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Vom Bauwerksinformationsmodell zur Terminplanung - Ein Modell zur Generierung von Bauablaufplänen
(2011)
Die effiziente und zielgerichtete Ausführung von Bauvorhaben wird in hohem Maße von der zugrunde liegenden Bauablaufplanung beeinflusst. Dabei ist unter Verwendung herkömmlicher Methoden und Modelle die Planung des Bauablaufs ein zumeist aufwändiger und fehlerträchtiger Prozess. Am Ende der gegenwärtig üblichen Vorgehensweise für die Planung eines Bauablaufs erfolgt lediglich die Dokumentation des Endergebnisses. Mögliche Ablaufalternativen, die im Verlauf der Planung betrachtet wurden, sind im resultierenden Bauablaufplan nicht enthalten und gehen verloren. Eine formale Kontrolle des geplanten Bauablaufs hinsichtlich seiner Vollständigkeit ist nur begrenzt möglich, da beispielsweise existierende Methoden der 4D-Visualisierung derzeit nicht ausreichend in den Prozess der Planung von Bauabläufen integriert sind. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells für die Unterstützung der Bauablaufplanung. Dafür wird der größtenteils manuelle Vorgang der Bauablaufplanung auf Basis verfügbarer Bauwerksinformationsmodelle (BIM) weitestgehend automatisiert und die Methodik der 4D-Animation in den Prozess der Bauablaufplanung integriert. Ausgehend von in einer Erfahrungsdatenbank gespeicherten Informationen werden auf Basis einer Ähnlichkeitsermittlung Bauteilen des betrachteten BIM geeignete Vorgänge zugeordnet und mittels Algorithmen der Graphentheorie ein Workflowgraph aller mög\-lichen Bauablaufvarianten generiert. Aufgrund der vorgenommenen Kopplung des Bauablaufplans mit Bauteilen eines BIM und der visuellen Darstellung des Bauablaufs kann vom Planer im Rahmen der Modellierungsgenauigkeit des BIM auf die Vollständigkeit des Bauablaufplans geschlossen werden. Dies ermöglicht dem Anwender ein hohes Maß an Kontrolle des geplanten Bauablaufs bereits innerhalb der Planungsphase. Weiterhin unterstützt das entwickelte Modell die Integration von Ablaufvarianten, was deren Gegenüberstellung ermöglicht und die Wiederverwendbarkeit bereits geplanter Bauabläufe durch eine entsprechend ausgerichtete Abbildung des Modells. Die Anwendbarkeit des erarbeiteten Modells wird anhand einer prototypischen Implementierung nachgewiesen und anhand eines Praxisbeispiels verifiziert.
Increasingly powerful hard- and software allows for the numerical simulation of complex physical phenomena with high levels of detail. In light of this development the definition of numerical models for the Finite Element Method (FEM) has become the bottleneck in the simulation process. Characteristic features of the model generation are large manual efforts and a de-coupling of geometric and numerical model. In the highly probable case of design revisions all steps of model preprocessing and mesh generation have to be repeated. This includes the idealization and approximation of a geometric model as well as the definition of boundary conditions and model parameters. Design variants leading to more resource-efficient structures might hence be disregarded due to limited budgets and constrained time frames.
A potential solution to above problem is given with the concept of Isogeometric Analysis (IGA). Core idea of this method is to directly employ a geometric model for numerical simulations, which allows to circumvent model transformations and the accompanying data losses. Basis for this method are geometric models described in terms of Non-uniform rational B-Splines (NURBS). This class of piecewise continuous rational polynomial functions is ubiquitous in computer graphics and Computer-Aided Design (CAD). It allows the description of a wide range of geometries using a compact mathematical representation. The shape of an object thereby results from the interpolation of a set of control points by means of the NURBS functions, allowing efficient representations for curves, surfaces and solid bodies alike. Existing software applications, however, only support the modeling and manipulation of the former two. The description of three-dimensional solid bodies consequently requires significant manual effort, thus essentially forbidding the setup of complex models.
This thesis proposes a procedural approach for the generation of volumetric NURBS models. That is, a model is not described in terms of its data structures but as a sequence of modeling operations applied to a simple initial shape. In a sense this describes the "evolution" of the geometric model under the sequence of operations. In order to adapt this concept to NURBS geometries, only a compact set of commands is necessary which, in turn, can be adapted from existing algorithms. A model then can be treated in terms of interpretable model parameters. This leads to an abstraction from its data structures and model variants can be set up by variation of the governing parameters.
The proposed concept complements existing template modeling approaches: templates can not only be defined in terms of modeling commands but can also serve as input geometry for said operations. Such templates, arranged in a nested hierarchy, provide an elegant model representation. They offer adaptivity on each tier of the model hierarchy and allow to create complex models from only few model parameters. This is demonstrated for volumetric fluid domains used in the simulation of vertical-axis wind turbines. Starting from a template representation of airfoil cross-sections, the complete "negative space" around the rotor blades can be described by a small set of model parameters, and model variants can be set up in a fraction of a second.
NURBS models offer a high geometric flexibility, allowing to represent a given shape in different ways. Different model instances can exhibit varying suitability for numerical analyses. For their assessment, Finite Element mesh quality metrics are regarded. The considered metrics are based on purely geometric criteria and allow to identify model degenerations commonly used to achieve certain geometric features. They can be used to decide upon model adaptions and provide a measure for their efficacy. Unfortunately, they do not reveal a relation between mesh distortion and ill-conditioning of the equation systems resulting from the numerical model.
Der Entwurfsraum für den Entwurf eines Tragwerks ist ein n-dimensionaler Raum, der aus allen freien Parametern des Modells aufgespannt wird.
Traditionell werden nur wenige Punkte dieses Raumes durch eine numerische (computergestützte) Simulation evaluiert, meist auf Basis der Finite-Elemente-Methode.
Mehrere Faktoren führen dazu, dass heute oft viele Revisionen eines Simulationsmodells durchlaufen werden: Zum einen ergeben sich oft Planungsänderungen, zum anderen ist oft die Untersuchung von Planungsalternativen und die Suche nach einem Optimum wünschenswert.
In dieser Arbeit soll für ein vorhandenes Finite-Elemente-Framework die sequentielle Datei-Eingabeschnittstelle durch eine Netzwerkschnittstelle ersetzt werden, die den Erfordernissen einer interaktiven Arbeitsweise entspricht. So erlaubt die hier konzipierte Schnittstelle interaktive, inkrementelle Modelländerungen sowie Status- und Berechnungsergebnis-Abfragen durch eine bidirektionale Schnittstelle.
Die Kombination aus interaktiver numerischer Simulation und Interoperabilität durch die Anwendung von Konzepten zur Bauwerks-Informations-Modellierung im Tragwerksentwurf ist Ziel dieser Dissertation. Die Beschreibung der Konzeption und prototypischen Umsetzung ist Gegenstand der schriftlichen Arbeit.
One of the most promising and recent advances in computer-based planning is the transition from classical geometric modeling to building information modeling (BIM). Building information models support the representation, storage, and exchange of various information relevant to construction planning. This information can be used for describing, e.g., geometric/physical properties or costs of a building, for creating construction schedules, or for representing other characteristics of construction projects. Based on this information, plans and specifications as well as reports and presentations of a planned building can be created automatically. A fundamental principle of BIM is object parameterization, which allows specifying geometrical, numerical, algebraic and associative dependencies between objects contained in a building information model. In this paper, existing challenges of parametric modeling using the Industry Foundation Classes (IFC) as a federated model for integrated planning are shown, and open research questions are discussed.
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.
The 20th International Conference on the Applications of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering will be held at the Bauhaus University Weimar from 20th till 22nd July 2015. Architects, computer scientists, mathematicians, and engineers from all over the world will meet in Weimar for an interdisciplinary exchange of experiences, to report on their results in research, development and practice and to discuss. The conference covers a broad range of research areas: numerical analysis, function theoretic methods, partial differential equations, continuum mechanics, engineering applications, coupled problems, computer sciences, and related topics. Several plenary lectures in aforementioned areas will take place during the conference.
We invite architects, engineers, designers, computer scientists, mathematicians, planners, project managers, and software developers from business, science and research to participate in the conference!
In construction engineering, a schedule’s input data, which is usually not exactly known in the planning phase, is considered deterministic when generating the schedule. As a result, construction schedules become unreliable and deadlines are often not met. While the optimization of construction schedules with respect to costs and makespan has been a matter of research in the past decades, the optimization of the robustness of construction schedules has received little attention. In this paper, the effects of uncertainties inherent to the input data of construction schedules are discussed. Possibilities are investigated to improve the reliability of construction schedules by considering alternative processes for certain tasks and by identifying the combination of processes generating the most robust schedule with respect to the makespan of a construction project.
Der Bedarf an leistungsfähigen Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetzen ist in den letzten Jahren, insbesondere aufgrund der zunehmenden Nutzung von Internet-basierten Diensten, rapide gestiegen. Eine umfassende Planung von neu zu errichtenden Glasfasernetzen im Sinne eines kostengünstigen Breitbandausbaus ist jedoch häufig mit hohem Aufwand verbunden. Die Auswahl möglicher Kabelwege und die anschließende Kalkulation der Installationskosten werden heute in der Regel durch computerbasierte Verfahren unterstützt, wobei allerdings die Installationspläne und die Installationskosten getrennt voneinander dargestellt werden, was wiederum die computergestützte Planung sowie weitere Optimierungsansätze erschwert. Dieses Arbeitspapier beschreibt ein Konzept für ein modulares Softwaresystem zur computergestützten Planung, Kostenkalkulation und Visualisierung von Glasfasernetzen, das eine integrierte Darstellung von Installationsplänen und Installationskosten ermöglicht. Anstelle der herkömmlichen Darstellung von Installationsplänen, die in der Regel alle geplanten Kabelwege einfarbig auf einer Landkarte visualisiert, wird ein Farbschema zur Anzeige der Installationskosten in Installationsplänen eingesetzt. Das Konzept wird prototypisch implementiert und durch ein Anwendungsbeispiel, das die Planung eines Glasfasernetzes innerhalb eines Siedlungsgebietes behandelt, validiert. Die integrierte, farbige Darstellung der Installationskosten in Installationsplänen ermöglicht eine effiziente Identifikation der kostenintensiven Bauabschnitte und befördert kostenoptimierte Planungsansätze. Die intuitive Visualisierung vereinfacht somit die akkurate und kostenoptimierte Planung von Glasfasernetzen.
Die Bauinformatik ist eine Säule der modernen Bau- und Umweltingenieurwissenschaften und befasst sich mit der Erforschung grundlegender informatorischer Methoden sowie mit der Anwendung und Weiterentwicklung der Informationswissenschaften im Bau- und Umweltbereich. Der Arbeitskreis Bauinformatik konstituiert sich aus Wissenschaftlern, die an Universitäten im deutschsprachigen Raum auf dem Fachgebiet Bauinformatik lehren und forschen. Ausgehend vom erreichten Entwicklungsstand der Bauinformatik skizziert dieses Positionspapier die Aufgaben des Arbeitskreises und formuliert eine Grundlage für eine abgestimmte Weiterentwicklung an den deutschsprachigen Universitäten.
Der Ausbau von digitalen Hochgeschwindigkeitsnetzen ist gekennzeichnet durch neuartige Anforderungen an den Planungsprozess. Diese Anforderungen erfordern wiederum den Einsatz von neuartigen Paradigmen, die eine effiziente und zugleich genaue Planung von flächendeckenden Glasfasernetzen ermöglichen. Hierbei können wiederkehrende Planungsaufgaben durch eine gezielte computergestützte Automatisierung effizienter und genauer ausgeführt, als es mit bisherigen Planungskonzepten möglich ist. Dieses Arbeitspapier beschreibt die computergestützte Ausführung eines Planungsprozesses auf Basis von fünf grundlegenden, iterativen Planungsschritten und gibt Empfehlungen für eine effiziente und genaue Planung von Glasfasernetzen. Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht es Netzbetreibern und Investoren, den Ausbau beliebiger Siedlungs- und Gewerbegebiete auf der zuverlässigen Basis von belastbarem Faktenwissen wirtschaftlich zu priorisieren.