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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.
Reasonably accurate cost estimation of the structural system is quite desirable at the early stages of the design process of a construction project. However, the numerous interactions among the many cost-variables make the prediction difficult. Artificial neural networks (ANN) and case-based reasoning (CBR) are reported to overcome this difficulty. This paper presents a comparison of CBR and ANN augmented by genetic algorithms (GA) conducted by using spreadsheet simulations. GA was used to determine the optimum weights for the ANN and CBR models. The cost data of twenty-nine actual cases of residential building projects were used as an example application. Two different sets of cases were randomly selected from the data set for training and testing purposes. Prediction rates of 84% in the GA/CBR study and 89% in the GA/ANN study were obtained. The advantages and disadvantages of the two approaches are discussed in the light of the experiments and the findings. It appears that GA/ANN is a more suitable model for this example of cost estimation where the prediction of numerical values is required and only a limited number of cases exist. The integration of GA into CBR and ANN in a spreadsheet format is likely to improve the prediction rates.
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.
Mit diesen Ausführungen wird ein Beitrag zum weiteren Erhalt der historischen Bausubstanz in Mecklenburg aus der Sicht der Tragwerksanalyse geleistet. Dabei bestätigt es sich immer mehr, dass mit dem Modell der Geometrie, der Belastung und des Materials gleichberechtigte Modelle für eine wirklichkeitsnahe Einschätzung des Tragverhaltens eines Tragwerks vorliegen müssen. Es zeigt sich, dass dabei die besten Berechnungsprogramme nur die Ergebnisse liefern können, die mit den Eingabedaten zu erzielen sind. So hat sich der Forschungsschwerpunkt im Lehrgebiet Tragwerkslehre des FB Architektur an der Hochschule Wismar in den letzten Jahren auf die realistische Abbildung der Wechselwirkung zwischen der Bauaufnahme und der geometrischen Modellierung konzentriert. In diesem Bereich zeigen sich als Schwerpunkte die Wechselwirkung zwischen Schäden und Tragwerksanalyse und die Wechselwirkung zwischen der aufgenommenen Geometrie und dem geometrischen Modell für die Tragwerksanalyse. Die Fülle der aufgenommenen Daten sind dabei in der Regel mehr hinderlich als ein Segen für die Tragwerksanalyse. Hier wurde gezeigt, welche und wie viele geometrische Daten für das geometrische Modell für die Tragwerksanalyse sinnvoll sind. Da die eigene Datenaufnahme relativ viel Zeit beansprucht, wurde eine "geistige" Bauaufnahme durchgeführt. Dazu wird der historische Planungsprozess in den einzelnen Formfindungsschritten nachvollzogen und in die virtuelle Realität überführt. Mit dieser Methode ergeben sich unterschiedliche Bauzustände und es lassen sich auch mögliche Bauphasen abbilden. Die Tragwerksanalyse dieser virtuellen Realität zeigt dann mögliche Schwächen der Tragwerke und/oder die Notwendigkeit konstruktiver Veränderungen. Ein Vergleich der Ergebnisse der Tragwerksanalyse mit der Realität anhand des vorliegenden Datenbestands liefert die Grundlage für den aktuellen Handlungsbedarf. Da der Bauzustand eines Bauwerkes unter einer zeitlichen Veränderung steht, werden Methoden überprüft, die es ermöglichen, einen einmal vorgelegten Datenbestand aufzubereiten und weiter zu verwalten.
Designing a structure follows a pattern of creating a structural design concept, executing a finite element analysis and developing a design model. A project was undertaken to create computer support for executing these tasks within a collaborative environment. This study focuses on developing a software architecture that integrates the various structural design aspects into a seamless functional collaboratory that satisfies engineering practice requirements. The collaboratory is to support both homogeneous collaboration i.e. between users operating on the same model and heterogeneous collaboration i.e. between users operating on different model types. Collaboration can take place synchronously or asynchronously, and the information exchange is done either at the granularity of objects or at the granularity of models. The objective is to determine from practicing engineers which configurations they regard as best and what features are essential for working in a collaborative environment. Based on the suggestions of these engineers a specification of a collaboration configuration that satisfies engineering practice requirements will be developed.
Der Begriff der Zuverlässigkeit spielt eine zentrale Rolle bei der Bewertung von Verkehrsnetzen. Aus der Sicht der Nutzer des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) ist eines der wichtigsten Kriterien zur Beurteilung der Qualität des Liniennetzes, ob es möglich ist, mit einer großen Sicherheit das Reiseziel in einer vorgegebenen Zeit zu erreichen. Im Vortrag soll dieser Zuverlässigkeitsbegriff mathematisch gefasst werden. Dabei wird zunächst auf den üblichen Begriff der Zuverlässigkeit eines Netzes im Sinne paarweiser Zusammenhangswahrscheinlichkeiten eingegangen. Dieser Begriff wird erweitert durch die Betrachtung der Zuverlässigkeit unter Einbeziehung einer maximal zulässigen Reisezeit. In vergangenen Arbeiten hat sich die Ring-Radius-Struktur als bewährtes Modell für die theoretische Beschreibung von Verkehrsnetzen erwiesen. Diese Überlegungen sollen nun durch Einbeziehung realer Verkehrsnetzstrukturen erweitert werden. Als konkretes Beispiel dient das Straßenbahnnetz von Krakau. Hier soll insbesondere untersucht werden, welche Auswirkungen ein geplanter Ausbau des Netzes auf die Zuverlässigkeit haben wird. 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.
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.
Solid behavior as well as liquid behavior characterizes the flow of granular material in silos. The presented model is based on an appropriate interaction of a displacement field and a velocity field. The constitutive equations and the applied algorithm are developed from the exact solution for a standard case. The standard case evolves from a very tall vertical plane strain silo containing material that flows at a constant speed. No horizontal displacements and velocities take place. No changes regarding the field values arise in the vertical direction and in time. Tension is not allowed at any point. Coulomb friction represents the effects of the vertical walls. The interaction between the flowing material and the walls is covered by a forced boundary condition resulting in an additional matrix for the solid component as well as for the liquid component. The resulting integral equations are designed to be solved directly. Three coefficients describe the properties of the granular material. They govern elastic solid behavior in combination with viscous liquid behavior.
Unconstrained models are very often found in the broad spectrum of different theories of traffic demand models. In these models there are none or only one-sided restrictions influencing the choice of the individual. However in the traffic demand different deciding dependencies of the traffic volume with regard to the specific conditions of the territory structure potentials exist. Kichhoff and Lohse introduced bi- and tri-linearly constrained models to show these dependencies. In principle, the dependencies are described as hard, elastic and open boundary sum criteria. In this article a model is formulated which gets away from these predefined boundary sum criteria and allows a free determination of minimal and maximal boundary sum criteria. The iterative solution algorithm is shown according to a FURNESS procedure at the same time. With the approach of freely selectable minimal and maximal boundary sum criteria the modeling transport planner gets the possibility to show the traffic event even better. Furthermore all common boundary sum criteria can be calculated with this model. Therewith the often necessary and sensible standard and special cases can also be modeled.
A new approach to the non-linear analysis of cross-sections loaded by normal forces and bending moments is presented in the paper. The mechanical model is based on the LAGRANGE principle of minimum of total potential energy. Deformations, stresses and limit load parameters are obtained by solving a non-linear optimisation problem. The mathematical model is independent of the specifics of material. In addition to the stress strain relation and the specific strain energy W(ε) two further functions F(ε) and Φ(ε) are introduced to describe the material behaviour. Thus cracks in concrete, non-linearity of material etc. can be taken into account without basic modification of the numerical algorithm. For polygonal cross-sections the GAUSS' integral theorem is used. Numerical solutions of the non-linear optimisation problems can be found by application of standard software. Thus the analysis of reinforced concrete cross-sections or more general composite cross-sections with non-linear behaviour of material is as simple as in the case of linear elasticity. The application of the method is demonstrated for polygonal cross-sections. Pre-stresses or pre-strains can easily be included in the mathematical model.
The presented method for an physically non-linear analysis of stresses and deformations of composite cross-sections and members based on energy principles and their transformation to non-linear optimisation problems. From the LAGRANGE principle of minimum of total potential energy a kinematic formulation of the mechanical problem can be developed, which has the general advantage that pre-deformations excited by shrinkage, temperature, residual deformations after unloading et al., can be considered directly. Thus the non-linear analysis of composite cross-sections with layers of different mechanical properties and different preloading becomes possible and cracks in concrete, stiffness degradation and other specifics of the material behaviour can be taken into account without cardinal modification of the mathematical model. The impact of local defects on the bearing capacity of an entire element can also be analysed in this principle way. Standard computational systems for mathematical optimisation or general programs for spreadsheet analysis enable an uncomplicated implementation of the developed models and an effective non-linear analysis for composite cross-sections and elements.
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.
The extended finite element method (XFEM) offers an elegant tool to model material discontinuities and cracks within a regular mesh, so that the element edges do not necessarily coincide with the discontinuities. This allows the modeling of propagating cracks without the requirement to adapt the mesh incrementally. Using a regular mesh offers the advantage, that simple refinement strategies based on the quadtree data structure can be used to refine the mesh in regions, that require a high mesh density. An additional benefit of the XFEM is, that the transmission of cohesive forces through a crack can be modeled in a straightforward way without introducing additional interface elements. Finally different criteria for the determination of the crack propagation angle are investigated and applied to numerical tests of cracked concrete specimens, which are compared with experimental results.
Major problems of applying selective sensitivity to system identification are requirement of precise knowledge about the system parameters and realization of the required system of forces. This work presents a procedure which is able to deriving selectively sensitive excitation by iterative experiments. The first step is to determine the selectively sensitive displacement and selectively sensitive force patterns. These values are obtained by introducing the prior information of system parameters into an optimization which minimizes the sensitivities of the structure response with respect to the unselected parameters while keeping the sensitivities with respect to the selected parameters as a constant. In a second step the force pattern is used to derive dynamic loads on the tested structure and measurements are carried out. An automatic control ensures the required excitation forces. In a third step, measured outputs are employed to update the prior information. The strategy is to minimize the difference between a predicted displacement response, formulated as function of the unknown parameters and the measured displacements, and the selectively sensitive displacement calculated in the first step. With the updated values of the parameters a re-analysis of selective sensitivity is performed and the experiment is repeated until the displacement response of the model and the actual structure are conformed. As an illustration a simply supported beam made of steel, vibrated by harmonic excitation is investigated, thereby demonstrating that the adaptive excitation can be obtained efficiently.
In many applications such as parameter identification of oscillating systems in civil enginee-ring, speech processing, image processing and others we are interested in the frequency con-tent of a signal locally in time. As a start wavelet analysis provides a time-scale decomposition of signals, but this wavelet transform can be connected with an appropriate time-frequency decomposition. For instance in Matlab are defined pseudo-frequencies of wavelet scales as frequency centers of the corresponding bands. This frequency bands overlap more or less which depends on the choice of the biorthogonal wavelet system. Such a definition of frequency center is possible and useful, because different frequencies predominate at different dyadic scales of a wavelet decomposition or rather at different nodes of a wavelet packet decomposition tree. The goal of this work is to offer better algorithms for characterising frequency band behaviour and for calculating frequency centers of orthogonal and biorthogonal wavelet systems. This will be done with some product formulas in frequency domain. Now the connecting procedu-res are more analytical based, better connected with wavelet theory and more assessable. This procedures doesn’t need any time approximation of the wavelet and scaling functions. The method only works in the case of biorthogonal wavelet systems, where scaling functions and wavelets are defined over discrete filters. But this is the practically essential case, because it is connected with fast algorithms (FWT, Mallat Algorithm). At the end corresponding to the wavelet transform some closed formulas of pure oscillations are given. They can generally used to compare the application of different wavelets in the FWT regarding it’s frequency behaviour.
The design and application of high performance materials demands extensive knowledge of the materials damage behavior, which significantly depends on the meso- and microstructural complexity. Numerical simulations of crack growth on multiple length scales are promising tools to understand the damage phenomena in complex materials. In polycrystalline materials it has been observed that the grain boundary decohesion is one important mechanism that leads to micro crack initiation. Following this observation the paper presents a polycrystal mesoscale model consisting of grains with orthotropic material behavior and cohesive interfaces along grain boundaries, which is able to reproduce the crack initiation and propagation along grain boundaries in polycrystalline materials. With respect to the importance of modeling the geometry of the grain structure an advanced Voronoi algorithm is proposed to generate realistic polycrystalline material structures based on measured grain size distribution. The polycrystal model is applied to investigate the crack initiation and propagation in statically loaded representative volume elements of aluminum on the mesoscale without the necessity of initial damage definition. Future research work is planned to include the mesoscale model into a multiscale model for the damage analysis in polycrystalline materials.
The design of safety-critical structures, exposed to cyclic excitations demands for non-degrading or limited-degrading behavior during extreme events. Among others, the structural behavior is mainly determined by the amount of plastic cycles, completed during the excitation. Existing simplified methods often ignore this dependency, or assume/request sufficient cyclic capacity. The paper introduces a new performance based design method that considers explicitly a predefined number of re-plastifications. Hereby approaches from the shakedown theory and signal processing methods are utilized. The paper introduces the theoretical background, explains the steps of the design procedure and demonstrates the applicability with help of an example. This project was supported by German Science Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG)
The present paper is part of a comprehensive approach of grid-based modelling. This approach includes geometrical modelling by pixel or voxel models, advanced multiphase B-spline finite elements of variable order and fast iterative solver methods based on the multigrid method. So far, we have only presented these grid-based methods in connection with linear elastic analysis of heterogeneous materials. Damage simulation demands further considerations. The direct stress solution of standard bilinear finite elements is severly defective, especially along material interfaces. Besides achieving objective constitutive modelling, various nonlocal formulations are applied to improve the stress solution. Such a corrective data processing can either refer to input data in terms of Young's modulus or to the attained finite element stress solution, as well as to a combination of both. A damage-controlled sequentially linear analysis is applied in connection with an isotropic damage law. Essentially by a high resolution of the heterogeneous solid, local isotropic damage on the material subscale allows to simulate complex damage topologies such as cracks. Therefore anisotropic degradation of a material sample can be simulated. Based on an effectively secantial global stiffness the analysis is numerically stable. The iteration step size is controlled for an adequate simulation of the damage path. This requires many steps, but in the iterative solution process each new step starts with the solution of the prior step. Therefore this method is quite effective. The present paper provides an introduction of the proposed concept for a stable simulation of damage in heterogeneous solids.
Advanced finite elements are proposed for the mechanical analysis of heterogeneous materials. The approximation quality of these finite elements can be controlled by a variable order of B-spline shape functions. An element-based formulation is developed such that the finite element problem can iteratively be solved without storing a global stiffness matrix. This memory saving allows for an essential increase of problem size. The heterogeneous material is modelled by projection onto a uniform, orthogonal grid of elements. Conventional, strictly grid-based finite element models show severe oscillating defects in the stress solutions at material interfaces. This problem is cured by the extension to multiphase finite elements. This concept enables to define a heterogeneous material distribution within the finite element. This is possible by a variable number of integration points to each of which individual material properties can be assigned. Based on an interpolation of material properties at nodes and further smooth interpolation within the finite elements, a continuous material function is established. With both, continuous B-spline shape function and continuous material function, also the stress solution will be continuous in the domain. The inaccuracy implied by the continuous material field is by far less defective than the prior oscillating behaviour of stresses. One- and two-dimensional numerical examples are presented.
In this paper an adaptive heterogeneous multiscale model, which couples two substructures with different length scales into one numerical model is introduced for the simulation of damage in concrete. In the presented approach the initiation, propagation and coalescence of microcracks is simulated using a mesoscale model, which explicitly represents the heterogeneous material structure of concrete. The mesoscale model is restricted to the damaged parts of the structure, whereas the undamaged regions are simulated on the macroscale. As a result an adaptive enlargement of the mesoscale model during the simulation is necessary. In the first part of the paper the generation of the heterogeneous mesoscopic structure of concrete, the finite element discretization of the mesoscale model, the applied isotropic damage model and the cohesive zone model are briefly introduced. Furthermore the mesoscale simulation of a uniaxial tension test of a concrete prism is presented and own obtained numerical results are compared to experimental results. The second part is focused on the adaptive heterogeneous multiscale approach. Indicators for the model adaptation and for the coupling between the different numerical models will be introduced. The transfer from the macroscale to the mesoscale and the adaptive enlargement of the mesoscale substructure will be presented in detail. A nonlinear simulation of a realistic structure using an adaptive heterogeneous multiscale model is presented at the end of the paper to show the applicability of the proposed approach to large-scale structures.
A fast solver method called the multigrid preconditioned conjugate gradient method is proposed for the mechanical analysis of heterogeneous materials on the mesoscale. Even small samples of a heterogeneous material such as concrete show a complex geometry of different phases. These materials can be modelled by projection onto a uniform, orthogonal grid of elements. As one major problem the possible resolution of the concrete specimen is generally restricted due to (a) computation times and even more critical (b) memory demand. Iterative solvers can be based on a local element-based formulation while orthogonal grids consist of geometrical identical elements. The element-based formulation is short and transparent, and therefore efficient in implementation. A variation of the material properties in elements or integration points is possible. The multigrid method is a fast iterative solver method, where ideally the computational effort only increases linear with problem size. This is an optimal property which is almost reached in the implementation presented here. In fact no other method is known which scales better than linear. Therefore the multigrid method gains in importance the larger the problem becomes. But for heterogeneous models with very large ratios of Young's moduli the multigrid method considerably slows down by a constant factor. Such large ratios occur in certain heterogeneous solids, as well as in the damage analysis of solids. As solution to this problem the multigrid preconditioned conjugate gradient method is proposed. A benchmark highlights the multigrid preconditioned conjugate gradient method as the method of choice for very large ratio's of Young's modulus. A proposed modified multigrid cycle shows good results, in the application as stand-alone solver or as preconditioner.
Summer overheating in buildings is a common problem, especially in office buildings with large glazed facades, high internal loads and low thermal mass. Phase change materials (PCM) that undergo a phase transition in the temperature range of thermal comfort can add thermal mass without increasing the structural load of the building. The investigated PCM were micro-encapsulated and mixed into gypsum plaster. The experiments showed a reduction of indoor-temperature of up to 4 K when using a 3 cm layer of PCM-plaster with micro-encapsulated paraffin. The measurement results could validate a numerical model that is based on a temperature dependent function for heat capacity. Thermal building simulation showed that a 3 cm layer of PCM-plaster can help to fulfil German regulations concerning heat protection of buildings in summer for most office rooms.
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.
The modeling of crack propagation in plain and reinforced concrete structures is still a field for many researchers. If a macroscopic description of the cohesive cracking process of concrete is applied, generally the Fictitious Crack Model is utilized, where a force transmission over micro cracks is assumed. In the most applications of this concept the cohesive model represents the relation between the normal crack opening and the normal stress, which is mostly defined as an exponential softening function, independently from the shear stresses in tangential direction. The cohesive forces are then calculated only from the normal stresses. By Carol et al. 1997 an improved model was developed using a coupled relation between the normal and shear damage based on an elasto-plastic constitutive formulation. This model is based on a hyperbolic yield surface depending on the normal and the shear stresses and on the tensile and shear strength. This model also represents the effect of shear traction induced crack opening. Due to the elasto-plastic formulation, where the inelastic crack opening is represented by plastic strains, this model is limited for applications with monotonic loading. In order to enable the application for cases with un- and reloading the existing model is extended in this study using a combined plastic-damage formulation, which enables the modeling of crack opening and crack closure. Furthermore the corresponding algorithmic implementation using a return mapping approach is presented and the model is verified by means of several numerical examples. Finally an investigation concerning the identification of the model parameters by means of neural networks is presented. In this analysis an inverse approximation of the model parameters is performed by using a given set of points of the load displacement curves as input values and the model parameters as output terms. It will be shown, that the elasto-plastic model parameters could be identified well with this approach, but require a huge number of simulations.
Die effektive Kooperation aller beteiligten Fachplaner im Bauplanungsprozess ist die Voraussetzung für wirtschaftliches und qualitativ hochwertiges Bauen. Bauprojektorganisationen bestehen in der Regel aus zahlreichen unabhängigen Planungspartnern, die örtlich verteilt spezifische Planungsaufgaben bearbeiten und die Ergebnisse in Teilproduktmodellen ablegen. Da Planungsprozesse im Bauwesen stark arbeitsteilig ablaufen, sind die Teilproduktmodelle der einzelnen Fachplanungen in hohem Maße voneinander abhängig. Ziel des hier vorgestellten Ansatzes ist die Integration der Teilproduktmodelle der Gebäudeplanung in einem netzwerkbasierten Modellverbund am Beispiel der Brandschutzplanung. Im Beitrag werden die Probleme der Verteiltheit und insbesondere der semantischen Heterogenität der involvierten Teilproduktmodelle betrachtet. Der verteilte Zugriff wird mithilfe mobiler Software-Agenten realisiert. Die Agenten können sich dabei frei im netzwerkbasierten Planungsverbund bewegen und agieren als Vertreter der Fachplaner. Das Problem der semantischen Heterogenität der Teilproduktmodelle wird auf der Basis von Ontologien gelöst. Dazu werden erstens Domänenontologien entwickelt, die Objekte der realen Welt einer abgeschlossenen Domäne, hier des Brandschutzes, abbilden. Zweitens werden Applikationsontologien entwickelt, die die einzelnen proprietären Datenhaltungen (im Sinne von Teilproduktmodellen) der jeweiligen Fachplanungen repräsentieren. Beide Ontologien werden mit einem regelbasierten Ansatz verknüpft. Im vorgestellten Anwendungsfall Brandschutz dient die Domänenontologie als einheitliche Schnittstelle für den Zugriff auf die verteilten Modelle und abstrahiert dabei von deren Datenbankspezifika und proprietären Schemata. Mithilfe von mobilen Agenten und semantischen Technologien kann so eine Plattform zur Verfügung gestellt werden, die erstens die dynamische Integration von Ressourcen in den Planungsverbund erlaubt und zweitens auf deren Basis unabhängig von der Verteiltheit und Heterogenität der eingebundenen Ressourcen ingenieurgerechte Verarbeitungsmethoden realisiert werden können.
In classical complex function theory the geometric mapping property of conformality is closely linked with complex differentiability. In contrast to the planar case, in higher dimensions the set of conformal mappings is only the set of Möbius transformations. Unfortunately, the theory of generalized holomorphic functions (by historical reasons they are called monogenic functions) developed on the basis of Clifford algebras does not cover the set of Möbius transformations in higher dimensions, since Möbius transformations are not monogenic. But on the other side, monogenic functions are hypercomplex differentiable functions and the question arises if from this point of view they can still play a special role for other types of 3D-mappings, for instance, for quasi-conformal ones. On the occasion of the 16th IKM 3D-mapping methods based on the application of Bergman's reproducing kernel approach (BKM) have been discussed. Almost all authors working before that with BKM in the Clifford setting were only concerned with the general algebraic and functional analytic background which allows the explicit determination of the kernel in special situations. The main goal of the abovementioned contribution was the numerical experiment by using a Maple software specially developed for that purpose. Since BKM is only one of a great variety of concrete numerical methods developed for mapping problems, our goal is to present a complete different from BKM approach to 3D-mappings. In fact, it is an extension of ideas of L. V. Kantorovich to the 3-dimensional case by using reduced quaternions and some suitable series of powers of a small parameter. Whereas until now in the Clifford case of BKM the recovering of the mapping function itself and its relation to the monogenic kernel function is still an open problem, this approach avoids such difficulties and leads to an approximation by monogenic polynomials depending on that small parameter.
The Element-free Galerkin Method has become a very popular tool for the simulation of mechanical problems with moving boundaries. The internally applied Moving Least Squares approximation uses in general Gaussian or cubic weighting functions and has compact support. Due to the approximative character of this method the obtained shape functions do not fulfill the interpolation condition, which causes additional numerical effort for the imposition of the essential boundary conditions. The application of a singular weighting function, which leads to singular coefficient matrices at the nodes, can solve this problem, but requires a very careful placement of the integration points. Special procedures for the handling of such singular matrices were proposed in literature, which require additional numerical effort. In this paper a non-singular weighting function is presented, which leads to an exact fulfillment of the interpolation condition. This weighting function leads to regular values of the weights and the coefficient matrices in the whole interpolation domain even at the nodes. Furthermore this function gives much more stable results for varying size of the influence radius and for strongly distorted nodal arrangements than classical weighting function types. Nevertheless, for practical applications the results are similar as these obtained with the regularized weighting type presented by the authors in previous publications. Finally a new concept will be presented, which enables an efficient analysis of systems with strongly varying node density. In this concept the nodal influence domains are adapted depending on the nodal configuration by interpolating the influence radius for each direction from the distances to the natural neighbor nodes. This approach requires a Voronoi diagram of the domain, which is available in this study since Delaunay triangles are used as integration background cells. In the numerical examples it will be shown, that this method leads to a more uniform and reduced number of influencing nodes for systems with varying node density than the classical circular influence domains, which means that the small additional numerical effort for interpolating the influence radius leads to remarkable reduction of the total numerical cost in a linear analysis while obtaining similar results. For nonlinear calculations this advantage would be even more significant.
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.
In engineering science the modeling and numerical analysis of complex systems and relations plays an important role. In order to realize such an investigation, for example a stochastic analysis, in a reasonable computational time, approximation procedure have been developed. A very famous approach is the response surface method, where the relation between input and output quantities is represented for example by global polynomials or local interpolation schemes as Moving Least Squares (MLS). In recent years artificial neural networks (ANN) have been applied as well for such purposes. Recently an adaptive response surface approach for reliability analyses was proposed, which is very efficient concerning the number of expensive limit state function evaluations. Due to the applied simplex interpolation the procedure is limited to small dimensions. In this paper this approach is extended for larger dimensions using combined ANN and MLS response surfaces for evaluating the adaptation criterion with only one set of joined limit state points. As adaptation criterion a combination by using the maximum difference in the conditional probabilities of failure and the maximum difference in the approximated radii is applied. Compared to response surfaces on directional samples or to plain directional sampling the failure probability can be estimated with a much smaller number of limit state points.
At the 16th IKM Bock, Falcão and Gürlebeck presented examples of the application of some specially developed Maple-Software in hypercomplex analysis. Other papers of those authors continued this work and showed the efficiency of such tools for concrete numerical calculations as well as for numerical experiments, supporting the detection of new relationships and even theorems in a highly technical theoretical work. The mentioned software has been developed mainly for the use on mapping problems in the Euclidean spaces of dimension 3 and 4 by means of Bergman kernel methods (BKM), which are related to monogenic functions as solutions of generalized Cauchy-Riemann equations with respect to the Euclidean metric (Riesz system). The developed procedures concerning generalized powers of totally regular variables and the corresponding homogeneous polynomials basically rely on results and conventions introduced in the paper "Power series representation for monogenic functions in Rm+1 based on a permutational product", Complex Variables, 15, No.3, 181-191 (1990) by H. Malonek. Since 1992 H. Leutwiler, S. L. Eriksson and others developed in a number of papers a modified Clifford analysis and, particularly, a modified quaternionic analysis. The modification mainly consists in considering generalized Cauchy-Riemann equations with respect to a hyperbolic metric in a half space. The aim of this contribution is to show how through a change of the basic combinatorial relations used in the modified quaternionic analysis the aforementioned Maple-software (that has been recently published on CD-Rom as integrated part of the text book "Funktionentheorie in der Ebene und im Raum" by K. Gürlebeck, K. Habetha, and W. Sprössig, in the series "Grundstudium Mathematik" of Birkhäuser Verlag, 2006) can directly be used for numerical calculations in the modified theory.
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.
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.
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.
... WITHOUT RIGHT ANGLE.
(2006)
Currently sculptural design is one of the most discussed themes in architecture. Due to their light weight, easy transportation and assembly, as well as an almost unlimited structural variety, parameterised spatial structures are excellently suited for constructive realisation of free formed claddings. They subdivide the continuous surface into a structure of small sized nodes, straight members and plane glass panels. Thus they provide an opportunity to realise arbitrary double-curved claddings with a high degree of transparency, using industrial semi-finished products (steel sections, flat glass). Digital design strategies and a huge number of similar looking but in detail unique structural members demand a continuous digital project handling. Within a research project, named MYLOMESH, a free-formed spatial structure was designed, constructed, fabricated and assembled. All required steps were carried out based on digital data. Different digital connections (scripts) between varying software tools, which are usually not used in the planning process of buildings, were created. They allow a completely digital workflow. The project, its design, meshing, constructive detailing and the above-mentioned scripts are described in this paper.
TOOL TO CHECK TOPOLOGY AND GEOMETRY FOR SPATIAL STRUCTURES ON BASIS OF THE EXTENDED MAXWELL'S RULE
(2006)
One of the simplest principle in the design of light-weight structures is to avoid bending. This can be achieved by dissolving girders into members acting purely in axial tension or compression. The employment of cables for the tensioned members leads to even lighter structures which are called cable-strut structures. They constitute a subclass of spatial structures. To give fast information about the general feasibility of an architectural concept employing cable-strut structures is a challenging task due to their sophisticated mechanical behavior. In this regard it is essential to control if the structure is stable and if pre-stress can be applied. This paper presents a tool using the spreadsheet software Microsoft (MS) Excel which can give such information. Therefore it is not necessary to purchase special software and the according time consuming training is much lower. The tool was developed on basis of the extended Maxwell's rule, which besides topology also considers the geometry of the structure. For this the rank of the node equilibrium matrix is crucial. Significance and determination of the rank and the implementation of the corresponding algorithms in MS Excel are described in the following. The presented tool is able to support the structural designer in an early stage of the project in finding a feasible architectural concept for cable-strut structures. As examples for the application of the software tool two special cable-strut structures, so called tensegrity structures, were examined for their mechanical behavior.
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.
Wissenschaftliches Kolloquium vom 24. bis 27. April 2003 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚MediumArchitektur - Zur Krise der Vermittlung'
Skinless architecture
(2003)
Wissenschaftliches Kolloquium vom 24. bis 27. April 2003 in Weimar an der Bauhaus-Universität zum Thema: ‚MediumArchitektur - Zur Krise der Vermittlung'
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 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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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....
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.
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.
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 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.
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.
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
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.
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.
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...
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.
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 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.
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
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.