Referenzprozesse für die Logistik auf zyklischen Tunnelbaustellen

Bildquelle: © Department ZaB-Zentrum am Berg, Montanuniversität Leoben

Georg Judmaier

Referenzprozesse für die Logistik auf zyklischen Tunnelbaustellen

Der Untertagebau ist in Mitteleuropa, bedingt durch die topographischen Gegebenheiten und den Ausbau der Wasserkraft, der Verkehrsinfrastruktur im Straßen- als auch Eisenbahnbau sowie der städtischen Infrastruktur, ein bedeutender Wirtschaftszweig. Gerade in den letzten Jahren sind Großprojekte wie der Wiener Zentralbahnhof, Stuttgart 21, der Brenner-, Koralm-, und Semmeringbasistunnel sowie die Untertagewasserkraftanlagen Obervermunt II, Reißeck II und Limberg III in Bau oder vor Kurzem fertiggestellt worden.

Die Bauweise von modernen Untertageanlagen wird seit Langem durch Forschung und Entwicklungen stark begleitet. Ein Bereich der Forschung im untertägigen Ingenieurbau, welcher verglichen mit anderen Fachgebieten noch wenig Berücksichtigung fand, ist die Logistik. Diese ist hingegen in der stationären industriellen Produktion in den letzten Jahrzehnten ein wesentlicher Faktor für die Verbesserung der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit von Unternehmen geworden.

Bei Tunnelbauwerken mit Längen von zum Teil über zehn Kilometern ist die Kontrolle und Steuerung der material- und transportintensiven Prozesse eine große Herausforderung. In vielen anderen Bereichen der industriellen Produktion und der Wirtschaft werden seit mehreren Jahrzehnten die Abläufe analysiert, dokumentiert und in unterschiedlicher Art und Weise visualisiert. Seit den 1990er Jahren wird das Augenmerk immer stärker auf die Standardisierung von Prozessen gelegt. Gerade dadurch ergeben sich sehr viele Verbesserungspotentiale, weil diese Referenzprozesse von einem Betrieb auf andere übertragen werden können. Darüber hinaus sind eine Leistungsmessung und der Vergleich zwischen unterschiedlichen Bereichen des Unterneh mens wesentlich einfacher. Mit zunehmendem Einsatz von digitalen Systemen wird die Notwendigkeit von Prozessstandardisierung ebenfalls deutlich erhöht.

Im Rahmen seiner Dissertation führte der Verfasser eine grundlegende Untersuchung der Prozesse und Abläufe auf komplexen, zyklischen Untertagebaustellen durch. Es wurden die Möglichkeiten einer Transformation der in der industriellen Produktion angewandten Logistikkonzepte auf die branchenspezifischen Besonderheiten der Bauindustrie, und hier im Besonderen auf Tunnelbaustellen, geprüft. Die Zielsetzung war es, den Informations- und Materialfluss sowie die Produktionssicherheit durch Standardisierung von Prozessen und deren neues Design entscheidend zu

Abbildung 1: Entwicklungsstufen der Baulogistik (Adaptiert nach Deml A. 2008, S. 73)

verbessern. Dies wurde durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien zum Bestandsmanagement und durch Workflowsysteme unterstützt.

Baulogistik

Die Logistik in der Bauindustrie ist ein junges Forschungsgebiet, welches bisher nur bedingt Eingang in die tägliche Praxis der Unternehmen gefunden hat, wenngleich es in den letzten zehn Jahren einige Initiativen gegeben hat diesen Umstand zu ändern. (Kraus 2006, S. 19 f)

In Abbildung 1 sind die grundlegenden Entwicklungsstufen und Schwerpunkte der Baulogistik zu sehen. Hier zeigt sich die Transformation einer reinen TUL-Logistik hin zu einem integriertem Aufgabengebiet, welches immer stärker Eingang in die Baupraxis findet.

Die Forschungstendenzen in der Baulogistik liegen bislang weniger im Bereich der logistischen Strategien und Supply-Chain-Betrachtungen, sondern es werden vielfach spezifische Problemstellungen oder Technologien ausgewählt und diese für eine beschränkte Domäne untersucht, beziehungsweise dafür Lösungen entwickelt. Ein Beispiel ist das in Deutschland umgesetzte Projekt RFID (Radio Frequency Identification) im Bau, welches Auto-ID Technologien auf die Eignung und die Potentiale für den Einsatz in der Bauindustrie und vor allem der Baulogistik analysiert und bestimmt. (Kelm et al. 2011, S. 2 ff)

Seit einiger Zeit ist der Einsatz von Baulogistikdienstleistern, vor allem bei Innenstadtbaustellen und sehr komplexen Bauvorhaben mit einer Vielzahl an Gewerken, immer stärker verbreitet. Hier wird zum Teil auch ein eigener Baubetriebs- und Logistikleitstand eingesetzt, in dem die operative logistische Planung und Steuerung durchgeführt wird. Dies ist eine Annäherung der Bauindustrie an die stationäre industrielle Produktion.

Vielfach wird von Vertretern der Bauindustrie angeführt, dass die Prozesse nicht mit jenen der stationären industriellen Produktion vergleichbar sind und somit eine Standardisierung der Abläufe nur schwer möglich ist. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass viele Faktoren von Baustelle zu Baustelle unterschiedlich sind:

„ Der Platz der Leistungserstellung ist der Ort des Kunden. „ Jedes Bauwerk ist ein einzigartiges

Projekt mit speziellen Bedürfnissen, Anforderungen, Rahmenbedingungen und Beschränkungen. „ Die Entkopplung der Gewerke in der Bauindustrie ist nur bedingt möglich. „ Viele Baustellen haben ein beschränktes Platzangebot für die

Lagerung und das Handling von

Materialien. „ Die gesetzlichen Bestimmungen und die behördlichen Auflagen können von Baustelle zu Baustelle unterschiedlich sein und somit den Bauablauf entscheidend beeinflussen. „ Eine große Bandbreite an Materialien mit den unterschiedlichsten Eigenschaften wird zur

Errichtung von Bauwerken benötigt. „ Die Routen für die Transporte, können nicht langfristig geplant oder mit den klassischen logistischen Methoden und Systemen, wie sie bei Speditionen eingesetzt werden, disponiert werden. „ Die starke Abhängigkeit vom

Wetter beeinflusst auf der einen

Seite den Aushub von Baugruben und hat auf der anderen Seite auch einen entscheidenden Einfluss auf die Bauleistung selbst. Dies sind Gegebenheiten, mit denen sich die Planer und auch die ausführenden Baufirmen auseinandersetzen müssen. Es gibt jedoch auch viele Abläufe und Prozesse, die für jedes Bauwerk gleich oder ähnlich sind, wie die Warenannahme und Materialwirtschaft, große Teile der baubetrieblichen Dokumentation und die Fortschrittsüberwachung. Gerade diese Tätigkeiten können durch die Entwicklung und die Verwendung logistischer Werkzeuge erheblich unterstützt und erleichtert werden.

Logistik Im Tunnelbau

Die Logistik im Tunnelbau hat besondere Anforderungen zu meistern. Aufgrund des Sackgassen-Systems in den einzelnen Vortrieben hat insbesondere die Planung des Transports der Materialien präzise zu erfolgen, Fehler können rasch zu einer Verzögerung beziehungsweise zu Wartezeiten in den Vortriebs- und Ausbauarbeiten führen. Ein wichtiger Aspekt im Rahmen der Planung ist die Sicherheit, da sich eine höhere Anzahl an Transporten und Manipulationsvorgängen negativ auf die Arbeitssicherheit der Baustelle auswirken kann. Ein weiterer Faktor, der nicht zu vernachlässigen ist, sind die Lagermöglichkeiten am Ort der Leistungserstellung, also an der Ortsbrust, beziehungsweise an den einzelnen Baubereichen im Tunnel, welche räumlich beschränkt sind. Der Tunnelbau ist ein sehr materialintensiver Prozess. Auf der einen Seite müssen große Mengen an Aus-

bruchmaterial abtransportiert werden und in vielen Fällen deutlich vom Portal entfernt deponiert beziehungsweise als Geländemodellierungsmaterial genutzt werden. Auf der anderen Seite müssen im Zuge der Vortriebs- und Ausbauarbeiten große Mengen an unterschiedlichen Materialien, wie zum Beispiel Gebirgsanker, Baustahlbögen und -matten, Spritzbeton, Beton für die Innenschale, Kabel und Elektroinstallationsmaterialien, Ventilatoren und Belüftungssysteme, Fahrbahnelemente oder Gleisanlagen und vieles mehr in den Tunnel transportiert werden. Die Logistik im Untertagebau ist ein nicht zu unterschätzender Faktor, welcher sich in unterschiedlichen Ausprägungen auf die Performance und die Leistung des Vortriebes auswirken kann.

Eine durch den Lehrstuhl für Industrielogistik durchgeführte Befragung, an der europaweit Planer, Baukaufleute, Bauleiter und Prokuristen des Tunnelbaus teilnahmen, zeigte einerseits, dass die Verantwortung vieler logistischer Aufgaben sehr fragmentiert auf unterschiedlichste Stellen aufgeteilt ist, andererseits wurde der Einsatz von einem zentralen Baubetriebs- und Logistikleitstand und Logistikkoordinatoren nur bedingt umgesetzt. Knapp 70 % der Befragten sahen jedoch die Entwicklung des Stellenwerts der Baulogistik als zunehmend oder stark zunehmend. Ebenso wurde eine durchgängige Tunnelbaulogistik als deutlicher Wettbewerbsvorteil am Markt gewertet. Dies führte zur verstärkten Beschäftigung mit diesem Themenkomplex und der Initiierung von Projekten zur wissenschaftlichen Untersuchung der Prozesse der Tunnelbaulogistik.

Bei der Analyse ausgewählter Tunnelprojekte in Österreich und dem europäischen Ausland zeigten sich deutliche Unterschiede in der Ausgestaltung der baulogistischen Systeme. Einerseits ist zu sehen, dass bei maschinellen Vortrieben der Trend immer stärker in Richtung Systeme und Organisation der stationären industriellen Produktion geht. Dies zeigt sich in dem Einsatz von zentralen Baustellenleitständen, der Implementierung von Track & Trace-Systemen und der Einbindung standardisierter und automatisierter Abläufe zum Beispiel in der Tübbingproduktion, den Betonfertigteilen für den Ausbau. Auch die genaue Kontrolle und Planung der Materialver- und entsorgung muss berücksichtigt werden. Andererseits ist zu erkennen, dass die lokalen Gegebenheiten und die Auftraggeber-AuftragnehmerKonstellation einen starken Einfluss auf die Ausprägung und Ausführung der Baulogistik haben.

Im zyklischen Tunnelbau liegt der Schwerpunkt der logistischen Betrachtung in der Ausgestaltung, Planung und Steuerung der Materialflüsse. Eine Standardisierung beziehungsweise eine ganzheitliche logistische Betrachtung ist hier nur bedingt zu erkennen. Wenn besondere Herausforderungen, wie zum Beispiel Innenstadtlagen und damit verbundene strikte Auflagen an die Transportmodalitäten vorherrschen, gewinnt die Betrachtung der Baulogistik wieder deutlich an Stellenwert.

Prozessmodellierung und Standardisierung

Die Beschäftigung, Forschung und Anwendung von Prozessmodellierung, Visualisierung und Standardisierung führte zu einer enormen Veränderung in der Organisation und der Struktur von vielen Unternehmen und ermöglichte die Transformation von funktionalorganisierten zu prozessorganisierten Paradigmen. Dies ermöglichte die Entwicklung der Logistik von klassischen Transport-, Umschlags- und Lagertätigkeiten zu einer flussorientierten Design- und Managementdisziplin.

Ein Ansatz zu einer einheitlichen Prozesslandkarte und einem multifunktionalen und modularen Mapping von Struktur, Akteuren, Schnittstellen und Prozessen in einer Klasse von Gebieten sind Referenzmodelle. Referenzmodelle sind schon seit Jahrzehnten im Bereich der Wirtschaftsinformatik im Einsatz und Abbildung 3: Kernprozesse der Logistik auf Tunnelbaustel- werden dort für die Entwicklung und len (Judmaier et al. 2014, S.130) das Design von Standard-SoftwareLösungen eingesetzt. Dabei führen sie zu einer Reduktion des Arbeitsaufwands für die Programmierung und Adaption des Systems und liefern vergleichbare und messbare Prozesse. (Fettke et al.2003, S. 332 f) Zur Identifikation von Abläufen und zur Ableitung des Modells war es notwendig Logistikprozesse und Schnittstellen auf zyklischen Tunnelbaustellen zu erheben und deren Ausprägung darzustellen. Dies erfolgt einerseits über die Analyse der in der Literatur verfügbaren Informationen und Daten und auf der anderen Seite durch die empirische Datenerhebung auf ausgewählten Tunnelbaustellen. Um diese Ergebnisse zu verifizieren, erfolgte abschließend eine Untersuchung der baubetrieblichen Abläufe bei den Vortriebsarbeiten am Zentrum am Berg (ZAB) am Steirischen Erzberg. Daraus erfolgte die Ableitung der Kernprozesse der Logistik auf Tunnelbaustellen, welche in der Abbildung 3 dargestellt sind. Die Baustelleneinrichtung ist am stärksten durch die örtlichen Gegebenheiten bestimmt und variiert von Projekt zu Projekt sehr. Die Unterschiede liegen zum Beispiel in den verfügbaren Flächen, der vorhandenen Infrastruktur, den Anrainern und vielem mehr. Somit ist eine Standardisierung dieses Ablaufs zwar zu einem Teil möglich, führt aber zu einem geringeren Verbesserungspotential als die Vereinheitlichung häufiger ablaufender Prozesse. Der Schwerpunkt der Untersuchung lag somit auf den operativen Bauabläufen also der eigentlichen Baustellenlogistik. Der Bereich der Zutrittskontrolle wurde als nur bedingt relevant betrachtet und nicht im Detail behandelt. In einem weiteren Schritt erfolgte die Aufnahme der operativen logistischen und baubetrieblichen Prozesse

Abbildung 4: Methodisches Vorgehen bei der Modellierung

auf den Tunnelbaustellen. Dabei wurden die folgenden Elemente erhoben und in einem weiteren Schritt graphisch modelliert:

„ Abläufe und Prozesse „ Verantwortliche Personen „ Organisationseinheiten „ Schnittstellen „ Daten und Dokumente

Nach Evaluierung der Möglichkeiten unterschiedlicher Modellierungssprachen und deren Prüfung der Akzeptanz auf Baustellen wurde Business Process Model and Notation 2.0 (BPMN 2.0) als geeignete Notation identifiziert.

Im Zuge der Darstellung der Prozesse wurde eine Aggregation einiger Abläufe durchgeführt, um einen allgemein gültigen Ordnungsrahmen für die Modellierung von zyklischen Tunnelbaustellen zu erstellen. Der Schwerpunkt der Abbildung liegt auf dem Sprengvortrieb. Bei einem Vortrieb im Lockergestein mittels Hydraulikbagger und einer voreilenden Sicherung durch einen Rohrschirm kann der Teilprozess des Sprengens ausgeblendet und durch die jeweilig nötigen Abläufe ersetzt werden. Die restlichen Abläufe sind auch in diesem Vortriebsfall gültig. Somit ist eine generische Modellierung gewährleistet.

Logistische Referenzprozesse auf zyklischen Tunnelbaustellen

Die graphischen Modelle wurden auf einer Tunnelbaustelle erstellt und in einem iterativen Prozess durch die Untersuchung anderer Baustellen und einer abschließenden Konsistenzprüfung bei der Errichtung des Zentrums am Berg verbessert und komplettiert.

Bei der Untersuchung wurde neben den physischen logistischen Prozessen auch großer Wert auf die Informationslogistik gelegt, welche in der Literatur nur sehr wenig Berücksichtigung findet, aber im Sinne eines ganzheitlichen logistischen beziehungsweise Supply-Chain-Managementansatz eine wesentliche Rolle spielt. Bei der Analyse konnten mehrere Bereiche identifiziert werden, bei denen Verbesserungsmöglichkeiten bestehen.

Diese Bereiche sind:

„ Materialverwaltung und -versorgung „ Zeitnahe Darstellung der baubetrieblichen und baulogistischen

Leistung „ Medienbrüche bei der Dokumentation und des Informationsflusses

Ein Beispiel für den Referenzprozess der Sprengarbeit ist in Abbildung 5 ersichtlich. Dabei werden den jeweiligen Akteuren Swimlanes zugeordnet in denen abgegrenzte Abläufe durchgeführt werden. Die Interaktion, Schnittstellen und Dokumente sind ebenfalls Inhalt der Darstellung.

Abgeleitet aus den Untersuchungen zu den Verbesserungsmöglichkeiten wurde ein Sub-Prozess identifiziert, der einerseits ideal durch ein IKT-System unterstützbar ist und andererseits viele relevante Daten für ein minutenaktuelles Bestandsmanagement und ein Baubetriebscockpit liefert – das Abschlagsprotokoll. Dieses ist ein wesentlicher Teil der Dokumentation der Bauleistung im Tunnelbau, es enthält alle Informationen über den Vortrieb wie zum Beispiel die Länge, die eingesetzten Stützmittel, die Dicke der Spritzbetonschicht, den Einsatz von zusätzlichen Maßnahmen und den geologischen Mehrausbruch.

In einem weiteren Schritt wurde eine App entwickelt und programmiert, mit der eine Digitalisierung des Abschlagsprotokolls auf eine mitarbeiterfreundliche Art und Weise möglich war. Den Usern wurde eine ähnliche Eingabemaske wie bei der handschriftlichen Protokollierung zur Verfügung gestellt, welche sich großer Akzeptanz erfreute und zusätzlich erfolgte eine Speicherung der Parameter in einer Datenbank, welche die Basis für ein Baubetriebscockpit bildet, in dem die aktuelle Bauleistung und die Materialbestände abgerufen werden können.

Die formale Modellierung und die Entwicklung logistischer und baube-

Abbildung 6: GUI der APP zur Digitalisierung des Abschlagsprotokolls

trieblicher Standardprozesse sind im zyklischen Tunnelbau nur bedingt verbreitet. Es weist diese Sonderform einer Linienbaustelle jedoch eine Vielzahl an Prozessen auf, welche sich in ähnlicher Art und Weise im aktuellen Vortrieb aber auch auf anderen Baustellen regelmäßig wiederholen. Somit bietet die Entwicklung von Referenzprozessen eine große Möglichkeit die Kontrolle, Vergleichbarkeit und die Effizienz des Baubetriebs zu verbessern.

Darüber hinaus liefert sie die Basis für generisch anwendbare Softwarelösungen zur medienbruchfreien Datenübertragung und Analyse. Hier könnten Bereiche wie Materialmanagement, Transportplanung und -organisation, Dokumentation und Zutrittskontrolle beziehungsweise das Track & Trace von Personen und Geräten in einem Baubetriebs- und Logistikcockpit vereint werden. Dies führt zu einer zentralen Steuerungseinheit, welche die Effizienz des operativen Baubetriebs nachhaltig verbessert. Literatur:

Fettke P. and Loos P. (2003): Classification of reference models: a methodology and its application in Journal of Information Systems and e-Business Management, Volume 1, Issue 1 Kelm A., Laußat L., Meins-Becker A. (2011): RFID-Baulogistikleitstand RFID-unterstütztes Steuerungs- und Dokumentationssystem für die erweiterte Baulo-gistik am Beispiel „Baulogistikleitstand“ für die Baustelle“ Kurzbericht zum Forschungsprojekt, Kraus S. (2006): Organisationsmodelle in der Baulogistik für Deutschland in: Clausen U. [Hrsg.] „Baulogistik - Konzepte für eine bessere Ver- und Entsorgung im Bauwesen“ Verlag Praxiswissen, Dortmund Judmaier G., Zsifkovits H. (2013): Development of a Logistics Reference Model for Subsurface Construction in Efficiency and Innovation in Logistics: Proceedings of the International Logistics Science Conference (ILSC), Dortmund Judmaier G. (2021): Referenzprozesse für die Logistik auf zyklischen Tunnelbaustellen, Diss. Montanuniversität Leoben

Autor:

Dipl.-Ing. Dr. Georg Judmaier beschäftigt sich an der HTL Leoben mit Fragestellungen der Technoökonomie, der industriellen Logistik und dem Stoffstrommanagement. Sein beruflicher Weg führte ihn nach dem Studium an der Montanuniversität Leoben an den größten Rohstoffstandort der Veitsch-Radex Gmbh&CO KG, wo er als Assistent des Werksleiters tätig war. Danach wechselte er in das Manufacturing Competence Center Raw Materials der RHI, von wo aus er für Projekte in Europa, Südafrika, China, Russland und Brasilien zuständig war. Zusätzlich war er in dieser Zeit als Chief Engineer für Due Diligence Prüfungen und der Planung von potenziellen neuen Standorten weltweit tätig. Durch die Ausbildung zum Lean Six Sigma Black Belt wurde auch die Beschäftigung mit der industriellen Logistik immer stärker, dies und der Wunsch seine Erfahrungen weiterzugeben und sich in dem Thema zu vertiefen führte zum Wechsel an den Lehrstuhl für Industrielogistik. Während der Arbeit am Department für Wirtschaft und Betriebswissenschaften, Lehrstuhl für Industrielogistik, an der Montanuniversität Leoben beschäftigte er sich mit technoökonomischen Aufgabestellungen wie der Referenzmodellierung von logistischen Prozessen auf zyklischen Tunnelbaustellen oder der Entwicklung eines Kostenrechnungssystems für die Bestimmung von varianteninduzierten Kosten. Seit 2014 ist er hauptberuflich an der HTL Leoben beschäftigt und ist seit 2018 zuständig für die Ausbildung des Wirtschaftsingenieur-Nachwuchses im Bereich „Technische Logistik und Management“.

Dipl.-Ing. Dr. Georg Judmaier

Technische Logistik und Management, HTL Leoben