Was Sie über Layoutplanung unbedingt wissen sollten

Der Begriff Layoutplanung setzt sich aus zwei Begriffen mit folgender Bedeutung zusammen:

• Layout: das Ausgelegte, Plan oder Entwurf; auch als eine detaillierte Visualisierung eines gedanklichen Bildes für die spätere Ausführung zu verstehen
• Planung: die gedankliche Vorwegnahme von Handlungen in Abwägung bzw. dem Vergleich möglicher Varianten

Beide Begriffe beinhalten den Gestaltungswunsch eines zukünftigen Zustandes.

Grundsätzlich sollten bei der Aufstellung sämtlicher Ausrüstungen in der Fabrik geringstmögliche Transport- und Kostenaufwände erzielt werden. In einer Fabrik gibt es viele Anordnungsobjekte, wie Maschinen, Arbeitstische oder Lagerelemente, von denen Transporte ausgehen können.

Dadurch ist eine optimale Aufstellung in einem Layout auch eine Herausforderung für den Planer, da er leicht hunderte verschiedener Transportbeziehungen in eine Gesamtbetrachtung bringen muss. Das ist dann Gegenstand der Materialflussplanung. Neben den Transporten ist auch der Flächenbedarf für benötigte Ausrüstung und Material ein wichtiger Faktor in der Layoutplanung, da er maßgeblich die Raumkosten beeinflusst.

Um die Komplexität der Layoutplanung einer Fabrik auf ein gesundes Maß zu reduzieren und Aufgaben besser verteil- und beherrschbar zu machen, wird in hierarchischen Ebenen geplant (siehe Bild rechts). Dadurch sinkt einerseits der Zeitaufwand für die Planung, andererseits können in gleicher Zeit bessere Lösungen erzeugt werden. Der Detailgrad der Layoutplanung steigt mit absteigender Ebene – vom Produktionsstandort (grau) über eine Werkhalle (blau) bis hin zur Fertigungsinsel (grün).

Zwischen den einzelnen Betrachtungsebenen wird im Planungsprozess immer wieder gewechselt, unabhängig vom Planungsfortschritt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Trennung der Betrachtungsebenen frühzeitig und möglichst genau zu definieren. Das erleichtert die Layoutplanung im späteren Verlauf deutlich.

Bei der Schaffung eines nachhaltigen Konzeptes für die Fabrik ist ein einzelner Tag nur eine kleine Momentaufnahme. Viel wichtiger ist es, die Produktion über einen längeren Zeitraum zu betrachten und dafür eine optimale Aufstellung zu finden, die sich nur minimal ändern muss, um sich geänderten Bedingungen anzupassen. Das spart Zeit und Kosten.

Das grundlegende Konzept ändert sich kurzfristig nicht mehr. Jedoch ermöglicht ein aktuelles, gut strukturiertes Layout, kleinere Änderungen im Tagesgeschäft schnell umzusetzen.

Das Fabrikmodell enthält alle notwendigen Objekte, um einen Produktionsstandort zu planen. Dabei sind ortsveränderliche (Ausrüstung) und nicht ortsveränderliche Objekte (Gebäude) zu berücksichtigen. Im Layout erfolgt letztlich die räumliche Anordnung aller Objekte und die Betrachtung des Zusammenspiels hauptsächlich hinsichtlich Fläche und Materialfluss.

Grundlegende Methoden haben sich in der Layoutplanung nicht geändert, jedoch hat die Technologieentwicklung, insbesondere die Informationstechnologie, die Anwendung der bekannten Methoden stark beeinflusst. Der Wandel betrifft vor allem die Unterstützung des Planers bei aufwändigen, manuellen Tätigkeiten durch Automatismen. Die Unterschiede werden klar, wenn man die analoge und die digitale Planung vergleicht.

Papierplanung kann als zweidimensionale, analoge Layoutplanung verstanden werden. Dazu werden die Anordnungsobjekte der Fabrik als maßstäbliche Papierschablonen ausgeschnitten (z. B. 1:100), um diese anschließend auf einem gedruckten oder gezeichneten Hallengrundriss auszulegen. Die Papierplanung hat ihren Ursprung im vordigitalen Zeitalter, wird aber auch heute noch teilweise eingesetzt.

Der Vorteil einer Papierplanung besteht in der einfachen Möglichkeit, gemeinsam an einem Tisch zu planen und Ideen auszutauschen. Dadurch entsteht ein kreativer Lösungsprozess. Zudem kann die Erzeugung einfacher Papierschablonen relativ schnell und kostengünstig erfolgen. Der Nachteil der analogen Planung ist jedoch das Fehlen computergestützter Rechenleistung bei komplexen Aufgaben, wie der Materialflussplanung; auch die effektive Speicherung und Weiterverwendung verschiedener Varianten und Arbeitsstände ist sehr aufwändig. Örtlich verteiltes Arbeiten ist deutlich erschwert oder unmöglich.

An dieser Stelle kommt die Digitalplanung ins Spiel, welche die Nachteile der Papierplanung aufhebt und gleichzeitig die gemeinsame Arbeit und den Ideenaustausch ermöglicht. Digitalplanung erweitert die Möglichkeiten zudem auch im Hinblick auf eine realistische 3D-Planung, die u. a. Fehler durch Höhenkollisionen vermeiden kann (Tor zu niedrig z. B.), und ermöglicht die Ad-hoc-Berechnung und Visualisierung hunderter Transportbeziehungen und anderer Planungskenngrößen, sobald ein Planungsteilnehmer eine Ausrüstung im Layout verschiebt. Dadurch werden die Qualität und Akzeptanz von Lösungen deutlich gesteigert.

Um das gemeinsame Arbeiten der Papierplanung digital zu machen, muss eine Software einfach bedienbar sein, eine passende Modellbibliothek bereitstellen und ggf. auch Fingereingaben an entsprechenden Touch-Geräten erlauben. Dadurch können wesentlich mehr Beteiligte in den Planungsprozess einbezogen werden, die für den Ideenaustausch und Lösungsprozess wichtig sind.

Erst im zweiten Schritt werden die so angeordneten Produktionssegmente ausgeplant – und auch nur, wenn das Ideal- oder Blocklayout freigegeben wurde. Der Grund dafür ist der Zeitaufwand, der beim nun folgenden Feinlayout um ein Vielfaches steigt, da wesentlich mehr Anordnungsobjekte und Randbedingungen betrachtet werden müssen. Ein Groblayout lässt sich viel leichter und schneller verwerfen als ein vollständig ausgeplantes Feinlayout.

Ein Fertigungsbereich, der vorher nur als Block abgebildet wurde, wird später in einzelne Planungsobjekte aufgelöst. Das Feinlayout mündet am Ende in einen detaillierten Aufstellplan, welcher für die Realisierung in der Fabrik herangezogen wird und die zukünftige Aufstellung sämtlicher Ausrüstung zeigt.

Grundsätzlich eignet sich immer der Top-down-Ansatz. Das heißt konkret: Im ersten Schritt wird der Planungsgegenstand so weit wie nötig vereinfacht, indem z. B. nur mit einfachen Blöcken und ganzen Produktionssegmenten (z. B. Fertigungsinseln) das Layout gestaltet wird. Dabei wird die Anzahl der Anordnungsobjekte stark reduziert, was eine sehr schnelle und zunächst grobe Planung ermöglicht. Im Ergebnis entsteht das sogenannte Ideallayout oder auch Blocklayout.

Egal ob Ideal-, Block- oder Feinlayout – es gibt immer verschiedene Varianten zu vergleichen. Transportaufwand und Flächenbedarf sind dabei die zwei wichtigsten Kenngrößen. Aber auch andere Aspekte, wie kreuzender Verkehr, Kosten eines Transportsystems oder Anforderungen an bestimmte Funktionsbereiche (z. B. Reinräume), können eine Rolle spielen und werden beim Vergleich von Layoutvarianten herangezogen.

Damit sich ein Planer auch auf die eher weichen Faktoren beim Variantenvergleich konzentrieren kann, unterstützt ihn Software bei der Berechnung der Hauptkenngrößen und komplexer Zusammenhänge auf Basis eines digitalen Layouts. So können Layoutvarianten sehr schnell anhand von Kennzahlen verglichen und ausgewählt werden; die verbleibenden Varianten werden dann im Team im Detail betrachtet.

Ziel der Digitalisierung ist es, ein konsistentes, einfach zu erweiterndes Fabrikmodell zu erzeugen – unabhängig davon, ob es zwei- oder dreidimensional ist. Grundlage dafür ist eine Modellbibliothek, die idealerweise alle für die Layoutplanung benötigten Fabrikausrüstungen enthält. Die Planungsmodelle müssen maßlich korrekt, leicht auffindbar und identifizierbar sein und sollten in einem für die Fabriklayoutplanung geeigneten Detailgrad vorliegen.

Grundsätzlich wird dabei zwischen Gebäudedaten und Ausrüstungsdaten unterschieden. Bestehende Gebäude verändern sich i. d. R. nur geringfügig, neu geplante Gebäude können sich im Planungsprozess dagegen stark verändern. Ein digitales Gebäudemodell muss in seine Etagen zerlegbar sein, um beplant werden zu können.

Ausrüstungen werden als bewegliche Anordnungsobjekte in der Layoutplanung verwendet und ändern sich i. d. R. nicht mehr. Sie werden einmalig als Planungsobjekt in die Modellbibliothek übernommen. Komplexere Anlagen werden so in Einzelmodelle zerlegt, dass die Anordnung wie gewünscht vorgenommen werden kann.

Die größte Herausforderung ist es, neben der eigentlichen Bestandsaufnahme diese digitalen Daten effektiv für den Planer nutzbar zu machen. Denn seine Aufgabe ist es, die optimale Aufstellung in der Fabrik zu finden. Die Erzeugung der dafür erforderlichen Geometrien und letztendlich der Planungsobjekte ist eine vorbereitende Maßnahme.

In der Fabriklayoutplanung gilt das Grundprinzip „so detailliert wie nötig“. Je nach Planungsphase sollten die passenden Modelle bereitstehen. Das können einfache Anordnungen von Blöcken sein (grob visualisierte Fertigungsgruppe im Blocklayout) oder ein detailliertes Maschinenmodell vom Ausrüster (inkl. Steuerpanel, Türen und Signalleuchte im Feinlayout). Digitale Modellbibliotheken können örtlich verteilt genutzt und verwaltet werden.

Die Entscheidung hängt vom Planungsziel ab. Folgende Fragen helfen, Klarheit zu schaffen:

Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft verschiedene Detailgrade eines Planungsmodells einer Spritzgussmaschine in 2D und 3D. Die Detaillierung steigt von links nach rechts. Aufwand für die Erzeugung und Qualität des Planungsmodells müssen gegeneinander abgewogen werden. Die Entscheidung für eine Detailstufe sollte vorrangig von der Erreichbarkeit des Planungsziels abhängig gemacht werden.

Beispielsweise kann in der ersten Detailstufe (links) mit dem 3D-Modell eine relativ genaue Blockaufstellung der Ausrüstung mit Gesamthöhenbetrachtung realisiert werden. Spielt die Höhe überhaupt keine Rolle, würde auch eine reine 2D-Darstellung ausreichen. Es ist jedoch nicht möglich, Bestandteile wie Materialzuführung, Bedienseite oder Teilhöhen zu erkennen. Wenn diese eine wichtige Rolle in der Planung spielen, wäre die dritte Detailstufe (2. v. r.) besser geeignet. In der 2D-Darstellung sollte die Bedienseite dann ggf. mit entsprechender Symbolik eingezeichnet werden. Wenn das Modell sehr genau identifizierbar sein und für Präsentationszwecke einschließlich Virtual Reality genutzt werden soll, eignet sich die vierte Detailstufe (rechts) – ausschließlich in 3D – besonders gut, da hier Details wie im realen Produkt noch erkennbar sind und die maßstäbliche 1:1-Visualisierung gut unterstützen.

Ein hoher Detailgrad bedeutet nicht gleichzeitig eine sehr große Datenmenge. Gut optimierte Planungsmodelle besitzen nur noch 1/100 bis 1/1.000 der ursprünglichen Datenmenge der originalen Produkt- oder CAD-Daten, um die Aufstellung von tausenden Objekten im digitalen Fabrikmodell überhaupt zu ermöglichen.

Ähnlich verhält es sich mit den Gebäudedaten. Die folgende Abbildung zeigt eine mögliche Detaillierung je nach Anwendungsfall. Der Detailgrad steigt von links nach rechts.

In der ersten Detailstufe (links) werden räumliche Begrenzungen sowohl in der Fläche als auch in der Höhe zur TGA grob berücksichtigt. Sollen auch Tür- und Fensteröffnungen in der Planung berücksichtigt werden, ist zumindest die zweite Detailstufe (Mitte) notwendig; die realitätsnahe Visualisierung erfordert die dritte Stufe (rechts).

Das Layout ist auch ein digitales Dokument. Es bildet die Fabrik idealerweise im aktuellen oder zukünftig geplanten Zustand ab. Ein derartiges Fabrikmodell ermöglicht auch die Dokumentation sämtlicher Ausrüstung einschließlich ihrer Eigenschaften (Bezeichnung, Funktion, Investition usw.). Ein aktuelles, gepflegtes Layout ist damit ein wichtiger Baustein für das Qualitätsmanagement einer Fabrik und kann als Kommunikationsplattform für alle Beteiligten in der Organisation dienen – sowohl horizontal als auch vertikal.

In vielen Fällen hilft die 3D-Ansicht einer Planungssoftware, Planungsfehler zu vermeiden und den Fabrikbetrieb zu unterstützen. Folgende Aspekte spielen dabei eine Rolle: