Parametrische Modellierung von flexiblen Tragwerken für die Industrie 4.0

Abstract

Die Industrie 4.0 stellt mit ihren vernetzten und digitalisierten Produktionsprozessen, welche ständigen Anpassungen unterworfen sind, nie dagewesene Ansprüche an unsere Produktionsstätten.Ständige Innovation, wirtschaftliche Abwägungen sowie neue Produktentwicklungen stellen hohe Anforderungen an die Wandlungsfähigkeit von Industriegebäuden. Zusätzlich bestehte in immer höherer Anspruch an die ökologische Nachhaltigkeit unserer gebauten Umwelt.Sequenzielle Planungsprozesse werden in Zukunft diesen hohen Anforderungen nicht gewachsen sein und der Bedarf nach innovativen und integralen Planungsansätzen, welche in kurzer Zeit eine faktische und umfangreiche Entscheidungsgrundlage liefern, steigt. Zu diesem Zweck wird in dieser Forschungsarbeit auf Basis einer umfangreichen Analyse der realen Industriebaulandschaft ein Framework für ein parametrisches Planungstool (PARAT) zur Planung und Optimierung von Industriebauhallentragwerken entwickelt. Dabei werden neben Tragwerksaspekten auch Parameter der Produktions- und Technische Gebäudeausstattungsplanung(TGA) integriert und deren Abhängigkeiten berücksichtigt. Dies ermöglicht schnelle und umfangreicheVariantenstudien für Tragwerkstypologien in der frühen Planungsphase von Industriebauten. Zusätzlich werden Flexibilitätskriterien definiert, welche eine automatisierte Bewertung der generierten Vorentwürfe ermöglicht.Die Forschungsmethode basiert auf einer umfangreichen Case-Study von 22 realen Industriebauten hinsichtlich deren Tragwerkstypologien und Geometrie. Das entwickelte parametrische Framework wird anhand eines realen Industriebauobjektes aus der Lebensmittelproduktion getestet. Die Ergebnisse der Variantenstudie, welche 162 verschiedene Hallentragwerkstypologien umfasst, werden anschließend analysiert und mittels einer Vergleichsberechnung plausibilisiert.Diese Variantenstudie hat gezeigt, dass mittels dem parametrischen Tragwerksskript in kurzer Zeit zahlreiche Tragwerkstypologien für verschiedene Lastsituationen analysiert werden können. Die automatisierte Bewertung der Flexibilität des Vorentwurfs liefert zusätzlich einetransparente Entscheidungsgrundlage für den frühen Planungsprozess. Dies erleichtert und fördertdie Entwicklung von flexiblen Tragwerkssystemen und trägt somit zur Verlängerung der Lebensdauer von Gebäuden bei.

Industry 4.0, with its networked and digitalized production processes that are subject to constant adaptation, imposes unprecedented demands on our production facilities. Constant innovation,economic considerations and new product developments set high demands on the adaptability of industrial properties. In addition, there is an ever-increasing requirement for the ecological sustainability of our built environment.In the future, sequential planning processes will not be able to cope with these high expectations and the need for innovative and integral planning approaches, that provide a factual and extensive basis for decision-making in a short period of time, is increasing. For this purpose, a framework for a parametric planning tool (PARAT) for the planning and optimization of industrialbuilding structures is developed in this research work. The framework is based on an analysisof the real industrial building landscape. In addition to structural aspects, parameters of theproduction and building service equipment (BSE) planning are integrated and their dependencies are considered. This enables fast and extensive variant studies for structural typologies and layouts in the early planning phase of industrial buildings. In addition, flexibility criteria are defined,which enable an automated evaluation of the generated preliminary drafts.The research method is based on a case-study of 22 real industrial buildings regarding theirstructural typologies and geometry. The parametric framework developed is tested for a real industrial production building. The results of the variant study, which includes 162 different hallstructure typologies, are then analyzed and checked for plausibility via a comparative calculation.This variant study has shown that using the parametric structural script, numerous structuraltypologies for different load situations can be analyzed in a short time. The automated evaluation of the flexibility of the preliminary design also provides a transparent basis for decision making for the early planning process. This facilitates and promotes the development of flexible structural systems with an enhanced lifespan.