Netz

A

[i<0]

B

A

C

(i,b)

(i,b) [i>=0]

(i,b)

(i,b)

1`(-2,“KIB“)

1`(“KIB“)

(i,b)

(a)

[a=b]

i

1`(1103,“SPP“)

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TUDProzessmodellierung mit Petri-Netzen

Petri-Netz Blöcke zur Prozessmodellierung

Iteration

Sequenz

OR-split/-joinVerzweigung

Nebenläufigkeit AND-split/-join

Spezielle Transitionen im Rahmen der Workflow-Modellierung

automatisch zeitbasiert

nachrichten-basiert

nutzerbasiert

Interaktion

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TUDKopplung: Petri-Netz - Organisationsmodell

Prozessmodell

Organisationsmodell

Petri-Netz(e)

Produktmodell

• Erfassung von: Akteuren, Rollen, Qualifikationen, Hoheiten, Verantwortlichkeiten

• Umsetzung eines Organisationsmodells auf der Basis der IFC – ActorResourceinklusive des Rollenkonzepts der ARIS – Struktur

• Verknüpfung der Rollen mit den Planungsaktivitäten

• Verknüpfung der Hoheiten mit den Planungszuständen

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TUDKopplung: 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

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TUD

Prozessmuster zur dynamischen Gestaltungdes Petri-Netzes

Vorstrukturiertes Netz(grob)

Baugrubensicherung erstellen

Erweitertes Netz(fein)

Baugrubensicherung für rückverankerte Bohrpfahlwand im Grundwasser erstellen

• Vorstrukturierung der Arbeitsabläufe „grobes Petri-Netz“ (globaler Prozess)

• Einfügen eines Prozessmusters „feines Petri-Netz“ (lokaler, fachlicher Prozess)

• Definition bauteilorientierter Prozessmuster

• Konzept für das Einfügen des Prozessmusters• Definition von „socket places“• Definition von „port places“

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TUD

Bauteilorientierte Prozessmuster:Geotechnische Konstruktionselemente

Schnitt B-BSchnitt A-A Grundriss aufgehende Konstruktion

B B

Grundriss

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

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TUD 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

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TUD

Bauteil Verbauwand:Aktivitäten und Zustände

- Klärung der Aufgabenstellung / Prüfung auf Vollständigkeit der Unterlagen

- Festlegung der maßgeblichen Schnitteund Lasten

- Entwurf und Dimensionierung der Verbauwand

- Geotechnische Nachweise

- Prognose von Verformungen

- Zeichnerische Darstellung in Schnitten / Grundrissen / Abwicklungen / Details

- Erstellung eines geotechnischen Berichts

Lokale Prozessdomäne Geotechnik

Entnahme-brunnen

Verbauwand mit Verbaupfählen

Verpressanker

Anlieger

Aktivitäten

- Klärung der Aufgabenstellung / Prüfung auf Vollständigkeit der Unterlagen

- Festlegung der maßgeblichen Schnitteund Lasten

- Entwurf und Dimensionierung der Verbauwand

- Geotechnische Nachweise

- Prognose von Verformungen

- Zeichnerische Darstellung in Schnitten / Grundrissen / Abwicklungen / Details

- Erstellung eines geotechnischen Berichts / Baugrubenstatik

Abstraktion von Planungszuständen und -aktivitäten

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TUD

Bauteil Verbauwand:Informationen

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

Lokale Prozessdomäne Geotechnik

Entnahme-brunnen

Verbauwand mit Verbaupfählen

Verpressanker

Anlieger

Informationen Abstraktion von Metainformation zur Steuerung des Planungsprozesses

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TUD

Bauteilorientierte Prozessmuster:Beispiel Baugrubensicherung

Alternative b

Offene Grundwasserhaltung

Entnahme-brunnen

Verpressanker

Verbauwand

Alternative a

Grundwasserhaltung

mit Dichtsohle

AnliegerBaugrube im Grundwasser

- Problem der Beherrschung des Zustroms von Grundwasser in die Baugrube

Zwei alternative Lösungen für die Ausführung der Baugrubensicherung

Aktivitäten der Lokalen Prozessdomäne Geotechnik

a Grundwasserhaltung mit Dichtsohleb Offene Grundwasserhaltung

Baugrubensicherung

Gründung

Dichtsohle

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TUD

Bauteilorientierte Prozessmuster:Beispiel Baugrubensicherung

A Prüfung auf Vollständigkeit der Unterlagen, Auswertung Baugrundgutachten etc.

B Entwurf des WasserhaltungskonzeptesC,E,G Entwurf und Dimensionierung der Verbauwand inkl.

geotechnischer Nachweise und VerformungsprognoseD Entwurf und Dimensionierung der Grundwasserhaltung inkl.

wasserrechtlichem GenehmigungsantragF Entwurf und Dimensionierung der horizontalen Dichtung der

Baugrube inkl. wasserrechtlichem Genehmigungsantrag

I kein Grundwasser

IIa offene Grundwasserhaltung

IIb wasserdichte Baugrube mit horizontaler Dichtung

A

B

C

D

E

F

G

I

IIb

IIa

nutzerbasiert nachrichten-basiert

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TUDAbstimmungsprozesse zwischen Prozessdomänen

D Entwurf und Dimensionierung der Grundwasserhaltung inkl. wasserrechtlichem Genehmigungsantrag

E Entwurf und Dimensionierung der VerbauwandH Abstimmung wasserrechtliche Genehmigung

D

E

Wasserrechtliche Genehmigungsprozedur

Geotechnische Planung

Alternative IIa: offene Wasserhaltung

H

D1 D2 Geo-technik

Genehmi-gungs-

behörde

Interaktion

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TUDVerwendung farbiger Marken

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;

Auswertung Baugrundgutachten

etc.

Beherrschungdes GW

GW-Absenkung

wasserdichterVerbau

Planung GW-Absenkung

Planung Verbau

Planung Sohle

Planung Verbau

Planung VerbauKein GW

Mit GW

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TUD Steuerung auf der Basis von Metainformation

Alternative IIa: offene Wasserhaltung

BGtypBGtyp

BGtyp

BGtyp

BGtypbgtyp

bgtyp

(vbs,gwh)

(vbs,gwh)

(vbs,gwh)

(vbs,gwh)

[gwh = offen]

[gwh = keine]

1` („Bohrpfahlwand“,offen)

1` („Bohrpfahlwand“,offen)

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

P1

P3

P2

P4

P5

T1

T2

T3

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TUD

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

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TUD Prototypische Implementierung

Netzwerk-gerechter farbiger Petri-Netz-Server ProMiSE (Process Model in Structural Engineering)mit Kommunikationsmechanismen auf der Basis von Web-Services

XML Informationen mit Metainformationen im Sinne von farbigen Marken

Client-Anwendungen der Geotechnik (Java/C++)mit Kommunikationsmechanismen auf der Basis von Web-Services

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TUD Arbeitsprogramm

Beginn des Förderungszeitraums: 1.11.2000

1. Prozessanalyse1.1 Prozessabhängigkeiten....................1.2 Aktivitätsbereiche.............................1.3 Fachinformationen............................

2. Entwicklung des Kooperationsmodells2.1 GPMS.................................................2.2 LPD....................................................2.3 Informationspakete...........................

3. Implementierung und Validierung3.1 Prototyp Kooperationsmodell..........3.2 Validierung Kooperationsmodell.....

Arbeitsprogramm

Jahr

1 2 3 4 5 6

bisherige Projektlaufzeit

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TUDIntegratives Prozessmodell

ModelleMethoden

Ressourcen

Koordination

Stelle Stelle

Transition

Transition

Akteure/Rollen

Kommunikation

BeobachterBeobachter

digitales Netz