Framework zur parametrischen Optimierung- und Entscheidungsunterstützung für die Realisierung von flexiblen und nachhaltigen Industriebauten unter Einbeziehung der Produktionsplanung in der frühen Entwurfsphase

Die Bauwerksstrukturen sollten den sich wandelnden Anforderungen gerecht werden. Heutige Industriebauten sind häufig nicht ausreichend flexibel, um Produktionsanlagen schnell und effizient genug an die sich ändernden Erfordernisse anpassen zu können. Die Folge sind häufig Umbauten oder Abriss und Neubau, was zu erheblichen Neuinvestitionen und zu erhöhtem Ressourcenverbrauch führt. Gleichzeitig hat die Gebäudestruktur erheblichen Einfluss auf die verwendbaren Baumaterialien und damit auf den ökologischen Fußabdruck der Industrieanlage und aller gegebenenfalls folgenden Umbauten.

Gebäude- und Produktionsplanung laufen derzeit getrennt in zwei unterschiedlichen Entwicklungsprozessen und Softwareumgebungen ab. Die Planung flexibler und nachhaltiger Gebäudestrukturen erfordert jedoch die frühe Zusammenarbeit und Einbindung aller Planungsbeteiligten. Derzeit gibt es kein digitales Werkzeug auf dem Markt, welches die Planung eines Industriebaus einerseits sowie des Produktionslayouts andererseits gleichzeitig und integriert ermöglicht.

Diese Dissertation schließt die Forschungslücke eines integralen Entwurfsprozesses für die gemeinsame Planung von Produktionslayout und Tragwerken in frühen Phasen und bietet eine Methode zur Einbeziehung von Flexibilitätsbewertungen neben traditionellen wirtschaftlichen und ökologischen Leistungsbewertungen. Der neuartige Beitrag besteht darin, dass eine neue Methode zur Integration, Vorhersage und gemeinsamen Optimierung von industriellen Gebäudestrukturen und -layouts im Hinblick auf maximale Flexibilität angeboten wird, welche eine frühe Optimierung- und Entscheidungshilfe für eine kohärente Leistungsverbesserung von Entwürfen bietet.

Zielsetzung

Ziel war es, eine Softwareplattform zu entwickeln, welche eine ganzheitliche Planung und Optimierung von nachhaltigen Industriegebäuden ermöglicht. Diese Software soll die Realisierung von Gebäuden mit erhöhter Anpassungsfähigkeit im Sinne flexibler Produktionslayouts unterstützen sowie zur Reduktion von Planungszeit, Ressourcenverbrauch und Baukosten führen. Die jeweiligen Akteure des Industriebaus und ihre Expertise sollen innerhalb eines digitalen Tools vernetzt und ihre fachspezifischen Werkzeuge, Simulationen und Arbeitsmethoden integriert werden, damit ein kontinuierlicher Zugang zu Informationen und eine holistische Analyse und Optimierung von Industriegebäuden gewährleistet ist. Ein weiteres Ziel war, den Planungsbeteiligten eine effiziente Visualisierung von Entscheidungsoptionen zu bieten, um eine enge Zusammenarbeit in den frühen Planungsphasen noch weitergehend zu fördern.

Lösung

Es wurde eine Planungsmethode für automatisierte Tragwerks- und Layoutanalysen entwickelt, die auf generativem Design und evidenzbasierten Entscheidungsfindungsmethoden basiert und innovative Algorithmen der evolutionären Mehrziel-Optimierung integriert. Dadurch wird ein Planungsprozess geschaffen, welcher bisher wiederholt manuell auszuführende Arbeitsschritte automatisiert sowie den Benutzern real-time Feedback zur Bewertung von Kosten, Ökobilanz und Flexibilität gibt. Damit können Entscheidungen fundiert, transparent und rasch getroffen werden.

Eine speziell entwickelte Multi-User Virtual Reality (VR) Plattform, aufbauend auf Dr. Reisingers Dissertationsentwicklung, ermöglicht es letztendlich Benutzern, die generierten Gebäude- und Produktionslayouts mit Performance Feedback direkt in einer digitalen 3D Umgebung zu erkunden, zu verändern und zu optimieren.

Ergebnisse

Die neue Softwareplattform bietet gleichzeitig folgende drei Planungsinnovationen:

• Die automatisierte Planung und Optimierung von Produktionslayoutvarianten.

• Eine umfassende Szenarien Bildung von Produktions-, Lager-, und Logistikhallen in Bezug auf Materialien und Tragwerkssystem sowie ihre Optimierung hinsichtlich Materialverbrauch, Flexibilität, Lebenszykluskosten und Ökobilanz, wie etwa Global Warming Potential (GWP) bzw. CO2- Emissionen.

• Die integrale Erarbeitung und Optimierung von Produktionslayout und Gebäudeplanung unter der Maxime größtmöglicher Flexibilität und Nachhaltigkeit des Bauwerks.

Der Gebäudeentwurf wird auf Basis absehbarer Produktionsszenarien mit Hilfe von automatisiert generierten Produktionslayouts optimiert. Die Software liefert automatisch und in Echtzeit Empfehlungen für Baumaterialien, die Tragwerksstruktur und Produktionslayouts. Mit der Multi-User VR Plattform wird die Möglichkeit geschaffen, dass Nutzer interaktiv in einer 3D-Umgebung Planungsentscheidungen überprüfen und verändern können.

Nutzen

Die Software erleichtert Bauherren, Architektinnen, Tragwerks-, und Produktionsplaner_innen sowie Projektentwicklern und ausführenden Unternehmen die Planung und Realisierung flexibler, kosten- und ressourcensparender und somit nachhaltiger Industriebauten. Die integrale Planungssoftware hilft, später anschließende Planungsschritte und Umplanungen, die derzeit häufig unvermeidbar sind, höchst effektiv vorwegzunehmen bzw. zu erleichtern.

Die Software unterstützt Bauherren und das Management von Industrieunternehmen effizient bei wichtigen Entscheidungen in der Vorentwurfsplanung. Im Rahmen von industriellen Pilotprojekten, die mit Statikern und Produktionsplanern durchgeführt wurden, konnte durch den Einsatz der Software die Planungszeit um 90% reduziert (von ca. 4 Wochen auf 2 Tage) und Varianten gefunden werden, die

10% der Kosten einsparen. Beim Einsatz in Bauunternehmen zeigte sich, dass durch die automatisierte Erstellung und Berechnung von Angebotsvarianten der Zeitaufwand für die Angebots- erstellung einer Industriebauhalle um 80% reduziert und gleichzeitig die wirtschaftlichste Ausführungsvariante schnell und effizient ermittelt werden konnte.

Die in Julia Reisingers Dissertation entwickelte parametrische Planungssoftware hat sich zu einem Spin- Off der TU Wien entwickelt und bildet nun die technologische Grundlage des Start-Ups „factorymaker“ (https://factorymaker.at/).

• Zahlreiche Publikationen: 5 Journal Artikel, 8 Conference Papers, 1 Presse Artikel

• Technologische Grundlage für das Start-Up „factorymaker“ (https://factorymaker.at/)

• Finale Nutzer Studie mit 40 interdisziplinären Industrie Experten: Das Planungstool und das Multi-User VR System wurden mit insgesamt 40 praktizierenden Architekt*innen, Tragwerksplaner*innen, Produktionsplaner*innen und Bauherr*innen getestet und evaluiert.

• Pilot–Projekte mit der Industrie: 15 reale Pilotprojekte wurden unter Anwendung der Software mit Unternehmen aus der Fabrikplanung, der Tragwerksplanung und ausführenden Unternehmen erfolgreich abgewickelt.

• Das „Planungstool für nachhaltige und flexibel nutzbare Industriebauten“ wurde im April 2023 auf der Hannover Messe 2023 präsentiert.