Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau

Der dringende Forschungsbedarf für neue vernetzte Kooperationsformen im Konstruktiven Ingenieurbau zu Beginn des DFG-Schwerpunktprogramms 1103 im Jahr 1999 ergab sich aus der folgenden Sachlage: Zu häufig traten bei der Abstimmung der stark arbeitsteiligen Planungsprozesse in Bauprojekten Mängel auf. Zu oft reichten die traditionellen Prozessstrukturen zur Bewältigung der steigenden technischen Komplexität nicht mehr aus. Immer deutlicher zeichnete sich ab, dass die herkömmlichen Arbeitsprozesse bei Planung und Ausführung nicht für eine globalisierte, weltweit vernetzte Bauwirtschaft geeignet waren. Offensichtlich waren tief greifende Veränderungen zur Unterstützung der Ingenieurarbeit erforderlich.

Planungsprozesse im Ingenieurwesen sind dynamische Prozesse, die über die Prozesslaufzeit hinsichtlich des Umfangs, der Struktur und des Inhalts variieren. Planungsprozesse des Bauingenieurwesens zeichnen sich darüber hinaus durch die Komplexität der unikatartigen Bauvorhaben, durch eine hohe Prozessdynamik, durch die Vielzahl von Planungsakteuren und durch sehr differenzierte Planungsaufgaben aus.

Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der systematischen Analyse der kooperativen Gebäudeplanung und ihrer formalen Beschreibung in vernetzter Rechnerumgebung. Dabei wird von dem Lösungsansatz ausgegangen, dass sich der Planungsprozess in drei relationale Teilmodelle gliedern lässt: Eine Prozessstruktur mit Planungsaktivitäten, eine Gebäudestruktur mit Planungszuständen und eine Organisationsstruktur mit Planungsakteuren. Von zentraler Bedeutung sind dabei die inneren Verknüpfungen der jeweiligen Teilmodelle und die äußeren Verknüpfungen der drei Teilmodelle. Der Komplexität großer Bauvorhaben wird hierbei durch eine hierarchische Gliederung der Teilstrukturen entgegnet. Im Rahmen dieser relationalen Prozessmodellierung wurden geeignete Methoden für Planungsabstimmungen, Planungskonflikte, Planungsentscheidungen und Planungsfortschreibungen sowie für die Kontrolle und Steuerung des Projektes entwickelt. Bei der Verteilung von Aktivitäten an Akteure bieten grundlegende Methoden der Termin- und Ressourcenplanung eine geeignete Unterstützung. Sie bestimmen maßgebend die Planungssicherheit im kooperativen Planungsprozess. Zur Gewährleistung der Ausführbarkeit der Methoden des Prozessmanagements wurden Konsistenzbedingungen für das hierarchische relationale Prozessmodell formuliert, welche die Planer beim dynamischen Aufbau des Prozessmodells unterstützen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein internetbasiertes Informations-managementsystem für die vernetzt-kooperative Bearbeitung von Projekten des Spezialtiefbaus konzipiert, vollständig in Java implementiert und verifiziert. Die Anforderungen und Randbedingungen für das System ergaben sich aus einer detaillierten Analyse der Prozessabläufe bei Spezialtiefbaumaßnahmen. Besonders während der Bauausführung unterscheiden sich diese Projekte vom übrigen Konstruktiven Ingenieurbau, weil unvorhergesehene Ausnahmesituationen bis hin zu Havariefällen, die häufig geologisch oder hydrogeologisch bedingt sind, eintreten können. Es erwies sich für die Informationsverarbeitung als notwendig, aus dem heterogenen Datenbestand zunächst die Schlüsselinformationen in der erforderlichen Granularität darzustellen und in einem Informationsmodell abzubilden. Das hybride Informationsmanagementsystem besteht zum einen aus der ressourcenbasierten Komponente zur Verwaltung der Informationen mittels Internettechnologien. In der zweiten, modellbasierten Komponente des Systems wird insbesondere das schnelle Auffinden der für Entscheidungsprozesse notwendigen Informationen sowie deren Transparenz unterstützt, sowie Redundanzen aufgezeigt und die Konsistenz der Information gesichert. Von den implementierten Werkzeugen ist der Grafische Navigator hervorzuheben, weil dadurch der Bedarf in der Praxis gedeckt wird, gerade in Ausnahmesituationen ein Gesamtprojekt übersichtlich darzustellen und eine direkte visuell gestützte Verknüpfung mit den Schlüsselinformationen zu ermöglichen.

Im Rahmen der Fachplanung von Projekten im Bauwesen ist ein hohes Maß an Kooperation zwischen den Planungsbeteiligten notwendig. Dies resultiert aus der fall- und projektbezogenen Arbeitsteilung zwischen den Planern, wobei der einzelne Fachplaner oft nicht in der Lage ist, die Auswirkung seiner Planungsent-scheidungen in den Kontext der Gesamtplanung einordnen zu können, da ihm der vollständige Überblick über die Zusammenhänge der Planungsprozesse fehlt.

Bauprojekte weisen als branchenübergreifende Unikatentwicklungen eine sehr hohe Komplexität und Dynamik auf. Dies resultiert unter anderem aus der starken Vernetzung und Abhängigkeit der unterschiedlichen Planungsaspekte, der Vielzahl an Planungsbeteiligten sowie der Einbeziehung des Auftraggebers und auch zum Teil der Nutzer in den Zielfindungsprozess.

Im Bauwesen reicht das klassische Planungsmaterial von textuellen Beschreibungen und zeichnerischen Darstellungen bis hin zu räumlichen, maßstäblichen Modellen aus geeigneten Materialien. Bei der rechnergestützten Planung wird das Planungsmaterial durch Produktmodelle repräsentiert. Ein Produktmodell ist im Bauwesen ein Datenmodell, mit dem verschiedenste Aspekte eines Bauwerks beschrieben werden. Hierzu gehören beispielsweise geometrische, physikalische oder organisatorische Informationen.

Die vorliegende Arbeit betrachtet die semantische Unterstützung der frühen Phasen des architektonischen Gebäudeentwurfs. Die Anwendungsdomäne der Architektur, insbesondere zu Beginn des Entwurfsprozesses, stellt für die Informatik eine Herausforderung dar. Der duale Charakter der Architektur — als Ingenieurwissenschaft einerseits sowie als hochkreativer und künstlerischer Prozess andererseits — erfordert eine angemessene Berücksichtigung.

Die Benutzungsoberfläche von Bausoftware ist die entscheidende Stelle, an der die Leistungen einer Software definiert und zugänglich gemacht werden. Sowohl die Entwickler von Bausoftware als auch die späteren Anwender haben in der Definition der Benutzungsoberfläche die zentrale, gemeinsame Verständigungsbasis. Über die Benutzungsoberfläche sind daher auch in der Grundlagenforschung am konkretesten und allseits verständlich die Leistungen von Bausoftware für vernetzt-kooperative Planungsprozesse zu definieren. Das Teilprojekt hat vor diesem Hintergrund zu folgenden Punkten Erkenntnisse erbracht:

Die besonderen Vorteile der vernetzt-kooperativen Planung sind eine verstärkte Parallelisierung der Planung bei gleichzeitig reduziertem persönlichen (physischen) Kontakt der Planungsbeteiligten. Um diese Vorteile zu erreichen, ist die Verwaltung gemeinsamer Planungsdaten notwendig. Produktmodelle werden hierbei als Grundlage allgemein anerkannt (Eastman 1999). Probleme entstehen durch die parallele, voneinander unabhängige Bearbeitung der Planungsdaten sowie die trotz Standardisierungsbemühung unvermeidbare Heterogenität der eingesetzten, hochspezialisierten Fachmodelle. Hieraus resultieren divergierende Planungszustände, aber auch Informationsverluste, die einvernehmlich aufgelöst bzw. verhindert werden müssen. Daher sind Methoden, die dazu beitragen, dass divergierende Planungszustände wieder geordnet und ohne (physikalische) Koordinierungsgespräche sowie Zeitverluste in konsistente Planungszustände parallel zur laufenden Weiterplanung und ohne Informationsverlust zurückgeführt werden können, von außerordentlicher Bedeutung.

Die gestiegenen Anforderungen an Planung und Ausführung von Bauprojekten erfordern für eine wirtschaftliche Projektabwicklung eine koordinierte Kommunikation sowie eine effiziente Informationsverarbeitung (Bretschneider 1998).

Unter dem Begriff Simulation versteht man allgemein die Imitation des Verhaltens eines existierenden oder zu entwickelnden Systems. Spezifischer wird im Rahmen des in diesem Band beschriebenen Schwerpunktprogramms unter einer Simulation die rechnerbasierte Modellierung von Ingenieurproblemen aus dem Bereich des Konstruktiven Ingenieurbaus verstanden. Die Teilprojekte der AG Verteilte Simulation untersuchen die Eignung verschiedener Ansätze für verteilte Simulationen als Teil von Planungs-, Entwurfs- und z. T. auch Ausführungsprozessen im Konstruktiven Ingenieurbau. Solche verteilten Simulationen führen im Allgemeinen zu Konflikten bei der Zusammenführung parallel bearbeiteter Fachmodelle, die eine konsistente Modellentwicklung und -haltung erschweren. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten in der AG liegt daher auf methodischen Entwicklungen und exemplarischen Validierungen von Simulations- und Organisationsmodellen auf unterschiedlichen Verteilungsebenen, die konzeptionell zur Konfliktminimierung bzw. zur Konfliktlösung beitragen und von verteilten Planungspartnern im Verbund betrieben und bewertet werden können.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, Methoden der Sensitivitätsanalyse in den kooperativen, disziplinübergreifenden Planungsprozess des Konstruktiven Ingenieurbaus einzubringen. Durch Analyse des Planungsstandes sowie der möglichen Auswirkungen eigener Entscheidungen in der Wechselwirkung mit den Partnern und daraus folgend eine möglichst zutreffende Prognose des Planungsfortschrittes, soll der Planungsprozess unterstützt werden und insgesamt schnellere und wirtschaftlichere Lösungen ermöglichen. Ein Planungsfortschritt ist definiert durch die Differenz zweier zeitlich verschiedener Planungsstände und setzt Planungsaktivitäten voraus, die zum Übergang vom „alten“ in den „neuen“ Planungsstand führen. Solche Planungsaktivitäten sind neben äußeren Einflüssen vor allem Entscheidungen von Planungsbeteiligten, den so genannten Fachplanern. Des Weiteren müssen Planungsfortschritte und somit auch Planungsstände beurteilt werden können. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine solche Beurteilung von einem subjektiven Blickwinkel eines Betrachtenden abhängt und nicht für eine allgemeine Bewertung herangezogen werden kann. Solche Bewertungen dienen dem Auffinden von Schwachstellen in einem Planungsprozess, bzw. tragen zur kontextbedingten Entscheidungsfindung bei. Von den genannten Aufgaben fallen viele in das Gebiet der Sensitivitätsanalyse, welche bei der Entwicklung der Methoden eine zentrale Bedeutung hat.

Der hier vorgestellte Software-Prototyp auf Basis eines Computational Steering Ansatzes kann das benötigte Zeitaufkommen für die Durchführung vieler Optimierungsprozesse, welche normalerweise an manuelle und iterative Interaktionen während der Planungsphase gebunden sind, wesentlich reduzieren. Die effektive Kommunikation zwischen den Fachplanern und der direkten Visualisierung der Ergebnisdaten reduziert Entwurfs- und Konstruktionsfehler nachweislich.

Dieser Beitrag beschreibt Aspekte eines Forschungsprojekts, welches im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau“ entstand. Zentraler Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Hypothese, dass eine Verbesserung der kooperativen Zusammenarbeit erreicht werden kann, wenn die Modellierung und Berechnung von Bauwerken an einem strikt volumenorientierten Modell des Gesamtsystems durchgeführt werden. Ein besonderes Augenmerk lag darin, die dem Planungsprozess innewohnende iterative Vorgehensweise und Dynamik zu unterstützen.

Durch die im DFG Schwerpunktprogramm SPP 1103 durchgeführten Forschungsarbeiten zur agentenbasierten Software-Entwicklung wurde der Nachweis erbracht, dass die in der modernen Informatik entstandene Agententechnologie auch für den Bereich der vernetzt-kooperativen Bauplanung hervorragend als Problemlösungsstrategie geeignet ist. Das Planen, das Entwerfen, das Konstruieren und die sich daran anschließende Bauausführung werden auf eine neue tragfähige Grundlage gestellt. Es ist klar geworden, dass die in der Bauplanung anstehenden großen Zukunftsaufgaben, d. h. komplexe und durch viele Beteiligte geprägte Arbeitsprozesse bzw. Aktivitäten des Bauwesens fristgerecht, technisch und wirtschaftlich optimal abzuwickeln, durch die Agententechnologie — wie durch keine andere Technologie zuvor — adäquat unterstützt werden. Es ist nunmehr möglich, die in der Wirklichkeit ablaufenden Arbeitsabläufe weitgehend frei von Informationsverlusten in ein Computermodell zu übertragen; die Übertragung erfolgt anschaulich sowie plausibel und kann jederzeit leicht nachgeprüft werden. Dem normalen Sprachgebrauch folgend, wird dabei ein „Agent“ auch in der Informatik als „etwas“ angesehen, das — weitgehend selbstständig — im Auftrag oder im Interesse einer Person, einer Institution oder einer Organisation handelt.

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein agentenbasierter Modellverbund für die kooperative Gebäudeplanung entwickelt. Hierbei werden die örtlich verteilten Teilproduktmodelle der verschiedenen Planungsdomänen unter Nutzung von Softwareagenten zu dem Modellverbund verknüpft. Der Fachplaner erhält damit die Möflichkeit, seine Planungen modellbasiert durchzuführen und zusätzlich auf Teilproduktmodelle anderer Fachdomänen zuzugreifen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde erstmalig die konzeptionelle und methodische Übertragung des Agentensystemparadigmas auf Planungsprozesse im KIB erreicht. Mit dem entwickelten Agentenmodell für die Tragwerksplanung AM_TP gelingt die Abbildung der Planungsrealität auf insgesamt hohem Abstraktionsniveau. Das AM_TP behebt damit konzeptuelle Schwächen, die bestehende Ansätze, beispielsweise das bewährte — auch im KIB weit verbreitete — objektorientierte Modellierparadigma, aufweisen. Aufbauend auf der Methodik der Multiagentensysteme wurde die wirklichkeitsnahe Modellierung der im Planungsverlauf komplexen Beziehungsgeflechte, Organisations- und Rollenstrukturen für den Bereich der vernetzt-kooperativen Tragwerksplanung über ein agentenbasiertes Kooperationsmodell mit anthropogenen Anteilen erfolgreich durchgeführt. Damit verbunden war die Entwicklung eines hochentwickelten sprechakt- und ontologie-basierten Kommunikations- und Interaktionsmechanismus, der auf einer höheren semantischen Ebene als bisherige, Middleware-basierte Ansätze angesiedelt ist. Die Tragfähigkeit des AM_TP konnte erfolgreich im Multiagentensystem ACOS nachgewiesen und evaluiert werden.

Dieser Bericht fasst die zentralen Ergebnisse des CoBE Projekts zusammen. Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Software-Plattform zur Unterstützung der vernetzt-kooperativen Planung im Bereich des Konstruktiven Ingenieurbaus. Es wurde gezeigt, dass softwaretechnische Methoden aus der Komponententechnologie für die Entwicklung einer flexibel anpassbaren Plattform, zur Komposition von lokalen und entfernten Software-Applikationen sowie zur Integration von Standardsoftware geeignet sind. Die vorgeschlagene Plattform integriert zudem Konzepte aus zwei modernen Architekturstilen (SOA und P2P) zu dem Architekturstil der Service-orientierten Peer-to-Peer Architekturen. DeEvolve wurde als prototypische Implementierung dieses Stils vorgestellt. Das darauf basierende CoBE Awareness Framework realisiert ein dezentrales Modell zur Koordination von verteilt agierenden Fachplanern.