Modular precast construction is a methodological approach to reduce environmental impacts and increase productivity when building with concrete. Constructions are segmented into similar precast concrete elements, prefabricated with integrated quality control, and assembled just-in-sequence on site. Due to the automatised prefabrication, inaccuracies are minimised and the use of high-performance materials is enabled. As a result, the construction process is accelerated, and the modules can be designed to be lightweight and resource-efficient. This contribution presents the fundamentals of modular constructions made from precast concrete components. Then, to elaborate the requirements of a contemporary modular precast construction, the historic developments are described. Further, concepts and technical processes–comprehensible to non-expert readers–are introduced to formalise the discussion about the current state-of-the-art methods. Three case studies treating ongoing research are introduced and related to the conceptual fundamentals. The research is evaluated with regard to current barriers and future directions. In conclusion, modular precast construction is able to reduce emissions and increase productivity in the sector if researchers and firms coordinate the development of suitable technologies that bring value to critical stakeholders.

Modulare Baukonstruktionen ermöglichen die serielle und automatisierte Herstellung von Fertigteilen, welche kontrolliert in einem Fertigteilwerk produziert und anschließend auf der Baustelle in kurzer Zeit montiert werden können. Hierdurch können Herstellungsprozesse weitreichend optimiert und neue Technologien der automatisierten und robotergestützten Fertigung eingesetzt werden. Die Fertigung im Werk verringert Lärm, Staub und Stau auf den Baustellen und durch die Rationalisierung von Prozessen im Fertigteilwerk können Verschnitt‐ und Abfallmengen minimiert und somit Ressourcen eingespart werden. In der vor Witterung geschützten Umgebung können zudem Hochleistungswerkstoffe mit hoher Präzision verarbeitet werden, sodass deren Eigenschaften optimal ausgenutzt werden und eine hohe gleichbleibende Qualität erzielt wird. Von dem planenden Ingenieur verlangt modulares Bauen ein umfassendes Verständnis und die Berücksichtigung der Herstellungsprozesse sowie eine sorgfältige Planung aller Fügestellen des Tragwerks. Das Planungsteam steht vor der Herausforderung, trotz aller Anforderungen durch die Modularisierung, Rationalisierung und Fertigung ein funktionales, dauerhaftes und ästhetisch hochwertiges Bauwerk zu entwerfen. In den in diesem Beitrag vorgestellten Entwurfsstudien stellen sich die Autoren dieser Aufgabe, indem sie Technologien aus aktuellen Forschungsprojekten des modularen Betonbaus in einem einheitlichen Entwurfsszenario einer Fußgängerbrücke anwenden.

Capturing human knowledge underlying the design and engineering of products has been among the main goals of computational engineering since its very beginning. Over the last decades, various approaches have been proposed to tackle this objective. Among the most promising approaches is the application of graph theory for representing product structures by defining nodes representing entities and edges representing relations among them. The concrete meaning of these structures ranges from geometry representations over hierarchical product breakdowns to functional descriptions and flows of information or resources. On top of these graph structures, graph rewriting techniques provide another powerful layer of technology. By enabling the formal definition of rules for transforming graph structures, they allow on the one hand side to formally capture the engineering development process. On the other hand, the assembly of rewriting rules into graph grammars allows for an exhaustive search of the solution space of the engineering problem at hand. In combination with search strategies, an automated optimization of the design under given constraints and objectives can be realized. The paper provides an overview of the current state-of-the-art in graph rewriting and its applications in engineering design, with a focus on the built environment. It concludes with a discussion of the progress achieved and the missing research gaps.

In order to enable the prefabrication of bridge structures in a continuous production line, extensive changes in design and -execution are necessary. Therefore, this paper explains a holistic and end-to-end digital design process for a modular construction system that composes planar, additively manufactured modules. The system is computationally represented with a graph-based data model, laying the foundation for design automation employing graph rewriting rules. Sets of rules are employed to generate modular structures according to two approaches: Either existing component geometries are segmented, or rules formalize the aggregation of structures. At this process state, predominantly geometric information is available. This information is developed into a semantically rich representation of the decomposition until a highly detailed production model for each module can be instantiated parametrically. Because of the flexible definition based on NURBS, the production model can depict a variety of possible joining situations and connections. Beyond this, the model is the basis of the printing path generation for the additive manufacturing process. The path is determined according to the principal stress directions, numerically interpolating the results of a non-linear FE analysis. Along this printing path, the alignment of carbon fibre reinforcement is steered by custom nozzle technology, enabling outstanding material properties of the manufactured components.

Zum Titelbild: Die außergewöhnlich schlanke Fußgängerbrücke aus Hochleistungsbetonfertigteilen besitzt eine Hauptspannweite von 76 m bei einer Höhe von 1,80 m.Sie verbindet

Für die Vorfertigung von Brückentragwerken in industrieller Fließfertigung sind weitreichende Veränderungen in Entwurf und Ausführung nötig. Deshalb erläutert dieser Aufsatz einen ganzheitlichen und durchgängig digitalen Planungsprozess für eine modulare Bauweise mit ebenen, additiv gefertigten Grundmodulen. Als Grundlage eines automatisierten Entwurfs wird das System mithilfe eines graph‐basierten Modells abgebildet, darauf aufbauende Graphersetzungsregeln erzeugen modulare Tragwerke gemäß zweier Herangehensweisen: Einerseits werden bestehende Bauteilgeometrien segmentiert, andererseits formalisieren Regeln die Aggregation zu Strukturen. Die zu diesem Prozessschritt vorrangig geometrische Information wird in eine semantisch reichhaltige Darstellung der Zerlegung entwickelt, sodass daraus ein hochdetailliertes Produktionsmodell für jedes Modul parametrisch instanziiert werden kann. Dieses Modell ist durch die flexible Beschreibung mit NURBS in der Lage, eine Vielzahl an Verbindungs‐ und Fügesituationen abzubilden. Schließlich fungiert es auch als Grundlage der Pfadgenerierung für die additive Fertigung. Der Druckpfad wird dabei entlang den Hauptzugspannungsrichtungen ermittelt, durch numerische Interpolation der Ergebnisse einer nichtlinearen FE‐Analyse. Entlang dieses Pfades wird die Ausrichtung von Carbonfaserbewehrung mithilfe angepasster Düsentechnik gesteuert, wodurch herausragende Materialeigenschaften der gefertigten Komponenten erreicht werden können.