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Collaborative Design Processes: A Class on Concurrent Collaboration in Multidisciplinary Design
(2004)
The rise of concurrent engineering in construction demands early team formation and constant communication throughout the project life cycle, but educational models in architecture, engineering and construction have been slow to adjust to this shift in project organization. Most students in these fields spend the majority of their college years working on individual projects that do not build teamwork or communication skills. Collaborative Design Processes (CDP) is a capstone design course where students from the University of Illinois at Urbana-Champaign and the University of Florida learn methods of collaborative design enhanced by the use of information technology. Students work in multidisciplinary teams to collaborate from remote locations via the Internet on the design of a facility. An innovation of this course compared to previous efforts is that students also develop process designs for the integration of technology into the work of multidisciplinary design teams. The course thus combines both active and reflective learning about collaborative design and methods. The course is designed to provide students the experience, tools, and methods needed to improve design processes and better integrate the use of technology into AEC industry work practices. This paper describes the goals, outcomes and significance of this new, interdisciplinary course for distributed AEC education. Differences from existing efforts and lessons learned to promote collaborative practices are discussed. Principal conclusions are that the course presents effective pedagogy to promote collaborative design methods, but faces challenges in both technology and in traditional intra-disciplinary training of students.
This paper is concerned with the numerical treatment of quasilinear elliptic partial differential equations. In order to solve the given equation we propose to use a Galerkin approach, but, in contrast to conventional finite element discretizations, we work with trial spaces that, not only exhibit the usual approximation and good localization properties, but, in addition, lead to expansions of any element in the underlying Hilbert spaces in terms in multiscale or wavelet bases with certain stability properties. Specifically, we select as trial spaces a nested sequence of spaces from an appropriate biorthogonal multiscale analysis. This gives rise to a nonlinear discretized system. To overcome the problems of nonlinearity, we make use of the machinery of interpolating wavelets to obtain knot oriented quadrature rules. Finally, Newton's method is applied to approximate the solution in the given ansatz space. The results of some numerical experiments with different biorthogonal systems, confirming the applicability of our scheme, are presented.
IFC-BASED MONITORING INFORMATION MODELING FOR DATA MANAGEMENT IN STRUCTURAL HEALTH MONITORING
(2015)
This conceptual paper discusses opportunities and challenges towards the digital representation of structural health monitoring systems using the Industry Foundation Classes (IFC) standard. State-of-the-art sensor nodes, collecting structural and environmental data from civil infrastructure systems, are capable of processing and analyzing the data sets directly on-board the nodes. Structural health monitoring (SHM) based on sensor nodes that possess so called “on-chip intelligence” is, in this study, referred to as “intelligent SHM”, and the infrastructure system being equipped with an intelligent SHM system is referred to as “intelligent infrastructure”. Although intelligent SHM will continue to grow, it is not possible, on a well-defined formalism, to digitally represent information about sensors, about the overall SHM system, and about the monitoring strategies being implemented (“monitoring-related information”). Based on a review of available SHM regulations and guidelines as well as existing sensor models and sensor modeling languages, this conceptual paper investigates how to digitally represent monitoring-related information in a semantic model. With the Industry Foundation Classes, there exists an open standard for the digital representation of building information; however, it is not possible to represent monitoring-related information using the IFC object model. This paper proposes a conceptual approach for extending the current IFC object model in order to include monitoring-related information. Taking civil infrastructure systems as an illustrative example, it becomes possible to adequately represent, process, and exchange monitoring-related information throughout the whole life cycle of civil infrastructure systems, which is referred to as monitoring information modeling (MIM). However, since this paper is conceptual, additional research efforts are required to further investigate, implement, and validate the proposed concepts and methods.
To fulfil safety requirements the changes in the static and/or dynamic behaviour of the structure must be analysed with great care. These changes are often caused by local reduction of the stiffness of the structure caused by the irregularities in the structure, as for example cracks. In simple structures such analysis can be performed directly, by solving equations of motion, but for more complex structures a different approach, usually numerical, must be applied. The problem of crack implementation into the structure behaviour has been studied by many authors who have usually modelled the crack as a massless rotational spring of suitable stiffness placed at the beam at the location where the crack occurs. Recently, the numerical procedure for the computation of the stiffness matrix for a beam element with a single transverse crack has been replaced with the element stiffness matrix written in fully symbolic form. A detailed comparison of the results obtained by using 200 2D finite elements with those obtained with a single cracked beam element has confirmed the usefulness of such element.
Die Situation in der Immobilienwirtschaft hat sich in den letzten Jahren grundlegend verändert. Die Neubauaktivitäten in ganz Deutschland sind deutlich zurückgegangen. Das Bauen im Bestand mit den Tätigkeitsfeldern der Renovierung, Modernisierung und Instandsetzung rückt daher in den Mittelpunkt der Aktivitäten. Laut Bundesarbeitskreis Altbauerneuerungen werden im nächsten Jahr 74 Prozent des gesamten Bauvolumens auf die Modernisierung von alten Häusern entfallen, der Anteil der Neubaumaßnahmen geht auf 26 Prozent zurück. Dies gilt nicht nur für Wohn-, sondern auch für Gewerbeimmobilien. Die anhaltende Rezession und die Entzauberung der New Economy ziehen in diesem Bereich Leerstände und fallende Mieten nach sich. Auch die Wohnungswirtschaft hat vor allem in den neuen Ländern mit Leerständen zu kämpfen. Diese Tatsache zwingt Immobilienbetreiber zunehmend dazu, Methoden zu ergreifen und Werkzeuge einzusetzen, die die Effizienz im eigenen Unternehmen steigern. Die Aufgabenstellung lautet: Mehr Sanierungsprojekte in der selben Zeit abwickeln. Dies setzt eine prozessorientierte Vorgehensweise und unterstützende Werkzeuge voraus. Mit dem baucommunicator wurde ein Werkzeug entwickelt, dass es dem Gebäudemanager ermöglicht, bei der Abwicklung von Bau- und Sanierungsmaßnahmen im Aufgabenfeld der Koordination dieser Aufgabenstellung zu entsprechen. Die Kernfunktionen der Software sind das Termin-, Kosten und Qualitätsmanagement bei der Abwicklung von Bauprozessen. Die unternehmensübergreifende Konzeption erlaubt sowohl dem Auftraggeber, wie auch den ausführenden Betrieben den Zugriff auf die zentral abgelegten Projektinformationen. Die Workflow-Funktionalität des baucommunicator führt zu einer Reduktion der Prozessaktivitäten. Dadurch werden Kosten eingespart und die Ausführungsqualität gesteigert.
Für den Entwurf von Ingenieurbauten ist eine zuverlässige Prognose über den Spannungsverlauf im Bauwerk und auf dessen Rand von großer Bedeutung. Eine geschlossene Lösung der elastischen Bestimmungsgleichungen des Bauwerks ist in der Regel nicht verfügbar. Es wird daher unter Verwendung der Methode der gewichteten Reste eine schwache Form der Gleichungen abgeleitet, die zu einem gemischten Arbeitsprinzip führt. Das zugehörige Finite-Elemente-Modell erlaubt es Spannungen am Rand des Bauwerks zu ermitteln, die im Gleichgewicht zu den angreifenden Lasten stehen.
Vor dem Hintergrund einer sich verschärfenden Umweltgesetzgebung sowie der Erkenntnis, dass Bauabfälle sich grundsätzlich für eine Stoffkreislaufführung eignen, hat der Rückbau von Bauwerken in den letzten Jahren verstärkt an Bedeutung gewonnen. Aufgrund oftmals strenger Zeit- und Kostenvorgaben für einen Rückbau, begrenzter Verfügbarkeit von Personal und Betriebsmitteln, einer weitgehenden Unikatfertigung sowie wechselnder Standorte kommt dabei der projektorientierten Planung von Maßnahmen auf der Baustelle große Bedeutung zu. Im Rahmen des Beitrages werden Ansätze zur Modellierung und Lösung der sich hieraus ergebenden Probleme zur Planung und Optimierung von (Rück-) Bauabläufen unter Verwendung von Projektplanungsmodellen und -methoden vorgestellt. Hierbei werden neben betriebswirtschaftlichen auch umweltrelevante sowie technische Fragestellungen im Zusammenhang mit der Planung von Rückbauprojekten aufgegriffen. Eine Anwendung der Planungsansätze auf reale Gebäude zeigt, dass sich durch Kombination von Gebäuderückbau und Aufbereitungstechnik eine Qualitätsverbesserung von Recyclingbaustoffen erzielen lässt. Zur Umsetzung der hierzu erforderlichen Maßnahmen werden unter Berücksichtigung individueller abfallwirtschaftlicher Rahmenbedingungen der jeweiligen Planungsregion, gebäude- und baustellenbezogener Besonderheiten, technischer sowie kapazitiver Restriktionen Ablaufpläne für den Gebäuderückbau berechnet. Die für unterschiedliche Planungsregionen vorgenommenen Modellrechnungen weisen nach, dass sich die Demontage von Gebäuden gegenüber einem konventionellen Gebäudeabbruch unter bestimmten Rahmenbedingungen bereits wirtschaftlich vorteilhaft realisieren lässt. Abgerundet wird der Beitrag durch einen Ausblick auf Möglichkeiten einer Realisierung komplexer Bauabläufe auch unter strengen Zeitvorgaben sowie bei begrenzten Platzverhältnissen mit Hilfe fertigungssynchroner Ressourceneinsatzplanung sowie auf die Berücksichtigung von Unsicherheiten in der Planung und Ausführung von Rückbauprojekten.
Zur Berechnung der Böeneinwirkungen auf ein Brückenbauwerk wird ein stochastisches Modell vorgestellt. Die Windkraft aus der Böenbelastung wird dabei als systemunabhängige Luftkraft betrachtet welche in mathematischer Hinsicht dadurch gekennzeichnet ist, daß die aeroelastischen Bewegungsdifferentialgleichungen inhomogener Natur sind und der Bewegungsablauf den Charakter einer erzwungenen abklingenden Schwingung hat. Ausgehend von den nicht linearen partiellen Differentialgleichungen für Verschiebung und Torsion wird mittels der Galerkin Prozedur ein System von totalen Differentialgleichungen abgeleitet. Die äußeren Luftkräfte werden als gefilterter Poissonprozess von Dirac Impulsen dargestellt. Zur Berechnung der statistischen Momente des Differentialgleichungssystem wird die Itô'sche Differentialformel erweitert und in ein System von algebraischen nicht linearen Gleichungen transformiert. Diese dienen zur Berechnung des Momentenverlaufs für den stationären Anteil des stochastischen Prozesses. Der Abschluß des so erhaltenen nicht linearen Gleichungssystems erfolgt über die Methode der Kumulantenabschlußtechnik.
Die Kooperation zwischen Menschen und Computern gewinnt in zahlreichen Problemstellungen mehr und mehr an Bedeutung. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die ständig wachsende Komplexität relevanter Problemstellungen. Dadurch bedingt sind weder der Mensch noch der Computer alleine in der Lage, zufriedenstellende Lösungen zu entwickeln. Die Kombination der individuellen Fähigkeiten hat sich in vielen Bereichen als gewinnbringend erwiesen. Genetische Algorithmen (GA) als Repräsentanten der >Evolutionary Computation< stellen einen Ansatz zur Lösung hochkomplexer Optimierungsaufgaben dar, der sich an den Vorgängen der Evolution orientiert. Im Gegensatz zu vielen anderen Optimierungsverfahren bringen sie einige Eigenarten mit, die kooperative Erweiterungen einfach und erfolg-versprechend machen. Der vorgestellte kommunizierende Genetische Algorithmus kombiniert die Vorteile der GA mit der Fähigkeit zur Kooperation. Es gelingt bei seiner Verwendung, gute externe Vorschläge aufzunehmen, während schlechte Vorschläge keinerlei negative Auswirkungen zeigen. Diese Robustheit gegen Irrtümer und Fehleingaben macht den KGA zu einer idealen Basis für Programme zur kooperativen Problemlösung.
Today´s procedures for the awarding of public construction performance contracts are mainly paper-based. Although the usage of electronic means is permitted in the VOB, the regulations are not sufficient yet. Especially software agents within the AEC-bidding process were not considered at all. The acceptance of an agent-based virtual marketplace for AEC-bidding depends on a reliable and trustworthy public key infrastructure according to the (German) digital signature act. Only if confidentiality, integrity, non-repudiation, and authentication are provided reliably, users will assign sensitive business processes like public tendering procedures to software agents. The development of a secure agent-based virtual marketplace for AEC-bidding according to legal regulations is an entirely new approach from a technical as well as from a legal point of view. The objective of this research project is the development of intelligent software-agents which are able to legally call for bids, to calculate proposals, and to award the successful bidder.