Bauablaufplan zur Simulation und Fertigungssteuerung beim modellbasierten Planen und Bauen

Der bauteilorientierte Bauablaufplan ist das Herzstück der Simulation und Fertigungssteuerung beim modellbasierten Planen und Bauen. Als bidirektionales Werkzeug steuert er den Ablauf der Simulation, dokumentiert bewusst herbeigeführte Optimierungen im Bauablauf oder der Ausführungsplanung und stellt die daraus gewonnenen Informationen im Bauablaufplan zur Fertigungssteuerung bereit. Aus der Kopplung der Methodiken Netzplantechnik, Prozessmodellierung und Entscheidungsmanagement entstehen schlüssige Datenketten mit automatisierten Änderungen und Ergänzungen sowohl im Bauablaufplan als auch im Bauwerksmodell mit seinen Bauteilen. Die Praxistauglichkeit einer Simulation verlangt unabhängig von den vertraglichen Regelungen nach einer gewerkeübergreifenden Fertigungssteuerung.

Ziele der Fertigungssteuerung

Die positive Wirkung der Fertigungssteuerung auf Bauablaufpläne, Lieferpläne für Baustoffe, Einsatzpläne für Arbeitskräfte, Geräte und Nachunternehmer wird immer wieder bestätigt. Baustellen laufen störungsarm, die Qualität der Bauwerke steigt und die Zufriedenheit der Projektbeteiligten ist hoch. Diese Erkenntnisse sind zusammen mit den positiven betriebswirtschaftlichen Effekten Anlass, eine konsequente Fertigungssteuerung für Baustellen einzuführen.

Modellbasiertes Planen und Bauen

Modellbasiertes Planen und Bauen, häufig mit BIM¹  beschrieben, ist eine Methode, die besonders geeignet ist, auch unterschiedliche Bauverfahren mit ihren Fertigungsvorgängen für eine Baustelle zu vergleichen. Gerade die Visualisierung der Auswirkungen auf Bauteile, die Visualisierung ihrer Geometrie und ihrer Positionierung im Bauwerk ist hilfreich bei der Bewertung der Alternativen und damit einer Entscheidungsfindung. Hierfür wird eine Variante des Bauwerksmodells erstellt, die den Anforderungen der späteren Fertigungssteuerung genügt. Dieses Fertigungsmodell²  bildet Bauteile in ihren Fertigungsvorgängen und Fertigungsabschnitten zusammen mit Montage- und Hilfskonstruktionen oder Schalungen und Rüstungen ab. Fertigungsmodelle sind gewerkeübergreifend ausgeprägt. Sie orientieren sich an den ineinandergreifenden Fertigungsvorgängen, unabhängig von vertraglichen Regelungen mit den einzelnen Bauausführenden.

Simulation der Fertigung

Fertigungsmodelle sind geeignet, die einzelnen Fertigungsvorgänge in einer Simulation ablaufen zu lassen. So können die Bedingungen für die Baustellenlogistik, die räumlichen Anforderungen aus dem Fertigungsvorgang und auch die gegenseitige Beeinflussung von parallelen Fertigungsvorgängen erkannt werden. Diese Erkenntnisse können im Rahmen einer Optimierung des Bauablaufs zu Änderungen in der Werk- und Detailplanung oder den Bauverfahren führen.

Ein weiterer Aspekt der Simulation ist die Beurteilung der Arbeitssicherheit und die Erstellung des SiGePlans³ . Eine virtuell unterstützte Einweisung der auf einer Baustelle tätigen Personen zur Erhöhung der Arbeitssicherheit ist in einigen Bauunternehmen⁴  als nächster Schritt bereits Realität.

Die Simulation der Fertigung berücksichtigt die Fertigungsvorgänge und die Baustellenlogistik aller an der Bauausführung beteiligten Organisationseinheiten und Firmen, die zeitgleich auf der Baustelle Leistungen erbringen.

Ziel eines Bauablaufplans

Mit dem Bauablaufplan werden die Fertigung eines Bauwerkes geplant und die dazu notwendigen Fertigungsvorgänge mit Ressourcen und Materialien den einzelnen Fertigungsabschnitten zugeordnet. Damit wissen die Ausführenden auf der Baustelle, wann sie welche Fertigungsschritte erbringen sollen, welche Ressourcen sie dazu benötigen und welches Material in welcher Menge bereitstehen muss. Diese Informationen können zu einer Entlastung des Baustellenpersonals und zu einer Reduzierung von Fehlern bei der spontanen Ermittlung von Ressourcen und Materialien führen.

Im Gegensatz zu einem Bauzeitenplan, der in einer Übersicht die Ausführung und Abfolge einzelner Gewerke darstellt, zeigt der Bauablaufplan die tatsächlich notwendigen Fertigungsvorgänge in ihrer zur Ausführung erforderlichen Abfolge. Diese Abfolge der einzelnen Fertigungsvorgänge ist die Grundlage für eine weitgehend automatisierbare Ermittlung der durch die Baustellenlogistik bereitgestellten Ressourcen und Materialien.

Beispiel: Welche Menge Fertigbeton muss für den vorgesehenen Betonierabschnitt abgerufen werden? Welche Menge an welchen Systemschalungselementen ist für die Schalung der Ortbetonwände dieses Betonierabschnitts erforderlich? Die Daten zur Ermittlung dieser Mengen werden über das Fertigungsmodell mit seinen Geometrien und Attributen zusammen mit den im Bauablaufplan festgelegten Vorgängen für die Fertigungsabschnitte bereitgestellt.

Bauteilorientierter Bauablaufplan

Der bauteilorientierte Bauablaufplan wird aus den Fertigungsvorgängen gebildet, die den Fertigungsabschnitten der entstehenden Bauteile zugewiesen sind. Den Vorgängen werden die für die Planung und Ausführung verantwortlichen Rollen und Organisationseinheiten (Firmen, Büros) als auswertbare Attribute zugeordnet. Eine Zuordnung zu Gewerken erfolgt nur nachrangig, da gerade bei komplexen Systembauteilen immer wieder mehrere angesprochen werden müssen.

Beispiel: Schalung vorbereiten ­­­­­­­­­–­ Einschalen ­­­­­­­­­– Bewehren ­­­­­­­­­– Betonieren ­­­­­­­­­– Ausschalen

oder Fertignasszelle versetzen ­­­­­­­­­– Sanitäranschlüsse herstellen ­­­­­­­­­– Elektroanschlüsse herstellen

Abbildung 1: Bauablaufplan aus einer bauteilorientierten Mengenermittlung (Quelle: Peter Rösch)

Die klassische Mengenermittlung nach Bauteilen (Abbildung 1) bildet auch in der modellbasierten Fertigungssteuerung die Grundlage für die schlüssige Datenkette zur Verknüpfung der Informationen aus der Arbeitskalkulation mit den Einzelkosten der Teilleistungen hin zu den Vorgängen des Bauablaufplans.

Nach welchem systematisierten Ordnungsschema– BAS (Bauarbeitsschlüssel) oder anderen –, die Fertigungsvorgänge gebildet werden, ist von der Bauaufgabe abhängig. Zur Vereinheitlichung sollte in einer Organisationseinheit hierfür ein gemeinsames Ordnungsschema verwendet werden. Die Zuweisung aus dem Ordnungsschema wird in den Stammdaten zur Kalkulation von Teilleistungen für die Angebots- oder Arbeitskalkulation und den attribuierten Objekten, die zur Erstellung des Bauwerksmodells⁵  genutzt werden, hinterlegt. Damit entfällt die einzelne Attribuierung von Bauteilen im Bauwerksmodell. Durch diese Verknüpfung ist sichergestellt, dass sich die Änderung bei Aufwand, Ressource oder Menge in der Dauer eines Vorgangs niederschlägt.

Alle Vorgänge werden über die Netzplantechnik verknüpft, die Darstellung erfolgt als Balkenplan (Gantt-Diagramm).

Der Kritik einer mangelnden Übersichtlichkeit von Balkenplänen bei einem hohen Detaillierungsgrad und damit hoher Anzahl von Vorgängen, wie sie aus einem Fertigungsmodell entstehen, kann heute mit der Nutzung einschlägiger Anwendungssoftware für Bauablaufpläne mit Ansichtsfiltern begegnet werden.

Ermittlung der Fertigungsvorgänge

Die Fertigung eines Bauteils erfolgt in Abhängigkeit vom gewählten Bauverfahren in einzelnen Fertigungsschritten. Ein oder mehrere Schritte können notwendig sein, um ein Bauteil ganz oder teilweise zu fertigen. Die Ermittlung der einzelnen Fertigungsvorgänge erfolgt durch die Zerlegung der Hauptprozesse einer Gewerkegruppe in logische Modulprozesse nach Bauelementen zur Bestimmung der Herstellungsreihenfolge.

Darüber hinaus werden auch Fertigungsvorgänge ermittelt, die zu anderen Gewerkegruppen gehören, jedoch in die Herstellungsreihenfolge eingegliedert werden müssen. Als Beispiel kann ein Fertigungsvorgang des Gewerkes Elektroarbeiten Leerrohre in die Schalung der Ortbetonwände einlegen“ dienen, der bei der Herstellung des Bauteils Ortbetonwände notwendig ist.

Beispiel:

• Stellen der Schalung für die äußere Wandseite
• Einbau von Aussparungen oder Durchführungen
• Bewehren der Wand
• Einlegen von Leerrohren für die Elektromontage
• Einschalen der inneren Wandseite
• Betonieren der Wand
• Nachbehandlung des Betons
• Ausschalen der Wand

Diese Fertigungsvorgänge können in unterschiedlichen Gewerken, verschiedenen Positionen in Leistungsverzeichnissen und damit auch Verträgen vereinbart sein. Für den Bauablaufplan ist die vertragliche Situation nicht relevant. Die tatsächliche Steuerung der Fertigung und damit der Bauausführung muss idealerweise alle Fertigungsvorgänge, die sich gegenseitig bedingen, berücksichtigen.

Die baubetrieblich und/oder fertigungstechnisch erforderliche Abfolge einzelner Fertigungsvorgänge wiederholt sich nicht nur an einem Bauwerk, sondern auch an anderen Bauwerken und kann damit als Prozesskette⁶  schlüssig beschrieben und automatisiert wiederverwendet werden.

Gerade die Digitalisierung von Bauprozessen erfordert ein hohes baubetriebliches und baubetriebswirtschaftliches Verständnis und ermöglicht damit eine konsequente und effiziente Bauablaufplanung.

Wahl der Fertigungsabschnitte

Die Wahl der Fertigungsabschnitte kann aus unterschiedlichen Motivationen erfolgen. So sind größere Fertigungsabschnitte das Ziel, wenn beispielsweise selten Rüstzeiten anfallen sollen. Auch durch die gewünschte Taktung des Bauablaufes kann der Zuschnitt des Fertigungsabschnitts begründet sein. Beispiel: Die Betonierabschnitte werden so gewählt, dass das Wochenende für die Ausschalfristen in Frage kommt.

Eine andere Motivation, Fertigungsabschnitte zu wählen, kann die Vorhaltung einzelner Ressourcen sein. Beispiel: Werden die Wände einer Etage in zwei Fertigungsabschnitten hergestellt, ist nur ca. die Hälfte des notwendigen Schalmaterials erforderlich. Welche der Varianten Wirtschaftlichkeit, Qualität und Termintreue am besten balanciert, geht aus der Simulation des Bauablaufes hervor.

Die Kombination von Fertigungsabschnitten und Fertigungsschritten wird auch als Job Control bezeichnet.

Besonderheiten innerer Mengen

Die Ermittlung der inneren Menge kann in Abhängigkeit von der Wahl der Fertigungsabschnitte unterschiedlich sein. So können andere innere Mengen einzelner Fertigungsschritte erforderlich sein, wenn die Fertigungsabschnitte kleiner gewählt werden. Ein Beispiel ist die notwendige Stirnschalung bei der Aufteilung des Betonierabschnitts für die Wände einer Etage. Diese Regelwerke der Mengenermittlung können in geometrisch parametrisierten Objekten von Bauwerksmodellen schlüssig abgebildet werden. So entsteht ein Automatismus für innere Mengen bei der Aufteilung oder Zusammenlegung von Fertigungsabschnitten.

Ressourcen und Vorgangsdauer

Die Vorgangsdauer für die einzelnen Fertigungsschritte wird in Abhängigkeit vom gewählten Bauverfahren aus den Werten der Fertigungsmenge auf der Basis der inneren Menge, der Aufwandswerte, der Arbeitszeit je Tag oder Schicht und der vorgesehenen Ressourcen ermittelt. Die Berechnung der Ergebniswerte dieses Arbeitsverzeichnisses wird automatisiert.

Beim Einsatz von Leitressourcen wird die Dauer eines Vorgangs alleine von der wirksamen Arbeitszeit dieser Ressource bestimmt. Als Leitressourcen eines Vorgangs können beispielsweise Großmaschinen oder einzelne Spezialisten für handwerkliche Leistungen wirken.

Ein anderer Weg, die Dauer eines Vorgangs zu bestimmen, kann fertigungstechnisch begründet sein. So ermittelt sich die Anzahl der eingesetzten Ressourcen oder Arbeitskräfte daraus, ob ein Vorgang an einem Tag abgeschlossen werden kann, weil am folgenden Tag mit dem nächsten Fertigungsabschnitt fortgefahren werden soll. Hierbei kommt es dann zu einer Anpassung der Ressourcen oder Arbeitskräfte.

Allen Wegen der Ermittlung einer Vorgangsdauer ist gemein, dass unabhängig davon, welche Größe geändert wird, die Werte der jeweils anderen Größen schlüssig errechnet werden können.

Abhängigkeiten von Vorgängen

Im Rahmen der im Bauwesen eingesetzten Netzplantechnik gibt es unterschiedliche Abhängigkeiten zwischen zwei Vorgängen. Diese Anordnungsbeziehungen regeln die Abhängigkeit der Vorgänge untereinander. Eine Ende-Anfang-Beziehung weist eine serielle Abfolge von einzelnen Vorgängen vom Ende seines Vorganges zum Anfang des nächsten auf. In der Netzplantechnik sind weitere Beziehungen möglich: Anfang–Anfang, Ende–Ende, Anfang–Ende. Für die Simulation des Bauablaufes sollte die Verbindung Ende–Anfang verwendet werden. Die Auswirkungen anderer Abhängigkeiten können einer Veränderung im Bauablauf nicht gerecht werden. Aus diesem Grund hat die Deutsche Bahn AG⁷  für geforderte Bauablaufplanungen die Ende-Anfang-Beziehung von den Vorgängen gefordert. Eine Parallelisierung von zwei Vorgängen kann auch über Ende-Anfang-Beziehungen erreicht werden. Diese wird dann durch die Verwendung eines gemeinsamen Vorgänger-Vorgangs erreicht.

Auch hier gelten die getroffenen Regelungen aus dem Bauablaufplan. Ausschließlich verknüpfte Vorgänge werden hierin geführt, womit die Auswirkungen von veränderten Vorgangsdauern zwingend ermittelt werden.

Geschäfts- und Logikregeln

Die Ausführung einzelner Vorgänge folgt fachlichen Regeln. Diese Regelwerke können in die Prozessketten als Entscheidungstabellen⁸  eingebunden werden. Beispiel: Bei einer durchschnittlichen Lufttemperatur von X Grad Celsius beträgt die Abbindedauer Y Stunden.

Die Geschäftsregeln können auch für die Überwachung von Arbeitszeitregelungen herangezogen werden. So kann ermittelt werden, ob die Belastung der Arbeitskräfte aus Mehrarbeit an einzelnen Tagen die regulatorischen Anforderungen in Hinsicht auf die Arbeitswoche oder den Arbeitsmonat erfüllt.

Gantt-Diagramm mit Kalendarium

Die Verwendung eines auf der Basis der Netzplantechnik ermittelten Gantt-Diagramms bietet die zur Simulation und zur Fertigungssteuerung erforderliche Berücksichtigung des Kalendariums. Dieses berücksichtigt auf den Bauablauf wirkende Tagesarbeitszeiten, Schichtdauern, Feier- und Urlaubstage zusammen mit fertigungstechnisch notwendigen Ruhe- und Abbindezeiten. Gerade die baubetriebliche Optimierung der Fertigung bis hin zur Taktplanung wird hierdurch unterstützt.

Simulation mit Bauwerksmodell und Bauablaufplan

Die Simulation des Bauablaufes wird durch die Abfolge der Vorgänge des Bauablaufplanes und der darin ermittelten Dauern gesteuert. Das visualisierte Bauwerksmodell zeigt die geplante Abfolge der Fertigungsvorgänge mit den jeweils vorgesehenen Dauern im wirklichkeitsnahen Tages- und Wochenrhythmus.

Mit dieser Ausprägung der Simulation wird die Kapazitätsplanung für die erforderlichen Ressourcen (Arbeitskräfte, Leistungsgeräte) und deren Optimierung unterstützt. Über die Ganglinien wird deutlich, in welchem Fertigungsabschnitt gleichzeitig wie viele Arbeitskräfte auch gewerkeübergreifend beschäftigt sind. Über die Visualisierung der Ressourcen wird sichtbar, in welchem Bauwerksteil aktuell welche Gewerke ausgeführt werden.

Die Simulation zeigt auch den Ressourcen- und Materialbedarf der einzelnen Fertigungsabschnitte über den Tages- oder Schichtablauf innerhalb der Bauwerkstopologie. Dies wiederum dient als Grundlage zur Planung behinderungsfreier Baustellentransporte und zur Bereitstellung von Hebe-, Förder- und Transportgeräten.

Informationen in Echtzeit zur Fertigungssteuerung

Die in der Simulation fortgeschriebenen Daten des Bauablaufplanes und der Arbeitskalkulation stehen zur Fertigungssteuerung in Echtzeit zur Verfügung. So wird die Baustellenlogistik mit der Information unterstützt, welche Menge von welchem Material zu welchem Zeitpunkt an welchem Bauteil für welchen Fertigungsschritt bereitgestellt werden muss. Idealerweise kann der hierzu erforderliche Abruf des Materials medienbruchfrei digital erfolgen.

As-Built-Dokumentation

Mit der Verwendung des Materials können der Einbauort und der Einbautermin jeder Charge im Bauwerksmodell über die Bauteile und im bauteilorientierten Bauablaufplan über Fertigungsvorgänge gemeinsam dokumentiert werden. Die Kombination aus Bauablaufplan und Bauwerksmodell kann somit zur As-Built-Dokumentation verwendet werden. Hieraus sind neben den geometrischen Informationen und den Attributen zur Qualität und Beschaffenheit der Bauteile auch der Zeitraum oder der Zeitpunkt der Leistungserbringung als Soll-Ist-Vergleich im Detailterminplan dokumentiert.

Änderungen in der Ausführung

Werden im Rahmen der Fortschreibung der Ausführungsplanung Geometrien einzelner Baukörper oder deren Qualitäten geändert, führt dies zu einer „automatischen“ Änderung des Bauablaufplanes, sobald die Änderungen im Bauwerksmodell eingearbeitet sind. Die Ermittlung des Ressourcenbedarfes eines Vorganges gilt sowohl für die Leitressource als auch für alle weiteren. Bestehende Vorgangsverknüpfungen und die für die Vorgangsdauer relevante Ressourcenanzahl haben Bestand.

Unerwünschte Verschiebungen infolge von Änderungen in der Ausführung von einzelnen Fertigungsvorgängen im Kalendarium, z. B. die Abbindezeiten, sind direkt sichtbar und können durch Änderungen des Bauablaufes, des Zuschnittes von Fertigungsabschnitten oder der Taktplanung optimiert werden. Diese Informationen werden für folgende Simulationen und die reale Fertigungssteuerung aus dem Bauablaufplan in die Arbeitskalkulation und das Bauwerksmodell zurückgeschrieben.

Schlüssige Datenkette

Die Veränderungen einzelner Werte, die zur Ermittlung der Dauer oder des Ressourcenbedarfs eines Vorganges führen, wirken direkt auf den Bauablauf, auf die dort ausgewiesenen Termine und die erforderlichen Materialien. Diese geschlossenen Datenketten sind bidirektional. Werden Menge oder Aufwandswert für einen Vorgang geändert, verändert sich dessen Dauer. Wird im Bauablaufplan selbst die Dauer zwanghaft geändert, ändert sich über die Rückrechnung die notwendige Ressourcenanzahl. Kombinationen dieser Varianten sind möglich. Das gilt gleichfalls für die Ermittlung von Materialmengen.

Automatische zusätzliche Vorgänge im Bauablaufplan

Aus der Änderung der Ausführungsplanung oder des Bauverfahrens für einzelne Bauteile werden sich Mengen der Bauteile, Ressourcen in deren Teilleistungen oder die Zuordnung von Teilleistungen zum Ordnungsschema ändern. Dies führt zu einer automatischen Bildung neuer Vorgänge. Deren Einordnung in den Bauablaufplan erfolgt ebenfalls automatisch, wenn in den Prozess⁹  „Vorgang bilden“ ein Entscheidungsmodell¹⁰  eingebunden ist. Dieses Entscheidungsmodell verwendet im Bauablaufplan zwischen bereits vorhandenen Vorgängen bestehende Reihenfolgen und Verknüpfungen als Muster. Über diesen Prozess bleiben Bauablaufplan und Bauwerksmodell auch bei Änderungen synchron.

Teilautomatisierte Fertigungsabschnitte mit Vorgängen

Die automatisierte Bildung von Vorgängen und Vorgangsgruppen für einzelne Fertigungsabschnitte ist über die bidirektionalen Datenketten möglich. Wird ein Fertigungsabschnitt in zwei oder mehrere Fertigungsabschnitte aufgeteilt, erfolgt eine automatisierte Aneinanderreihung der neugebildeten Fertigungsabschnitte mit deren Vorgängen. Die Verwendung einer logisch strukturierten Bauwerkstopologie stellt dies sicher. In ihr werden Fertigungsabschnitte eingeordnet. Sofern die neugebildeten Fertigungsabschnitte weiterhin in denselben Topologien stattfinden, genügt die eingefügte Fertigung genau dieser Abfolge.

Fazit

Die Simulation des Bauablaufs wird über den Bauablaufplan realitätsnah gesteuert. Mit dem Einsatz von Methoden zum modellbasierten Planen und Bauen können die Werte der bestimmenden Größen des Bauablaufplans automatisiert ermittelt werden. In einem Prozessmodell werden die Anordnungsbeziehungen der Fertigungsvorgänge untereinander abgebildet und mit den zugehörigen Geschäfts- und Logikregeln in einem Entscheidungsmodell verbunden. Daraus kann die Simulation auch bei Änderungen am Bauwerk oder den Bauverfahren die daraus folgenden Verschiebungen im Bauablauf aufzeigen. Die erwartete Praxistauglichkeit jeder Simulation verlangt unabhängig von den vertraglichen Regelungen nach gewerkeübergreifenden Bauwerksmodellen und Bauablaufplänen, die die tatsächliche Abfolge der Fertigungsvorgänge abbilden.

1 Building Information Model oder Building Information Modeling
2 Fertigungsmodell ist eine Modellspezifikation, die am 30.06.2017 im Rahmen einer BIM-Expertentagung #otwb2017 geprägt wurde.
3 Sicherheits- und Gesundheitsschutzplan gemäß Baustellenverordnung (BaustellenV).
4 EUROVIA Deutschland www.eurovia.de.
5 Wird auch als Content oder BIM-Content bezeichnet.
6 Eine Prozesskette besteht aus einzelnen Prozessschritten. Diese Prozessschritte sind Träger der Information.
7 Deutsche Bahn AG (2016), Beilage zur Aufforderung zur Angebotsabgabe, zugegangen 23.09.2016.
8 Entscheidungstabellen können in der Notation DMN erfolgen. Decision Model and Notation (kurz DMN) ist ein offizieller Notationsstandard für Entscheidungsregeln im Geschäftsprozessmanagement, der Object Manage-ment Group www.omg.org.
9 Prozesse werden heute überwiegend in BPMN Business Process Model and Notation modelliert.
10 Entscheidungsmodelle werden über DMN Decision Model and Notation beschrieben und auf der theoretischen Grundlage eines „Endlichen Apparates“ ausgeführt.

Literaturverzeichnis

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Girmscheid, G. (2014), AVOR – Prozess der Bauproduktionsplanung (Teil 1) in: Bauingenieur Band 89 Oktober 2014, Düsseldorf: SPRINGER-VDI-VERLAG, 2014
Girmscheid, G., Motzko, C., (2013), Kalkulation, Preisbildung und Controlling in der Bauwirtschaft, 2. Auflage, Berlin Heidelberg: Springer Vieweg Verlag, 2013
Greiner, P., Mayer, P., Stark, K., (2009), Baubetriebslehre – Projektmanagement, 4. Auflage, Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 2009
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