Agentenbasierte Methoden für die fertigungsgerechte Planung adaptiver Modulbauweisen aus Betonfertigteilen

Antragsteller

Prof. AA Dipl.(Hons) Achim Menges Universität Stuttgart, Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD)

Bearbeiter

Dipl.-Ing., LEED AP Tobias Schwinn Universität Stuttgart, Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD)

Dipl.-Ing. David Stieler Universität Stuttgart, Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD)

Projektbeschreibung

Hocheffiziente, lastadaptierte Strukturen, zeichnen sich durch ein hohes Maß an Bauteildifferenzierung aus. Gemäß dem Prinzip „Individualität im Großen – Ähnlichkeit im Kleinen“ soll diese Variabilität durch adaptive Grundmodule unter den Bedingungen der Serienfertigung realisierbar werden. Um das Potential adaptiver Modulbauweisen mit Fließfertigungsmethoden hinsichtlich Schnelligkeit und Qualität bei gleichzeitiger Flexibilität für das Bauwesen zu erschließen, sind daher computerbasierte Planungsmethoden erforderlich, die sowohl Anpassungsfähigkeit der Bauteilgeometrie als auch eine stets fertigungsgerechte Planung ermöglichen. Im Mittelpunkt dieses Teilprojektes steht somit die Entwicklung einer Planungsmethode für modularisierte Betonstrukturen unter Berücksichtigung von multi-kriteriellen Aspekten der Segmentierung, der Fügung, sowie der Fertigung und der Montage. Durchgängig digitale Modelle sollen dabei einerseits den Anforderungen des Entwurfs- und Planungsprozesses genügen, sowie die Grundlage für die digitale Fertigung bilden. Es steht jedoch nicht allein die Durchgängigkeit im Vordergrund, sondern vor allem die Integration durch systematische Rückkopplung von Anforderungsparametern aus üblicherweise zeitlich nachgestellten Planungsphasen in den Entwurf. Diese Rückkopplung soll im Planungsprozess nicht sporadisch erfolgen, sondern hochfrequent-iterativ in automatisierten, regelbasierten digitalen "Schleifen". Über die vorgenannten Kriterien hinaus, kommt dabei auch den Schnittstellen zur Tragwerksplanung und zu LCA und LCC besondere Aufmerksamkeit zu.

Als Lösungsansatz wird die agentenbasierte Modellierung (ABM) vorgeschlagen. Diese erlaubt, komplexe Wechselwirkungen jenseits datenbankbasierter bzw. parametrischer Planungsmethoden abzubilden, wie in zahlreichen Vorarbeiten am ICD Stuttgart im Bereich des integrativen, computerbasierten Planens aufgezeigt. Aufbauend auf diesem methodischen Rahmenwerk, soll die ABM-Methode hinsichtlich der Fließfertigung von Betonfertigteil-Konstruktionen erweitert werden. Die Entwicklung von ABM-Methoden für die fertigungsgerechte Planung adaptiver Modulbauweisen aus Betonfertigteilen umfasst daher die Analyse und Systematisierung von System- und Prozessparametern, z.B. hinsichtlich Modularisierung, Funktionsintegration und Schalungsplanung, sowie den Transfer der maßgeblichen System- und Prozessparameter in ein regelbasiertes Agentenmodell. Die Synthese der Anforderungen in dem agentenbasierten Modellierungsansatz geschieht zunächst als allgemein anwendbare Planungsmethodik für digital hergestellte Betonfertigteile, bevor im Rahmen einer spezifischen Fallstudie die Methode validiert und evaluiert werden soll. Ein neuer, wesentlicher Beitrag dieses Projekt ist die Optimierung des Agentenverhalten durch bestärkendes Lernen.

Perspektivisch ist die Methode nicht nur als integrativer Planungsansatz relevant, sondern auch als Steuerungs- und Regelungsmethode im Rahmen eines sensor-integrierten Cyber-Physischen Produktionssystems.

Poster zu den Projektinhalten

Veröffentlichungen

2023

[5] Kolbeck, L.; Kovaleva, D.; Manny, A.; Stieler, D.; Rettinger, M.; Renz, R.; Tošić, Z.; Teschemacher, T.; Stindt, J.; Forman, P.; Borrmann, A.; Blandini, L.; Stempniewski, L.; Stark, A.; Menges, A.; Schlaich, M.; Albers, A.; Lordick, D.; Bletzinger, K.-U.; Mark, P.
Modularisation Strategies for Individualised Precast Construction—Conceptual Fundamentals and Research Directions
Designs 2023, 7, 143. https://doi.org/10.3390/designs7060143

2022

[4] Stieler, D., Schwinn, T., Menges, A.
Volumetric Intersections – Modularization approaches for Freeform Prefab Concrete Construction
Civil Engineering Design, Ernst & Sohn, doi.org/10.1002/cend.202100047
 
[3] Stieler, D., Schwinn, T., Menges, A.
Additive Formwork in Precast Construction: Agent-based methods for fabrication-aware modularization of concrete building elements
Proceedings of the annual conference for Computer-Aided Architectural Design Research in Asia (CAADRIA). Sydney, April 2022 
 
[2] Stieler, D., Schwinn, T., Menges, A.
Automatisierte Bauteilzerlegung für Betonfertigteile mittels additiver Schalungen
Beton- und Stahlbetonbau, Ernst & Sohn 

2020

[1]    Menges, A.; Schwinn, T.; Stieler, D.:
Agentenbasierte Methoden für die fertigungsgerechte Planung adaptiver Modulbauweisen aus Betonfertigteilen.
In: BetonWerk International Nr. 3, 2020, S. 26
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