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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.
Für das städtische Leben hat die Existenz sich verändernder Personenströme eine grundlegende Bedeutung.
Ein Werkzeug, das solche kollektiven Bewegungsmuster sichtbar machen kann, wäre dabei ein bedeutendes Hilfsmittel für die Stadtplanung. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Auseinandersetzung mit der Space Syntax Methode.
Diese untersucht den Zusammenhang räumlicher Strukturen mit deren Nutzung. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass das kollektive menschliche Verhalten im öffentlichen Raum berechenbar ist. Die Tatsache, dass Passanten bestimmte Wege bevorzugen und andere meiden, führt Space Syntax dabei auf stadträumliche Ursachen zurück. Der Begriff des Natural Movement beschreibt den Anteil dieser räumlich bedingten Nutzung.
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in einen theoretischen und einen praktischen Teil. Zunächst werden die für das Verständnis der Space Syntax Methode wichtigen Begriffe und Maßgrößen beschrieben. Der methodische Teil wird ergänzt durch eine Gegenüberstellung nutzer-basierter wissenschaftlicher Ansätze mit der räumlich-orientierten Space Syntax Methode.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die praktische Anwendung der Space Syntax Methode am Beispiel des Leipziger City-Tunnels vorgenommen. Das Fallbeispiel ist prädestiniert für die Untersuchung, wie die regionale Vernetzung des Schienenverkehrs aktuell betrieben wird. Von Interesse ist dabei sowohl die Konzeption des zukünftigen Liniennetzes als auch dessen stadträumliche Einbindung.
Wolken
(2006)
Komplexität ist ein genuin architektonisches Problem. Der Begriff von Architektur als einer universellen Praxis bzw. ganzheitlichen Erkenntnisweise enthält bereits im Kern den Begriff 'Komplexität'. Beide Konzepte fallen weithin zusammen – Architektur kann damit als spezifische Denkform des Komplexen betrachtet werden. Das in der Arbeit aufgezeigte Dilemma besteht darin, dass der modernen Architektur ihr ursprünglicher Gestaltungsgegenstand – Komplexität – abhanden gekommen ist: 'Nönnig dekonstruiert zu Recht die hoch aggregierten Begriffe des Raumes und des Entwurfs. Die gesamte Arbeit zeigt, dass die modernen Beschreibungsformen von Komplexität gerade nicht in der Architektur entwickelt sind.' (Prof. Gerd Zimmermann, Weimar). Um dieses Defizit zu beheben und Architektur als eigenständige Wissenstechnik ('Technoepisteme') zu etablieren, wird ausgehend von spezifischen 'Praxis- und Diskursdefiziten' ein Theorieszenario entwickelt, mit dem und in dem Architektur sich als komplexe Wissensform verwirklicht (u.a. Komplexe Systeme, Design Sciences, Operationale Heuristik). 'Vorliegende Arbeit ist der Versuch […] die Architektur gewissermaßen wieder in den Stand zu setzen, der ihr im System des Denkens eigentlich zukommt […] Der Komplexitätsdiskurs in der Architektur ist zurück.' (Prof. Gerd Zimmermann, Weimar)
Die Dissertation widmet sich den 'Wiederholungsstrukturen in den Filmen von Jim Jarmusch'. Mit dem Thema soll ein neues Konzept der Filmanalyse vorgestellt werden. In seiner Methodologie beruht es auf dem Element der Wiederholung. Die Wiederholung tritt im Film semiotisch auf. Im modernen philosophischen Denken spielt die Wiederholung eine Rolle, indem sie auf bestimmte Weise differentiell auftritt. Im Film bildet die Wiederholung kennzeichnende Codierungen aus. In unterschiedlicher Hinsicht bietet es sich somit an, das Element als Schlüssel zur Filminterpretation aufzugreifen. Das neue Konzept unterscheidet sich von bisherigen filmischen Methoden dadurch, dass mit ihm über das standardisierte Begriffsinstrumentarium aus der Filmwissenschaft hinausgegangen wird, ohne diesem den Rücken zu kehren. Jedoch wird Filmanalyse anhand des Elements der Wiederholung nun genuin als Akt der semiotischen Interpretation und des philosophischen Lesens von Filmen begriffen. In diesem Rahmen beruht das Verstehen von Filmen auf einzelnen und komplexen Zeichen, die im Film Zeitlichkeit und Räumlichkeit herstellen. In poststrukturaler Hinsicht lässt sich die Wiederholung als das konstitutive Moment im Zeit-Bild von Gilles Deleuze verstehen. In der Philosophie gibt es aber noch andere Denker, bei denen die Wiederholung relevant ist. Wie lässt sich die Wiederholung als materielles Element im Film einerseits, als philosophisch Gedachtes andererseits für die Filmanalyse gewinnbringend einsetzen? In Beantwortung dieser Frage wird in der Untersuchung zu den 'Wiederholungsstrukturen in den Filmen von Jim Jarmusch' versucht, dem Konzept des auteur-structuralisme Rechnung zu tragen. In der Lektüre und Interpretation wird Jarmusch als Autor / auteur mit der Struktur seiner Filme 'identifiziert'. Mit der Verschränkung von Autor / auteur und filmischem Text wird auf Roland Barthes Forderung nach der 'Geburt des Lesers' eingegangen. Filme sind demnach auch dann lesbar, wenn der Autor / auteur selbst (in unserem Fall Jim Jarmusch) für das, was er produziert hat, nicht mehr einsteht. Das theoretische Ziel der Untersuchung liegt darin, Erkenntnisse über die filmische Wiederholung zu gewinnen, sowohl in Bezug auf das philosophische Denken der Wiederholung, als auch hinsichtlich ihrer materiellen Verkörperung. Das Denken der Wiederholung wird fragend behandelt, indem wissenschaftlich untersuchend in die filmische Illusion eingegriffen wird. Mit Blick auf das ganze filmische Schaffen Jarmuschs wird aufgezeigt, wie sich seine filmischen „möglichen Welten“ anhand der Aufschlüsselung der Zeichen interpretieren lassen. Die Untersuchung stellt somit ein bislang noch nicht angewandtes Konzept der Betrachtung von Filmen vor, das auch auf andere Filmautoren / auteurs und ihr jeweiliges künstlerisches Schaffen übertragbar wäre.
The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.
Virtual studio technology plays an important role for modern television productions. Blue-screen matting is a common technique for integrating real actors or moderators into computer generated sceneries. Augmented reality offers the possibility to mix real and virtual in a more general context. This article proposes a new technological approach for combining real studio content with computergenerated information. Digital light projection allows a controlled spatial, temporal, chrominance and luminance modulation of illumination – opening new possibilities for TV studios.
The main hypothesis of this research is that civil society’s participation is able to improve the planning results in the Chinese city of Qingdao in the contemporary age. Qingdao is a young city developed from a German colony in eastern China. Apart from the powers of the government and the market, the 'third power', including mainly the power of volunteer citizens and the citizens’ organisations, also positively promoted the spatial development in Qingdao’s history. Since 1978’s reform, Qingdao’s great progress in urban housing, historic preservation, public space and urban traffic results mainly from the increasing strength of both the government and the market, while the government has always been the dominant promoter for urban construction. The actual planning mechanism – the government formulates 'what to do' itself and decides 'how to do it' with the market – has much limit in reacting to the rapidly changing situation, serving diversified social interests, and raising sufficient funds for the city’s urgent demands in Qingdao. Searching for new development strategies based on the understanding of civil society in the Chinese context can provide a promising perspective on the urban studies of Qingdao. Chinese civil society can be understood as the intermediate sphere of individuals, families, citizen’s organisations, social movements, public communication, and of the non-governmental body’s non-for-profit involvement for the provision of public services between the state and the market. China has its own cultural tradition of civil society, and the modern civil society in China is showing its great potential in improving social integration and urban life. The Chinese government has started to advocate for civil society’s participation in urban construction, and encouraging the 'bottom-up' mechanism in the planning-related issues through political statements and legislative approaches since the last two decades. The existing planning practice in China is able to demonstrate that civil society’s participation helps improve the quality of Chinese urban planning realistically under present conditions, and that moderation of planning experts and the push of the authority are the key factors for successfully integrating the strength of civil society in planning. However, the power of civil society is not yet sufficiently discovered in Qingdao’s planning. For better planning results, the city of Qingdao needs more initiatives to mobilize civil society in the planning practice, as well as more support to enrich the related studies. This thesis recommends that Qingdao establishes the 'Foundation for Collaborative Urban Solutions' through the joint efforts of the authority and civil initiatives, which aims at moderating and facilitating the strength of civil society. The suggested pilot projects include: a. The Community-based Housing Workshop for regenerating the living environment of the run-down communities, where the residents are willing to collaborate with the foundation with own efforts. b. The Heritage Preservation Workshop for suggesting an efficient supervision mechanism involving civil society which protects the historic heritage from being destroyed in the urban construction. c. The Public Space Forum for improving accessibility, quantity and ecologic function in the development of Qingdao’s urban public space with the knowledge and creativity of both the government and the citizens. d. The Mass Transport Forum for a realistic strategy for funding the rail-based traffic system in Qingdao through enabling the civil society - especially the individual citizens and their households to invest. The 'Foundation of Collaborative Urban Solutions' is able to improve Qingdao’s planning to cope with the urban problems the city are facing in its contemporary development, as well as to provide valuable reference for the further research of civil society’s participation in Chinese urban planning.
Moderne Büroarchitektur mit Räumen in Leichtbauweise und großen transparenten Fassa-denanteilen verschärft im Zusammenwirken mit hohen internen Lasten die Problematik der sommerlichen Überhitzung in Gebäuden. Phasenübergangsmaterialien (PCM: phase change materials) stellen eine interessante Möglichkeit dar, sommerliche Überhitzung in Gebäuden ohne aufwändige Anlagentechnik wie beispielsweise Klimaanlagen zu reduzieren. Der thermische Komfort in Räumen, die mit einem PCM-Putz ausgestattet sind, kann signifikant erhöht werden. Die Arbeit untersucht Anwendungsmöglichkeiten und Optimierungspotential eines PCM-Putzes auf experimentelle und numerische Weise. Zur Untersuchung des PCM-Putzes wurden materialtechnische und experimentelle sowie numerische und numerisch-analytische Methoden eingesetzt. Die Kenntnis der thermischen Parameter des PCM-Putzes ist unablässig für die Berechnung der möglichen Temperaturreduktionen. Zur Bestimmung der Latentwärme, des qualitativen Schmelz- und Erstarrungsprozesses sowie des Temperaturintervalls, in dem der Phasenübergang stattfindet, wurden Messungen mit einem Differential Scanning Calorimeter (DSC) durchgeführt. Für die experimentelle Untersuchung des PCM-Putzes wurden zwei identische Testräume in Leichtbauweise erstellt. Die Räume wurden im Verifikationsobjekt „Eiermannbau“ des Sonderforschungsbereiches SFB 524 der Bauhaus-Universität Weimar gemessen. Nach der Überprüfung, dass sich beide Räume thermisch gleich verhalten, wurde ein Raum mit dem PCM-Putz und der zweite Raum mit einem vergleichbaren Innenputz ohne PCM verputzt. Thermoelemente zur Temperaturmessung im Bauteil, an der Oberfläche und zur Raumlufttemperaturbestimmung wurden angebracht und mit einer Messwerterfassungsanlage verbunden. Der Verlauf der Außenlufttemperatur und die Globalstrahlung am Standort der Versuchsräume wurden aufgezeichnet, um einen Klimadatensatz zu erstellen. Für die Berechnung der Temperaturverteilung in einem PCM-Bauteil mit kontinuierlichem Phasenübergang existiert keine geschlossene analytische Lösung. Daher wurde ein numerischer Ansatz gewählt, bei dem der Phasenübergang im Temperaturbereich T1 bis T2 mit Hilfe einer temperaturabhängigen Wärmekapazität c(T) innerhalb der erweiterten Fou-rier’schen Wärmeleitungsgleichung dargestellt wird. Die Funktion c(T) wird auf Basis der DSC-Messungen bestimmt. Die Modellierung erfolgte mit einem Finite-Differenzen-Verfahren auf Grundlage der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung. Im Rahmen der Arbeit wurde ein PCM-Modul entwickelt, das in ein Gebäudesimulationsprogramm implementiert wurde. Mit dem neuen Modul lassen sich sowohl die Temperaturverläufe in einem PCM-Bauteil wie auch seine Wechselwirkung mit dem Raumklima darstellen. Eine Validierung des entwickelten PCM-Moduls anhand von zahlreichen experimentellen Daten der Versuchsräume wurde für das PCM-Modul erfolgreich durchgeführt. Sommerliche Überhitzungsstunden können durch PCM in Wand- und Deckenelementen deutlich reduziert werden. Der PCM-Putz eignet sich vor allem für Anwendungen in Leichtbauten wie z.B. moderne Büroräume. In Räumen, in denen bereits eine ausreichende thermische Masse vorhanden ist, ist die Temperaturreduktion durch PCM nur gering. Kann das PCM während der Nachtstunden nicht erstarren, erschöpft sich seine Fähigkeit zur Latentwärmespeicherung. Erhöhte Nachtlüftung führt bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen zu höherem Wärmeübergang und kann damit zur besseren Entladung des PCM beitragen. Im Rahmen der Dissertation konnten Aussagen zur idealen Phasenübergangstemperatur in Abhängigkeit des verwendeten Materials und der Schichtdicke getroffen werden. Die Reduktion der Oberflächentemperaturen, die sich bei Einsatz eines PCM-Putzes unter geeigneten Randbedingungen ergibt, beträgt 2.0 - 3.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 3.0 - 5.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Diese Werte wurden sowohl numerisch als auch durch experimentelle Untersuchungen ermittelt. Die Reduktion der Lufttemperaturen aufgrund einer Konditionierung des Raumes mit PCM-Putz beträgt bei geeigneten thermischen Verhältnissen ca. 1.0 - 2.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 2.0 - 3.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Die operative Temperatur als wichtiger Komfortparameter kann durch den Einsatz des PCM-Putzes um bis zu 4 K gesenkt werden. Damit lässt sich mit Hilfe eines PCM-Putzes die thermische Behaglichkeit in einem Raum deutlich erhöhen.
Strategic Developments
(2006)
Die Instandhaltung der städtischen Trinkwassernetze ist Aufgabenschwerpunkt der Wasserversorgungsunternehmen bzw. Netzbetreiber. Dazu notwendige Rehabilitationsplanungen stützen sich zurzeit weitgehend auf die Trendprognose von Schadensraten und die Erfahrungen der Mitarbeiter. Der Einfluss wesentlicher Kenngrößen wie Werkstoffeigenschaften oder die Resttragfähigkeit des Rohres bleiben hierbei größtenteils unberücksichtigt. Über materialtechnische Untersuchungen werden die notwendigen Kenngrößen ermittelt, die eine zuverlässige Bewertung des technischen Zustands des Rohrstrangs ermöglichen. So lassen sich die Prognose der technischen Nutzungsdauer und Rehabilitationsplanungen auf eine solide Basis stellen. In dieser Dissertationsschrift wird hierzu ein Untersuchungs- und Bewertungsalgorithmus mit integrierten Prognoseverfahren erarbeitet.
Projector-based displays have been evolving tremendously in the last decade. Reduced costs and increasing capabilities have let to a widespread use for home entertainment and scientific visualization. The rapid development is continuing - techniques that allow seamless projection onto complex everyday environments such as textured walls, window curtains or bookshelfs have recently been proposed. Although cameras enable a completely automatic calibration of the systems, all previously described techniques rely on a precise mapping between projector and camera pixels. Global illumination effects such as reflections, refractions, scattering, dispersion etc. are completely ignored since only direct illumination is taken into account. We propose a novel method that applies the light transport matrix for performing an image-based radiometric compensation which accounts for all possible lighting effects. For practical application the matrix is decomposed into clusters of mutually influencing projector and camera pixels. The compensation is modeled as a linear equation system that can be solved separately for each cluster. For interactive compensation rates this model is adapted to enable an efficient implementation on programmable graphics hardware. Applying the light transport matrix's pseudo-inverse allows to separate the compensation into a computational expensive preprocessing step (computing the pseudo-inverse) and an on-line matrix-vector multiplication. The generalized mathematical foundation for radiometric compensation with projector-camera systems is validated with several experiments. We show that it is possible to project corrected imagery onto complex surfaces such as an inter-reflecting statuette and glass. The overall sharpness of defocused projections is increased as well. Using the proposed optimization for GPUs, real-time framerates are achieved.
Datenmodelle zur Bearbeitung von Ingenieuraufgaben am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise
(2006)
Modelle bilden die Grundlage der Planung. Sie repräsentieren die zur Bearbeitung erforderlichen Eigenschaften eines Bauwerks in einer an die spezifische Aufgabe angepassten Form. Zwischen den verschiedenen zur Abbildung des Bauwerks eingesetzten Modellen bestehen fachliche Zusammenhänge bezüglich der darin abgebildeten Aspekte. Diese Abhängigkeiten werden in der praktischen Planungsbearbeitung gegenwärtig auf Grundlage von Erfahrungswerten, normativen Vorgaben und vereinfachenden Annahmen berücksichtigt. Die detailliertere Modellierung von Bauwerkseigenschaften führt zu einer engeren Verzahnung der verschiedenen Modelle. Um eine fachliche Inselbildung zu vermeiden, ist eine entsprechend angepasste Abbildung der zwischen den einzelnen Modellen bestehenden Beziehungen erforderlich. Mit den steigenden Ansprüchen an eine Bearbeitung von Ingenieuraufgaben gewinnt eine über den Zweck der Bereitstellung ausgewählter Informationen zum Bauwerk und der Unterstützung eines Datenaustauschs zwischen verschiedenen Fachplanern hinausgehende datentechnische Abbildung an Bedeutung. Dies setzt eine Diskussion der Anforderungen an eine solche Beschreibung aus fachlicher Sicht voraus. Die Untersuchung der fachlichen Anforderungen wird am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise geführt.