Vertikale Fabriken systematisch planen

Neue Flächeninanspruchnahme und -versiegelung führen zum Verlust lebenswichtiger Funktionen des Ökosystems, darunter Grundwasserneubildung, Kohlenstoffbindung und Bodenfruchtbarkeit, und verschärfen zudem das Hochwasserrisiko und den Verlust der Biodiversität [1]. Dementsprechend hat die Europäische Union das Ziel fixiert, bis 2050 die Netto-Flächeninanspruchnahme auf null zu senken [2]. Länder wie Deutschland und Österreich haben sich dem folgend Ziele zur Reduktion ihrer Flächeninanspruchnahme bis 2030 gesetzt, die in beiden Ländern allerdings noch um ein Vielfaches höher liegt als angestrebt [3, 4]. Somit wird verfügbare Fläche auch zu einem knappen Produktionsfaktor für Industriebetriebe.

Vertikale Fabriken werden daher zunehmend zu einer attraktiven Alternative, insofern in ihnen Produktions- und Logistikprozesse über mehrere Geschosse ablaufen. Gerade im urbanen Raum hat sich dieses Prinzip seit Beginn der Industrialisierung bewährt und ermöglicht Produktion in räumlicher Nähe zu Fachkräften und Kunden [5]. Durch die Entwicklung günstigerer Transportmittel und Betonfertigteile wurden Fabriken allerdings vorzugsweise in der Peripherie angesiedelt [6]. Heute bietet dafür moderne innerbetriebliche Fördertechnik die Möglichkeit, auch vertikale Materialflüsse effizient umzusetzen.

Allerdings bringt die Planung einer vertikalen Fabrik zusätzliche Herausforderungen im Vergleich zu eingeschossigen Bauten mit sich. Zum einen sind Planungsmethoden und -tools nicht für die Komplexität mehrgeschossiger Fabriken ausgelegt [7]. Zum anderen gibt es weniger Anhaltspunkte für die Planung, da Referenzlösungen und Gestaltungsrichtlinien fehlen. Hier setzt dieser Beitrag an, indem er Fabriktypen definiert, die sich an den Herausforderungen, Nutzenpotenzialen und Kontextbedingungen realer vertikaler Fabriken orientieren. Diese schaffen eine Orientierung für menschliche Planende und bieten die Basis für eine nachvollziehbare, intelligente Entscheidungsunterstützung. Die gewählten Fabriktypen berücksichtigen dabei nicht nur physische Layoutaspekte, sondern auch die Gestaltung von Kommunikations- und Personenflüssen und damit grundlegende Bedingungen für die Arbeitsorganisation in mehrgeschossigen Produktionsumgebungen.

State-of-the-Art: Fabrikplanung und Fabriktypen

Fabrikplanung beschreibt den systematischen Prozess von der Zielfestlegung bis zum Hochlauf der Produktion, sowohl für Neuplanungen als auch für Umplanungen im Bestand [8]. Dieser Prozess ist in mehrere Phasen aufgeteilt, die einen zunehmenden Detaillierungsgrad der Planung beschreiben. In der Phase der Konzeptplanung werden Groblayouts für die Fabrik entworfen und somit auch die Entscheidung für oder gegen eine vertikale Fabrik getroffen [9].

Hierfür wurden ausgiebig mathematische Optimierungsansätze erforscht, zum Teil auch für mehrgeschossige Layouts [10]. Allerdings scheitert die Anwendung dieser Ansätze in der Praxis häufig am nötigen Wissen über die eingesetzten mathematischen Optimierungsmethoden und an der Verfügbarkeit ohne Programmierkenntnisse einsetzbarer Tools [11]. Dementsprechend erscheinen Expertensysteme vielversprechend, die menschliches Fachwissen mit quantitativen Methoden kombinieren [10]. Aktuell orientiert sich die Planung in der Praxis vornehmlich an materialflussorientierten Strukturen für Fabriklayouts [12].

Diese zweidimensionalen Strukturen sind allerdings nicht direkt auf Layouts mit mehreren Geschossen übertragbar. Modelltypen vertikaler Fabriken wurden bereits aus städtebaulicher Sicht beschrieben [13]. Diese bieten allerdings keine Anhaltspunkte für die Gestaltung der Layouts innerhalb der Gebäude. In [14] und [15] werden Strukturen für mehrgeschossige Montagefabriken vorgeschlagen, die sich durch variable Öffnungen in der Deckenkonstruktion auszeichnen. Eine Typologie vertikaler Fabriken, die verschiedene Ansätze für die Anordnung von Fertigungs-, Montage- und Logistikbereichen liefert, konnte allerdings nicht gefunden werden.

Forschungsdesign: Von Merkmalen zu Fabriktypen

Als zentrale Artefakte dieses Beitrags werden eine Morphologie, die den Raum an Gestaltungsoptionen beschreibt, und Typen vertikaler Fabriken, die den Gestaltungsraum auf eine anschauliche Anzahl an Beispiellösungen reduzieren, vorgestellt.

Morphologische Ansätze strukturieren komplexe, mehrdimensionale Problemräume, insbesondere wenn diese nur begrenzt quantifizierbar sind. Eine morphologische Analyse beschreibt einen solchen Raum über Merkmale und deren diskrete Ausprägungen. Ziel ist es, den Lösungsraum systematisch aufzuspannen und über eine Konsistenzprüfung auf plausible Konfigurationen zu begrenzen. Ein zentrales Element ist dabei das Cross-Consistency Assessment, mit dem unvereinbare Kombinationen ausgeschlossen werden [16]. Morphologien eignen sich damit besonders für frühe Planungsphasen, in denen Gestaltungsoptionen zunächst transparent gemacht werden sollen.

Typologien dienen dazu, empirische Objekte entlang relevanter Merkmale zu ordnen und auf wenige analytisch sinnvolle Typen zu verdichten. Die gewählten Merkmale müssen dem Zweck des Artefakts entsprechen und die betrachteten Objekte tatsächlich sinnvoll unterscheiden. Zugleich soll eine Typologie prägnant, robust und erklärend sein [17].

Grundlage für die Entwicklung der beiden Artefakte bilden leitfadengestützte Experteninterviews über zehn vertikale Fabriken aus dem deutschsprachigen Raum. Befragt wurden Experten aus Produktion, Logistik oder Facility Management aus großen und mittleren Unternehmen, die an ihren Standorten Maschinen, elektrische Ausrüstungen, Nahrungsmittel, Metall- oder pharmazeutische Erzeugnisse produzieren.

Die Interviews erfassten einerseits die Motivation für die Realisierung einer vertikalen Fabrik sowie den daraus entstandenen Nutzen und andererseits damit einhergehende betriebliche Herausforderungen und die Lösungen für diese. Inhaltliche Schwerpunkte waren Produktion, Materialfluss, Layoutgestaltung und bauliche Anforderungen. Ziel war es, wiederkehrende Problemstellungen fallübergreifend zu identifizieren und zu ermitteln, welche Gestaltungsvarianten zu ihrer Lösung eingesetzt wurden. Trotz der unterschiedlichen Branchen, Unternehmensgrößen und Planungsfälle zeichnete sich im Verlauf der Datenerhebung eine inhaltliche Sättigung hinsichtlich der auftretenden Problemstellungen und Lösungen ab.

Die Morphologie wurde problemorientiert entwickelt. Ausgangspunkt waren die in den Fallstudien beobachteten Lösungen. Diese wurden danach gruppiert, welche planerische Aufgabe bzw. Problemstellung sie adressieren. Daraus wurden wiederkehrende Aufgaben abgeleitet, die in der Planung vertikaler Fabriken gelöst werden müssen. Diese Aufgaben bilden die Merkmale der Morphologie; die in den Fallstudien beobachteten Lösungsansätze bilden deren Ausprägungen.

Für die Bildung von Fabriktypen wurde die initiale Merkmalsmenge reduziert. Berücksichtigt wurden nur Merkmale, die einerseits einen wesentlichen Einfluss auf das Groblayout und andererseits auf zumindest eine der Nutzendimensionen vertikaler Fabriken haben. Merkmale, die vor allem der späteren Ausdetaillierung dienen, bleiben als Varianten in der Morphologie erhalten, werden jedoch für die Typbildung nicht berücksichtigt. Anschließend wurde ein Cross-Consistency Assessment durchgeführt. Dabei wurden ungültige oder ungünstige Kombinationen von Ausprägungen ausgeschlossen. So wurde der morphologische Raum auf konsistente und planerisch plausible Konfigurationen begrenzt.

Die Ableitung der Fabriktypen erfolgte entlang der identifizierten Nutzendimensionen und zugehörigen Wirkprinzipien. Für jede Nutzendimension wurden jene Merkmalsausprägungen kombiniert, die in den Fallstudien konsistent zur Erreichung des jeweiligen Nutzens beigetragen haben. Ein neuer Typ wurde immer dann definiert, wenn sich durch die Variation eines oder mehrerer Merkmale eine signifikant unterschiedliche Zielsetzung oder ein veränderter Anwendungskontext ergab. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Typen sowohl funktional als auch hinsichtlich ihrer Einsatzbedingungen klar voneinander abgrenzen.

Die Typen werden jeweils durch eine repräsentative Konfiguration, die adressierte Nutzendimension und geeignete Kontextbedingungen beschrieben. Dadurch entsteht ein Artefakt, das sowohl den Konfigurationsraum strukturiert als auch die Auswahl geeigneter Lösungsansätze unterstützt.

Morphologie: Fünf Merkmale vertikaler Fabriken

Aus den Experteninterviews konnten initial insgesamt zehn verschiedene Problemstellungen vertikaler Fabriken identifiziert werden. Bild 1 zeigt die daraus abgeleiteten Merkmale und ob diese in die Typenbildung eingeflossen sind oder nur als Detail für die Variantenbildung in die Morphologie aufgenommen wurden.

Somit gibt es fünf Merkmale vertikaler Fabriken, die einen wesentlichen Einfluss auf das Groblayout und den angestrebten Nutzen haben können. Für jedes Merkmal wurden, wie in Bild 2 dargestellt, 3–5 Ausprägungen identifiziert, woraus sich 288 mögliche Konfigurationen ergeben. Nach dem Ausschluss unzulässiger oder ungünstiger Kombinationen bleiben noch 66 Konfigurationen, die die Basis für die Definition der Fabriktypen bilden.

Fabriktypen: Nutzendimensionen mithilfe von Experteninterviews definiert

Die Ableitung von Fabriktypen aus der Morphologie erfolgte anhand von Nutzendimensionen, die durch eine vertikale Fabrik erreicht werden können. Dafür wurden in den Experteninterviews sowohl die initialen Beweggründe für die Realisierung einer vertikalen Fabrik als auch die Vorteile, die im Betrieb beobachtet wurden, abgefragt. Daraus lässt sich der Nutzen einer vertikalen Fabrik über die in Bild 3 angeführten Wirkprinzipien zusammenfassen.

Zur Bildung der Fabriktypen wurden Rahmenbedingungen untersucht, die in Bezug auf die typbildenden Merkmale besonders relevant sind. Hierzu zählen die Fertigungsform (in weiterer Folge kurz: Fe), die Logik der Produktionssegmentierung (Se), die Größe der hergestellten Produkte (Pr), die Anforderungen an das Maschinenfundament (Fu) und der Planungsfall (Pl). Bild 4 zeigt die entstandenen Fabriktypen mit deren Nutzen und zugehörigen Wirkprinzipien entsprechend Bild 3, Konfigurationen der typbildenden Merkmale entsprechend Bild 4 und geeigneten Rahmenbedingungen.

Individuelles Layout schnell entwickelt

Die Validierung der entwickelten Typen vertikaler Fabriken erfolgt anhand des Fallbeispiels eines mittelständischen Unternehmens, das große elektrische Anlagen produziert. Ziel dabei ist die Demonstration der praktischen Anwendbarkeit sowie der potenziellen Wirkung des Ansatzes. Die Baugruppen werden in einer Inselfertigung gefertigt und anschließend in einer Baustellenmontage zum Endprodukt montiert. Das Unternehmen möchte seine Produktionskapazität durch Aufstockung des Bestandsgebäudes vergrößern, um weiterhin von der Verfügbarkeit hoch qualifizierter Fachkräfte am bestehenden Standort zu profitieren. Es zeigt sich somit, dass der Typ 5.2 für diese Rahmenbedingungen uneingeschränkt geeignet ist. Folglich wird dieser als Vorlage für ein zweigeschossiges Groblayout genutzt, das mit einer eingeschossigen, rein horizontalen Erweiterung verglichen wird. Bild 5 zeigt die Grundrisse der beiden Erweiterungsvarianten.

Die Bewertung beider Varianten ergibt, dass das zweigeschossige Layout 39,8 % weniger Grundfläche benötigt und gleichzeitig den manuellen Materialflussaufwand um 7,1 % reduziert. Die Validierung zeigt die Nützlichkeit des Ansatzes, da schnell ein individuelles Groblayout entwickelt werden konnte, das die Vorteile vertikaler Fabriken für den konkreten Anwendungsfall erschließt.

Intelligente Layoutplanung basierend auf Fabriktypen

Insbesondere für Anwendungsfälle mit einer Vielzahl an zu verplanenden Bereichen und komplexen Materialflüssen kann eine intelligente Planungsunterstützung helfen, ein optimales Layout zu finden. Hierfür können vorhandene Ansätze wie Metaheuristiken oder Reinforcement Learning eingesetzt werden, die Layouts generieren, die quantitativen Kriterien gut entsprechen, aber qualitative Faktoren vernachlässigen [11]. Die entwickelten Fabriktypen berücksichtigen die für vertikale Fabriken besonders relevanten Faktoren allerdings bereits über ihre Nutzendimensionen. Daher wird folgende Vorgehensweise zur Entwicklung eines optimalen Fabriklayouts vorgeschlagen:

1. Der geeignetste Fabriktyp wird wie oben beschrieben ausgewählt.
2. Die Ausprägungen des gewählten Fabriktyps werden als Randbedingungen für den Optimierungsalgorithmus definiert.
3. Der Optimierungsalgorithmus liefert eine optimale Konfiguration in Bezug auf quantifizierbare Kriterien wie den Materialflussaufwand.

Fabriktypen als Basis intelligenter Layoutplanung

Dieser Beitrag entwickelt erstmals eine problemorientierte Morphologie für vertikale Fabriken und leitet daraus Fabriktypen als planungsorientierte Archetypen ab. Sie schlagen eine nachvollziehbare Brücke zwischen empirisch beobachteten Lösungsansätzen und der praktischen Layoutgestaltung und geben Planenden im sonst unüberblickbaren, dreidimensionalen Lösungsraum eine reduzierte, inhaltlich belastbare Orientierung.

Ihr besonderer Nutzen liegt in der intelligenten Layoutplanung: Da die Fabriktypen die für vertikale Fabriken relevanten qualitativen Faktoren bereits explizit erfassen, lassen sie sich als Randbedingungen für Optimierungsverfahren nutzen. So werden qualitative Aspekte und quantitative Metriken zugleich berücksichtigt, während der verkleinerte Lösungsraum eine schnellere Konvergenz ermöglicht.

Darüber hinaus können digitale Assistenzsysteme die Anwendung der Fabriktypen weiter vereinfachen. Die Morphologie und die daraus abgeleiteten Fabriktypen wurden bislang im Tool „Morpheus“ modelliert [18]. Darauf aufbauend erscheint die Entwicklung eines KI-gestützten digitalen Konfigurators vielversprechend, der geeignete Typen auswählt und an in natürlicher Sprache beschriebene Rahmenbedingungen anpasst.

Einschränkend können weitere Fallstudien zusätzliche Ausprägungen sichtbar machen. Auch hierin zeigt sich eine Stärke des Ansatzes, da sich die Morphologie flexibel um weitere Merkmale, Varianten oder Kontextbezüge ergänzen lässt.

Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Projekts „RE:STOCK INDUSTRY“, das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unter der Projektnummer FO999907638 gefördert wird.

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