Kostensimulationsmodell zur probabilistischen Lebenszykluskostenermittlung auf Basis digitaler Gebäudemodelle mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation

Spinnräker, Eric Wilhelm; Lützkendorf, Thomas; van Treeck, Christoph Alban

doi:10.18154/RWTH-2020-08008

Kostensimulationsmodell zur probabilistischen Lebenszykluskostenermittlung auf Basis digitaler Gebäudemodelle mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation

Spinnräker, Eric Wilhelm^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eric Spinnräker

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (xvii, 216 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor)^RWTH* ; Lützkendorf, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08008
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794978/files/794978.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (312410)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Das Bauwesen wird dominiert durch eine traditionelle gewerkeorientierte Denk- und Handlungsweise mit dem Fokus „schnell und günstig“ zu bauen. In logischer Konsequenz werden Gebäude mit hohen Betriebskosten, eingeschränkter Nutzungsfunktionalität und hohem Ressourcenverbrauch geplant und errichtet. Die darüber hinaus unzureichende Identifikation und Kommunikation von vorhandenen Unsicherheiten in der Planungsphase führt zu Kosten- und Terminüberschreitungen. Die verstärkte Nutzung IT-gestützter Planungsmethoden wie Building Information Modeling sowie die frühzeitige Betrachtung von Lebenszykluskosten und Integration eines systematischen Risikomanagements stellen zentrale Handlungsempfehlungen zur Lösung dieser Problematik dar. Aktuelle Berechnungsmodelle aus der Ingenieurinformatik greifen die genannten Aspekte, insbesondere in der Kombination, jedoch nur unzureichend auf. Die Berechnung und Darstellung von Lebenszykluskosten empfiehlt sich insbesondere zur Optimierung von Planungen, zum Vergleich von Planungsvarianten, zur Budgetplanung sowie zur Bewertung der ökonomischen Qualität im Rahmen von Nachhaltigkeitsbewertungen. Vor diesem Hintergrund wird in der Arbeit ein webbasiertes Kostensimulationsmodell zur probabilistischen Lebenszykluskostenermittlung BIM5Dplus auf Basis digitaler Gebäudemodelle vorgestellt. Dabei beruht die Berechnung auf der Kapitalwertmethode und der Monte-Carlo-Simulation. Die Berechnungen erfolgen serverseitig in Python und durch unterschiedliche Verfahren zum Ziehen von Stichproben, wie Random Sampling, Latin Hypercube Sampling und Sampling basierend auf Sobol-Sequenzen, kann der erforderliche Rechenaufwand möglichst gering gehalten werden. Der modular gewählte Aufbau ermöglicht Kostensimulationen in den verschiedenen Planungsphasen auf unterschiedlichen Gliederungsebenen. Für frühe Phasen besteht die Möglichkeit über wenige Eingangsparameter statistische Planungs- und Kostenkennwerte anzureichern. Ein vorgestellter Prozess zur Ableitung von passenden Wahrscheinlichkeitsfunktionen, basierend auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, ermöglicht die frühzeitige probabilistische Kostenermittlung. Zusätzlich wurde eine IFC-Schnittstelle zur Datenübernahme aus digitalen Modellen mit dem Ziel der automatisierten Mengenermittlung gemäß der DIN 276 implementiert, um der zunehmenden digitalen Planung mithilfe von BIM gerecht zu werden. Die IFC-Schnittstelle wird im Rahmen dieser Arbeit anhand von drei Testinstanzen validiert. Das Kostensimulationsmodell wird für insgesamt vier Beispiele angewendet, um Einsatzmöglichkeiten darzustellen. Die Anwendung kann dazu beitragen, den Planungsprozess hinsichtlich der ganzheitlichen Betrachtung von Bauwerken sowie der Integration von vorhandenen Unsicherheiten zu verbessern und eine Entscheidungsfindung zu erleichtern.

The construction industry is dominated by a traditional trade-oriented way of thinking and acting with the focus on „fast and cheap“ construction. This leads to the planning and construction of buildings that are hampered by unnecessarily high operating costs, often function poorly and consume a lot of resources. Furthermore, the insufficient identification and communication of existing uncertainties in the planning phase leads to time delays and an exceeding of costs. The increased usage of digital planning methods such as Building Information Modeling (BIM) as well as the early consideration of life cycle costs and the integration of systematic risk management are central recommendations to solve this problem. However, current calculation models from computer sciences in engineering do not adequately address the above-mentioned aspects, especially not in combination. The calculation and presentation of life-cycle costs can be used in particular to optimise construction design, to compare design variants, for budgeting and to assess economic quality in the context of sustainability assessments. Thus, this thesis proposes a web-based cost simulation model for the probabilistic life cycle cost calculation, BIM5Dplus, based on digital building models. The calculation is based on the net present value method and Monte Carlo simulation. The calculations are implemented on the server-side in Python, and the required computing effort can be minimized by using different methods for drawing samples, such as random sampling, Latin hypercube sampling, or sampling based on Sobol sequences. In addition, the modular design allows cost simulations in the various planning phases at different levels of granularity. For early phases, it is possible to provide statistical planning and cost parameters using a few input parameters. A presented process for the derivation of suitable probability functions based on the least squares method allows an early probabilistic cost estimation. In addition, an IFC interface for transferring data from digital models with the aim of automated quantity determination in accordance with the German standard DIN 276 was implemented to meet the requirements of increasing digital planning using BIM. The IFC interface is validated in this thesis using three test instances. The cost simulation model is used for a total of four examples to illustrate possible applications. The applicationcan help to improve the planning process with regard to the holistic view of structures and the integration of existing uncertainties and to facilitate decision-making.

OpenAccess:
PDF
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