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The availability of the WWW technology and the introduction of the Internet as basic resource like water, electricity or gas changes dramatically normal live, business and of course civil engineering. New technologies enable innovative technical solutions and offer new potential for improvements towards support of humans nature appropriate ways of working. This demands a new culture of work and collaboration. To contribute to theses challenges is a matter the discipline 'Bauinformatik' by supporting related research, development, education and training in civil engineering. This contribution to the IKM Conference 2000 in Weimar sketches selected research and education activities of the institutes of the authors on the topics of WWW based simulation systems (example WEASEL) and of WWW based project platforms (projects MorWin and TaiGer as well as an European education experiment). Both topics supports the collaboration by new ways of tele cooperation in international, heterogeneous and interdisciplinary engineering. Demonstration from this developments and projects will be used to illustrate the dimension of changes in civil engineering in due to modern ICT.
Numerische Approximation makroskopischer Verkehrsmodelle mit der Methode der Finiten Elemente
(2000)
Makroskopische Verkehrsmodelle sind ein wesentliches Hilfsmittel bei der Beurteilung und Steuerung von Verkehrsflüssen auf Hauptverkehrsadern. Für die notwendige Beeinflussung des Verkehrsablaufs werden Online-Messungen und prognostische numerische Simulationen benötigt. Für die Simulationen bieten sich makroskopische Verkehrsmodelle an, die den Verkehr als kontinuierliche Fahrzeugströmeabbilden. Aufgrund der Analogie zu den Modellen der Strömungsmechanik lassen sich die numerischen Verfahren aus diesem Bereich auch zur Lösung makroskopischer Verkehrsmodelle verwenden. Es wird eine Finite-Elemente-Approximation für die numerische Umsetzung makroskopischer Verkehrsmodelle vorgestellt. Exemplarisch wird sie am Verkehrsmodell von Kerner und Konhäuser erläutert. Dieses und andere makroskopische Verkehrsmodelle wurden bisher mit der Methode der Finiten Differenzen gelöst. Die vorgestellte Approximation entspricht einem Petrov-Galerkin-Verfahren, bei dem der Fehler eines Standard-Galerkin-Verfahrens mit Hilfe eines Upwinding-Koeffizienten minimiert wird. Die Wahl des Upwinding-Koeffizienten ist übertragbar und basiert ausschließlich auf dem Charakter der zugrundeliegenden Gleichungen. Die Ergebnisse zeigen typische Phänomene eines Verkehrsablaufs wie die Entstehung von Stop-and-Go-Wellen oder Staus. Die Finite-Elemente-Methode erweist sich für unter-schiedlichste Verkehrsmodelle als ausgesprochen stabil.
The US Department of Highways is embarked on a very ambitious program to renovate much of the bridges and highways allover the USA. While it is doing so, it is also trying to take advantage of using such program to enhance the research for future programs. One of those projects is a 1000 ft. (305 m) long concrete bridge in the State of Vermont, located in the North East of USA. It is scheduled for renovation, in which the deck and its side parapet walls will be replaced. New England Transportation Consortium (NETC) decided to make further use of this project to find what effect will the heavy demolition tools have on the concrete to remain in place. The goal is to find out the extent of the experimental measurement agreement with the analytical results. In order to accomplish such a goal, numerous strain gages were installed at and in the vicinity of the demolition areas. Those gages will measure the effect of the demolition on the adjacent areas, and how far the destructive effect of the powerful demolition tools can propagate through different parts of the structure. The gages are connected to National Instruments data acquisition equipment, which is connected to a lap top computer to save all the acquired data. The analytical part the project will be using the energy method, which means that the energy applied by the demolition tools should equal the energy absorbed by the demolished structure, in elastic and plastic deformation forms.
Architecture and globality
(2000)
Wissenschaftliches Kolloquium vom 14. bis 16. Oktober 1999 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚global village - Perspektiven der Architektur'
In Erstanwendung des Fernstraßenbauprivatfinanzierungsgesetzes wurde der Konzessionär in einer frühen Projektphase noch vor der Planfeststellung beauftragt. Nur hierdurch war es möglich, ein umfassendes, speziell auf die Technologie eines Ausführungsbetriebes zugeschnittenes Baustellenmanagement-Konzept als Basis für die Planfeststellung zu erarbeiten. Vorstellung des Vorhabens, Baumanagement-Konzept: Grobbauablaufplanung, Baustelleneinrichtung, Arbeitskräfteeinsatz, Bodenmanagement, Hauptbaustoffversorgung und Erdstofftransporte im öffentlichen Bauraum, Verkehrsumleitungskonzeption für den öffentlichen Verkehr entsprechend den Bauphasen.
Diskrete Arbeitsvorgänge lassen sich mit Hilfe von Petri--Netzen formal beschreiben. Petri--Netze basieren auf der Graphentheorie. Die Elemente zweier Knotenmengen werden Stellen und Transitionen genannt und sind durch gerichtete Kanten miteinander verknüpft. Stellen repräsentieren Bedingungen oder Zustände und Transitionen Ereignisse oder Vorgänge. Durch Petri--Netze ist es möglich nicht nur eine statische Vorgänger--Nachfolger--Struktur abzubilden, vielmehr können ebenso Ereignisse, Alternativen und Nebenläufigkeiten modelliert werden. In diesem Beitrag wird vorgestellt, wie ein Bauablauf gegeben durch ein Vorgangsknoten-Netzplan mit sehr wenigen Schritten auf ein Bedingungs/Ereignis-Netz abgebildet werden kann. Alle notwenigen Teilschritte wie das Bilden von Teilnetzen oder das Vergröbern und Verfeinern von Knoten basieren auf einem mathematisch abgesicherten Fundament. Im Gegensatz zu anderen Formulierungen von Bauabläufen ist die Theorie der Petri-Netze eine allgemeingültige Theorie und kann in vielen Bereichen eingesetzt werden. Die Verwendung einer solchen mathematischen Abstraktion ermöglicht die Wiederverwendung von bereits entwickelten Lösungsansätzen. So können die gewonnenen Erfahrungen auch bei der Modellie-rung von anderen Arbeitsvorgängen verwendet werden.
This study aims at constructing the simulation system of distribution patterns of solar irradiance, sunshine duration and sky factor with the user-friendly interface and sharing this system with users on the Internet. The characteristics of this simulation system are as follows: (1) Web-based user interface, (2) Accessible system through the Internet and (3) Sunlight and skylight simulation based on physically accurate equations with considering various sky conditions and the reflection from the surface of objects. As a case study, impact of the development plans are analyzed and evaluated using this system. Solar irradiance, sunshine duration and sky factor are calculated at the surface of the buildings and open spaces every 10 minutes from 8 to 16 on the winter solstice. The values of these indices are expressed as the ratio to those calculated under the condition with no buildings. In conclusion, this web-based simulation system can be useful for visualizing the sunlight and skylight conditions on outdoor open spaces and the surface of the buildings to evaluate development plans objectively. Users can make access to the system from almost all of the computers connected with the Internet and modify parameters by themselves to get desirable results. Further improvement of the user interface is necessary using more advanced technology of CGI, Java and JavaScript.
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.
Wissenschaftliches Kolloquium vom 14. bis 16. Oktober 1999 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚global village - Perspektiven der Architektur'
Wissenschaftliches Kolloquium vom 14. bis 16. Oktober 1999 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚global village - Perspektiven der Architektur'
Prozeßoptimierung in der logistischen Kette erfordert eine interdisziplinäre betriebsüber-greifende Projektarbeit. Im Zeitalter der Globalisierung der Märkte und der stetigen Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit mittelständischer Unternehmen ist eine innerbetriebliche und überbetriebliche Ressourcen- und Tourenplanung (Optimierung) über eine Informationsvernetzung ebenso notwendig wie die Aufbereitung von Informationen und die Analyse von Geschäftsprozessen. Die Prozessoptimierung umfaßt die Aufgaben der Analyse, Gestaltung, Planung und Kontrolle von Prozessen. Supply Chain Management (SCM) ist die übergreifende Prozessoptimierung in der logistischen Kette, d.h. die logische Weiterführung der PPS auf die Lieferbeziehungen. Das Strukturmodell der logistischen Kette umfaßt die Prozesse der * Produktentstehung * Entwicklung * Auftragsgewinnung (Vertrieb, Marketing) * Produktionsplanung * Beschaffung * Produktion * Distribution und Entsorgung Diese Prozesse werden durch das Supply Chain Management nach unternehmensspezifischen Zielsetzungen in Richtung Kunden, Lieferanten und Dienstleistern gestaltet und optimiert (Optimierung der Wertschöpfungskette). Anwendungssystem der Informatik übernehmen die Informationsversorgung in der logistischen Kette.
Die fachlichen Grundlagen der Aufgaben, die in einem Bauunternehmen zu bearbeiten sind, wurden in verschiedenen Disziplinen entwickelt. Maßgeblich waren der Baubetrieb und die Betriebswirtschaftslehre. Die parallele Entwicklung hat jedoch dazu geführt, dass grundlegende Begriff und Verfahren zwischen den Disziplinen nicht aufeinander abgestimmt sind. Die verschiedenen Aufgaben beeinflussen jedoch einander. Innerhalb der jeweiligen Disziplin wurden Informationssysteme entwickelt, mit denen sich die Aufgaben aus der jeweiligen Disziplin bearbeiten lassen. Zur Verbindung der "verschiedenen Welten" existieren zwar ausgewählte Schnittstellen, eine durchgängige verteilte Bearbeitung der verschiedenen Aufgaben wird jedoch noch nicht umfassend unterstützt. Im vorliegenden Beitrag wird ein Vorgehen vorgestellt, auf dessen Grundlage eine verteilte Bearbeitung der fachgebietsübergreifenden Aufgaben erfolgen kann. Das Vorgehen beruht auf der Modellierung der Prozesse sowie der zur Bearbeitung der als Bestandteil der Prozesse spezifizierten Aufgaben benötigten Informationen. Dieses Modell wird auf der Grundlage der Mengenlehre mit einem entsprechenden Werkzeug aufgebaut. Die Spezifikation der Informationen wird genutzt, um Datenbankschemata zu generieren, die Spezifikation der Aufgaben wird genutzt, um Werkzeuge zur Bearbeitung zu identifizieren. Diese Werkzeuge sind in Java als Applets implementiert und können über entsprechende Treiber auf die Datenbanken zugreifen. Das Prozessmodell wird in einem nächsten Schritt erweitert. Personen werden eingeführt. Diesen Personen werden Aufgaben zugewiesen, deren Bearbeitung sie ausführen sollen. Auf der Grundlage des erweiterten Prozessmodells werden die Applets, die eine Person benötigt, auf einer entsprechenden Internet-Seite zusammengestellt. Damit kann projektspezifisch ein Informationssystem zusammengestellt werden, das eine verteilte Bearbeitung der verschiedenartigen Aufgaben unterstützt.
The method of difference potentials can be used to solve discrete elliptic boundary value problems, where all derivatives are approximated by finite differences. Considering the classical potential theory, an integral equation on the boundary will be investigated, which is solved approximately by the help of a quadrature formula. The advantage of the discrete method consists in the establishment of a linear equation system on the boundary, which can be immediately solved on the computer. The described method of difference potentials is based on the discrete Laplace equation in the three-dimensional case. In the first step the integral representation of the discrete fundamental solution is presented and the convergence behaviour with respect to the continuous fundamental solution is discussed. Because the method can be used to solve boundary value problems in interior as well as in exterior domains, it is necessary to explain some geometrical aspects in relation with the discrete domain and the double-layer boundary. A discrete analogue of the integral representation for functions in will be presented. The main result consists in splitting the difference potential on the boundary into a discrete single- and double-layer potential, respectively. The discrete potentials are used to establish and solve a linear equation system on the boundary. The actual form of this equation systems and the conditions for solvability are presented for Dirichlet and Neumann problems in interior as well as in exterior domains
Petri-Netze und deren Erweiterungen stellen ein leistungsfähiges Instrument zur Model-lierung, Simulation und Animation von Systemen bzw. Prozessen dar. Mathematische Methoden die sowohl analytisch beschreibbar als auch graphisch darstellbar sind, wie z. B. Warteschlangenprobleme, Netzpläne, Suche optimaler Wege in Netzen bzw. Dynamische Optimierung, können mit Hilfe von Petri-Netzen modelliert werden. Werden Petri-Netze zur graphischen Darstellung gewählt, so können die Stellen (passive Knoten) mit Markenverweilzeiten sowie die Transitionen (aktive Knoten) mit Schaltzeiten belegt werden. Für die Zeiten sind deterministische bzw. stochastische Größen einsetzbar. Wird dem Gesamtnetz eine zentrale Uhr und den einzelnen zeitbehafteten Knoten jeweils eine lokale Uhr zugeordnet, so lassen sich die Prozeßabläufe mittels Animation sichtbar machen. Ein an der Professur Computergestützte Techniken entwickeltes Programmsystem dient zur Demonstration der einzelnen Probleme. In anschaulicher Weise kann damit das Ver-ständnis für die genannten Methoden sowie die mit ihrer Hilfe dargestellten Prozesse erleichtert werden.
Für planende Ingenieure und Architekten besteht seit jeher im Rekonstruktionsbereich die Aufgabe, vorhandene Gebäude in ihrer Geometrie und Struktur zu erfassen und daraus Rekonstruktionspläne und -technologien zu erarbeiten. Diese Erfassungsmaßnahmen sind sehr umfangreich und kostenintensiv. Ziel der hier vorzustellenden Ansatzes war es deshalb, ein kostengünstiges Verfahren zu entwickeln, das ein berührungsloses Aufmaß eben begrenzter Räume (polyedrischer Räume) mit einer den Erfordernissen entsprechenden Genauigkeit gewährleistet. Es werden im wesentlichen zwei Problemkreise behandelt. Der erste beinhaltet den Nachweis einer für die geplanten Anwendungen hinreichend genauen, maßstäblichen Rekonstruierbarkeit von ebenen Objekten (Wänden) aus monokularen Fotoaufnahmen. Anstelle des in der Photogrammetrie üblichen Weges über Kamerakalibrierung mittels exakt eingemessener Paßpunkte wurde ein Ansatz verfolgt, bei dem eine mittels Laserspotprojektoren auf dem Aufnahmeobjekt erzeugte parameterabhängige Maßfigur in Verbindung mit a priori bekannten Bildinhalten Grundlage für die maßstabsgerechte Rekonstruktion des Objektes ist. Der zweite Problemkreis behandelt die Zusammensetzung von eben begrenzten Räumen aus Einzelebenen (Wänden) die als Ergebnis des ersten Schrittes projektiv entzerrt, d.h. als orthogonale Draufsicht, allerdings verfahrensbedingt fehlerbehaftet vorliegen. Ziel ist hier, durch Nutzung von a-priori-Kenntnissen über die Raumstruktur mit Hilfe von Methoden der mathematischen Optimierung einen Genauigkeitsgewinn zu erzielen.
Die Einführung von neuen Informations- und Kommunikationstechniken in Klein- und Mittelständische Unternehmen (hier: kleine und mittlere Planungsbüros im Bauwesen) ist mit speziellen Problemen behaftet. Erfahrungswerte liegen nur in größeren und zumeist fachfremden Firmen vor. Neben den eigentlichen Sicherheitsrisiken (Thematik Internet), Verständnisschwierigkeiten und daraus resultierenden Akzeptanzproblemen fehlt beim Einsatz dieser neuen Techniken die Verbindung zum Ablauf in projektbasiert arbeitenden Unternehmen. Der Begeisterung und Euphorie durch den Einsatz neuer Technik stehen Änderungen des eigenen Arbeitsstiles und ein anfänglicher Mehraufwand entgegen. Ein Schwerpunktthema der eigenen Forschungsarbeiten sind die Ermittlung und Validierung von Kriterien für die Einführung neuer IuK-Techniken speziell in kleineren und mittleren Planungsbüros. In einer fortschreitenden Reihe von Arbeiten am Fachbereich wurden und werden nacheinander die genannten Problematiken und Aspekte in Angriff genommen. Dabei werden neben der Kategorisierung von Anwendungsszenarien und Vorstellung der einzelnen, empfehlenswerten Techniken einzelne Konzepte am Fachbereich und in Zusammenarbeit mit Ingenieurbüros überprüft. Der Beitrag möchte in Ergänzung zu bereits gelaufenen Arbeiten als Empfehlung oder Leitfaden für Planungsbüros auf die Machbarkeit neuer Techniken und einige nötige Randbedingungen eingehen.
Wissenschaftliches Kolloquium vom 14. bis 16. Oktober 1999 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚global village - Perspektiven der Architektur'
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.