Auf IT gebaut - Bauberufe mit Zukunft

Bürgy, Dr. Christian
2004 (2. Preis/Einzelarbeit)

Wearable Computer, direkt am Körper getragene Computer, ermöglichen Effizienzsteigerungen in vielen Industriebereichen, indem sie Informationstechnologien direkt vor Ort an den Arbeitsplatz bringen. Durch Nutzung von Sprachsteuerung bleiben beide Hände für die eigentliche Tätigkeit des Arbeiters frei. Diese „Wearable Computer” (siehe Bild 1 und 2) können beispielsweise auf der Baustelle oder im Feld, fernab von Baucontainer oder Büroschreibtisch eingesetzt und mittels drahtloser Datenübertragung in die vorhandene IT-Umgebung eingebunden werden. Sie bieten Zugriff auf aktuelle Daten des Firmenintranets und des Internets, stellen benötigte Anwendungssoftware bereit.

Da der Einsatz von Wearable Computern im Bauwesen noch in den Anfängen steckt, ist es sinnvoll, sich über Anwendungs- und Branchengrenzen hinweg Beispiele und Vorlagen für die Systementwicklung zu suchen.

Wie seinerzeit in der Einführung des CAD, das sich zuerst vor allem im Maschinen- und Fahrzeugbau etabliert hat, so besteht auch im Wearable Computing die Möglichkeit, die Erfahrungen aus anderen Branchen in das Bauwesen zu übertragen, Fehler zu vermeiden und die Lernphase zu verkürzen.

Hierbei ergibt sich folgendes Problem, das sich in mehreren Projekten der Forschungsgruppe an der Carnegie Mellon University zeigte: Für den optimalen Entwurf und die Implementierung von Wearable Computer-Systemen wird sowohl Wissen aus der jeweiligen Branche, in unserem Fall aus dem Bauwesen, als auch aus der IT-Branche, besonders aus den Bereichen Systementwurf und Mensch-Maschine-Interaktion benötigt. Da der Entwurf mobiler IT-Systeme sehr spezielles Wissen erfordert, aber gerade im Bauwesen das Branchenwissen, wie z. B. Arbeitsprozesse, Vorschriften oder die Kenntnis der verschiedenen Projektparteien, besonders wichtig ist, sollte das IT-Wissen den Branchenexperten, also den Entwicklungsingenieuren für Bausoftware, zur Verfügung gestellt werden, damit sie ihr Branchenwissen konzentrierter und effektiver einbringen können.

Aus diesem Grunde wurde eine Möglichkeit gesucht, die vorhandenen Projekte auszuwerten und für den Systementwurf neuer Wearable Computing-Projekte zu nutzen. Hierfür wurde ein Interaktionsmodell entworfen, das es auf Basis von anwendungs- und branchenunabhängigen Randbedingungen und Zwängen erlaubt, die Anwendbarkeit verschiedener Interaktionsmöglichkeiten mit dem Wearable Computer abzuschätzen. Mit Hilfe des Modells lassen sich Arbeitssituationen so beschreiben, dass sie sich auf andere Arbeitssituationen aus unterschiedlichen Projekten abbilden lassen und somit für den Entwurf der Benutzungsschnittstellen vergleichbar werden.

Eine Implementierung und eine Machbarkeitsstudie am Beispiel einer Großbaustelle in Pittsburgh zeigten, dass dieses System sowohl in einer globalen, zentralen Anwendung, als auch in einer unternehmensinternen Version die Entwurfsprozesse für Wearable Computer-Systeme enorm beschleunigen kann.

Wolf-Zdekauer, Benjamin (geb. Wolf)
2005 (1. Preis/Einzelarbeit)

Beschreibung

Energiekosten spielen heute und zukünftig eine zentrale Rolle bei Vermarktungschancen von Büroimmobilien. Eine Realisierung von Gebäuden, bei denen eine Kostenoptimierung über den Lebenszyklus angestrebt wird, kann nur durch integrale Planung und Betrachtung der signifikanten Einflussfaktoren des Gebäudes und der Gebäudetechnik erreicht werden.

Insbesondere bei der Planung und Ausführung der technischen Ausstattung von Bürogebäuden hat der Aspekt der Kostenoptimierung in der Nutzungsphase stark an Bedeutung gewonnen.

Das im Rahmen von Forschungsprojekten am Institut für Massivbau der TU Darmstadt entwickelte Prognosemodell der Betriebskosten zur Energieversorgung ermöglicht die Unterstützung einer Entscheidungsfindung bei derartigen Varianten der Bau- und Anlagentechnik.

Das Ziel dieses Prognosemodells besteht in der Beurteilung des Energieverbrauchs eines Bürogebäudes während der Nutzungsphase unter Berücksichtigung des spezifischen Nutzerverhaltens.

• Die Kenntnis der Verbrauchsstruktur mit der Identifikation der Hauptkostentreiber ermöglicht eine gezielte Optimierung.

Software – Umsetzung

• Energetische Optimierung des Gebäudes durch Analyse der kritischen Zonen.

Anwendungen

• Optimierung der Lebenszykluskosten in sehr früher Planungsphase
• Vertragssichere Prognose der Nebenkosten für Energieversorgung
• Beurteilung von Revitalisierungsmaßnahmen im Bestand (return on invest)

Stübbe, Kai Marcus
2006 (2. Preis/Einzelarbeit)

Nach der Umsetzung der EU-Gebäuderichtlinie werden Energiepässe für Bestandsgebäude Pflicht. Diese müssen bei einem Eigentümer- oder Mieterwechsel vorgelegt werden. Der Energiepass ist ein System zur Kennzeichnung der energetischen Qualität eines Gebäudes. Hierbei werden Gebäude, ähnlich wie „Weiße Ware“ in Energieeffizienzklassen eingeteilt.

Als Alternative zu bestehenden Arbeitsplatzlösungen wurde eine Software entwickelt, die mittels eines kleinen Tablet-PC und Sprachsteuerung alle benötigten Daten mobil erfassen und auswerten kann. Dies rationalisiert die Energiepasserstellung und ermöglicht anhand der berechneten Ergebnisse eine kompetente Energieberatung vor Ort.

Ausgangssituation

Durch den Energiepass sollen energieeffiziente Gebäude hervorgehoben und gekennzeichnet werden. Außerdem sollen sich Mieter und Kaufinteressenten im Vorfeld einen Eindruck von den zu erwartenden Betriebskosten machen können.

Energiepass

Der Energiepass als Kennzeichnung ermöglicht den Vergleich von Gebäuden als Ganzes (inkl. Architektur sowie Bauund Anlagentechnik). Zur Erstellung eines Energiepasses ist eine Vor-Ort-Begehung notwendig. Die Energiepässe werden von Bauvorlagenberechtigten und speziell geschulten Energieberatern ausgestellt. Ein Energiepass soll lt. der Deutschen Energieagentur (dena) für ein Ein- bis Zweifamilienhaus zum Preis von ca. 200 Euro angeboten werden. Um in diesem Kostenrahmen zu bleiben, muss die Datenerfassung vor Ort rationalisiert werden. Daten müssen unmittelbar während der Datenermittlung digital erfasst werden. Die auf dem Markt verfügbare Software ist jedoch für den mobilen Einsatz ungeeignet. Die Datenerfassung mit einem Notebook ist sehr umständlich. Der Energieberater muss es während der Messungen beiseite stellen. Viele Hersteller bieten daher Checklisten in Papierform für die Vor-Ort-Erfassung an. Anschließend müssen diese Daten jedoch in die Software eingegeben und verarbeitet werden. Besser wäre hier ein kleiner mobiler PC zur direkten Datenerfassung und Verarbeitung.

Umsetzung

Mittels eines kleinen Tablet-PC ist es möglich, die Daten direkt digital zu erfassen und zu verarbeiten. Alle Eingaben können über ein berührungssensitives Display oder per Sprachbefehl durchgeführt werden. Es ist möglich, das Gerät in einer Hand zu halten oder am Körper zu befestigen, dabei gleichzeitig Abmessungen zu ermitteln und per Sprachsteuerung einzugeben. Der Arbeitsfluss des Anwenders wird somit durchgängig unterstützt. Durch Einsatz eines Gebäudemodells mit verschiedenen Geometrien reduziert sich der Eingabeaufwand auf ein Minimum. Bauteilkataloge erlauben das einfache Auswählen von Bauteilaufbauten. Die Ergebnisse der Berechnungen stehen anschließend direkt zur Verfügung und eignen sich daher zu einer qualifizierten Energieberatung vor Ort. Es können einzelne Werte verändert werden, um Auswirkungen auf die Energieeffizienz des Gebäudes zu untersuchen und dem Hauseigentümer die für sein Gebäude geeigneten Optimierungsmaßnahmen aufzuzeigen.

Li, Dr. Shutao
2008 (1. Preis/Einzelarbeit)

Statt verschiedene Arbeitsvorgänge seriell auf der Baustelle zu erledigen, werden die Beiträge aller Gewerke in einer Vorfertigungsfabrik produziert. Um eine automatisierte Vorfertigung zu realisieren, müssen moderne IT-Technologien in die Planung und Produktion einbezogen werden. In der Dissertation wurde eine Methodik und Software entwickelt, die die Montage eines individuellen Hauses aus raumhohen Steinen oder Betonfertigelementen mit integrierter Haustechnik vorsieht, die in einer computergestützten Vorfertigung automatisch hergestellt werden. Das vorgestellte Verfahren wurde entwickelt, um die gesamte CAD/CAMKette von der individuellen Hausplanung (Architekt) bis zur Fertigung (Maschine) mit modernen Informationstechnologien zu automatisieren.

Ein vom Architekt entworfenes Hausmodell wird nach dem IFC-Standard exportiert und in dem entwickelten Programm „IfcWallModificator“ eingelesen und bearbeitet. Dazu werden Wände und Öffnungen aus dem IFC-Modell herausgefiltert und die Wandverschnitte korrigiert. Jede Wand wird in einzelne raumhohe Mauerwerksteine automatisch segmentiert. Technologische Erfordernisse, wie z. B. Sturzauflager, werden als sogenanntes „Fertigungsfeature“ angeheftet.

Alle geometrischen und technologischen Informationen werden in einem „BauXML“-Modell zusammengefasst. Ausgehend vom BauXML-Modell koordiniert das neu entwickelte Zellensteuerungsprogramm „Wall - Producer“ alle Fertigungsprozesse in der Vorfertigungsfabrik. Ein Industrieroboter sägt die Steinblöcke auf die benötigten Maße zurecht und fräst Installationsschlitze usw. Zur praktischen Evaluierung wurde ein kleines „Kinderhaus“ in der prototypischen Vorfertigungsfabrik produziert und auf dem Kindgartengelände des Forschungszentrums Karlsruhe aufgebaut.

Eritt, Frank; Geyer, Pierre; Breitbarth, Carsten
2008 (3. Preis/Gruppenarbeit)

Schlagwörter: Bilderverwaltung, Bildersammlung, Bilderdatenbank, Bildersuche, Bildersortierung, Bilderordnung, Bilderthematisierung, Visuelle Bildersuche

Die vorliegende Wettbewerbsarbeit beschäftigt sich mit der Organisation und Verwaltung von digitalen Bilderbeständen bei Großbauprojekten.

Bei heutigen Großbauprojekten fallen hohe Datenmengen in Form digitaler Fotografien an, welche von unterschiedlichen Mitarbeitern erstellt werden. Diese werden zumeist in der, nach jeweiligem Ermessen der Person, besten Struktur auf persönlichen Datenträgern abgelegt und an unterschiedlichen Orten gespeichert.

Dies führt zu mehreren Problemen: Zum einen wissen nicht alle Mitarbeiter von der Existenz der Bilder, haben keinen Zugriff oder können Aufgrund der Vielzahl der Strukturen benötigte Bilder nicht in kurzer Zeit und ohne Rücksprache auffinden. Nebenbei werden die Kriterien Datensicherung, Datenschutz und Bestandsschutz der Daten nach Bauzeitende nicht oder nur ungenügend beachtet. Dies hat wirtschaftliche Nachteile für die Baufirmen. Zum Beispiel im Bereich Lohn- und Personalkosten und im Bereich des Nachtragsmanagements, aufgrund nicht oder schwer auffindbarer Bilder zum Zwecke der Beweisführung.

Unsere Idee im Rahmen dieses Wettbewerbs ist die Vereinfachung des Prozesses mithilfe einer webbasierten Software zur sicheren Datenhaltung, dem ein fachen und strukturierten Ablegen von Bildern und der Möglichkeit des effektiven Findens durch Verknüpfung von visueller, Text- und Detailsuche.

Besonderen Nutzen erhält das System aus der Verknüpfung der Bilder mit Schlagworten, geografischen Informationen und Kamera-Daten wie z. B. Datum, Uhrzeit und Brennweite der Aufnahme. Dieses webbasierte System soll allen Mitarbeitern ermöglichen, in Echtzeit und somit orts- und zeitunabhängig Zugriff auf die firmenweit existierenden Bilder, inklusive der Eigenen, zu erhalten.

Daraus resultieren ein minimierter Zeitaufwand bei der Organisation und Suche, sowie die Sicherheit für das Unternehmen auf alle Bilder über Bauzeitende hinweg vollständig und strukturiert Zugriff zu haben. Das Unternehmen kann zeitnah auf gestörte Bauabläufe reagieren, da zu jederzeit aktuelle Baustelleninformationen zum Abruf bereit stehen. Wettbewerbsvorteile ergeben sich dadurch in der Kostenersparnis und dem verbesserten Informationsfluss innerhalb des Unternehmens.

Schatz, Kristian
2009 (2. Preis/Einzelarbeit)

FFOpControl3D (Fire-Fighter-Operation-Control-3D) ist ein Software-Werkzeug, welches der Einsatzleitung bei der Koordinierung von Einsatzkräften im Brand- oder Katastrophenfall helfen kann.

Hierzu visualisiert FFOpControl3D in einem dreidimensionalen, digitalen Gebäudemodell sowohl die aktuellen Positionen der Einsatzkräfte in Echtzeit als auch die Lage der Brandschutz-Einrichtungen mit einschlägiger Symbolik. Dadurch vermittelt FFOpControl3D Kenntnisse über die Brandschutz-Infrastruktur und die besonderen Gefahrenschwerpunkte innerhalb eines Objektes.

Dies hilft dem Einsatzleiter, sich während des Einsatzes besser in die Lage seiner Einsatzkräfte zu versetzen, es lassen sich Einsatzrisiken minimieren und die Einsatzabläufe beschleunigen. FFOpControl3D kann im Ernstfall helfen, Menschenleben zu retten.

Die Funktionen im Einzelnen:

• 3D-Visualisierung mit dem Grafik-Framework WPF (Windows Presentation Foundation) von Microsoft.
• MultiView: Übersicht und persönliche Sicht weisen (Ego- /Vogel-Perspektive) der Einsatzkräfte während des Einsatzes.
• gbXML-Import: Speicherung des digitalen Gebäude modells in einer zentralen Datenbank. Leichte Aktualisierung der Bestandsdaten nach Umbau und Erweiterungsmaßnahmen.
• Hinzufügen von Brandschutz-Elementen zum digitalen Gebäudemodell.
• Indoor-Ortung: Schnittstelle zur Indoor-Navigations-Integrationsplattform (INI) des Forschungsprojekts „Kontextsensitives RFID-Gebäude-Leitsystem“ am Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen der TU-Darmstadt
• Symbolkatalog mit Piktogrammen u. a. aus der DIN 14034-6 „Graphische Symbole für das Feuerwehr wesen“, der DIN 14675 „Brandmeldeanlagen“ und der DIN 14095 „Feuerwehrpläne für bauliche Anlagen“
• History: Wiederholung des Einsatzablaufs im digtalen Gebäudemodell zu Schulungszwecken.

Gerold, Fabian 2010
(1. Preis/Einzelarbeit)

Im Spannbeton entstehen selbst bei einfachen Systemen komplexe Wechselwirkungen. Mit diesem Simulationstool können Studierende intuitiv spezielle Effekte des Spannbetons erfahren und erlernen. Alle wichtigen Systemparameter können interaktiv variiert werden, die Auswirkungen werden anhand eines Simulationsmodells verzögerungsfrei berechnet und visualisiert.

Die hier vorstellte Software dient der Ergänzung der Lehre an der HTWG Konstanz bei Prof. F. Zahn, PhD.

Video zum Simulationstool:
www.youtube.com/fabiangerold

Umlenkkräfte

Verläuft ein Spannkabel entlang eines Radius, entstehen Umlenkkräfte, die von der Vorspannkraft P und dem Ausrundungsradius abhängen. Der Kabelverlauf wird üblicherweise so gewählt, dass die Umlenkkräfte die Zugspannungen im Beton möglichst gut kompensieren. Hierzu kann die Spannkabel-Geometrie des Beispielsystems (Zweifeldträger) im Simulationstool mit einem Eingabegerät (z. B. Maus) verändert werden:

Alle Ergebnisse wie Auflagerkräfte, Spannungen, Verformungen, Momente, Querkräfte, Umlenkkräfte und Reibungskräfte werden in Echtzeit neu berechnet und visualisiert, so dass ein intuitives Verständnis für das Systemverhalten entsteht.

Reibungskräfte

Die Reibungskräfte zwischen Spannkabel und Hüllrohr führen zu Spannkraftverlusten entlang des Kabels, d. h. auch die Umlenkkräfte nehmen ab von der Spannpresse bis zur Kabelverankerung. Die nach Abzug der Reibungskräfte real zur Verfügung stehende Spannkraft wird im Simulationstool numerisch berechnet und visualisiert (Balken mit Spannkabelverlauf, darunter der Kabelwinkel und die resultierende Spannkraft P(x)).

Siegel, Christian; Wolf-Zdekauer, Benjamin; Buddenberg, Stephan
2011 (1. Preis/Gruppenarbeit)

Die Motivation und Zielsetzung

Im Gegensatz zu heiz- und kältetechnischen Gebäudesystemen sind RLT-Anlagen aufgrund ihrer originären Funktion – der Frischluftversorgung – während der Nutzungszeit permanent in Betrieb. Aus dauerhafter Luftförderung und thermischer Anforderungen an den Zuluftzustand resultieren zahlreiche, energetisch aufwendige Luftbehandlungsfunktionen zum Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten der Außenluftzustände. Diese komplexen, witterungsabhängigen Prozesse stehen in Wechselwirkung untereinander. Gleichzeitig wird die Energieeffizienz der Prozesse von den Betriebsparametern, die die Nutzungsanforderungen abbilden (sollten), beeinflusst.

Die Zielsetzung der energetischen Inspektion von RLT-Anlagen besteht darin, den Energieverbrauch des Gesamtsystems einer RLT-Anlage, das aus Anlagenkonfiguration, Luftkanalnetz, Nutzungsanforderungen, Anlagenstandort und Anlagenbetrieb besteht, an den zur nutzungsspezifischen Raumluftkonditionierung tatsächlich notwendigen Energiebedarf anzupassen. Die Inspektionsaufgabe setzt sich zusammen aus:

• Optimierung der tatsächlich erforderlichen Energiebedarfsmenge
• Abgleich der rechnerischen Energiebedarfs mit der realisierten Energieverbrauchsmenge und Analyse von Differenzen

Die Bilanzierungsmethode

Die Bilanzierungsmethode des Programms besteht aus einer Simulation im Stundenschrittverfahren mit der für ein realitätsnahes, mathematisches Modell des Gesamtsystems einer RLT-Anlage Energiebedarfskennwerte berechnet werden können. Für jedes Berechnungsintervall erfolgt dabei die stationäre Ermittlung der thermodynamischen Zustandsänderungen des jeweils vorliegenden Außenluftzustandes in Richtung eines vorgegebenen Soll-Zuluftzustandes. Die dabei aufzuwendenden Enthalpiedifferenzen werden in Abhängigkeit von den Klimadaten des in der jeweiligen Stunde vorliegenden Außenluftzustandes bestimmt. In Abhängigkeit vom Luftvolumenstrom des Intervalls wird daraufhin für jede Luftbehandlungsfunktion der stündliche Nutzenergiebedarf bilanziert und für nachfolgende Berechnungsschritte in Zeitprofilen gespeichert.

Die Software

Das Softwaretool EInrA bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl von praxisrelevanten Anlagenkonfigurationen unter realitätsnahen Bedingungen abzubilden und den Nutzenergiebedarf zur thermischen Luftaufbereitung zu berechnen. Durch eine sachlogische Anordnung der Kategorien in Reitern und textbasierte Hilfestellungen ist eine übersichtliche Eingabe der Daten möglich. Der Nutzenergiebedarf der RLT-Anlage wird auf Basis von Klimadaten des Deutschen Wetterdienstes berechnet. Über die entsprechende Auswahl eines Datensatzes erfolgt die Berücksichtigung des Anlagenstandortes. Mit der Eingabe gebäudetopographischer Daten oder über eine direkte Definition der Kanalquerschnitte und -längen erfolgt neben der Berechnung des Energiebedarfs zur thermischen Luftaufbereitung auch eine Ermittlung des Druckverlusts im Luftkanalnetz und eine realitätsnahe Berechnung des Energiebedarfs zur Luftförderung. Für die einzelnen Komponenten erfolgt die Ausgabe der Ergebnisse getrennt nach Dampf, Wärme, Kälte, Strom und Wasser. Diese Detailtiefe ermöglicht eine Analyse spezifischer Anlagenkonfigurationen. Als weiterer Programmteil ist das Kennwertverfahren nach Teil 3 der DIN V 18599 abgebildet. Dieser Programmteil ermöglicht eine Plausibilitätsprüfung der Simulationsergebnisse.

Tauscher, Dr.-Ing. Eike; Tulke, Jan; Theiler, Michael; Riedel, Thomas
2012 (1. Preis/Gruppenarbeit)

OPEN IFC TOOLS stellen einen Werkzeugkasten quelloffener Softwaretools für die einfache Verarbeitung und Visualisierung von IFC (Industry Foundation Classes) basierten Bauwerksinformationsmodellen (BIM) dar. Dabei erfolgt sowohl die Unterstützung von Entwicklern durch die Bereitstellung von Softwarebibliotheken als auch von Endanwendern in Form eines IFC-3D-Viewers. Die Entwicklung der Werkzeuge erfolgt auch in Zusammenarbeit mit Mitgliedern der buildingSMART. So wurden bereits Komponenten des 3D-Viewers in den IFC-Zertifizierungsserver GTDS von buildingSMART (http://gtds.buildingsmart.com) integriert. Die entwickelten Bibliotheken sind für Forschung, Lehre und Prototypentwicklung frei verfügbar. Dies bietet die Grundlage für die schnelle Entwicklung BIM-basierter Anwendungen zur Unterstützung komplexer Geschäftsprozesse im Bauwesen. Die bereits veröffentlichten Bibliotheken werden derzeit von mehr als 1.400 registrierten Nutzern aus 65 Ländern genutzt. Darunter befinden sich weltweit mehr als 55 universitäre Projekte aus unterschiedlichsten Anwendungsgebieten der Planung, des Projektmanagements, der Ausführung und dem Facility Management. http://www.openifctools.org