Institut für Geologie, Geotechnik und Baubetrieb Technische Universität München

Optimierung der Bauproduktion durch Simulation von Prozessen

Professor Dipl.-Ing. Stefan Rohr

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. habil. G. H. Müller Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-J. Bösch 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. F. Berner, Universität Stuttgart

Die Dissertation wurde am 10.05.2005 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen am 18.10.2005 angenommen.

Berichte aus dem Bauwesen

Stefan Rohr

Optimierung der Bauproduktion durch Simulation von Prozessen

Shaker Verlag Aachen 2006

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2005

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v Für mich

vi

vii

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis

vii

Darstellungsverzeichnis

x

1

Einleitung

Anlass und Gegenstand Ziel Vorgehensweise

1

1 2 3

2

Produktionsplanung und Modellbildung

5

3

Aktueller Stand bei Modellen der Produktionsplanung

11

4

Entwicklung eines neuen Modells für stochastische Zeitwerte

43

1.1 1.2 1.3 2.1 2.2

Wesen der Produktionsplanung und der Taktplanung Systemtheorie und Modellbildung

5 6

3.1 Ermittlung von Zeitwerten 11 3.1.1 Ermittlung deterministischer Zeitwerte 12 3.1.2 Ermittlung stochastischer Zeitwerte 12 3.1.3 Kritische Bewertung 14 3.2 Handlungsbedarf für ein neues Modell zur Schätzung stochastischer Zeitwerte 16 3.3 Modelle auf Basis der Netzplantechnik 16 3.3.1 Berechnung der zeitlichen Lagen bei stochastischen Zeitwerten 18 3.3.2 Unterschätzungsfehler bei der Berechnung mit deterministischen Zeitwerten und der PERT-Methode 22 3.3.3 Bewertung der Netzplantechnik und deren Berechnungsmethoden 23 3.3.4 Berücksichtigung von Einsatzmitteln und Kosten 25 3.3.5 Kritische Bewertung der Einsatzmittel- und Kostenplanung 27 3.4 Modelle auf Basis der ereignisorientierten Simulation 28 3.4.1 Zeitorientierte und ereignisorientierte Simulationsverfahren 29 3.4.2 Die Simulationsmethode Cyclone (Cyclic Operations Network) von HALPIN 30 3.4.3 Untersuchungen von WEIGL mit Hilfe des Cyclone-Modells 35 3.4.4 Kritische Bewertung des Cyclone-Modells 35 3.4.5 Moderne Simulationsprogramme am Beispiel von Extend™ 36 3.4.6 Kritische Bewertung von Extend 40 3.5 Bedarf nach einem neuen Modell für die Produktionsplanung 40 4.1 Untersuchungen zur Spezifizierung eines Verteilungstyps 4.1.1 Durchführung der Zeitaufnahmen 4.1.2 Auswertung der Daten 4.1.3 Zusammenfassung und weiteres Vorgehen 4.2 Untersuchungen zum Einfluss von Verteilungstypen auf die Ergebnisse einer Computer-Simulation 4.2.1 Simulationsmodell

43 45 46 54 55 55

viii 4.2.2 Auswertung der Ergebnisse 4.2.3 Zusammenfassung und weiteres Vorgehen 4.3 Entwicklung einer praktikablen Schätzmethode 4.3.1 Auswahl des Verteilungstyps 4.3.2 Methode zur Schätzung der Parameter der inversen Gauß-Verteilung 4.3.3 Zusammenfassung

56 60 61 61 61 65

5

Entwicklung eines neuen abstrakten Modells für die Produktionsplanung 67

6

Reales Modell und Berechnungsbeispiele

7

Bewertung und Ausblick

Problematik beim spezifischen Aufwandswert Nutzen und Notwendigkeit stochastischer Zeitwerte Diskussion des Modells Ausblick

129 129 130 132

8

Schlussbetrachtung

133

5.1 Der Prozess als zentrales Element in der Produktion 68 5.1.1 Prozessmodell 68 5.1.2 Prozessorientierte Kostendefinition 74 5.1.3 Zusammenfassung 76 5.2 Poolmodell 77 5.3 Abbildung der Dynamik des Baubetriebs durch die ereignisorientierte Simulation 80 5.3.1 Gründe für die Wahl der ereignisorientierten Simulation 80 5.3.2 Berechnung der frühesten Lage mit kausalen Anordnungsbeziehungen 81 5.3.3 Integration des Poolmodells und Entwicklung des Simulationsalgorithmus 84 5.4 Optimierungsverfahren 89

93

6.1 Objektdaten und Fertigungsabschnitte des Beispielgebäudes 93 6.2 Aufbau des realen Modells 98 6.2.1 Implementierung der Produktionsfaktoren in der Datenstruktur 99 6.2.2 Implementierung der Teilprozess-Typen und Teilprozessketten-Typen in der Datenstruktur 101 6.2.3 Implementierung der Teilprozesse, Teilprozessketten und äußeren Anordnungsbeziehungen 106 6.3 Deterministische Simulation mit ausgeglichenen Einsatzmitteln 109 6.4 Deterministische Simulation einer Beschleunigungsmaßnahme 116 6.5 Deterministische Simulation mit hoch qualifiziertem Personal 118 6.6 Stochastische Simulation 120 6.7 Deterministischer Optimierungslauf 122 6.8 Deterministische und stochastische Simulationen unter Variation der Gebäudeanzahl 124 6.9 Deterministische Simulation des Theoriebeispiels 127 7.1 7.2 7.3 7.4

129

ix

Anhang

137

I

Grundbegriffe der Stochastik und Statistik

139

II

Eigenschaften der untersuchten Verteilungstypen Vorbemerkungen Betaverteilung Dreiparametrische Gammaverteilung Dreiparametrische inverse Gauß-Verteilung Dreiparametrische logarithmische Normalverteilung Dreiparametrische Weibull-Verteilung

155 155 158 159 161 162

III

Zentraler Grenzwertsatz der Stochastik

165

IV

Auswertung der Stichproben von FISCHER hinsichtlich der Verteilungstypen 167

V

Auswertung der Stichproben von FISCHER zur Bestimmung einer Schätzmethode

VI

Auswertung der Stichproben von FISCHER zur Homogenität der Dauern zwischen Gebäude MK 14 und MK 15 175

VII

Kritische Betrachtung statistischer Methoden

I-1 I-2 I-3 I-4 I-5 I-6 I-7 I-7.1 I-7.2 I-7.3 I-7.4 I-8 I-9 II-1 II-2 II-3 II-4 II-5 II-6

Grundgesamtheit, Stichprobe, Häufigkeitsbegriff Klassenbildung Statistische Maßzahlen von Häufigkeitsverteilungen Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Kenngrößen, Parameter Schätzen von Parametern, Punktschätzungen Testen von Hypothesen Prüfung der Verteilung der Grundgesamtheit (Anpassungstests) Problemstellung Chi-Quadrat-Test (χ²-Test) Kolmogorow-Smirnow-Test Beurteilung der Güte der Anpassung Vergleich zweier Stichproben (Homogenitätstest) Ausreißerproblem

139 140 140 143 145 147 148 148 149 150 150 152 152

155

171

177

VIII Glossar - Begriffsdefinitionen

181

Literatur- und Quellenverzeichnis

197

x

Darstellungsverzeichnis Darstellung 1: Aufbau dieser Arbeit Darstellung 2: Struktogramm der drei systemanalytischen Teilbereiche Qualifikation, Rektifikation, Verifikation bei der Modellbildung Darstellung 3: Graph der Dichte der Betaverteilung Darstellung 4: Grundsätzliche Berechnungsmethoden in der Netzplantechnik Darstellung 5: Reduktion eines Vorgangspfeil-Netzplans zu einem SPR-Netzplan (a1 – a5.) und weiterer SPR-Netzplan (b.) Darstellung 6: Bewertung der Berechnungsverfahren der Netzplantechnik Darstellung 7: Bedarfs-Ganglinie und Vorhaltemenge Darstellung 8: Strukturelemente und Flusseinheit im CYCLONE-Modell Darstellung 9: Ausschnitt einer Flussstruktur mit Sklavenzyklus (links) und Schmetterlingszyklus Darstellung 10: Schema des Bauprozesses „Maurerarbeiten“ Darstellung 11: Taktschema und Foto eines Stahlbeton-Hochhauses Darstellung 12: Dialogfeld von Extend Version 4 Darstellung 13: Einfaches Beispiel für ein Extend-Modell Darstellung 14: Modellelemente Cyclone und Extend Darstellung 15: Parkgate in München, Übersichtsfoto und Modell Darstellung 16: Übersicht der verschiedenen Anpassungstests bei FISCHER Darstellung 17: Nullhypothesen (Wahrscheinlichkeitsdichten f(x)) und relative Häufigkeit der Dauer des Vorgangs „Primärpfähle bohren“ Darstellung 18: Nullhypothesen (Wahrscheinlichkeitsdichten f(x)) und relative Häufigkeit der Dauer des Vorgangs „Bewehrungskorb montieren“ MK 14 Darstellung 19: Nullhypothesen (Wahrscheinlichkeitsdichten f(x)) und relative Häufigkeit der Dauer des Vorgangs „Stütze einschalen“ MK 15 Darstellung 20: Nullhypothesen (Wahrscheinlichkeitsdichten f(x)) und relative Häufigkeit des Aufwands des Vorgangs „Stütze einschalen“ MK 15 Darstellung 21: Ablehnung von H0 ausgewertet nach Verteilungstyp Darstellung 22: p-Werte und Ränge ausgewertet nach Verteilungstyp Darstellung 23: Relative p-Werte im Vergleich bei einzelnen Stichproben Darstellung 24: Einsatzmittelbedarf der Teilprozesse Darstellung 25: Bildschirmausdruck des Simulationsmodells Darstellung 26: Dichtefunktionen der Eingangsverteilungen für die Dauer am Beispiel des Teilprozesses Einschalen Darstellung 27: Ergebnisse der Simulation: Verteilung der Gesamtdauer Darstellung 28: Ergebnisse der Simulation: Verteilung der Summe der Einzelzeiten Darstellung 29: Ergebnisse der Simulation: Auslastungsgrad der Einsatzmittel Betonbauer (oben) und Eisenflechter in Bezug auf die Simulationszeit

3 8 13 17 20 24 27 31 32 33 34 37 38 39 45 49 49 50 50 51 52 53 53 56 56 57 58 59 60

xi Darstellung 30: Wahrscheinlichkeitsdichten f(x) der dreiparametrigen inversen GaußVerteilung, der neu entwickelten Schätzmethode und relative Häufigkeit des Aufwands des Vorgangs „Stütze einschalen “ MK 15 64 Darstellung 31: wie Darstellung oben, aber Vorgang „Stütze bewehren “ MK 15 64 Darstellung 32: Beispiel für eine Dichtefunktion nach der neu entwickelten Schätzmethode 65 Darstellung 33: Schnitt (oben) und Grundriss des Beispielobjekts 67 Darstellung 34: Der Prozess als zentrales Element der Produktion 68 Darstellung 35: Betriebe (oben) und Material als Elemente des Prozessmodells 69 Darstellung 36: Teilprozesse als Elemente des Prozessmodells 70 Darstellung 37: Definition der Teilprozesskette 71 Darstellung 38: Anordnungsbeziehungen der Teilprozessketten 72 Darstellung 39: Arten der Einsatzmittelbindung 73 Darstellung 40: Das statische Poolmodell am Beispiel der Teilprozesskette „Stütze herstellen“ 78 Darstellung 41: Die möglichen Zustände im dynamischen Poolmodell 79 Darstellung 42: Ablaufstruktur in der Netzplantechnik und in der Simulation 80 Darstellung 43: Verschiedene Zustände im Modell: Startsituation (oben) und Schließknoten (unten und rechts) 82 Darstellung 44: Balkenplan mit Ganglinien für das Beispielobjekt 83 Darstellung 45: Die Zustände der Teilprozesse – Bedeutung für die Einsatzmittel 84 Darstellung 46: Die Zustände eines Teilprozesses als Momentaufnahme (oben) und im Balkenplan 85 Darstellung 47: Simulationsalgorithmus als Flussdiagramm 87 Darstellung 48: Simulationsschritt 4 als Ausschnitt des Gesamtalgorithmus 88 Darstellung 49: Simulation am Beispielobjekt 89 Darstellung 50: Vorhaltemengen der 32 Simulationen des Optimierungslaufs 90 Darstellung 51: Optimierungsläufe und Verfahrensvergleiche 91 Darstellung 52: Fertigungsabschnitte einer Ebene des Beispielgebäudes 94 Darstellung 53: Übersicht Beispielgebäude: Gebäudeteile A, B und C 95 Darstellung 54: Beispielgebäude Horizontalschnitt einer Geschossebene (Gebäudeteile A, B und C) 96 Darstellung 55: Beispielgebäude Vertikalschnitt aufgehendes Bauteil (Gebäudeteile A, B und C) 97 Darstellung 56: Rektifikation des Prozessmodells 98 Darstellung 57: Elementtypen und zugehörige Klassen der Datenstruktur 99 Darstellung 58. Eigenschaften der Objekte der Klasse TMaterial beim Beispielgebäude 100 Darstellung 59: Eigenschaften der Objekte der Klasse TPersonal beim Beispielgebäude 100 Darstellung 60: Eigenschaften der Objekte der Klasse TGeraet beim Beispielgebäude 101 Darstellung 61: Eigenschaften der Objekte der Klasse TKettenTyp beim Beispielgebäude 102 Darstellung 62: Poolmenge bei Geräten der Bindungsart baMehrprozesse 104 Darstellung 63: Teilprozessketten-Typen und Teilprozess-Typen des Beispielgebäudes 105 Darstellung 64: Eigenschaften der Klasse TKette beim Beispielgebäude 106

xii Darstellung 65: Äußere Anordnungsbeziehungen der Teilprozessketten beim Beispielgebäude 107 Darstellung 66: Eigenschaften der Klasse TProzess 108 Darstellung 67: Anordnungsbeziehungen bei den Teilprozessen 109 Darstellung 68: Simulation Nr. 1: Balkenplan mit Einsatzmittel-Ganglinien 112 Darstellung 69: Ergebnisbildschirm nach einer Simulation: Balkenplan und Ganglinie der Einsatzmittel Zimmerer 113 Darstellung 70: Simulation Nr. 2: Balkenplan und Ganglinie der Deckenschalung 115 Darstellung 71: Simulation Nr. 3: Balkenplan mit Ganglinien (Mitte Zimmerer, unten Eisenflechter) 117 Darstellung 72: Simulation Nr. 4: Balkenplan und Ganglinie der Alleskönner 119 Darstellung 73: Simulation mit stochastischen Dauern, Ergebnisse zweier Experimente 121 Darstellung 74: Simulation des Theoriebeispiels: Balkenplan, Ganglinie der Zimmerer (Mitte) und der Eisenflechter (unten). 127 Darstellung 75: Dichtefunktion f(x) 143 Darstellung 76: Verteilungsfunktion F(x) 143 Darstellung 77: Dichtefunktionen der Betaverteilung (jeweils a=10 und b=20) 157 Darstellung 78: Dichtefunktionen der dreiparametrischen Gammaverteilung 159 Darstellung 79: Dichtefunktionen der inversen Gauß-Verteilung (3P) mit EX=5,0 160 Darstellung 80: Dichtefunktionen der 3-parametrischen Lognormal-Verteilung 162 Darstellung 81: Dichtefunktionen der Weibull-Verteilung 164 Darstellung 82: Auswertung der Untersuchungen von FISCHER 168 Darstellung 83: Auswertung der Stichproben von FISCHER 171 Darstellung 84: Grafische Darstellung der Tabelle (Darstellung 83) 172 Darstellung 85: Zuordnung zur Datenquelle der Untersuchung FISCHER 173 Darstellung 86: Graf der relativen Summenhäufigkeiten der Dauern der Vorgänge „Stütze einschalen“ Gebäude MK 14 und MK 15 175 Darstellung 87: Absolute und relative Summenhäufigkeit der Dauern der Vorgänge „Stütze einschalen“ Gebäude MK 14 und MK 15 176 Darstellung 88: Ergebniszusammenstellung für „Bewehrungskorb montieren Dauer MK 14“ 177