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In this paper we consider three different methods for generating monogenic functions. The first one is related to Fueter's well known approach to the generation of monogenic quaternion-valued functions by means of holomorphic functions, the second one is based on the solution of hypercomplex differential equations and finally the third one is a direct series approach, based on the use of special homogeneous polynomials. We illustrate the theory by generating three different exponential functions and discuss some of their properties. Formula que se usa em preprints e artigos da nossa UI&D (acho demasiado completo): Partially supported by the R\&D unit \emph{Matem\'atica a Aplica\c\~es} (UIMA) of the University of Aveiro, through the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT), co-financed by the European Community fund FEDER.
ON THE NAVIER-STOKES EQUATION WITH FREE CONVECTION IN STRIP DOMAINS AND 3D TRIANGULAR CHANNELS
(2006)
The Navier-Stokes equations and related ones can be treated very elegantly with the quaternionic operator calculus developed in a series of works by K. Guerlebeck, W. Sproeossig and others. This study will be extended in this paper. In order to apply the quaternionic operator calculus to solve these types of boundary value problems fully explicitly, one basically needs to evaluate two types of integral operators: the Teodorescu operator and the quaternionic Bergman projector. While the integral kernel of the Teodorescu transform is universal for all domains, the kernel function of the Bergman projector, called the Bergman kernel, depends on the geometry of the domain. With special variants of quaternionic holomorphic multiperiodic functions we obtain explicit formulas for three dimensional parallel plate channels, rectangular block domains and regular triangular channels. The explicit knowledge of the integral kernels makes it then possible to evaluate the operator equations in order to determine the solutions of the boundary value problem explicitly.
Design activity could be treated as state transition computationally. In stepwise processing, in-between form-states are not easily observed. However, in this research time-based concept is introduced and applied in order to bridge the gap. In architecture, folding is one method of form manipulation and architects also want to search for alternatives by this operation. Besides, folding operation has to be defined and parameterized before time factor is involved as a variable of folding. As a result, time-based transformation provides sequential form states and redirects design activity.
In this paper we study the structure of the solutions to higher dimensional Dirac type equations generalizing the known λ-hyperholomorphic functions, where λ is a complex parameter. The structure of the solutions to the system of partial differential equations (D- λ) f=0 show a close connection with Bessel functions of first kind with complex argument. The more general system of partial differential equations that is considered in this paper combines Dirac and Euler operators and emphasizes the role of the Bessel functions. However, contrary to the simplest case, one gets now Bessel functions of any arbitrary complex order.
Am Beispiel eines 3-feldrigen Durchlaufträgers wird die Versagenswahrscheinlichkeit von wechselnd belasteten Stahlbetonbalken bezüglich des Grenzzustandes der Adaption (Einspielen, shakedown) untersucht. Die Adaptionsanalyse erfolgt unter Berücksichtigung der beanspruchungschabhängigen Degradation der Biegesteifigkeit infolge Rissbildung. Die damit verbundene mechanische Problemstellung kann auf die Adaptionsanalyse linear elastisch - ideal plastischer Balkentragwerke mit unbekannter aber begrenzter Biegesteifigkeit zurückgeführt werden. Die Versagenswahrscheinlichkeit wird unter Berücksichtigung stochastischer Tragwerks- und Belastungsgrößen berechnet. Tragwerkseigenschaften und ständige Lasten gelten als zeitunabhängige Zufallsgrößen. Zeitlich veränderliche Lasten werden als nutzungsdauerbezogene Extremwerte POISSONscher Rechteck-Pulsprozesse unter Berücksichtigung zeitlicher Überlagerungseffekte modelliert, so dass die Versagenswahrscheinlichkeit ebenfalls eine nutzungsdauerbezogene Größe ist. Die mechanischen Problemstellungen werden numerisch mit der mathematischen Optimierung gelöst. Die Versagenswahrscheinlichkeit wird auf statistischem Weg mit der Monte-Carlo-Methode geschätzt.
Für eine gesicherte Planung im Bestand, sind eine Fülle verschiedenster Informationen zu berücksichtigen, welche oft erst während des Planungs- oder Bauprozesses gewonnen werden. Voraussetzung hierfür bildet immer eine Bestandserfassung. Zwar existieren Computerprogramme zur Unterstützung der Bestandserfassung, allerdings handelt es sich hierbei ausschließlich um Insellösungen. Der Export der aufgenommenen Daten in ein Planungssystem bedingt Informationsverluste. Trotz der potentiellen Möglichkeit aktueller CAAD/BIM Systeme zur Verwaltung von Bestandsdaten, sind diese vorrangig für die Neubauplanung konzipiert. Die durchgängige Bearbeitung von Sanierungsprojekten von der Erfassung des Bestandes über die Entwurfs- und Genehmigungsplanung bis zur Ausführungsplanung innerhalb eines CAAD/BIM Systems wird derzeit nicht adäquat unterstützt. An der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) der Fakultät Architektur der Bauhaus-Universität Weimar entstanden im Rahmen des DFG Sonderforschungsbereich 524 "Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken" in den letzten Jahren Konzepte und Prototypen zur fachlich orientierten Unterstützung der Planung im Bestand. Der Fokus lag dabei in der Erfassung aller planungsrelevanter Bestandsdaten und der Abbildung dieser in einem dynamischen Bauwerksmodell. Aufbauend auf diesen Forschungsarbeiten befasst sich der Artikel mit der kontextbezogenen Weiterverwendung und gezielten Bereitstellung von Bestandsdaten im Prozess des Planens im Bestand und der Integration von Konzepten der planungsrelevanten Bestandserfassung in marktübliche CAAD/BIM Systeme.
The one-dimensional continuous wavelet transform is a successful tool for signal and image analysis, with applications in physics and engineering. Clifford analysis offers an appropriate framework for taking wavelets to higher dimension. In the usual orthogonal case Clifford analysis focusses on monogenic functions, i.e. null solutions of the rotation invariant vector valued Dirac operator ∂, defined in terms of an orthogonal basis for the quadratic space Rm underlying the construction of the Clifford algebra R0,m. An intrinsic feature of this function theory is that it encompasses all dimensions at once, as opposed to a tensorial approach with products of one-dimensional phenomena. This has allowed for a very specific construction of higher dimensional wavelets and the development of the corresponding theory, based on generalizations of classical orthogonal polynomials on the real line, such as the radial Clifford-Hermite polynomials introduced by Sommen. In this paper, we pass to the Hermitian Clifford setting, i.e. we let the same set of generators produce the complex Clifford algebra C2n (with even dimension), which we equip with a Hermitian conjugation and a Hermitian inner product. Hermitian Clifford analysis then focusses on the null solutions of two mutually conjugate Hermitian Dirac operators which are invariant under the action of the unitary group. In this setting we construct new Clifford-Hermite polynomials, starting in a natural way from a Rodrigues formula which now involves both Dirac operators mentioned. Due to the specific features of the Hermitian setting, four different types of polynomials are obtained, two types of even degree and two types of odd degree. These polynomials are used to introduce a new continuous wavelet transform, after thorough investigation of all necessary properties of the involved polynomials, the mother wavelet and the associated family of wavelet kernels.
Image processing has been much inspired by the human vision, in particular with regard to early vision. The latter refers to the earliest stage of visual processing responsible for the measurement of local structures such as points, lines, edges and textures in order to facilitate subsequent interpretation of these structures in higher stages (known as high level vision) of the human visual system. This low level visual computation is carried out by cells of the primary visual cortex. The receptive field profiles of these cells can be interpreted as the impulse responses of the cells, which are then considered as filters. According to the Gaussian derivative theory, the receptive field profiles of the human visual system can be approximated quite well by derivatives of Gaussians. Two mathematical models suggested for these receptive field profiles are on the one hand the Gabor model and on the other hand the Hermite model which is based on analysis filters of the Hermite transform. The Hermite filters are derivatives of Gaussians, while Gabor filters, which are defined as harmonic modulations of Gaussians, provide a good approximation to these derivatives. It is important to note that, even if the Gabor model is more widely used than the Hermite model, the latter offers some advantages like being an orthogonal basis and having better match to experimental physiological data. In our earlier research both filter models, Gabor and Hermite, have been developed in the framework of Clifford analysis. Clifford analysis offers a direct, elegant and powerful generalization to higher dimension of the theory of holomorphic functions in the complex plane. In this paper we expose the construction of the Hermite and Gabor filters, both in the classical and in the Clifford analysis framework. We also generalize the concept of complex Gaussian derivative filters to the Clifford analysis setting. Moreover, we present further properties of the Clifford-Gabor filters, such as their relationship with other types of Gabor filters and their localization in the spatial and in the frequency domain formalized by the uncertainty principle.
In earlier research, generalized multidimensional Hilbert transforms have been constructed in m-dimensional Euclidean space, in the framework of Clifford analysis. Clifford analysis, centred around the notion of monogenic functions, may be regarded as a direct and elegant generalization to higher dimension of the theory of the holomorphic functions in the complex plane. The considered Hilbert transforms, usually obtained as a part of the boundary value of an associated Cauchy transform in m+1 dimensions, might be characterized as isotropic, since the metric in the underlying space is the standard Euclidean one. In this paper we adopt the idea of a so-called anisotropic Clifford setting, which leads to the introduction of a metric dependent m-dimensional Hilbert transform, showing, at least formally, the same properties as the isotropic one. The Hilbert transform being an important tool in signal analysis, this metric dependent setting has the advantage of allowing the adjustment of the co-ordinate system to possible preferential directions in the signals to be analyzed. A striking result to be mentioned is that the associated anisotropic (m+1)-dimensional Cauchy transform is no longer uniquely determined, but may stem from a diversity of (m+1)-dimensional "mother" metrics.
The contribution focuses on the development of a basic computational scheme that provides a suitable calculation environment for the coupling of analytical near-field solutions with numerical standard procedures in the far-field of the singularity. The proposed calculation scheme uses classical methods of complex function theory, which can be generalized to 3-dimensional problems by using the framework of hypercomplex analysis. The adapted approach is mainly based on the factorization of the Laplace operator EMBED Equation.3 by the Cauchy-Riemann operator EMBED Equation.3 , where exact solutions of the respective differential equation are constructed by using an orthonormal basis of holomorphic and anti-holomorphic functions.
Objects for civil engineering applications can be identified with their reference in memory, their alpha-numeric name or their geometric location. Particularly in graphic user interfaces, it is common to identify objects geometrically by selection with the mouse. As the number of geometric objects in a graphic user interface grows, it becomes increasingly more important to treat the basic operations add, search and remove for geometric objects with great efficiency. Guttmann has proposed the Region-Tree (R-tree) for geometric identification in an environment which uses pages on disc as data structure. Minimal bounding rectangles are used to structure the data in such a way that neighborhood relations can be described effectively. The literature shows that the parameters which influence the efficiency of the R-trees have been studied extensively, but without conclusive results. The goal of the research which is reported in this paper is to determine reliably the parameters which significantly influence the efficiency of R-trees for geometric identification in technical drawings. In order to make this investigation conclusive, it must be performed with the best available software technology. Therefore an object-oriented software for the method is developed. This implementation is tested with technical drawings containing many thousands of geometric objects. These drawings are created automatically by a stochastic generator which is incorporated into a test bed consisting of an editor and a visualisor. This test bed is used to obtain statistics for the main factors which affect the efficiency of R-trees. The investigation shows that the following main factors which affect the efficiency can be identified reliably : number of geometric objects on the drawing the minimum und maximum number of children of a node of the tree the maximum width and height of the minimal bounding rectangles of the geometric objects relative to the size of the drawing.
Practical examples show that the improvement in cost flow and total amount of money spend in construction and further use may be cut significantly. The calculation is based on spreadsheets calculation, very easy to develop on most PC´s now a days. Construction works, are a field where the evaluation of Cash Flow can be and should be applied. Decisions about cash flow in construction are decisions with long-term impact and long-term memory. Mistakes from the distant past have a massive impact on situations in the present and into the far economic future of economic activities. Two approaches exist. The Just-in-Time (JIT) approach and life cycle costs (LCC) approach. The calculation example shows the dynamic results for the production speed in opposition to stable flow of production in duration of activities. More sophisticated rescheduling in optimal solution might bring in return extra profit. In the technologies and organizational processes for industrial buildings, railways and road reconstruction, public utilities and housing developments there are assembly procedures that are very appropriate for the given purpose, complicated research-, development-, innovation-projects are all very good aspects of these kinds of applications. The investors of large investments and all public invested money may be spent more efficiently if an optimisation speed-strategy can be calculated.
The contribution presents a model that is able to simulate construction duration and cost for a building project. This model predicts set of expected project costs and duration schedule depending on input parameters such as production speed, scope of work, time schedule, bonding conditions and maximum and minimum deviations from scope of work and production speed. The simulation model is able to calculate, on the basis of input level of probability, the adequate construction cost and time duration of a project. The reciprocal view attends to finding out the adequate level of probability for construction cost and activity durations. Among interpretive outputs of the application software belongs the compilation of a presumed dynamic progress chart. This progress chart represents the expected scenario of development of a building project with the mapping of potential time dislocations for particular activities. The calculation of a presumed dynamic progress chart is based on an algorithm, which calculates mean values as a partial result of the simulated building project. Construction cost and time models are, in many ways, useful tools in project management. Clients are able to make proper decisions about the time and cost schedules of their investments. Consequently, building contractors are able to schedule predicted project cost and duration before any decision is finalized.
The idea about a simulation program to support urban planning is explained: Four different, clearly defined developing paths can be calculated for the rebuilding of a shrinking town. Aided by self-organization principles, a complex system can be created. The dynamics based on the action patterns of single actors, whose behaviour is cyclically depends on the generated structure. Global influences, which control the development, can be divided at a spatial, socioeconomic, and organizational-juridical level. The simulation model should offer conclusions on new planning strategies, especially in the context of the creation process of rebuilding measures. An example of a transportation system is shown by means of prototypes for the visualisation of the dynamic development process.
The ride of the tram along the line, defined by a time-table, consists of the travel time between the subsequent sections and the time spent by tram on the stops. In the paper, statistical data collected in the city of Krakow is presented and evaluated. In polish conditions, for trams the time spent on stops makes up the remarkable amount of 30 % of the total time of tram line operation. Moreover, this time is characterized by large variability. The time spent by tram on a stop consists of alighting and boarding time and time lost by tram on stop after alighting and boarding time ending, but before departure. Alighting and boarding time itself usually depends on the random number of alighting and boarding passengers and also on the number of passengers which are inside the vehicle. However, the time spent by tram on stop after alighting and boarding time ending is an effect of certain random events, mainly because of impossibility of departure from stop, caused by lack of priorities for public transport vehicles. The main focus of the talk lies on the description and the modelling of these effects. This paper is involved with CIVITAS-CARAVEL project: "Clean and better transport in cites". The project has received research funding from the Community's Sixth Framework Programme. The paper reflects only the author's views and the Community is not liable for any use that may be made of the information contained therein.
MODEL OF TRAM LINE OPERATION
(2006)
From passenger's perspective punctuality is one of the most important features of trams operations. Unfortunately in most cases this feature is only insufficiently fulfilled. In this paper we present a simulation model for trams operation with special focus on punctuality. The aim is to get a helpful tool for designing time-tables and for analyzing the effects by changing priorities for trams in traffic lights respectively the kind of track separation. A realization of trams operations is assumed to be a sequence of running times between successive stops and times spent by tram at the stops. In this paper the running time is modeled by the sum of its mean value and a zero-mean random variable. With the help of multiple regression we find out that the average running time is a function depending on the length of the sections and the number of intersections. The random component is modeled by a sum of two independent zero-mean random variables. One of these variables describes the disturbance caused by the process of waiting at an intersection and the other the disturbance caused by the process of driving. The time spent at a stop is assumed to be a random variable, too. Its distribution is estimated from given measurements of these stop times for different tram lines in Kraków. Finally a special case of the introduced model is considered and numerical results are presented. This paper is involved with CIVITAS-CARAVEL project: "Clean and better transport in cites". The project has received research funding from the Community's Sixth Framework Programme. The paper reflects only the author's views and the Community is not liable for any use that may be made of the information contained therein.
Due to economical, technical or political reasons all over the world about 100 nuclear power plants have been disconnected until today. All these power stations are still waiting for their complete dismantling which, considering one reactor, causes cost of up to one Bil. Euros and lasts up to 15 years. In our contribution we present a resource-constrained project scheduling approach minimizing the total discounted cost of dismantling a nuclear power plant. A project of dismantling a nuclear power plant can be subdivided into a number of disassembling activities. The execution of these activities requires time and scarce resources like manpower, special equipment or storage facilities for the contaminated material arising from the dismantling. Moreover, we have to regard several minimum and maximum time lags (temporal constraints) between the start times of the different activities. Finally, each disassembling activity can be processed in two alternative execution modes, which lead to different disbursements and determine the resource requirements of the considered activity. The optimization problem is to determine a start time and an execution mode for each activity, such that the discounted cost of the project is minimum, and neither the temporal constraints are violated nor the activities' resource requirements exceed the availability of any scarce resource at any point in time. In our contribution we introduce an appropriate multi-mode project scheduling model with minimum and maximum time lags as well as renewable and cumulative resources for the described optimization problem. Furthermore, we show that the considered optimization problem is NP-hard in the strong sense. For small problem instances, optimal solutions can be gained from a relaxation based enumeration approach which is incorporated into a branch and bound algorithm. In order to be able to solve large problem instances, we also propose a truncated version of the devised branch and bound algorithm.
Interactive visualization based on 3D computer graphics nowadays is an indispensable part of any simulation software used in engineering. Nevertheless, the implementation of such visualization software components is often avoided in research projects because it is a challenging and potentially time consuming task. In this contribution, a novel Java framework for the interactive visualization of engineering models is introduced. It supports the task of implementing engineering visualization software by providing adequate program logic as well as high level classes for the visual representation of entities typical for engineering models. The presented framework is built on top of the open source visualization toolkit VTK. In VTK, a visualization model is established by connecting several filter objects in a so called visualization pipeline. Although designing and implementing a good pipeline layout is demanding, VTK does not support the reuse of pipeline layouts directly. Our framework tailors VTK to engineering applications on two levels. On the first level it adds new – engineering model specific – filter classes to VTK. On the second level, ready made pipeline layouts for certain aspects of engineering models are provided. For instance there is a pipeline class for one-dimensional elements like trusses and beams that is capable of showing the elements along with deformations and member forces. In order to facilitate the implementation of a graphical user interface (GUI) for each pipeline class, there exists a reusable Java Swing GUI component that allows the user to configure the appearance of the visualization model. Because of the flexible structure, the framework can be easily adapted and extended to new problem domains. Currently it is used in (i) an object-oriented p-version finite element code for design optimization, (ii) an agent based monitoring system for dam structures and (iii) the simulation of destruction processes by controlled explosives based on multibody dynamics. Application examples from all three domains illustrates that the approach presented is powerful as well as versatile.
In this study we introduce a concept of discrete Laplacian on the plane lattice and consider its iteration dynamical system. At first we discuss some basic properties on the dynamical system to be proved. Next making their computer simulations, we show that we can realize the following phenomena quite well:(1) The crystal of waters (2) The designs of carpets, embroideries (3) The time change of the numbers of families of extinct animals, and (4) The echo systems of life things. Hence we may expect that we can understand the evolutions and self organizations by use of the dynamical systems. Here we want to make a stress on the following fact: Although several well known chaotic dynamical systems can describe chaotic phenomena, they have difficulties in the descriptions of the evolutions and self organizations.
For the dynamic behavior of lightweight structures like thin shells and membranes exposed to fluid flow the interaction between the two fields is often essential. Computational fluid-structure interaction provides a tool to predict this interaction and complement or eventually replace expensive experiments. Partitioned analyses techniques enjoy great popularity for the numerical simulation of these interactions. This is due to their computational superiority over simultaneous, i.e. fully coupled monolithic approaches, as they allow the independent use of suitable discretization methods and modular analysis software. We use, for the fluid, GLS stabilized finite elements on a moving domain based on the incompressible instationary Navier-Stokes equations, where the formulation guarantees geometric conservation on the deforming domain. The structure is discretized by nonlinear, three-dimensional shell elements.
Commonly used sequential staggered coupling schemes may exhibit instabilities due to the so-called artificial added mass effect. As best remedy to this problem subiterations should be invoked to guarantee kinematic and dynamic continuity across the fluid-structure interface. Since iterative coupling algorithms are computationally very costly, their convergence rate is very decisive for their usability. To ensure and accelerate the convergence of this iteration the updates of the interface position are relaxed. The time dependent, 'optimal' relaxation parameter is determined automatically without any user-input via exploiting a gradient method or applying an Aitken iteration scheme.
Optimum technological solutions must take into account the entire life cycle of structures including design procedures as well as quality assurance, inspection, maintenance, and repair strategies. Unfortunately, current design standards do not provide a satisfactory basis to ensure expected structural lifetimes. The latter may vary from only a few years for temporary structures to over a century for bridges, water dams or nuclear repositories. Consistent scientific concepts are urgently required to cover this wide spectrum of lifetimes in structural design and maintenance. This was a motivation for a group of scientists at the Ruhr-University Bochum (RUB) to start a special research program supported by the German Research Foundation (DFG) within the Cooperative Research Center SFB 398 since 1996. Institutes of the University Wuppertal and of the University Essen-Duisburg joined the research group. The goal of the Center is to study sources of damage and deterioration in materials and structures, to develop consistent models and simulation methods, to predict structural lifetimes and finally to integrate this predictions into new lifetime-oriented design strategies.
Research activities in our center are organised in three Project Groups as follows:
- Modelling of lifetime effects
- Methods for lifetime-oriented structural analyses
- Future lifespan-oriented design strategies.
Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik in Kombination mit Informations- und Kommunikations-technik erlauben es mittlerweile, Rechenleistung und Kommunikationsfähigkeit in kleinsten Formaten, mit geringsten Energien und zu günstigen Preisen nutzbringend in unser privates und berufliches Umfeld einzubringen. Beispiele sind Notebook-PC, PDA, Handy und das Navigationßystem im Auto. Aber auch eingebettete Elektronik in Komponenten, Geräten und Systemen ist nunmehr zur Selbstverständlichkeit geworden. Bekannte Beispiele aus der Haustechnik sind Mikroprozeßoren in Heizungs- und Alarmanlagen und aber auch in Komponenten wie Brand- und Bewegungsmelder. Wir nähern uns dem vor einigen Jahren noch als Vision bezeichneten Zustand der überall vorhandenen elektronischen Rechenleistung (engl. ubiquitous computing) bzw. des von Informationsverarbeitung durchdrungenen täglichen Umfelds (engl. pervasive computing). Werden die TGA-Komponenten genau wie die größeren Computerkomponenten (z.B. PCs, Server) über Datenschnittstellen zu räumlich verteilten Netzwerken verknüpft (z.B. Internet, Intranet) und mit einer systemübergreifenden und adäquaten Intelligenz (Software) programmiert, so können neuartige Funktionalitäten im jeweiligen Anwendungsumfeld (engl. ambient intelligence, kurz AmI, [1]) entstehen. Hier liegt bei Gebäuden und Räumen speziell eine große Chance, die bislang einer ganzheitlichen Systemkonzeption unter Einschluß von Architektur, Gebäudephysik, technischer Gebäudeausrüstung (TGA) und Gebäudeautomation (GA) im Wege stehende Gewerketrennung zu überwinden. Es entstehen für div. Anwendungszwecke systemisch integrierte >smart areas< (nach Prof. Becker, FH Biberach). Im vorliegenden Beitrag erläuterte Beispiele für AmI-Lösungen im Immobilienbereich sind Raumsysteme zur automatischen und sicheren Erkennung von Notfällen, z.B. in Pflegeheimen; sich automatisch an die Nutzung und den Nutzer bzgl. Klima und Beleuchtung adaptierende Raumsysteme im Büro- oder Hotelbereich und die elektronische Aßistenz des Bau- und Betriebsprozeßes von Gebäuden. Im Duisburger inHaus-Innovationszentrum für Intelligente Raum- und Gebäudesysteme der Fraunhofer-Gesellschaft wurden in den letzten Jahren erste Lösungen mit diesem neuartigen Ansatz konzipiert, entwickelt und erprobt. Der Beitrag beschreibt nach einer kurzen Skizzierung des Ambient-Intelligence-Ansatzes an Beispielen Möglichkeiten für den Transfer dieser neuen Technologie in den Raum- und Gebäudebereich. Es folgt eine abschließende Zusammenfaßung und eine Einschätzung der Zukunftspotenziale der Ambient Intelligence in Raum und Bau.
In this paper we evaluate 2D models for soil-water characteristic curve (SWCC), that incorporate the hysteretic nature of the relationship between volumetric water content Θ and suction Ψ. The models are based on nonlinear least squares estimation of the experimental data for sand. To estimate the dependent variable Θ the proposed models include two independent variables, suction and sensors reading position (depth d in the column test). The variable d represents not only the position where suction and water content are measured but also the initial suction distribution before each of the hydraulic loading test phases. Due to this the proposed 2D regression models acquire the advantage that they: (a) can be applied for prediction of Θ for any position along the column and (b) give the functional form for the scanning curves.
The quaternionic operator calculus can be applied very elegantly to solve many important boundary value problems arising in fluid dynamics and electrodynamics in an analytic way. In order to set up fully explicit solutions. In order to apply the quaternionic operator calculus to solve these types of boundary value problems fully explicitly, one has to evaluate two types of integral operators: the Teodorescu operator and the quaternionic Bergman projector. While the integral kernel of the Teodorescu transform is universal for all domains, the kernel function of the Bergman projector, called the Bergman kernel, depends on the geometry of the domain. Recently the theory of quaternionic holomorphic multiperiodic functions and automorphic forms provided new impulses to set up explicit representation formulas for large classes of hyperbolic polyhedron type domains. These include block shaped domains, wedge shaped domains (with or without additional rectangular restrictions) and circular symmetric finite and infinite cylinders as particular subcases. In this talk we want to give an overview over the recent developments in this direction.
Digital models of buildings are widely used in civil engineering. In these models, geometric information is used as leading information. Engineers are used to have geometric information, and, for instance, it is state of the art to specify a point by its three coordinates. However, the traditional approaches have disadvantages. Geometric information is over-determined. Thus, more geometric information is specified and stored than needed. In addition, engineers already deal with topological information. A denotation of objects in buildings is of topological nature. It has to be answered whether approaches where topological information becomes a leading role would be more efficient in civil engineering. This paper presents such an approach. Topological information is modelled independently of geometric information. It is used for denoting the objects of a building. Geometric information is associated to topological information so that geometric information “weights” a topology.
The concept presented in this paper has already been used in surveying existing buildings. Experiences in the use of this concept showed that the number of geometric information that is required for a complete specification of a building could be reduced by a factor up to 100. Further research will show how this concept can be used in planning processes.
DECENTRALIZED APPROACHES TO ADAPTIVE TRAFFIC CONTROL AND AN EXTENDED LEVEL OF SERVICE CONCEPT
(2006)
Traffic systems are highly complex multi-component systems suffering from instabilities and non-linear dynamics, including chaos. This is caused by the non-linearity of interactions, delays, and fluctuations, which can trigger phenomena such as stop-and-go waves, noise-induced breakdowns, or slower-is-faster effects. The recently upcoming information and communication technologies (ICT) promise new solutions leading from the classical, centralized control to decentralized approaches in the sense of collective (swarm) intelligence and ad hoc networks. An interesting application field is adaptive, self-organized traffic control in urban road networks. We present control principles that allow one to reach a self-organized synchronization of traffic lights. Furthermore, vehicles will become automatic traffic state detection, data management, and communication centers when forming ad hoc networks through inter-vehicle communication (IVC). We discuss the mechanisms and the efficiency of message propagation on freeways by short-range communication. Our main focus is on future adaptive cruise control systems (ACC), which will not only increase the comfort and safety of car passengers, but also enhance the stability of traffic flows and the capacity of the road (“traffic assistance”). We present an automated driving strategy that adapts the operation mode of an ACC system to the autonomously detected, local traffic situation. The impact on the traffic dynamics is investigated by means of a multi-lane microscopic traffic simulation. The simulation scenarios illustrate the efficiency of the proposed driving strategy. Already an ACC equipment level of 10% improves the traffic flow quality and reduces the travel times for the drivers drastically due to delaying or preventing a breakdown of the traffic flow. For the evaluation of the resulting traffic quality, we have recently developed an extended level of service concept (ELOS). We demonstrate our concept on the basis of travel times as the most important variable for a user-oriented quality of service.
This contribution will be freewheeling in the domain of signal, image and surface processing and touch briefly upon some topics that have been close to the heart of people in our research group. A lot of the research of the last 20 years in this domain that has been carried out world wide is dealing with multiresolution. Multiresolution allows to represent a function (in the broadest sense) at different levels of detail. This was not only applied in signals and images but also when solving all kinds of complex numerical problems. Since wavelets came into play in the 1980's, this idea was applied and generalized by many researchers. Therefore we use this as the central idea throughout this text. Wavelets, subdivision and hierarchical bases are the appropriate tools to obtain these multiresolution effects. We shall introduce some of the concepts in a rather informal way and show that the same concepts will work in one, two and three dimensions. The applications in the three cases are however quite different, and thus one wants to achieve very different goals when dealing with signals, images or surfaces. Because completeness in our treatment is impossible, we have chosen to describe two case studies after introducing some concepts in signal processing. These case studies are still the subject of current research. The first one attempts to solve a problem in image processing: how to approximate an edge in an image efficiently by subdivision. The method is based on normal offsets. The second case is the use of Powell-Sabin splines to give a smooth multiresolution representation of a surface. In this context we also illustrate the general method of construction of a spline wavelet basis using a lifting scheme.
PLANUNGSUNTERSTÜTZUNG DURCH DIE ANALYSE RÄUMLICHER PROZESSE MITTELS COMPUTERSIMULATIONEN. Erst wenn man – zumindest im Prinzip – versteht, wie eine Stadt mit ihren komplexen, verwobenen Vorgängen im Wesentlichen funktioniert, ist eine sinnvolle Stadtplanung möglich. Denn jede Planung bedeutet einen Eingriff in den komplexen Organismus einer Stadt. Findet dieser Eingriff ohne Wissen über die Funktionsweise des Organismus statt, können auch die Auswirkungen nicht abgeschätzt werden. Dieser Beitrag stellt dar, wie urbane Prozesse mittels Computersimulationen unter Zuhilfenahme so genannter Multi-Agenten-Systeme und Zellulärer Automaten verstanden werden können. von
At the end of the 1960s, architects at various universities world- wide began to explore the potential of computer technology for their profession. With the decline in prices for PCs in the 1990s and the development of various computer-aided architectural design systems (CAAD), the use of such systems in architectural and planning offices grew continuously. Because today no ar- chitectural office manages without a costly CAAD system and because intensive soſtware training has become an integral part of a university education, the question arises about what influence the various computer systems have had on the design process forming the core of architectural practice. The text at hand devel- ops ten theses about why there has been no success to this day in introducing computers such that new qualitative possibilities for design result. RESTRICTEDNESS
It's not uncommon that analysis and simulation methods are used mainly to evaluate finished designs and to proof their quality. Whereas the potential of such methods is to lead or control a design process from the beginning on. Therefore, we introduce a design method that move away from a “what-if” forecasting philosophy and increase the focus on backcasting approaches. We use the power of computation by combining sophisticated methods to generate design with analysis methods to close the gap between analysis and synthesis of designs. For the development of a future-oriented computational design support we need to be aware of the human designer’s role. A productive combination of the excellence of human cognition with the power of modern computing technology is needed. We call this approach “cognitive design computing”. The computational part aim to mimic the way a designer’s brain works by combining state-of-the-art optimization and machine learning approaches with available simulation methods. The cognition part respects the complex nature of design problems by the provision of models for human-computation interaction. This means that a design problem is distributed between computer and designer. In the context of the conference slogan “back to command”, we ask how we may imagine the command over a cognitive design computing system. We expect that designers will need to let go control of some parts of the design process to machines, but in exchange they will get a new powerful command on complex computing processes. This means that designers have to explore the potentials of their role as commanders of partially automated design processes. In this contribution we describe an approach for the development of a future cognitive design computing system with the focus on urban design issues. The aim of this system is to enable an urban planner to treat a planning problem as a backcasting problem by defining what performance a design solution should achieve and to automatically query or generate a set of best possible solutions. This kind of computational planning process offers proof that the designer meets the original explicitly defined design requirements. A key way in which digital tools can support designers is by generating design proposals. Evolutionary multi-criteria optimization methods allow us to explore a multi-dimensional design space and provide a basis for the designer to evaluate contradicting requirements: a task urban planners are faced with frequently. We also reflect why designers will give more and more control to machines. Therefore, we investigate first approaches learn how designers use computational design support systems in combination with manual design strategies to deal with urban design problems by employing machine learning methods. By observing how designers work, it is possible to derive more complex artificial solution strategies that can help computers make better suggestions in the future.
Some caad packages offer additional support for the optimization of spatial configurations, but the possibilities for applying optimization are usually limited either by the complexity of the data model or by the constraints of the underlying caad system. Since we missed a system that allows to experiment with optimization techniques for the synthesis of spatial configurations, we developed a collection of methods over the past years. This collection is now combined in the presented open source library for computational planning synthesis, called CPlan. The aim of the library is to provide an easy to use programming framework with a flat learning curve for people with basic programming knowledge. It offers an extensible structure that allows to add new customized parts for various purposes. In this paper the existing functionality of the CPlan library is described.
Im vorliegenden Beitrag wird ein Framework für ein verteiltes dynamisches Produktmodell (FREAC) vorgestellt, welches der experimentellen Softwareentwicklung dient. Bei der Entwicklung von FREAC wurde versucht, folgende Eigenschaften umzusetzen, die bei herkömmlichen Systemen weitgehend fehlen: Erstens eine hohe Flexibilität, also eine möglichst hohe Anpassbarkeit für unterschiedliche Fachdisziplinen; Zweitens die Möglichkeit, verschiedene Tools nahtlos miteinander zu verknüpfen; Drittens die verteilte Modellbearbeitung in Echtzeit; Viertens das Abspeichern des gesamten Modell-Bearbeitungsprozesses; Fünftens eine dynamische Erweiterbarkeit sowohl für Softwareentwickler, als auch für die Nutzer der Tools. Die Bezeichnung FREAC umfasst sowohl das Framework zur Entwicklung und Pflege eines Produktmodells (FREAC-Development) als auch die entwickelten Tools selbst (FREAC-Tools).
This work is based on the concept that the structure of a city can be defined by six basic urban patterns. To enable more complex urban planning as a long-term objective I have developed a simulation method for generating these basic patterns and for combining them to form various structures. The generative process starts with the two-dimensional organisation of streets followed by the parceling of the remaining areas. An agent-based diffusion-contact model is the basis of these first two steps. Then, with the help of cellular automata, the sites for building on are defined and a three-dimensional building structure is derived. I illustrate the proposed method by showing how it can be applied to generate possible structures for an urban area in the city of Munich.
Der vorliegende Text beschreibt ein computerbasiertes Verfahren zur Lösung von Layout-problemen in Architektur und Städtebau, welches mit möglichst wenig Problemwissen auskommt und schnell brauchbare Ergebnisse liefert, die durch schrittweises Hinzufügen von Problemwissen interaktiv weiter ausgearbeitet werden können. Für das generative Verfahren wurde eine Evolutions-Strategie verwendet, die mit Mechanismen zur Kollisionserkennung und virtuellen Federn zu einem hybriden Algorithmus kombiniert wurde. Dieser dient erstens der Lösung des Problems der Dichten Packung von Rechtecken sowie zweitens der Herstellung bestimmter topologischer Beziehungen zwischen diesen Rechtecken. Die Bearbeitung beider Probleme wird durch schrittweise Erweiterung grundlegender Verfahren untersucht, wobei die einzelnen Schritte anhand von Performancetests miteinander verglichen werden. Am Ende wird ein iterativer Algorithmus vorgestellt, der einerseits optimale Lösungen garantiert und andererseits diese Lösungen in einer für eine akzeptable Nutzerinteraktion ausreichenden Geschwindigkeit generiert.
Entwerfen Versionieren: Probleme und Lösungsansätze für die Organisation verteilter Entwurfsprozesse
(2011)
Entwerfen ist ein komplexer Vorgang. Soll dieser Vorgang nicht allein, sondern räumlich verteilt mit mehreren Beteiligten gemeinsam stattfinden, so sind digitale Werkzeuge zur Unterstützung dieses Prozesses unumgänglich. Die Verwendung von Werkzeugen für Ent-wurfsprozesse bedeutet jedoch immer auch eine Manipulation des zu unterstützenden Prozesses selbst. Im Falle von Werkzeugen zur Unterstützung der Kollaboration mehrerer Beteiligter stellen die implementierten Koordinationsmechanismen solche prozessbeeinflussenden Faktoren dar. Damit diese Mechanismen, entsprechend der Charakteristika kreativer Prozesse, so flexibel wie möglich gestaltet werden können, liegt die Anforderung auf technischer Ebene darin, ein geeignetes Konzept für eine nachvollziehbare Speicherung (Versionierung) der stattfindenden Entwurfshandlungen zu schaffen. Der vorliegende Artikel beschäftigt sich mit dem Thema der Entwurfsversionierung in computergestützten kollaborativen Arbeitsumgebungen. Vor dem Hintergrund, dass die Versionierung den kreativen Entwurfsprozess möglichst wenig manipulieren soll, werden technische sowie konzeptionelle Probleme der diskutiert und Lösungsansätze für diese vorgestellt.
Nähert man sich der Frage nach den Zusammenhängen zwischen Strukturalismus und generativen algorithmischen Planungsmethoden, so ist zunächst zu klären, was man unter Strukturalismus in der Architektur versteht. Allerdings gibt es letztlich keinen verbindlichen terminologischen Rahmen, innerhalb dessen sich eine solche Klärung vollziehen könnte. Strukturalismus in der Architektur wird oftmals auf ein formales Phänomen und damit auf eine Stilfrage reduziert. Der vorliegende Text will sich nicht mit Stilen und Phänomenen strukturalistischer Architektur auseinandersetzen, sondern konzentriert sich auf die Betrachtung strukturalistischer Entwurfsmethoden und stellt Bezüge her zu algorithmischen Verfahren, wobei das Zusammenspiel zwischen regelgeleitetem und intuitivem Vorgehen beim Entwerfen herausgearbeitet wird.
Architektur wird vorwiegend über die den Raum begrenzenden Oberflächen wahrgenommen. Das Oberflächenmaterial kann daher mit seinen sinnlichen Eigenschaften die Entwurfsintention unterstützen, zugleich muss es aber auch zahlreiche technische, ökonomische und ökologische Anforderungen erfüllen. Materialwahl in der Architektur bedeutet somit das Abwägen einer Vielzahl von Parametern, die sich sowohl inhaltlich als auch hinsichtlich ihrer Relevanz stark unterscheiden. Die Entscheidung für ein Material kann dabei durch verschiedene analoge und digitale Ansätze unterstützt werden. Die vorhandenen Systeme sind jedoch allesamt begrenzt: in den von ihnen berücksichtigten Aspekten, den möglichen Suchwegen oder ihren Inhalten. Keines der in dieser Arbeit untersuchten Systeme berücksichtigt zudem die unterschiedliche Wichtigkeit oder gegenseitige Abhängigkeiten und Unschärfen der in die Materialwahl einfließenden Kriterien. Die vorliegende Arbeit formuliert daher eine Gesamtstrategie zur besseren Unterstützung der Entscheidung für ein Oberflächenmaterial. Im Wesentlichen wird dabei eine Methode vorgestellt, wie die inhaltlich höchst unterschiedlichen Kriterien, welche Einfluss auf die Materialwahl ausüben, mit ihrer jeweiligen Relevanz gegeneinander in Ansatz gebracht werden können, um eine umfassende Bewertung der Materialalternativen zu ermöglichen. In einem zweiten Schritt wird mit Multidimensional Scaling eine Technik der Informationsvisualisierung benutzt, die eine zusätzliche Unterstützung durch weitere Analysemöglichkeiten und andere Suchwege eröffnet. Das vorgeschlagene Verfahren ist in einem Software-Prototyp umgesetzt. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag, die Auswahl eines geeigneten Materials in der Architektur zu erleichtern, diese Entscheidung plausibel begründen zu können und den Weg der Entscheidungsfindung nachvollziehbar werden zu lassen.
Skinless architecture
(2003)
Wissenschaftliches Kolloquium vom 24. bis 27. April 2003 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚MediumArchitektur - Zur Krise der Vermittlung'
Wissenschaftliches Kolloquium vom 24. bis 27. April 2003 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚MediumArchitektur - Zur Krise der Vermittlung'
Die zunehmend erforderliche Kooperation verschiedener Beteiligter unterschiedlicher Fachbereiche und der Einsatz hochspezialisierter Fachapplikationen in heterogenen Systemumgebungen unterstreichen die Bedeutung und Notwendigkeit neuer Konzepte und Möglichkeiten zur Schaffung einer computergestützten Integrationsebene. Ziel einer computergestützten Integrationsebene ist die Verbesserung der Kooperation und Kommunikation unter den Beteiligten. Grundlage dafür ist die Etablierung eines effizienten und fehlerfreien Daten- und Informationsaustausches zwischen den verschiedenen Fachplanern und -applikationen. Die Basis für die Datenintegrationsebene bildet ein digitales Bauwerksmodell im Sinne eines >virtuellen Bauwerks<, welches alle relevanten Daten und Informationen über ein zu planendes oder real existierendes Bauwerk zur Verfügung stellt. Bei der Verwirklichung einer Bauwerksmodell-orientierten Datenintegrationsebene und deren Modellverwaltung erweist sich speziell die Definition des Bauwerksmodells also die Spezifikation der relevanten auszutauschenden Daten als äußerst komplex. Der hier vorzustellende Relationen-orientierte Ansatz, d.h. die Realisierung des Daten- und Informationsaustauschs mittels definierter Relationen und Beziehungen zwischen dynamisch modifizierbaren Domänenmodellen, bietet Ansätze zur: * Verringerung und Beherrschung der Komplexität des Bauwerksmodells (Teilmodellbildung) * Realisierung eines effizienten Datenaustauschs (Relationenmanagement) Somit stellt der Relationenorientierte Ansatz einen adäquaten Lösungsweg zur Modellierung eines digitalen Bauwerksmodells als Datenintegrationsebene für den Lebenszyklus eines Bauwerkes dar.
Datenaustausch, Daten resp. Produktdatenmodelle sind seit mehreren Jahren Themen in der Forschung. Verschiedene Forschungsprojekte und Initiativen diverser Firmen führten zu bereichsübergreifenden Ansätzen wie IFC und verschiedenen STEP-AP´s. Speziell im Stahlbau sind die Projekte >Produktschnittstelle Stahlbau< und >CIMsteel< entwickelt, weiterentwickelt und überarbeitet worden. Als Weiterentwicklung der bisher existierenden Austauschformate versuchen neuere Ansätze den Nutzen über die reine Datenübermittlung hinaus zu erweitern. So integrieren diese Lösungsvorschläge Aspekte der Kommunikation, der Zusammenarbeit und des Managements. Des weiteren übernehmen sie Aufgaben der Daten- und Modellverwaltung. Somit erfolgt eine digitale Abbildung unter Einbezug sämtlicher ermittelter Daten. Resultierend aus den besonderen Randbedingungen im Bauwesen, wird ein Bauwerksmodell aus untereinander in Beziehung gesetzten Domänenmodellen aufgebaut
n allen Stadien des Planungsprozesses von Gebäuden nehmen Entwurfsentscheidungen starken Einfluß auf die bauphysikalische Qualität eines Gebäudes. Im Rahmen dieses Beitrags wird deshalb die Integration bauphysikalischer Gesichtspunkte in den Planungsprozeß vorgestellt, bei welcher dem Fachingenieur geeignete Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden, die es erlauben, das zu planende Gebäude als Einheit von baulicher Hülle, Anlagentechnik und Nutzung zu betrachten. Darauf aufbauend wird eine gezielte Überprüfung des Gebäudemodells mit Hilfe von bauphysikalischen Nachweisen und Simulationen durchgeführt, um eine bauphysikalische Entscheidungsunterstützung im Entwurfsprozeß vornehmen zu können. Das erarbeitete Programmsystem VAMOS (Verteilte Applikation zur Modellierung und Optimierung bauphysikalischer Systeme) nutzt die Middleware-Technologie CORBA konsequent für die dynamische, netzwerkweite Integration fünf verschiedener aufgabenspezifischer Komponenten: Die erste Komponente zur Modellerzeugung und -manipulation wurde auf Basis des CAD-Systems AutoCAD als ARX-Laufzeitmodul erstellt. Dadurch ist es einerseits möglich, bestehende Planungsabläufe unter Verwendung von Standardwerkzeugen des entwerfenden Ingenieurs zu erhalten, andererseits können die umfangreichen Fähigkeiten des AutoCAD-Geometriekerns für die Erstellung komplexer dreidimensionaler Bauteilgeometrien genutzt werden. In der zweiten Komponenten wurde eine objektorientiertes Datenbanksystem in das Gesamtsystem integriert, das auch für die Verwaltung verschiedener Versionen von Gebäudeentwürfen verwendet wird. Die bauphysikalischen Nachweise, die auf Basis der zentral im Netzwerk bereitgestellten Modelle automatisiert durchgeführt werden können, wurden auf Basis der Java-Applet-Technologie abgebildet, um die zentrale Wartbarkeit und Anpassbarkeit an Veränderungen der Vorschriften und Gesetzesgrundlagen zu ermöglichen. Dabei wurden sowohl die aktuelle Wärmeschutzverordnung (WSVO) als auch die Energieeinsparverordnung (EnEV) berücksichtigt. Für die ganzheitliche Erfassung des Gebäudeenergiehaushaltes wurde das Simulationsprogramm TRNSYS um ein Schnittstellenmodul unter Verwendung von IDL-Interfaces erweitert, so daß die direkte Integration der umfangreichen Funktionalitäten in das Gesamtsystem möglich wird. Um die Modellierung auf der Basis von realistischen Parametern durchführen zu können, wurde eine Komponente entwickelt, die unter Verwendung der Technologie mobiler Internet-Agenten die dynamische Recherche von herstellerspezifischen Parametern im Internet ermöglicht.
Für den Entwurf der i.a. aus langen schmalen Rechtecken bestehenden Schal- bzw. Werkpläne wird eine Entwurfsunterstützung vorgestellt, bei der die Größe der Rechtecke wie immer festgelegt wird, die Lage der Rechtecke aber durch topologische Angaben. Letztere bilden programmtechnisch Bedingungen, wobei zwischen Berühr- und Bündigkeitsbedingen unterschieden wird. Diese Angaben positionieren das neue Rechteck im Bezug zu einem bereits platzierten. Zum Beispiel erlaubt die Angabe, die Säule ist oberhalb des Fundamentes und belastet dieses mittig, eine eindeutige Festlegung der Lage der Säule bei gegebener Lage des Fundamentes und gegebenen Abmessungen beider Rechtecke. Die Formulierung mittels Bedingungen hat den Vorteil daß diese auch bei Änderung von Abmessungen gültig bleiben. Die hier vorgestellte Eingabeart der relativen Positionierung ist eine Erweiterung des Orthomodus, wie er bei Bau-CAD-Programmen stets gefunden wird.
Entwurfsprozesse im Bauwesen sind hochgradig kooperative Prozesse mit alternierenden Phasen asynchroner und synchroner Teamarbeit. Die Informationen über den aktuellen Entwurfsgegenstand können als Objektstrukturen modelliert werden, die in entsprechenden Modellverwaltungssystemen gespeichert werden. Bei der Realisierung von kooperativ nutzbaren Umgebungen für den Bauwerksentwurf sind jedoch bei der Auswahl von Basistechniken spezifische Anforderungen von CSCW-Applikationen zu beachten, die bestimmte traditionelle Verfahren nicht erfüllen. Neben verschiedenen Auswirkungen auf das Interaktionsverhalten der Entwurfsumgebung spielt die cooperation awareness der eingesetzten Mechanismen eine bedeutende Rolle. Mechanismen zur Zugriffskontrolle sind in netzwerkbasierten Mehrbenutzerumgebungen essentiell, jedoch sind herkömmliche Verfahren zu unflexibel und nicht hinreichend ausdrucksstark. Eine adaptierte und erweiterte Variante des Matrixverfahrens ist für die Anwendung in Modellverwaltungssystemen geeignet. Ebenso muss bei der Auswahl von Mechanismen zur Nebenläufigkeitskontrolle Augenmerk auf dessen Eignung in Groupware-Systemen gelegt werden. Bei der Unterstützung asynchroner Kooperation können Lock-Verfahren auf die Informationen in Modellverwaltungssystemen angewandt werden. Für die Applikationen für synchrone Teamarbeit müssen derartige Mechanismen auf die gemeinsamen Informationsbestände sowie auf Systemressourcen der Entwurfsumgebung angewendet werden. Hierfür sind floor-passing'-Verfahren geeignet; die Anwendbarkeit von Transformationsverfahren sollte für die konkret umzusetzende Applikation geprüft werden.
Die Modelle früher CAD-Zeichnungen sind unstrukturierte Mengen graphischer Elemente. Heute werden CAD-Zeichnungen aus semantischen Objektmodellen von Bauwerken abgeleitet, deren Informationsbasis systematisch geordnet und deren Nutzung zweckmäßig geregelt ist. Softwaremodule werden getrennt entwickelt und unter aktiver Mitwirkung der Anwender vereint eingesetzt.Ein zentrales Problem der aktuellen Forschung und Entwicklung im CAD ist die Handhabung der Beziehungen zwischen Objekten und ihrer Änderungen in verteilten Arbeitsumgebungen. Hierfür wird ein Konzept mit der Relationenalgebra als theoretische Grundlage vorgestellt.
Die Entwicklung Berlins zur neuen Hauptstadt des vereinigten Deutschlands erfordert den umfangreichen Ausbau der innerstädtischen Verkehrswege und eine umfassende Einbindung in das bundesweite Verkehrsnetz. Der Ausbau der Inter-City-Express-Strecke zwischen Hannover und Berlin bedingte eine Umplanung großer Streckenabschnitte der Deutschen Bahn AG. Im Zeitalter der computergestützten Informationsverarbeitung sind gerade auf dem Gebiet der Tragwerksplanung konstruktiver Ingenieurbauten vielfältige Möglichkeiten gegeben. So ist bei der Planung von Brückenneubauten eine durchgehende computergestützte Konstruktion und Tragwerksplanung vom Vorentwurf bis hin zur Fertigung möglich. Weiterhin gestatten besondere Berechnungsmethoden bei speziellen Belastungsarten eine exaktere Schnittkraft- und Spannungsermittlung und dadurch eine dem wirklichen Tragverhalten entsprechende genauere Nachweisführung. An Beispielen aus dem konstruktiven Ingenieurbau im Zuge der Sanierung der Berliner Stadtbahn wird die Anwendung moderner Rechentechnik und computergestützter Konstruktionsmethoden und Berechnungsverfahren diskutiert. Die Berliner Stadtbahn wird in weiten Abschnitten über gemauerte Ziegelsteinviadukte geführt. Das Konzept der Sanierungsmaßnahmen sah neben der Anordnung einer lastverteilenden Platte einen Gleisaufbau als Feste Fahrbahn vor. Zusätzlich wurden die Gleisabstände den heutigen Bundesbahnvorschriften angepaßt. Aus diesem Grund wurde eine genaue Nachrechnung der Stadbahnviadukte unter Berücksichtigung der verschiedensten Parameter (z.B. Fugen in der lastverteilenden Platte, Rißbildung im Mauerwerk, Schubverformungen in Fugen zwischen Beton und Mauerwerk bei Überschreitung von Grenzwerten) erforderlich. Die zwischen dem Berliner Hauptbahnhof und dem Bahnhof Jannowitzbrücke befindliche Eisenbahnüberführung über die Holzmarktstraße wurden abgebrochen. Das neue Bauwerk besteht aus einer zweifeldrigen, schiefwinkligen Deckbrücke für 4 Gleise. Auf Grund der komplizierten geometrischen Randbedingungen erfolgte eine durchgängige computergestützte Erstellung der Ausführungsunterlagen. Die Hauptabmessungen der Konstruktion wurden mit Hilfe von Vermessungsdaten bestimmt, die im CAD-Programm verarbeitet wurden. Die CAD-Daten bildeten die geometrischen Eingangsgrößen für das Berechnungsprogramm. Die Querschnittsdimensionierung der Berechnung ging dann in die CAD-Bearbeitung ein. Die Koordinaten für die Werkstattfertigung sowie für die Montage auf der Baustelle ergaben sich ebenfalls aus den Berechnungsergebnissen.
Der Entwurf einfacher Konstruktionen stellt für den Tragwerksplaner zumeist eine Routineaufgabe dar. Üblicherweise werden Statik, Zeichnungen sowie Elementelisten separat voneinander erstellt. Das Programmsystem ICAD bietet die Möglichkeit, diese Arbeiten in einer Bearbeitungsstufe durchzuführen. Die Programmierung der Bemessung, Darstellung und Auswertung von Bauteilen wird mit dem Editor Emacs vorgenommen, die grafische Umsetzung des compilierten Quelltextes erfolgt im ICAD-Browser. Innerhalb dieser Benutzeroberfläche steht eine Reihe von Werkzeugen für die Eingabe und Visualisierung von Daten zur Verfügung. Betrachtet man die zu bearbeitenden Bauteile und Anschlüsse als bekannte Konstruktionen des Ingenieurholzbaus, für die es eine festgelegte Anzahl von Abmessungen und Kennwerten gibt, so läßt sich jede dieser Konstruktionen als eigenständiger Modul programmieren. Der Tragwerksplaner ist somit in der Lage, aus einem Katalog an Bauteilen und Anschlüssen die Gesamtkonstruktion zusammenzustellen. Allgemeingültige Kennwerte, Berechnungsverfahren und häufig verwendete Unterprogramme stehen modular als Wissensbasis zur Verfügung und werden von den einzelnen Tragelementen bedarfsgerecht eingebunden. Eine weitere Möglichkeit der wissensbasierten Tragwerksplanung stellt die sogenannte Multi-Criteria-Analyse dar. Bei diesem Verfahren nimmt das Programm selbständig eine Entscheidungsfindung für eine oder mehrere günstige Konstruktionslösungen vor. Dazu sind lediglich Wichtungen verschiedener Randbedingungen durch den Anwender erforderlich.
Informationstechnische Integration im Bauwesen durch Nutzung fachspezifischen Anwenderwissens
(1997)
Im vorliegenden Beitrag wird ein Integrationskonzept vorgestellt, bei dem das fachspezifische Wissen des Anwenders integraler Bestandteil des Konzeptes ist. Grundgedanke des Konzeptes ist es, die Informationen vorerst im Kontext der Anwendung, mit der sie erstellt wurden, zu belassen. Die Interpretation der Informationen erfolgt durch den Anwender, der diese Informationen zur Integration nutzen möchte. Er weiß, welche Daten er für seine Arbeiten benötigt, und er verfügt über das erforderliche fachspezifische Wissen, um die Informationen anderer Bearbeiter verstehen zu können. Damit ist es nicht erforderlich, die internen Datenstrukturen einer Software zu verstehen und in einem neutralen Format zu beschreiben. Die Integration erfolgt interaktiv am Bildschirm durch den Anwender. Das vorgestellt Konzept wird in den Kontext der in der Literatur beschriebenen Integrationskonzepte eingegliedert. Hierzu werden die Integrationskonzepte klassifiziert. Die Klassifikation erfolgt auf der Grundlage der Software-Architekturen. Das vorgestellte Integrationskonzept wird am Beispiel der Angebotsbearbeitung im Bauwesen konkretisiert.
Der Effekt des praktischen Einsatzes von CAD-Systemen im Stahlbau erschöpft sich heute weitgehend in einer Verbesserung der Qualität der Planungsunterlagen und in der Verkürzung der Bearbeitungszeiten. Dabei ist bei schwierigen individuellen Konstruktionen die Einsparung an Arbeitszeit oft nicht sehr markant gegenüber einer traditionellen Arbeitsweise. Die dreidimensionale Erfassung, Speicherung und Verarbeitung von Konstruktionsdaten im Rechner verlangt neben größeren Rechenleistungen neue Verfahren für die Behandlung dieser Daten. Die Möglichkeiten der Automatisierung stahlbautypischer Produktionsvorgänge und einer variablen, computergestützten Planung erfordern wissenschaftlich-technische Betrachtungen des Gesamtproblems. Ausgehend von den Anforderungen des Stahlbaus wird ein neues dreidimensionales Volumenmodell für den rechnergestützten Entwurf und die Konstruktion erarbeitet. Es werden grundlegende Methoden zur Problembehandlung aufgezeigt. Die Methodik basiert im wesentlichen auf der Methode der Inzidenz-Matrizen, um die Beziehungen zwischen topologischen und geometrischen Informationen eines Körpers darzustellen. Die Ermittlung der lokalen Mannigfaltigkeiten wird mit dem Euler-Polyedersatz verglichen und an Beispielen demonstriert. Eine neue Methode zur Ermittlung der lokalen Mannigfaltigkeiten wird dargestellt. Stahlbauspezifische Konstruktionen werden erzeugt und ihre Gestalt nach Anforderungen verändert. Im besonderen werden stahlbauspezifische Ausklinkungen und Verschneidungen erarbeitet und an Beispielen präsentiert.
Objektorientierte Modellierungstechniken werden gegenwärtig vor allem Entwicklern von CAD-Systemen angeboten. Sie erzeugen über die Schritte OO-Modellanalyse und OO-Softwaredesign OO-Programme, die mit ihrer Compilation das durch den Softwareingenieur gefundene Modell festschreiben. Generell, aber insbesondere im Bauwerksdesign, ist dieses Vorgehen unbefriedigend, da hier eine Normung von Modellen nicht gelingt, der Entwurfsprozeß vergleichsweise lang ist und eine Kooperation von Ingenieurgewerken mit verschiedenen Modelldomänen die Regel sind. Darüber hinaus weisen die Modelle in frühen Phasen ein hohes Maß an Unschärfe und Abstraktion auf. CAD-Tools, die diese Phasen unterstützen, benötigen deshalb: statt eines genormten Produktmodells ein einheitliches, kognitiv begründetes Modellstrukturierungsparadigma, für das mit der Objektorientierung eine mögliche Ausprägung gegeben ist, ein explizites, verfügbares Domänenmodell zur fortwährenden Interpretation von Bauwerksmodellen, deskriptive Elemente, die die Interpretation von Objekten und Attributen erleichtern, ein Konzept zur Behandlung von Unschärfe und Abstraktion. Hieraus ergeben sich für die Entwicklung von CAD-Systemen folgende Forderungen : Explizite Verfügbarkeit von Klassenobjekten und deren Erzeugung und Veränderung zur Laufzeit, Vererbung auf Klassen- und Instanzniveau, Erweiterte Attributkonzepte (Facetten), Unterstützung der Aggregation als einer wesentlichen Modellstrukturierungsrelation, Verfügbarkeit von OO-Schnittstellen zum Aufbau von CAD-Systemen aus Tools einerseits, sowie zur Trennung von Modellverwaltung und Modellrepräsentation andererseits. Als ein herausragendes Merkmal des Objektorientierten Paradigmas wird die Anwendungsnähe genannt, da Erscheinungen der behandelten Domäne sich analog in Modellen und Programmen wiederfinden (sollen). Unter der Grundannahme, daß dieses Paradigma auch durch den Anwender zur Erstellung seiner Modellwelten verwendet wird, will FLEXOB eine homogene Umgebung schaffen, die die Modellwelt des Softwareingenieurs zu Analysezwecken dem Anwender zur Verfügung stellt und die die Erweiterung dieser Modellwelt auf deskriptivem Niveau ermöglicht. Das Tool FLEXOB und einige wesentliche Implementationsdetails werden im Beitrag vorgestellt. Es handelt sich bei diesem Tools um eine C++ Klassenbibliothek, die entweder als Objektmodul oder als Windows-DLL verwendet werden kann. Aspekte des Nutzungsregimes solch flexibler Modellverwaltungen werden im Beitrag ebenfalls angespochen.
Für die Gestaltung einer durchgängigen Unterstützung des Entwurfsprozesses stehen gegenwärtig deskriptive Modelle der Entwurfsobjekte im Mittelpunkt der Untersuchungen. Diese Modelle gestatten das Ableiten von Repräsentationen sowie eine Weitergabe von Entwurfsergebnissen. Pragmatische Gliederungen des Entwurfsprozesses unterteilen diesen nach organisatorischen und betriebswirtschaftlichen Aspekten (Planbarkeit und Abrechenbarkeit) in eine Sequenz von Entwurfsphasen (HOAI). Diese Gliederungen berücksichtigen nicht das WIE des eigentlichen modellkreierenden Schaffensprozesses. Für ein echtes CADesign bildet dessen Klärung jedoch die erforderliche Voraussetzung. Im Beitrag wird dazu von einem vereinheitlichten Set generischer Entwurfsaktionen ausgegangen. Auch dann, wenn die verschiedenen Entwurfsphasen und die Entwurfshandlungen der einzelnen Ingenieurgewerke mit spezifische Entwurfsmodellen verbunden werden, besteht damit eine Grundlage zur methodischen Fundierung entsprechender CAD-Tools. Die methodische Verfahrensweise ähnelt der, die in Form von Styleguides zur Gestaltung von 'Graphical User Interfaces' vorgeschlagen wird. Wesentliche praktische Benutzungen solche Basisaktivitäten ergeben sich für: die Systematisierung computergestützter Entwurfshandlungen, insbesondere durch Erweiterung des deskriptiven um ein operationales Modell sowie deren erweiterte Interpretierbarkeit die Erzeugung wissensbasierter Werkzeuge zur automatischen Modellgenerierung/-konfiguration die Implementation von leistungsfähigen UNDO- bzw. TMS-Mechanismen.
Trotz der langjährigen Erfahrung bei der Anwendung objektorientierter Konzepte bei der Modellierung von Gebäuden ist es bisher nicht gelungen, ein allgemein anerkanntes Gebäudemodell im Rechner abzubilden. Das mag zum einen daran liegen, daß die Standardisierung eines solchen Modells bis heute zu keinem Abschluß gekommen ist. Zum anderen aber scheint vor allem die Problematik der Abbildung eines solchen Gebäudemodells in das Objektmodell einer Programmiersprache bisher unterschätzt worden zu sein. Die erhoffte Durchgängigkeit von objektorientierter Analyse, Entwurf und Programmierung gelingt bei Anwendungen für Entwurfsaufgaben nicht. Das gilt vor allem für Anwendungen, die frühe Entwurfsphasen unterstützen und damit erst zur Definition eines Gebäudemodells beitragen. Im Bereich der Softwareentwicklung wird das Konzept des Objektes als Ordnungsbegriff zur Strukturierung von Softwaremodulen benutzt. Die Übertragung dieser Ordnung in die Welt des Ingenieurs oder Architekten zur Bezeichnung eines konkreten Elements aus einem Modell (Raum 42 aus der Menge aller Räume des Gebäudes Blumenstraße 7) kann daher nur zu begrenzten Erfolgen führen. Aus der Analyse der Widersprüchlichkeit des Objektbegriffs zwischen Softwareentwickler (Programmierer) und Softwareanwender (Ingenieur, Architekt) wird im folgenden ein Laufzeitsystem für dynamische Objektstrukturen entwickelt, das es dem Softwareentwickler erlaubt, sowohl auf die Struktur als auch auf die Ausprägung eines Modells zuzugreifen. Dem Softwareanwender können damit Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden, die es ihm gestatten, Gebäudemodelle zu definieren. Das Laufzeitsystem enthält zum einen eine Reihe von Klassen, die es ermöglichen, die Struktur von Anwenderobjekten dynamisch zu beschreiben und zu analysieren. Eine zweite Art von Klassen erlaubt das Erzeugen und Verändern von Anwenderobjekten, die diesen Strukturen entsprechen
This is a paper about knowledge in design and how to elicit knowledge from design processes. The paper is a preparation for an empirical study of interaction in the design process. Reasonings of three authors - Schön, Broadbent and Lundequist - on design processes is presented. They all have a pragmatic perspective in common, and regard the process as an activity without a definite form. Design is seen as an activity of creating models of forms and shapes, by addressing expert knowledge in a dialogic way to problematic situations. Due to the pragmatic approach I find the pragmatist Dewey´s understanding of knowledge and elecitation of knowledge appropiate for studying design processes. According to him it is possible to build up objectified descriptions of experiences, also of such, which are based on experiences of emotional and intuitive nature. There need not be a definite border, which separates tacit knowledge from explicit knowledge - when it comes to the question of the possibility of verbal descriptions. Tacit knowledge is possible to articulate within pragmatic thinking. The conclusion is, that it is possible to study the tacit knowledge of design processes, and get some qualitative insights useful for theory building. A study of design processes can look at three different forms of knowledge. It appears as a precognitive understanding of the design situation, as integrated in the design activity - seeing the situation as something known - and in the process of creating something new.
Processing technical and environmental data on building materials, components, and systems has become more important during the last few years. Increased sensitivity towards environmental and energy problems has lead to the demand for simulation and evaluation of the long term behavior of buildings. The results of such simulations are expected to enable architects and engineers to develop a broader, interdisciplinary understanding of the impact of their products (buildings) on the environment. However, conducting such evaluations is currently hampered by the lack of comprehensive, up-to-date, and ecologically relevant data on building materials, components, and systems. To address this problem, this paper proposes an approach to deal with the absent or uncertain attributes of building materials, components, and systems. In the past, various information systems have been developed to provide data on a limited set of building materials, including precise values pertaining to some of their characteristics, such as availability, manufacturers, costs, etc. These traditional information systems have difficulty in dealing with uncertain, incomplete and sparse data. However, uncertainty and incompleteness characterize the nature of most of the available and environmentally related characteristics of materials, components, and systems. In this paper, a fuzzy-logic-based augmentation of traditional information systems is proposed towards providing management, utilization and manipulation of incomplete and uncertain data.
Designing lightings in a 3D-scene is a general complex task for building conception as it is submitted to many constraints such as aesthetics or ergonomics. This is often achieved by experimental trials until reaching an acceptable result. Several rendering softwares (such as Radiance) allow an accurate computation of lighting for each point in a scene, but this is a long process and any modification requires the whole scene to be rendered again to get the result. The first guess is empirical, provided by experience of the operator and rarely submitted to scientific considerations. Our aim is to provide a tool for helping designers to achieve this work in the scope of global illumination. We consider the problem when some data are asked for : on one hand the mean lighting in some zones (for example on a desktop) and on the other hand some qualitative information about location of sources (spotlights on the ceiling, halogens on north wall,...). The system we are conceiving computes the number of light sources, their position and intensities, in order to obtain the lighting effects defined by the user. The algorithms that we use bind together radiosity computations with resolution of a system of constraints.
Der Fokus des Projektes liegt auf einer besseren Unterstützung der kooperativen Aspekte im Bauwerksentwurf und der Anwendung von ComponentWare-Techniken in der Architektur des Entwurfssystems. Es muß festgestellt werden, daß die Kooperation der Beteiligten im Entwurfsprozeß von Bauwerken durch die heute praktizierten Datenaustauschverfahren nicht oder nur unbefriedigend unterstützt wird und das keine Lösung dieses Problems durch die Weiterentwicklung von filebasierten Datenaustauschformaten zu erwarten ist. Im Rahmen des Projektes wird mit einer CORBA-Umgebung für Smalltalk-80 ein verteilbares Objektsystem realisiert. Als Architektur des Systems wurde eine hybride Herangehensweise gewählt, bei der allgemeine Informationen auf einem zentralen Server verwaltet werden und die eigentlichen Projektinformationen bei Bedarf repliziert werden. Wie allgemein in GroupWare - orientierten Systemen notwendig, müssen effektive Mechanismen der Nebenläufigkeitskontrolle und zur Sperrung bestimmter Modellbereiche realisiert werden. Wichtig ist für kooperative Entwurfssysteme die Systemunterstützung der Beseitigung der Folgen von kollidierenden Entwurfsintensionen durch die Bearbeiter. Dazu werden unter anderem Remote-Pointer-Mechanismen realisiert. In Abhängigkeit von der Rolle eines Bearbeiters werden diesem Sichten auf des Objektmodell (Partialmodelle) zugeordnet. Es werden Mechanismen zur Autorisierung des Zugriffs auf Partialmodelle implementiert, zu diesem Zweck erfolgt eine Nutzerauthentifizierung. Beziehungen zwischen Partialmodellen werden durch eine spezielle Relation im Objektsystem abgebildet. Die Konzeption des Objektsystems lehnt sich an die PREPLAN-Philosophie an. Das impliziert die Unterstützung von Entwurfshandlungen sowohl in Bottom-Up- als auch in Top-Down - Richtung. Benutzer können das Objektsystem um eigene Klassen erweitern bzw. existierende Klassen modifizieren und Attribute mit Defaultwerten belegen, um das System inkrementell mit Domänenwissen anreichern zu können. Von großer Bedeutung für kooperative Entwurfssysteme sind eine Versionsverwaltung und die Bereitstellung von Undo - und Redo - Mechanismen. Es ist möglich, multimediale Daten im Objektmodell abzulegen und diese in Abhängigkeit von ihrem Format wiederzugeben bzw. zu bearbeiten. Das beschriebene System befindet sich derzeit in der Implementierung.
Ideally, multiple computational building evaluation routines (particularly simulation tools) should be coupled in real-time to the representational design model to provide timely performance feed-back to the system user. In this paper we demonstrate how this can be achieved effectively and conveniently via homology-based mapping. We consider two models as homologous if they entail isomorphic topological information. If the general design representation (i.e., a shared object model) is generated in a manner so as to include both the topological building information and pointers to the semantic information base, it can be used to directly derive the domain representations (>enriched< object models with detailed configurational information and filtered semantic data) needed for evaluation purposes. As a proof of concept, we demonstrate a computational design environment that dynamically links an object-oriented space-based design model, with structurally homologous object models of various simulation routines.
The general motivation of this research is to develop software to support the handling of the increased complexity of architectural design. In this paper we describe a system providing general support during the whole process. Instead of only developing design tools we are also addressing the problem of the operating environment of these tools. We conclude that design tools have to be integrated in an open, modular, distributed, user friendly and efficient environment. Two major fields have to be addressed - the development of design tools and the realisation of an integrated system as their operation environment. We will briefly focus on the latter by discussing known technologies in the field of information technology and other design disciplines that can be used to realise such an environment. Regarding the first subject we have to state the need of a detailed tool specification. As a solution we suggest a strategy where the tool functions are specified on the basis of a transformation, where a hierarchical process model is mapped into specifications of different design tools realising appropriate support for all sub-processes of architectural design. Using this strategy the main steps to develop such a support system are: implementation of a framework as basis for the integrated design system decision whether the tool specification are already implemented in available tools in this case these tools can be integrated using known methods for tool coupling otherwise new design tools have to be developed according to the framework
The paper describes a development of the analytical finite strip method (FSM) in displacements for linear elastic static analysis of simply supported at their transverse ends complex orthotropic prismatic shell structures with arbitrary open or closed deformable contour of the cross-section under general external loads. A number of bridge top structures, some roof structures and others are related to the studied class. By longitudinal sections the prismatic thin-walled structure is discretized to a limited number of plane straight strips which are connected continuously at their longitudinal ends to linear joints. As basic unknowns are assumed the three displacements of points from the joint lines and the rotation to these lines. In longitudinal direction of the strips the unknown quantities and external loads are presented by single Fourier series. In transverse direction of each strips the unknown values are expressed by hyperbolic functions presenting an exact solution of the corresponding differential equations of the plane straight strip. The basic equations and relations for the membrane state, for the bending state and for the total state of the finite strip are obtained. The rigidity matrix of the strip in the local and global co-ordinate systems is derived. The basic relations of the structure are given and the general stages of the analytical FSM are traced. For long structures FSM is more efficient than the classic finite element method (FEM), since the problem dimension is reduced by one and the number of unknowns decreases. In comparison with the semi-analytical FSM, the analytical FSM leads to a practically precise solution, especially for wider strips, and provides compatibility of the displacements and internal forces along the longitudinal linear joints.
Review of Discrete Optimization Techniques for CAD Discrete optimization in the structure design Morphological method The alternative graph approach Convex discrete optimization without objective function Matroidal Decomposition in design Decomposition of layered matrices Discrete Optimization in Designing Packing problem Optimal arrangement of rectangles and shortest paths in L1-metrics Partition problems Discrete optimization in computational geometry and computer graphics Maxima of a point set on the plane Triangulation One of the main problems in computer graphics is removing hidden lines and surfaces
Anhand von Ergebnissen aus dem FABEL-Projekt wird gezeigt, welche Beiträge Methoden der Künstlichen Intelligenz, insbesondere der Wissensverarbeitung beim Entwurf komplexer Gebäude leisten können. Exemplarisch werden spezialisierte wissensintensive Methoden, und allgemeine fallbasierte Methoden zum Retrieval und zur Wiederverwendung früherer Entwürfe vorgestellt. Es werden Fragen der Integration von Wissen, Fällen und Daten diskutiert. Der Prototyp des FABEL-Projekts verwendet die Metapher der virtuellen Baustelle, um die verschiedenen Methoden als Planungswerkzeuge in einem CAD-System integriert anzubieten. Ein Planungsmodell dient der zusätzlichen Orientierung des Planers. Die Ergebnisse sind interessant für den Entwurf komplexer Unikate, dürften aber auch als Zusatz zu elektronisch angebotenen Katalogen relevant sein.
Die digitale Unterstützung der Planungsprozesse ist ein aktueller Forschungs- und Arbeitsschwerpunkt der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) und der Juniorprofessur Architekturinformatik der Fakultät Architektur an der Bauhaus-Universität Weimar. Verankert in dem DFG Sonderforschungsbereich 524 >Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken< entstehen Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung. Als ein Teilaspekt wird in diesem Beitrag die Vision eines mitwachsenden Geometriemodells für das computergestützte Bauaufmaß gezeigt, welches den Aufnehmenden von der Erstbegehung an begleitet. Die bei jeder Phase der Bauaufnahme gewonnenen Geometrieinformationen sollen in den anschließenden Phasen wiederverwendet, konkretisiert bzw. korrigiert werden. Aufmaßtechniken und Geometriemodell sind dabei eng gekoppelt. Verschiedene Sichten auf ein gemeinsames Geometriemodell haben zum Ziel, den Nutzer die Vorteile planarer Abbildungen nutzen zu lassen, ohne die dreidimensionale Übersicht zu verlieren oder entsprechende räumliche Manipulationen zu missen. Das Geometriemodell ist dabei in ein dynamisches Bauwerksmodell eingebettet. Der folgende Beitrag bezieht sich auf die Bauaufnahme mit folgenden Vorgaben: - die Bauaufnahme dient der Vorbereitung der Bauplanung im Bestand - es wird nur eine Genauigkeitsstufe (im Bereich von +/- 10 cm) unterstützt - die Geometrieabbildung des aufzunehmenden Bauwerkes beruht ausschließlich auf ebenen Oberflächen
This paper describes a didactic application that is part of a research project whose main aim is to develop a computer-aided system which will assist design and construction processes. It is based on the visual simulation of construction activities. Geometric modeling and virtual reality techniques are used in the visualization of the design process and to define user-friendly interfaces in order to access construction information, which could prove useful to Civil Engineering professionals. As a first step, was developed a prototype that serves as a didactic tool for Civil Engineering students of disciplines concerned with building construction. The construction of a double brick wall is the case studied. The wall is defined as a three dimensional model formed with the several components needed to edify it. Using the wall's virtual model it is possible to show, in an interactive way, the sequence of the construction process and observe from any point of view the configurations in detail of the building components. This is then a didactic tool application in construction processes domain of great interest to Civil Engineering students.
The construction of a new building interferes with the existent environment. A careful aesthetic study must be made at an early stage in the design and the visualization of a three-dimensional (3D) model of the structure is the best way to analyse it. As some structures presents a complex shape is difficult to execute a 3D model as well as the specific drawings. Using traditional graphical systems, the execution of deck specific drawings is extremely time consuming and the 3D deck model gives an approximation only of the exterior shape of the deck. The modelling scheme proposed here allows the automation of the geometric design phases related to the deck bridge element using as a means of integration a geometric database representative of the real deck shape. This concept was implemented in a computer program. This application is an important support in the process design namely at the conceptual and graphical stages. The computer application provides an important tool to the bridge designer particularly at the conceptual stage, as it allows aesthetic and structural evaluation of the bridge at an early stage in the design. The geometric modelling process and graphical results of a case study are presented.
Der Beitrag basiert auf den Ansätzen und Ergebnissen des Forschungsprojekts >Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen am Beispiel der Geotechnik<, des DFG-Schwerpunktprogramms 1103 >Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau<. Ziel ist die Entwicklung einer netzwerkbasierten Kooperationsplattform zur Unterstützung von Ingenieurplanungen. Methodische Grundlagen hierfür stellen die Petri-Netze mit individuellen Marken in Verbindung mit einer semantischen Informationsbewertung dar. Der Beitrag zeigt an einem Beispiel die grundlegenden Möglichkeiten der Petri-Netze auf und stellt die Steuerung der Planungsprozesse aufgrund von Metainformationen dar. Darüber hinaus wird der Ansatz verfolgt, auf der Basis bauteilorientierter Prozessmuster für geotechnische Konstruktionselemente den veränderlichen Prozessablauf zu erfassen. Abschließend wird ein Weg zur Implementierung gezeigt.
Im Hinblick auf einen effizienten Austausch von Planungsinformationen bei mittleren und größeren Bauprojekten werden in den letzten Jahren vermehrt internetbasierte Projektkommunikationssysteme (PKS) eingesetzt, welche neben einer netzwerkweiten Bereitstellung von Dateien auch klassische Aufgaben des Planmanagements hinsichtlich der Bereitstellung von Dokumenten-Verteiler und der Abbildung der Planungshistorie übernehmen. Aufgrund von leicht zu nutzenden Mechanismen zur Bereitstellung von Planungsinformationen durch die Fachplaner und die zentrale Speicherung aller anfallenden Dokumente entstehen dabei leicht erhebliche Datenmengen, bei denen effiziente Verwaltungsmechanismen unabdingbar sind. Die lediglich auf Baumstrukturen basierenden Organisationsstrukturen, welche vor allem eine chronologische Sortierung erlauben, reichen deshalb bei weitem nicht aus. Weiterhin ist eine effiziente Gestaltung der Projektdurchführung mit diesem rein dokumentenbasierten Ansätzen allein nicht möglich, da zwischen den bereitgestellten Informationen nur unzureichend Verknüpfungen erstellt werden können. Fachliche Beziehungen somit nicht abgebildet werden können, so dass insbesondere bei durchgeführten Änderungen die zugrunde liegenden Planungsinformationen nicht konsistent gehalten und Auswirkungen von Planungsänderungen auf andere Gewerke nur schwer ermittelt werden können....
Der Versuch, alle vorhandenen Arten von Bauobjekten in einem Schema zu beschreiben, wird zu einem übermäßig großen Schema führen. Im internationalen Zentrum für Bauinformatik hat der Autor die Besonderheiten des Bauwesens formuliert und gefolgert, dass es genügt, in den Klassen topologische, geometrische und graphische Aspekte der Bauobjekte, sowie einige Hilfsbegriffe zu beschreiben. Ein Hauptziel bei der Entwicklung einer Sprache ist die Einfachheit des Schemas. Insgesamt werden etwa nur 50 Klassen für CAD-Systeme vorgeschlagen. In Modellen von Bauobjekten, die von CAD-Systemen erzeugt werden, betrifft der größte Anteil der Daten die geometrische Form der Elemente und ihre Raumlage. Zur Beschreibung der Bauobjekte werden nur 7 Hauptklassen verwendet: Entity, System, Clone, Context, Annotation, Figure und Process. Von besonderer Bedeutung ist die Klasse >Clone<. Sie erlaubt in kompakter Form die Beschreibung einer Menge ähnlicher Objekte, die sich in wenigen Parametern (zum Beispiel, der Lage im Raum) unterscheiden. Das vorgestellte Konzept führt zu einer starken Verringerung der Dateigröße und erleichtert das Erkennen der Objekte bei der Übergabe der Daten. Die Strukturdiagramme der Klassen wurden mit Hilfe der UML-Sprache erzeugt. Die Klassen sind auch im XML-Format beschreiben und können auf Homepage >http://www.mtu-net.ru/pavlov/bodXML< gelesen werden. Zur Prüfung der Anwendbarkeit des Schemas wurden Beispiele der Beschreibung verschiedener Bauobjekte entwickelt. Diese Beispiele sind auf o.g. Homepage angegeben
An einem Teil der Topologie architektonischer Räume, dem Volumenadjazenzgraphen (VAG), wird gezeigt wie topologisches Modellieren Anwendungen der Bauplanung integrieren kann. Dazu wird ein Prototyp vorgestellt, der im wesentlichen aus drei Komponenten besteht: Mit dem Anforderungsmanager werden Anforderungen eigegeben, die formal gut handhabbar sind. Mit dem Topologiemanager werden diese Anforderungen mit gezeichneten Räumen kombiniert. Die topologischen Relationen in den Zeichnungen werden mit den entsprechenden Mitteln des GIS berechnet und in eine Datenbank exportiert. Der Anforderungsprüfer vergleicht dann die Anforderungsdaten, die mit Hilfe des Anforderungsmanagers erzeugt wurden, mit den Topologiedaten. Dieser Ansatz soll zeigen, wie topologische Modelle eine Formalisierung semantisch hochstehender Informationen ermöglichen, indem sie als Eigenschaften von Graphen dargestellt werden
Plausibilität im Planungsprozess - Digitale Planungshilfen für die Bebaubarkeit von Grundstücken
(2003)
Die digitale Unterstützung der Planungsprozesse ist ein aktueller Forschungs- und Arbeitsschwerpunkt der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) und der Juniorprofessur Architekturinformatik der Fakultät Architektur an der Bauhaus-Universität Weimar. Verankert in dem DFG Sonderforschungsbereich 524 >Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken< werden Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung entwickelt. Die Vielfalt der unterschiedlichen Faktoren, die Einfluss auf den Planungsprozess nehmen können, sowie deren Abhängigkeiten voneinander werden von heutigen Planungssystemen in nur unzureichender Weise aufbereitet und verwaltet. Diese Faktoren bedingen Planungstools, deren Aufgabe die Beschaffung, Verarbeitung, Integration und Verwaltung von Informationen sowie die Veranschaulichung der komplexen Informationszusammenhänge ist. Die Entwicklung solcher Systeme ist technisch möglich. Die Schwierigkeit liegt in der Beschaffung und Strukturierung der für den Planungsprozess relevanten Informationen sowie in ihrer Aufbereitung und Integration in eine digitale Planungsumgebung. Das Bestreben des Forschungsprojektes ist es, Grundlagen für digitale Werkzeuge zu entwickeln die zu plausiblen Lösungen im Planungsprozess und somit zu erhöhter Planungssicherheit für die am Bau beteiligten Auftragnehmer und Auftraggeber führen. Es wird angestrebt Programm-Module zu entwickeln, die den Planer bei der Ermittlung von Lösungswegen zu einer Fachfrage inhaltlich unterstützen und die Nachvollziehbarkeit und Richtigkeit einer Planungsentscheidung gewährleisten und plausibel darlegen. Mit Hilfe der Module sollen Entscheidungsfindungen katalysiert werden. Die Bauvorhaben der Zukunft werden zu einem großen Teil im Bestand liegen. Dieses Faktum erfordert planerische Maßnahmen, für die vollends Werkzeuge und Hilfsmittel fehlen, die zu plausiblen und sicheren Planungsentscheidungen führen. Die Entwicklung solcher Hilfsmittel ist Ziel dieser Forschung. Der Beitrag stellt prototypische Software-Module vor, die sich mit der Problematik der potenziellen Bebaubarkeit einer Grundstücksfläche auseinander setzen. Die Module verarbeiten Regeln, die den einschlägigen Normen und Verordnungen entnommen sind, die bei der Erarbeitung einer Planungslösung eingehalten werden müssen.
Der Beitrag basiert auf den Ansätzen und Ergebnissen des Forschungsprojekts >Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen am Beispiel der Geotechnik<, das im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1103 >Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau< von der DFG gefördert wird. Ziel des gemeinsam mit dem Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen an der TU Darmstadt durchgeführten Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer netzwerkbasierten Kooperationsplattform zur Unterstützung von geotechnischen Ingenieurplanungen. Daher konzentriert sich das Forschungsprojekt auf die Abbildung und Koordination der Planungsprozesse für Projekte des Konstruktiven Ingenieurbaus vor dem Hintergrund der stark arbeitsteiligen Projektbearbeitung in einer verteilten Rechnerumgebung. Der Beitrag stellt die Abstraktion von Prozessmustern im Bauplanungsprozess als Basis für die dynamische Prozessmodellierung in einem Kooperationsmodell dar. Ziel ist es, durch die Identifikation der mit dem Entwurf und der Dimensionierung eines Bauteils verbundenen Planungs- und Abstimmungsprozesse einen bauteilbezogenen Katalog von Prozessmustern zu abstrahieren. Die einzelnen Prozessmuster werden in jedem Bauplanungsprozess dynamisch über geeignete Kopplungsmechanismen in das aktuelle Prozessmodell integriert, so dass die für den Bauplanungsprozess typischen Veränderungen der Konstruktion und der Zusammensetzung des Planungsteams im Prozessmodell berücksichtigt werden können. Dazu werden im Beitrag die bisherigen Ergebnisse der Analyse des Planungsprozesses eines großen innerstädtischen Bauvorhabens, das als Referenzobjekt dient, sowie typischer Planungsszenarien in der Geotechnik vorgestellt. Anschließend werden Grundlagen und methodische Ansätze zur Modellierung von Prozessen mit der Methode der farbigen Petri-Netze mit individuellen Marken vorgestellt. Anhand von Beispielen für bauteilorientierte Prozessmuster wird die Funktionalität der Prozessmuster in sich und im gegenseitigen Zusammenspiel erläutert
In Bauplanungssystemen können XML-Technologien in vielen Bereichen eingesetzt werden mit dem Ziel, diese Systeme modular und webfähig zu gestalten. Der Einsatz lohnt als Basis-Datenstruktur für verschiedene rechnerinterne Modelle, Steuerungsstruktur für Customizing von Anwendungen, Bindeglied zwischen objektbasierten Systemen, Kommunikationsprotokoll zwischen Komponenten. Es ist möglich, komplexe Objekte aus dem Planungsalltag mittels XML arzustellen, zu speichern und zu verarbeiten. Es ist möglich, entsprechende Komponenten im Netz zu verteilen bzw. über Internet zu verbinden. Die heute dominierende Sicht auf XML als Austauschmedium wird ergänzt um die Idee eines XML-basierten Systems: Entwurfsobjekte können als >XML-Objekte< formuliert und im Sinne eines late binding verwendet werden.
Usually, the co-ordination of design and planning tasks of a project in the construction industries is done in a paper based way. Subsequent modifications have to be handled manually. The effects of modifications cannot be determined automatically. The approach to specify a complete process model before project start does not consider the requirements of the construction industries. The effort of specification at the beginning and during the process (modifications) does not justify the use of standard process model techniques. A new approach is presented in the according paper. A complete process model is deducted on the basis of a core. The core consists of process elements and specific relations between them. Modifications need to be specified in the core only. The effort of specification is therefore reduced. The deduction of the complete process is based on the graph theory. Algorithms of the graph theory are also used to determine the effects of modifications during project work.
The research of the best building design requires a concerted design approach of both structure and foundation. Our work is an application of this approach. Our objective is also to create an interactive tool, which will be able to define, at the early design stages, the orientations of structure and foundation systems that satisfy as well as possible the client and the architect. If the concerns of these two actors are primarily technical and economical, they also wish to apprehend the environmental and social dimensions of their projects. Thus, this approach bases on alternative studies and on a multi-criterion analysis. In this paper, we present the context of our work, the problem formulation, which allows a concerted design of Structure and Foundation systems and the feasible solutions identifying process.
The synchronous distributed processing of common source code in the software development process is supported by well proven methods. The planning process has similarities with the software development process. However, there are no consistent and similarly successful methods for applications in construction projects. A new approach is proposed in this contribution.
PKPM series CAD software is an integrated CAD system for building design, which integrated the following parts: architectural design, structural design, building service design and statistic analysis of quantity and budget. These four parts share the same database with high efficiency. Over 80% of design corporation in China are using PKPM series CAD software. The detailed information and some key modules of PKPM series CAD software are mainly introduced in this paper.
Die Dissertation setzt sich mit der Aufarbeitung der Aufnahme vorhandener Bauwerke hinsichtlich der IT-Unterstützung des Aufnahmeprozesses, auswertbarer Gebäudemodelle und der Bereitstellung von Informationen für die Planung auseinander. In der Arbeit ist der Bauaufnahmeprozeß gegliedert worden sowie die entstehenden Informationsmengen analysiert. Untersuchungen des aufzunehmenden Gegenstandes, der Strukturierung, der Aufnahme – hinsichtlich der Aufnahmegeräte und –methoden- und der Präsentation dienten als Grundlage für eine IT-Unterstützung. Die Aufnahme erfolgt immer als ein Prozeß der Modellbildung. Als IT-Paradigma bietet sich die „Objektorientierte Modellierungstechnologie“ an. Diese wurde einer Bewertung unterzogen. Mit Hinblick auf den konkreten Sachverhalt der Bauaufnahme, wie imperfekte und schwer formalisierbare Informationen, sind Erweiterungen berücksichtigt worden. Aus den diskutierten Ansätzen wurde ein Systemkonzept abgeleitet und Teilaspekte exemplarisch realisiert.
Modellbildung und computergestütztes Modellieren in frühen Phasen des architektonischen Entwurfs
(1997)
Die Arbeit befaßt sich mit der Konzeption und exemplarischen Realisierung von CAD-Tools zur Unterstützung des konzeptionellen Entwurfs von Gebäuden. Die Spezifik des Bauentwurfs macht eine Analyse des Arbeitsfelds "früher architektonischer Entwurf" aus Sicht der Informationsverarbeitung nichtig. Auf der Grundlage einer Untersuchung des Entwurfsprozesses aus pragmatischer und kognitiver Sicht wird ein generisches Prozeßmodell "Entwurf" abgeleitet und mit Beispielen belegt. Ausgehend von der Auffassung, daß Entwerfen der Prozesse das Vorausdenken von Bauwerken in Modellen ist, wird die "objektorientierte Modellierungstechnologie" einer eingehenden Bewertung unterzogen. Ihre methodische Eignung zur modellhaften Abbildung von Bauwerken wird grundsätzlich nachgewiesen. Mit Blick auf die spezifischen Gegebenheiten der frühen Entwurfsphasen, wie Unschärfe und nicht formalisiert darstellbarer Informationen, werden einige Erweiterungen vorgeschlagen und experimentiert. Ziel der Arbeit ist es, ein multipel und über lange Zeiträume auswertbares Bauwerksmodell zu schaffen, um Planungsprozesse über den gesamten Bauwerkslebenszyklus durchgängig zu unterstützen. Grundlage des Entwerfens mittels der objektorientierten Methodik sind generalisierte Domänenmodelle. Es wird gezeigt, daß für eine Interpretation konkreter Bauwerksmodelle die generalisierten Domänenmodelle entweder zu normieren sind oder aber daß sie explizit verfügbar sein müssen. Die Objektorientierung bietet die Möglichkeit, sowohl konkrete als auch generalisierte Modelle in einem einheitlichen Metamodell zu beschreiben...
Das Ziel dieser Arbeit war es, durch Verwendung geeigneter vorhandener CAD-Pläne die Bearbeitung neuer CAD-Pläne zu unterstützen. Entstanden ist ein generischer Ansatz zum fallbasierten Schließens. Da in CAD-Plänen die räumliche Struktur eine wichtige Rolle spielt, ist das Konzept auf strukturorientierte Anwendungen ausgerichtet. Deshalb bezeichne ich es als ein Konzept zum " strukturorientierten fallbasierten Schließen". Die Arbeit spezifiziert das Minimum an Wissen, welches zur Suche und Wiederverwendung von Fällen benötigt wird, wie das darüber hinausgehende Wissen verarbeitet wird, welche Zusammenhänge es zum Beispiel zwischen Vergleichs- und Anpassungswissen gibt und wie man das Wissen modellieren kann. Zur Erläuterung wird das benötigte Wissen anhand verschiedener Anwendungen dargestellt. Das in der Arbeit vorgestellte Konzept erlaubt die Ergänzung, Detaillierung und Korrektur einer Anfrage. Die beiden entscheidenden Algorithmen dienen dem Vergleich von Anfrage und Fall und der Anpassung der Information des Falles zur Modifikation der Anfrage.
Computational Steering provides methods for the integration of modeling, simulation, visualization, data analysis and post processing. The user has full control over a running simulation and the possibility to modify objects (geometry and other properties), boundary conditions and other parameters of the system interactively. The objective of such a system is to explore the effects of changes made immediately and thus to optimize the target problem interactively. We present a computational steering based system for fluid flow problems in civil engineering. It is based on three software components as shown in figure 1. The modeler is the CAD-system AutoCAD, which offers a powerful programming interface allowing an efficient access to the geometric data. It also offers convenient manipulators for geometric objects. The simulation kernel is a Lattice-Boltzmann (LB) solver for the Navier-Stokes equations, which is especially suitable for instationary flows in complex geometries. For the visualization and postprocessing we use the software tool AVS, which provides a powerful programming interface and allows the efficient visualization of flow fields. These three components are interconnected through two communication modules and three interfaces as depicted in figure 1. Interface 1 is responsible for the transformation of the modified system for the simulation kernel, interface 2 is responsible for the proper preparation of the simulation data whereas interface 3 transforms the data from the modeler into a format suitable for the visualization system. The whole system is synchronized by the two communication modules.
Die verteilte Bearbeitung gemeinsamer Produktmodelle ist im Bauwesen Gegenstand der aktuellen Forschung. Der vorgestellte Lösungsansatz bewegt sich in einem Spannungsfeld: Zum einen sollen die zu bearbeitenden Teilmengen des Produktmodells sehr flexibel durch die Planer zu bilden sein, zum anderen müssen Revisions- und Freigabestände dauerhaft und unveränderlich definiert werden. In einer versionierten Umgebung mit vielen Abhängigkeiten sind diese Anforderungen schwierig zu erfüllen. Der vorgestellte Lösungsansatz zeigt die Bildung von Revisions- und Freigabeständen, ohne die flexible verteilte Bearbeitung einzuschränken. Die Freigabestände müssen bestimmte Eigenschaften erfüllen: Es darf beispielsweise nur eine Version eines Objekts enthalten sein und es müssen die Bindungen zu anderen Objektversionen in einer konsistenten Weise berücksichtigt werden. Es wird eine mathematische Beschreibung gewählt, die auf der Mengenlehre und der Graphentheorie basiert.