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We present a software prototype for fluid flow problems in civil engineering, which combines essential features of Computational Steering approaches with efficient methods for model transfer and high performance computing. The main components of the system are described: - The modeler with a focus on the data management of the product model - The pre-processing and the post-processing toolkit - The simulation kernel based on the Lattice Boltzmann method - The required hardware for real-time computing
Individual views on a building product of people involved in the design process imply different models for planning and calculation. In order to interpret these geometrical, topological and semantical data of a building model we identify a structural component graph, a graph of room faces, a room graph and a relational object graph as aids and we explain algorithms to derive these relations. The application of the technique presented is demonstrated by the analysis and discretization of a sample model in the scope of building energy simulation.
In this work, molecular separation of aqueous-organic was simulated by using combined soft computing-mechanistic approaches. The considered separation system was a microporous membrane contactor for separation of benzoic acid from water by contacting with an organic phase containing extractor molecules. Indeed, extractive separation is carried out using membrane technology where complex of solute-organic is formed at the interface. The main focus was to develop a simulation methodology for prediction of concentration distribution of solute (benzoic acid) in the feed side of the membrane system, as the removal efficiency of the system is determined by concentration distribution of the solute in the feed channel. The pattern of Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) was optimized by finding the optimum membership function, learning percentage, and a number of rules. The ANFIS was trained using the extracted data from the CFD simulation of the membrane system. The comparisons between the predicted concentration distribution by ANFIS and CFD data revealed that the optimized ANFIS pattern can be used as a predictive tool for simulation of the process. The R2 of higher than 0.99 was obtained for the optimized ANFIS model. The main privilege of the developed methodology is its very low computational time for simulation of the system and can be used as a rigorous simulation tool for understanding and design of membrane-based systems.
Highlights are, Molecular separation using microporous membranes. Developing hybrid model based on ANFIS-CFD for the separation process, Optimization of ANFIS structure for prediction of separation process
The increasing success of BIM (Building Information Model) and the emergence of its implementation in 3D construction models have paved a way for improving scheduling process. The recent research on application of BIM in scheduling has focused on quantity take-off, duration estimation for individual trades, schedule visualization, and clash detection.
Several experiments indicated that the lack of detailed planning causes about 30% non-productive time and stacking of trades. However, detailed planning still has not been implemented in practice despite receiving a lot of interest from researchers. The reason is associated with the huge amount and complexity of input data. In order to create a detailed planning, it is time consuming to manually decompose activities, collect and calculate the detailed information in relevant. Moreover, the coordination of detailed activities requires much effort for dealing with their complex constraints.
This dissertation aims to support the generation of detailed schedules from a rough schedule. It proposes a model for automated detailing of 4D schedules by integrating BIM, simulation and Pareto-based optimization.
The goal of the research is the development of a computer system to plan, simulate and visualize erection processes in construction. In the research construction cranes are treated as robots with predefined degrees of freedom and crane-specific motion planning techniques are developed to generate time-optimized and collision-free paths for each piece to be erected in the project. Using inverse kinematics and structural dynamics simulation, the computer system then computes the crane motions and velocities necessary to achieve the previously calculated paths. The main benefits of the research are the accurate planning and scheduling of crane operations leading to optimization of crane usage and project schedules, as well as improving overall crane safety in the project. This research is aimed at the development of systems that will allow computer-assisted erection of civil infrastructure and ultimately to achieve fully-automated erection processes using robotic cranes...
Virtual reality systems offer substantial potential in supporting decision processes based purely on computer-based representations and simulations. The automotive industry is a prime application domain for such technology, since almost all product parts are available as three-dimensional models. The consideration of ergonomic aspects during assembly tasks, the evaluation of humanmachine interfaces in the car interior, design decision meetings as well as customer presentations serve as but a few examples, wherein the benefit of virtual reality technology is obvious. All these tasks require the involvement of a group of people with different expertises. However, current stereoscopic display systems only provide correct 3D-images for a single user, while other users see a more or less distorted virtual model. This is a major reason why these systems still face limited acceptance in the automotive industry. They need to be operated by experts, who have an advanced understanding of the particular interaction techniques and are aware of the limitations and shortcomings of virtual reality technology. The central idea of this thesis is to investigate the utility of stereoscopic multi-user systems for various stages of the car development process. Such systems provide multiple users with individual and perspectively correct stereoscopic images, which are key features and serve as the premise for the appropriate support of collaborative group processes. The focus of the research is on questions related to various aspects of collaboration in multi-viewer systems such as verbal communication, deictic reference, embodiments and collaborative interaction techniques. The results of this endeavor provide scientific evidence that multi-viewer systems improve the usability of VR-applications for various automotive scenarios, wherein co-located group discussions are necessary. The thesis identifies and discusses the requirements for these scenarios as well as the limitations of applying multi-viewer technology in this context. A particularly important gesture in real-world group discussions is referencing an object by pointing with the hand and the accuracy which can be expected in VR is made evident. A novel two-user seating buck is introduced for the evaluation of ergonomics in a car interior and the requirements on avatar representations for users sitting in a car are identified. Collaborative assembly tasks require high precision. The novel concept of a two-user prop significantly increases the quality of such a simulation in a virtual environment and allows ergonomists to study the strain on workers during an assembly sequence. These findings contribute toward an increased acceptance of VR-technology for collaborative development meetings in the automotive industry and other domains.
Personalisierte Lüftung (PL) kann die thermische Behaglichkeit sowie die Qualität der eingeatmeten Atemluft verbessern, in dem jedem Arbeitsplatz Frischluft separat zugeführt wird. In diesem Beitrag wird die Wirkung der PL auf die thermische Behaglichkeit der Nutzer unter sommerlichen Randbedingungen untersucht. Hierfür wurden zwei Ansätze zur Bewertung des Kühlungseffekts der PL untersucht: basierend auf (1) der äquivalenten Temperatur und (2) dem thermischen Empfinden. Grundlage der Auswertung sind in einer Klimakammer gemessene sowie numerisch simulierte Daten. Vor der Durchführung der Simulationen wurde das numerische Modell zunächst anhand der gemessenen Daten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz basierend auf dem thermischen Empfinden zur Evaluierung des Kühlungseffekts der PL sinnvoller sein kann, da bei diesem die komplexen physiologischen Faktoren besser berücksichtigt werden.
Der architektonische Raum wird als ein Medium der Kommunikation im Kontext der >neuen< Medien begriffen, aus der Erkenntnis, dass er schon immer ein Medium war und aus einer komplexen Medienstruktur in Abhängigkeit von anderen Medien besteht. Im Prozess von Handlung und Kommunikation ist der architektonische Raum das Medium, das räumliche Nähe von Individuen über alle Sinne und das Bewusstsein gleichzeitig intensiv ermöglicht. Der architektonische Raum als immersives Kommunikationsmedium erreicht im Zeitalter der >neuen< Medien eine neue Dimension, indem mehr und andere Wirklichkeitsalternativen der Kommunikation zur Verfügung stehen. N. Luhmann folgend, wird die Architektur aus der Sicht der Form/Medium-Differenz systemtheoretisch als strukturierter Möglichkeitsraum betrachtet. Der Raum ist das Medium für Formen des architektonischen Raumes, in dem Architektur überhaupt erst wirksam wird. Umgekehrt sind die Formen des architektonischen Raumes Medien für die Wahrnehmung einer Vielzahl von räumlichen Wirklichkeiten. Eine Fassade aus Stein oder Glas ist gebaute Form und kann als Medium Information kommunizieren. Medien werden ihrer Bestimmung um so besser gerecht, je mehr sie sich der Aufmerksamkeit entziehen und wie transparente Fenster hinter der Oberfläche der sinnlichen Wahrnehmung zurücktreten. Als >unwahrnehmbares< Medium ist der architektonische Raum damit eine hintergründige >Wirkungsmacht<, eine Bühne für die Entfaltung von Wirkung, Atmosphäre und Bewegung. Seine physische Wirklichkeit war schon immer durch virtuelle Wirklichkeiten oder Realitäten entgrenzt, die durch Techniken und Technologien der Simulation als künstliche Welten wahrnehmbar und kommunizierbar werden. Dies kann an tradierten Beispielen der gotischen Kathedrale, dem Panorama, den panoptischen Räumen, dem Theater, Kino oder den kontinuierlichen Räumen von der Moderne bis heute aufgezeigt weren. Virtuelle Räume gotischer Glasbilder oder barocker Decken- und Wandbilder im Medium des architektonischen Raumes sind uns geläufig. Die Immersion, das Eintauchen in diese virtuellen Wirklichkeitsspären löst die Wahrnehmung der eigenen körperlichen Präsenz in ihnen aus. Das Potential des virtuellen Raumes der Architektur besteht im Vergleich zu anderen virtuellen Realitäten von Text, Bild oder digitalen Medien in seiner Gebundenheit an die physische, räumliche Reizstruktur, der er die Eindringlichkeit und Komplexität seiner Wirkung verdankt. Es werden unterschiedliche Wechselwirkungen und gemeinsame Entwicklungen von zeitgenössischen Beispielen der Architektur mit den >neuen< Medien aufgezeigt. In der »sensitiven Wand« wird die physische Raumgrenze durch die Integration neuer Techniken und Technologien digitaler, elektronischer Medien etwas extrem Flexibles und Formbares in Interaktion mit dem Benutzer. Der H2O Pavillon (Oosterhuis und NOX, 1997) ist ein Beispiel dafür. Der ausgeprägt polysensorische Immersionsraum steht für die Einheit von digitaler und architektonischer Simulation. Die metaphorische Welt von Höhle und Quelle des Thermalbades Vals (P.Zumthor, 1996) ist die räumliche Reflexion auf die metaphorische Struktur virtueller Räume der >neuen< Medien. Die simulierte Wirklichkeit in den Medien Wasser, Stein und architektonischer Raum produziert schöpferisch den polysensorischen immersiven Zugang in die virtuellen Welten >authentischer< physischer Umgebung. Das >Sichtbare< im Medium Raum der Architektur ist ohne das >Unsichtbare< nicht zu begreifen bzw. das sinnlich Wahrnehmbare nicht ohne das Unwahrnehmbare. Das Erkennen dieser Relation von Form und Medium ermöglicht die Formulierung des neuen Begriffes des medialen Raumes der Architektur, der zur Basis für eine Medientheorie der Architektur wird, als Sichtweise der Entgrenzung des physischen Raumes durch den virtuellen Raum für die subjektive Wahrnehmung, Handlung und Kommunikation.
A simulation system has been developed as a computer aided design tool to evaluate the effect of proposed design on the thermal environment during the designing process. This system calculates outdoor surface temperatures in order to evaluate the thermal impact of a design factor in outdoor space. In this study, the previous heat balance simulation system was improved to predict the surface temperature of a proposed design using 3D-CAD. This system is able to input the complicated outdoor spatial forms efficiently and also to evaluate the surface temperature distribution from any viewpoint.
Development of Urban Land Use Model to Compare Transit-Oriented and Automobile-Oriented Cities
(2004)
This study is an attempt to develop a simple simulation model that can compare the differences between automobile-oriented and transit-oriented cities, and clarify the difference between city forms by transportation modes. Following a theoretical model development, a series of simulation runs are tried. The model allocates people who commute to CBD from residential zones along a transportation corridor. As a result of many simulation analyses, it is shown that automobiles need much more traffic space in comparison with the transit as is shown by the proposed traffic space ratio both in CBD and along the corridor.
The development of 3D technologies during the last decades in many different areas, leads us towards the complete 3D representation of planet earth on a high level of detail. On the lowest level we have geographical information systems (GIS) representing the outer layer of our planet as a 3D model. In the meantime these systems do not only give a geographical model but also present additional information like ownership, infrastructure and others that might be of interest for the construction business. In future these systems will serve as basis for virtual environments for planning and simulation of construction sites. In addition to this work is done on the integration of GIS systems with 3D city models in the area of urban planning and thus integration of different levels of detail. This article presents research work on the use of 3D models in construction on the next level of detail below the level of urban planning. The 3D city model is taken as basis for the 3D model of the construction site. In this virtual nD-world a contractor can organize and plan his resources, simulate different variants of construction processes and thus find out the most effective solution for the consideration of costs and time. On the basis of former researches the authors present a new approach for cost estimation and simulation using development technologies from game software.
Entwicklung eines Sommerreferenzjahres zur Bestimmung der sommerlichen Überhitzung von Gebäuden
(2015)
Die Ableitung von sommer-fokussierten warmen Referenzjahren aus langjährigen Klimadaten erfolgt in Europa bisher nach unterschiedlichen, länderspezifischen Methoden, die sich in der Regel allein auf die Trockentemperatur beziehen und in der Auswahl eines zusammenhängenden realen Sommerhalbjahres resultieren. Simulationsergebnisse zur sommerlichen Überhitzung von natürlich belüfteten Gebäuden in Deutschland und Großbritannien zeigen jedoch für einige Wetterstationen weniger Überhitzung für Simulationen mit dem sommer-fokussierten Referenzjahr als für solche mit dem entsprechenden Testreferenzjahr (TRY) für den gleichen Ort. Dies gilt insbesondere dann, wenn einzelne Monate miteinander verglichen werden. Neben der Wahl eines kompletten Halbjahres, das sowohl extrem warme als auch vergleichsweise kühle Monate beinhalten kann, liegt dies vor allem begründet in der fehlenden Berücksichtigung der Solarstrahlung bei der Auswahl eines warmen Referenzjahres, die jedoch eine wichtige Rolle für sommerliche Überhitzungserscheinungen in Gebäuden spielt. Eine verlässliche, allgemein anerkannte Methode zur Erstellung von sommer-fokussierten Referenzjahren erscheint daher auch im Hinblick auf die rechtlichen Rahmenbedingungen in der Europäischen Union, die Strategien zur natürlichen Belüftung von Neubauten und Sanierungen begünstigen, erforderlich. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Erstellung eines Sommerreferenzjahres (Summer Reference Year – SRY) aus dem TRY eines gegebenen Ortes und langjährigen Klimadaten. Die existierenden TRY-Daten werden hierbei skaliert, um den Bedingungen für Trockentemperatur und Solarstrahlung von nah-extremen Kandidatenjahren zu entsprechen, die separat über einen statistischen Ansatz ausgewählt werden. Anschließend werden Feuchttemperatur, Windgeschwindigkeit und Luftdruck des TRY durch lineare Korrelationen mit der Trockentemperatur angepasst, um die entsprechenden SRY-Daten zu erhalten. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass das grundlegende Wettermuster des TRY erhalten bleibt und somit eine klare Relation zwischen SRY und TRY besteht, die eine Vergleichbarkeit von Simulationsergebnissen gewährleistet. Über vergleichende Gebäudesimulationen mit dem zugrundeliegenden TRY und langjährigen Klimadatensätzen kann nachgewiesen werden, dass sich das SRY zur Ermittlung sommerlicher Überhitzungserscheinungen in natürlich belüfteten Gebäuden eignet. Weiterhin kann gezeigt werden, dass das SRY im Gegensatz zur direkten Nutzung eines Kandidatenjahres für einen nah-extremen Sommer die Möglichkeit eines monatsscharfen Vergleichs mit dem TRY erlaubt und frei von wenig repräsentativen Besonderheiten ist, die in den entsprechenden Kandidatenjahren vorhanden sein können.
This dataset consists mainly of two subsets. The first subset includes measurements and simulation data conducted to validate the simulation tool ENVI-met. The measurements were conducted at the campus of the Bauhaus-University Weimar in Weimar, Germany and consisted of recording exterior air temperature, globe temperature, relative humidity, and wind velocity at 1.5 m at four points on four different days. After the measurements, the geometry of the campus was modelled and meshed; the simulations were conducted using the weather data of the measurements days with the aim of investigating the accuracy of the model.
The second data subset consists of ENVI-met simulation data of the potential of facade greening in improving the outdoor environment and the indoor air temperature during heatwaves in Central European cities. The data consist of the boundary conditions and the simulation output of two simulation models: with and without facade greening. The geometry of the models corresponded to a residential buildings district in Stuttgart, Germany. The simulation output consisted of exterior air temperature, mean radiant temperature, relative humidity, and wind velocity at 12 different probe points in the model in addition to the indoor air temperature of an exemplary building. The dataset presents both vertical profiles of the probed parameters as well as the time series output of the five-day simulation duration. Both data subsets correspond to the investigations presented in the co-submitted article [1].
Der Komplexität einer großen Baumaßnahme steht meist ein relativ unpräzises Termincontrolling gegenüber. Die Gründe dafür liegen in unzureichenden Baufortschrittsinformationen und der Schwierigkeit, eine geeignete Steuerungsmaßnahme auszuwählen. In der Folge kommt es häufig zu Terminverzügen und Mehrkosten.
Ziel der Arbeit war es, die realen Bau-Ist-Zustände eines Bauprojektes so genau zu erfassen, dass es möglich wird, täglich ein zutreffendes Abbild des Baufortschrittes und der Randbedingungen des Bauablaufes zu schaffen und mit Hilfe eines Simulationswerkzeuges nachzubilden. Zu diesem Zweck sollte ein Erfassungskonzept ausgearbeitet werden, mit dessen Hilfe unter Verwendung von Erfassungstechniken aussagekräftige sowie belastbare Daten zu einer auf die Anforderungen der Simulation abgestimmten Datenbasis zusammengeführt werden.
Um der Zielstellung gerecht zu werden, wurde anhand eines Beispiels ein Prozessmodell aufgebaut und definiert, welche Informationen zum Aufbau eines Simulationsmodells, das die reaktive Ablaufplanung unterstützt, erfasst werden müssen. Die einzelnen Prozessgrößen wurden detailliert beschrieben und die Erfassungsgrößen daraus abgeleitet. Weiterhin wurden Aussagen zur Prozessstrukturierung erarbeitet. Somit wurden Informationsstützstellen definiert.
Es wurden Methoden zur Erfassung des Bau-Ist-Zustandes hinsichtlich ihrer Eignung sowie Anwendungsmöglichkeiten analysiert und ausgewählte Anwendungsbeispiele für RFID, Barcodes und Bautagebücher dargestellt. Außerdem wurde betrachtet, welche Daten der baustelleneigenen Bauablaufdokumentation zur Belegung der Informationsstützstellen genutzt werden können. Diese Betrachtung stellte Dokumente in den Fokus, welche aufgrund von Vorschriften oder Vertragsbedingungen ohnehin auf Baustellen erfasst werden müssen.
Schließlich wurden die vorangegangenen Betrachtungen hinsichtlich der Erfassungsgrößen und der Erfassungsmethoden in einem Erfassungskonzept zusammengeführt und eine geeignete Kombination von Erfassungsmethoden entwickelt.
Der Baufortschritt soll anhand der Beschreibung, welchen Status die einzelnen Vorgänge angenommen haben, mit Hilfe eines digitalen Bautagebuchs erfasst werden. Die Randbedingungen, wie die Verfügbarkeit von Personal-, Material- und Geräteressourcen, werden mit Hilfe von RFID-Tags identifiziert, auf denen alle weiteren benötigten Informationen hinterlegt sind. Informationen über Ressourcen, welche geplante Termine wiedergeben, müssen ebenfalls im digitalen Bautagebuch hinterlegt und aktuell gehalten werden. Traditionelle Lieferscheine in Papierform müssen durch digitale Lieferscheine ersetzt werden.
Abgeschlossen wurde die Ausarbeitung des Erfassungskonzeptes durch Ansätze, mit deren Hilfe der Erfassungsaufwand reduziert werden kann. Zu diesem Zweck wurde eine hierarchische Ordnung des Erfassungskonzeptes eingeführt.
Im Ergebnis ist somit ein Erfassungskonzept entstanden, mit dessen Hilfe die realen Bau-Ist-Zustände einer Baumaßnahme so genau erfasst werden können, dass täglich ein zutreffendes Abbild des Baufortschrittes und der Randbedingungen des Bauablaufes in einer Simulations¬umgebung generiert werden kann. Die Erfassungskonzeption liefert eine Datenbasis, die auf die Anforderungen der Simulation abgestimmt ist.
Current building product models explicitly represent components, attributes of components, and relationships between components. These designer-focused product models, however, do not represent many of the design conditions that are important for construction, such as component similarity, uniformity, and penetrations. Current design and construction tools offer limited support for detecting these construction-specific design conditions. This paper describes the ontology we developed using the manufacturing concept of features to represent the design conditions that are important for construction. The feature ontology provides the blueprint for the additions and changes needed to transform a standard product model into a constructionspecific product model. The ontology formalizes three classes of features, defines the attributes and functions of each feature type, and represents the relationships between features explicitly. The descriptive semantics of the ontology allows practitioners to represent their varied preferences for naming features, specifying features that result from component intersections and the similarity of components, and grouping features that affect a specific construction domain. A software prototype that implements the ontology enables practitioners to transform designer-focused product models into feature-based product models that represent the construction perspective.
The highway product model based on the length information of the centerline, and the application system is developed. This paper shows the schema and the modeling process of the product model, which includes geometric elements such as an alignment, lanes, sidewalks, shoulders and sprits, and accessories such as guard fences, plantings and signs. Furthermore, The Highway Sequence Editor (HSE) is developed as an application system to verify the model.
Re-examination of the behaviour of structures can be necessary due to deterioration or changes in the traffic situation during their lifetime. The Finite Element Method (FEM) is widely used in order to accomplish numerical analysis. Considering the development of computer performance, more detailed FEM models can be analyzed, even on site, with mobile computers. To compensate the increasing amount of data needed for the model input, measures need to be taken to save time, by distributing the work. In order to provide consistency to the model, fedback data must be checked upon reception. A local wireless computer network of ultra-portable devices linked together with a computer can provide the coordination necessary for efficient parallel working. Based on a digital model consisting of all data gathered, structural modelling and numerical analysis are performed automatically. Thus, the user is released from the work that can be automatized and the time needed for the overall analysis of a structure is decreased.
Buildings require both for construction and, due to their comparatively long life cycle for maintenance, significant raw material and energy resources. So far available knowledge about resource consumption during an entire life cycle of a building is still quite rare, because various criteria affect each other and/or overlay mutually. In this contribution a model based software concept is presented using an integrated approach for life cycle simulation and assessment of buildings. The essential point of the development consists of connecting an IFC compliant product model of a building via the Internet with data bases for the resource and energy requirement of building materials. Furthermore, numerical simulations allow calculating and minimizing the energy consumption, the resource requirement, the waste streams and also the noxious emissions. In the context of this paper we present the first release of software programs for architects and engineers, which help them to evaluate their design decisions objectively in early planning steps. Additionally the usage of the software is demonstrated by a test case study for a real world building. By applying this software in practice a substantial contribution for saving energy and natural resources can be provided in the sense of sustainable and ecological building design.
The design of building projects involves several types of resources such as architects, structural engineers, mechanical engineers, electrical engineers, and draftsmen, among others. For design firms to stay in business in this very competitive market, they need to manage their resources in a way that improves productivity and cost effectiveness. This task, however, is not simple and requires thorough analysis of process-level operations, resource use, and productivity. Typically, these operational aspects are the responsibility of the design office manager who assigns available resources to the different design projects to save time and lower design expenses. It is noted that limited studies have been carried out in the literature to model overall organizational operations and behavioral aspects, particularly in firms specialized in the design of building projects. In an effort to simplify the modeling process, a simplified modeling and simulation tool is used in this research. A simulation model representing an actual design office was developed assuming that the office performs designs for small, medium, and large size building projects. The developed model was used to simulate several alternatives and examine various resource assignment strategies. The simulation was conducted over ten years and the resulting productivity and income was measured.