620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Vom Bauwerksinformationsmodell zur Terminplanung - Ein Modell zur Generierung von Bauablaufplänen
(2011)
Die effiziente und zielgerichtete Ausführung von Bauvorhaben wird in hohem Maße von der zugrunde liegenden Bauablaufplanung beeinflusst. Dabei ist unter Verwendung herkömmlicher Methoden und Modelle die Planung des Bauablaufs ein zumeist aufwändiger und fehlerträchtiger Prozess. Am Ende der gegenwärtig üblichen Vorgehensweise für die Planung eines Bauablaufs erfolgt lediglich die Dokumentation des Endergebnisses. Mögliche Ablaufalternativen, die im Verlauf der Planung betrachtet wurden, sind im resultierenden Bauablaufplan nicht enthalten und gehen verloren. Eine formale Kontrolle des geplanten Bauablaufs hinsichtlich seiner Vollständigkeit ist nur begrenzt möglich, da beispielsweise existierende Methoden der 4D-Visualisierung derzeit nicht ausreichend in den Prozess der Planung von Bauabläufen integriert sind. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells für die Unterstützung der Bauablaufplanung. Dafür wird der größtenteils manuelle Vorgang der Bauablaufplanung auf Basis verfügbarer Bauwerksinformationsmodelle (BIM) weitestgehend automatisiert und die Methodik der 4D-Animation in den Prozess der Bauablaufplanung integriert. Ausgehend von in einer Erfahrungsdatenbank gespeicherten Informationen werden auf Basis einer Ähnlichkeitsermittlung Bauteilen des betrachteten BIM geeignete Vorgänge zugeordnet und mittels Algorithmen der Graphentheorie ein Workflowgraph aller mög\-lichen Bauablaufvarianten generiert. Aufgrund der vorgenommenen Kopplung des Bauablaufplans mit Bauteilen eines BIM und der visuellen Darstellung des Bauablaufs kann vom Planer im Rahmen der Modellierungsgenauigkeit des BIM auf die Vollständigkeit des Bauablaufplans geschlossen werden. Dies ermöglicht dem Anwender ein hohes Maß an Kontrolle des geplanten Bauablaufs bereits innerhalb der Planungsphase. Weiterhin unterstützt das entwickelte Modell die Integration von Ablaufvarianten, was deren Gegenüberstellung ermöglicht und die Wiederverwendbarkeit bereits geplanter Bauabläufe durch eine entsprechend ausgerichtete Abbildung des Modells. Die Anwendbarkeit des erarbeiteten Modells wird anhand einer prototypischen Implementierung nachgewiesen und anhand eines Praxisbeispiels verifiziert.
Bauwerke sind in der Regel Unikate, für die meist eine komplette und aufwändige Neuplanung durchzuführen ist. Der Umfang und die Verschiedenartigkeit der einzelnen Planungsaufgaben bedingen ein paralleles Arbeiten der beteiligten Fachplaner. Darüber hinaus ist die Bauplanung ein kreativer und iterativer Prozess, der durch häufige Änderungen des Planungsmaterials und Abstimmungen zwischen den Fachplanern gekennzeichnet ist. Mithilfe von speziellen Fachanwendungen erstellen die Planungsbeteiligten verschiedene Datenmodelle, zwischen denen fachliche Abhängigkeiten bestehen. Ziel der Arbeit ist es, die Konsistenz der einzelnen Fachmodelle eines Bauwerks sicherzustellen, indem Abhängigkeiten auf Basis von Objektversionen definiert werden. Voraussetzung dafür ist, dass die Fachanwendungen nach dem etablierten Paradigma der objektorientierten Programmierung entwickelt wurden. Das sequentielle und parallele Arbeiten mehrerer Fachplaner wird auf Basis eines optimistischen Zugriffsmodells unterstützt, das ohne Schreibsperren auskommt. Weiterhin wird die Historie des Planungsmaterials gespeichert und die Definition von rechtsverbindlichen Freigabeständen ermöglicht. Als Vorbild für die Systemarchitektur diente das Softwarekonfigurationsmanagement, dessen Versionierungsansatz meist auf einem Client-Server-Modell beruht. Die formale Beschreibung des verwendeten Ansatzes wird über die Mengenlehre und Relationenalgebra vorgenommen, so dass er allgemeingültig und technologieunabhängig ist. Auf Grundlage dieses Ansatzes werden Konzepte für den Einsatz versionierter Objektmodelle im Bauwesen erarbeitet und mit einer Pilotimplementierung basierend auf einer Open-Source-Ingenieurplattform an einem praxisnahen Szenario verifiziert. Beim Entwurf der Konzepte wird besonderer Wert auf die Handhabbarkeit der Umsetzung gelegt. Das betrifft im Besonderen die hierarchische Strukturierung des Projektmaterials, die ergonomische Gestaltung der Benutzerschnittstellen und der Erzielung von geringen Anwortzeiten. Diese Aspekte sind eine wichtige Voraussetzung für die Effizienz und Akzeptanz von Software im praktischen Einsatz. Bestehende Fachanwendungen können durch geringen Entwicklungsaufwand einfach in die verteilte Umgebung integriert werden, ohne sie von Grund auf programmieren zu müssen.
Im Rahmen des sich derzeit vollziehenden Wandels von der segmentierten, zeichnungsorientierten zur integrierten, modellbasierten Arbeitsweise bei der Planung von Bauwerken und ihrer Erstellung werden Computermodelle nicht mehr nur für die physikalische Simulation des Bauwerksverhaltens, sondern auch zur Koordination zwischen den einzelnen Planungsdisziplinen und Projektbeteiligten genutzt. Die gemeinsame Erstellung und Nutzung dieses Modells zur virtuellen Abbildung des Bauwerks und seiner Erstellungsprozesse, das sog. Building Information Modeling (BIM), ist dabei zentraler Bestandteil der Planung. Die Integration der Terminplanung in diese Arbeitsweise erfolgt bisher jedoch nur unzureichend, meist lediglich in der Form einer nachgelagerten 4D-Simulation zur Kommunikation der Planungsergebnisse. Sie weist damit im Verhältnis zum entstehenden Zusatzaufwand einen zu geringen Nutzen für den Terminplaner auf. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die tiefere Einbettung der Terminplanung in die modellbasierte Arbeitsweise. Auf Basis einer umfassende Analyse der Rahmenbedingungen und des Informationsbedarfs der Terminplanung werden Konzepte zur effizienten Wiederverwendung von im Modell gespeicherten Daten mit Hilfe einer Verknüpfungssprache, zum umfassenden Datenaustausch auf Basis der Industry Foundation Classes (IFC) und für das Änderungsmanagement mittels einer Versionierung auf Objektebene entwickelt.Die für die modellbasierte Terminplanung relevanten Daten und ihre Beziehungen zueinander werden dabei formal beschrieben sowie die Kompatibilität ihrer Granularität durch eine Funktionalität zur Objektteilung sichergestellt. Zur zielgenauen Extraktion von Daten werden zudem Algorithmen für räumliche Anfragen entwickelt. Die vorgestellten Konzepte und ihre Anwendbarkeit werden mittels einer umfangreichen Pilotimplementierung anhand von mehreren Praxisbeispielen demonstriert und somit deren praktische Relevanz und Nutzen nachgewiesen.
A Flexible Model for Incorporating Construction Product Data into Building Information Models
(2006)
When considering the integration and interoperability between AEC-FM software applications and construction products' data, it is essential to investigate the state-of-the-art and conduct an extensive review in the literature of both Building Information Models and electronic product catalogues. It was found that there are many reasons and key-barriers that hinder the developed solutions from being implemented. Among the reasons that are attributed to the failure of many previous research projects to achieve this integration aim are the proprietary developments of CAD vendors, the fragmented nature of construction product data i.e. commercial and technical data, the prefabrication versus on-site production, marketing strategies and brand-naming, the referencing of a product to the data of its constituents, availability of life-cycle data in a single point in time where it is needed all over the whole life-cycle of the product itself, taxonomy problems, the inability to extract search parameters from the building information model to participate in the conduction of parametric searches. Finally and most important is keeping the product data in the building information model consistent and up-to-date. Hence, it was found that there is a great potential for construction product data to be integrated to building information models by electronic means in a dynamic and extensible manner that prevents the model from getting obsolete. The study has managed to establish a solution concept that links continually updated and extensible life-cycle product data to a software independent building information model (IFC) all over the life span of the product itself. As a result, the solution concept has managed to reach a reliable building information model that is capable of overcoming the majority of the above mentioned barriers. In the meantime, the solution is capable of referencing, retrieving, updating, and merging product data at any point in time. A distributed network application that represents all the involved parties in the construction product value chain is simulated by real software tools to demonstrate the proof of concept of this research work.
Der Planungsprozess im Konstruktiven Ingenieurbau ist gekennzeichnet durch drei sich zyklisch wiederholende Phasen: die Phase der Aufgabenverteilung, die Phase der parallelen Bearbeitung mit entsprechenden Abstimmungen und die Phase der Zusammenführung der Ergebnisse. Die verfügbare Planungssoftware unterstützt überwiegend nur die Bearbeitung in der zweiten Phase und den Austausch der Datenbestände durch Dokumente. Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung einer Systemarchitektur, die in ihrem Grundsatz alle Phasen der verteilten Bearbeitung und unterschiedliche Arten der Kooperation (asynchron, parallel, wechselseitig) berücksichtigt und bestehende Anwendungen integriert. Das gemeinsame Arbeitsmaterial der Beteiligten wird nicht als Dokumentmenge, sondern als Menge von Objekt- und Elementversionen und deren Beziehungen abstrahiert. Elemente erweitern Objekte um applikationsunabhängige Eigenschaften (Features). Für die Bearbeitung einer Aufgabe werden Teilmengen auf Basis der Features gebildet, für deren Elemente neue Versionen abgeleitet und in einen privaten Arbeitsbereich geladen werden. Die Bearbeitung wird auf Operationen zurückgeführt, mit denen das gemeinsame Arbeitsmaterial konsistent zu halten ist. Die Systemarchitektur wird formal mit Mitteln der Mathematik beschrieben, verfügbare Technologie beschrieben und deren Einsatz in einem Umsetzungskonzept dargestellt. Das Umsetzungskonzept wird pilothaft implementiert. Dies erfolgt in der Umgebung des Internet in der Sprache Java unter Verwendung eines Versionsverwaltungswerkzeuges und relationalen Datenbanken.
The uniqueness and the long life cycle of buildings imply a dynamically modifiable building model. The technological foundation for the management of digital building models, a dynamic model management system (MMS), developed by our research group, allows to explicitly access and to modify the object model of the stored planning data. In this paper, the integration of constraints in digital building models will be shown. Constraints are conditions, which apply to the instances of domain model classes, and are defined by the user at runtime of the information system. For the expression of constraints, the Constraint Modelling Language (CML) has been developed and will be described in this paper. CML is a powerful, intuitively usable object-oriented language, which allows the expression of constraints at a high semantic level. A constrained-enabled MMS can verify, whether an instance fulfils the applying constraints. To ensure flexibility, the evaluation of constraints is not implicitly performed by the systems, but explicitly initiated by the user. A classification of constraint types and example usage scenarios are given.
Collaborative Design Processes: A Class on Concurrent Collaboration in Multidisciplinary Design
(2004)
The rise of concurrent engineering in construction demands early team formation and constant communication throughout the project life cycle, but educational models in architecture, engineering and construction have been slow to adjust to this shift in project organization. Most students in these fields spend the majority of their college years working on individual projects that do not build teamwork or communication skills. Collaborative Design Processes (CDP) is a capstone design course where students from the University of Illinois at Urbana-Champaign and the University of Florida learn methods of collaborative design enhanced by the use of information technology. Students work in multidisciplinary teams to collaborate from remote locations via the Internet on the design of a facility. An innovation of this course compared to previous efforts is that students also develop process designs for the integration of technology into the work of multidisciplinary design teams. The course thus combines both active and reflective learning about collaborative design and methods. The course is designed to provide students the experience, tools, and methods needed to improve design processes and better integrate the use of technology into AEC industry work practices. This paper describes the goals, outcomes and significance of this new, interdisciplinary course for distributed AEC education. Differences from existing efforts and lessons learned to promote collaborative practices are discussed. Principal conclusions are that the course presents effective pedagogy to promote collaborative design methods, but faces challenges in both technology and in traditional intra-disciplinary training of students.
The management of resources is an essential task in each construction company. Today, ERP systems and e-Business systems are available to assist construction companies to efficiently organise the allocation of their personnel and equipment within the company, but they cannot provide the company with the idle resources for every single task that has to be performed during a construction project. Therefore, companies should have an alternative solution to better exploit expensive resources and compensate their fixed costs, but also have them available at the right time for their own business activities. This paper outlines the approach taken by the EU funded project “e-Sharing” (IST-2001-33325) to support resource management between construction companies. It will describe requirements for the management of construction resources, its core features, and the integration approach. Therefore, we will outline the approach of an integrated resource type model supporting the management and classification of construction equipment, construction tasks and qualification profiles. The development is based on a cross-domain analysis and evaluation of existing models. ...
This paper presents an application of dynamic decision making under uncertainty in planning and estimating underground construction. The application of the proposed methodology is illustrated by its application to an actual tunneling project—The Hanging Lake Tunnel Project in Colorado, USA. To encompass the typical risks in underground construction, tunneling decisions are structured as a risk-sensitive Markov decision process that reflects the decision process faced by a contractor in each tunneling round. This decision process consists of five basic components: (1) decision stages (locations), (2) system states (ground classes and tunneling methods), (3) alternatives (tunneling methods), (4) ground class transition probabilities, and (5) tunneling cost structure. The paper also presents concepts related to risk preference that are necessary to model the contractor’s risk attitude, including the lottery concept, utility theory, and the delta property. The optimality equation is formulated, the model components are defined, and the model is solved by stochastic dynamic programming. The main results are the optimal construction plans and risk-adjusted project costs, both of which reflect the dynamics of subsurface construction, the uncertainty about geologic variability as a function of available information, and the contractor’s risk preference.
This paper presents a new design environment based on Multi-Agents and Virtual Reality (VR). In this research, a design system with a virtual reality function was developed. The virtual world was realized by using GL4Java, liquid crystal shutter glasses, sensor systems, etc. And the Multi-Agent CAD system with product models, which had been developed before, was integrated with the VR design system. A prototype system was developed for highway steel plate girder bridges, and was applied to a design problem. The application verified the effectiveness of the developed system.
The AEC industry is conscious of the potentials arising from the usage of mobile computer systems to increase productivity by streamlining their business processes. Discussions are no longer on whether or not to use a mobile computer solution, but rather, on how it should be used. However, the implantation process of this new technology in Architecture, Engineering and Construction (AEC) and Facility Management (FM) practise is very slow and should be improved. One way to encourage and ease the usage of mobile computer systems in AEC is a more process-oriented usability and context appropriateness of mobile computer solutions. Context-sensitivity is defined as a crucial feature to be taken into account for further research in the area of Mobile Computing. Context-sensitive, mobile IT-solutions depend on two features: (1) flexible definitions of (construction) processes describing the context and (2) tools for flexible, multi-dimensional information management representing the context. It is on this premise that the authors propose the n-dimensional data management approach for the implementation of mobile computing solutions. In this paper, we analyse working scenarios in the AEC and FM sector, defining context aspects which are transformed and formalized as dimension hierarchies of the envisaged context model.
Individual views on a building product of people involved in the design process imply different models for planning and calculation. In order to interpret these geometrical, topological and semantical data of a building model we identify a structural component graph, a graph of room faces, a room graph and a relational object graph as aids and we explain algorithms to derive these relations. The application of the technique presented is demonstrated by the analysis and discretization of a sample model in the scope of building energy simulation.
The promise of lower costs for sensors that can be used for construction inspection means that inspectors will continue to have new choices to consider in creating inspection plans. However, these emerging inspection methods can require different activities, resources, and decisions such that it can be difficult to compare the emerging methods with other methods that satisfy the same inspection needs. Furthermore, the context in which inspection is performed can significantly influence how well certain inspection methods are suited for a given set of goals for inspection. Context information, such as weather, security, and the regulatory environment, can be used to understand what information about a component should be collected and how an inspection should be performed. The research described in this paper is aimed at developing an approach for comparing and selecting inspection plans. This approach consists of (1) refinement of given goals for inspection, if necessary, in order to address any additional information needs due to a given context and in order to reach a level of detail that can be addressed by an inspection activity; (2) development of constraints to describe how an inspection should be achieved; (3) matching of goals to available inspection methods, and generation of activities and resource plans in order to address the goals; and (4) selection of an inspection plan from among the possible plans that have been identified. The authors illustrate this approach with observations made at a local construction site.
The worldwide growth of communication networks and associated technologies provide the basic infrastructure for new ways of executing the engineering process. Collaboration amongst team members seperated in time and location is of particular importance. Two broad themes can be recognized in research pertaining to distributed collaboration. One theme focusses on the technical and technological aspects of distributed work, while the other emphasises human aspects thereof. The case of finite element structural analysis in a distributed collaboratory is examined in this paper. An approach is taken which has its roots in human aspects of the structural analysis task. Based on experience of how structural engineers currently approach and execute this task while utilising standard software designed for use on local workstations only, criteria are stated for a software architechture that could support collaborative structural analysis. Aspects of a pilot application and the results of qualitative performance measurements are discussed.
As computer programs become ever more complex, software development has shifted from focusing on programming towards focusing on integration. This paper describes a simulation access language (SimAL) that can be used to access and compose software applications over the Internet. Specifically, the framework is developed for the integration of tools for project management applications. The infrastructure allows users to specify and to use existing heterogeneous tools (e.g., Microsoft Project, Microsoft Excel, Primavera Project Planner, and AutoCAD) for simulation of project scenarios. This paper describes the components of the SimAL language and the implementation efforts required in the development of the SimAL framework. An illustration example bringing on-line weather forecasting service for project scheduling and management applications is provided to demonstrate the use of the simulation language and the infrastructure framework.
All construction project are constrained by their schedules, budgets and specifications, and safety and environmental regulations. These constraints made construction management more complex and difficult. At the same time, many historical data that can support the decisions in the future are kept in construction enterprises,. To use the historical data effectively and efficiently, it is essential to apply the data warehouse and data mining technologies. This paper introduces a research which aims to develop a data warehouse system according to the requirements of construction enterprises and use data mining technology to learn useful information and knowledge from the data warehouse system. The design, the development and the application of this system are detailedly introduced in this paper.
Many problems related to data integration in AEC can be better tackled by an approach that takes into account the heterogeneity of tasks, models and applications but does not require continuous consistency of the evolving design data, at each data management operation. Such an approach must incorporate adequate services that can facilitate reintegration of concurrently modified data at reasonably selected coordination points. In this paper we present a set of methods which, used in combination, can achieve that goal. After a description of the principal envisaged cooperative work scenario each of these methods is discussed in detail and current observations drawn from their software realisation are given. Whilst the suggested approach is valid for any EXPRESS-based data model, the practical focus of work has been on facilitating IFC-driven integration.
The planning of projects in building engineering is a complex process which is characterized by a dynamical composition and many modifications during the definition and execution time of processes. For a computer-aided and network-based cooperation a formal description of the planning process is necessary. In the research project “Relational Process Modelling in Cooperative Building Planning” a process model is described by three parts: an organizational structure with participants, a building structure with states and a process structure with activities. This research project is part of the priority program 1103 “Network-Based Cooperative Planning Processes in Structural Engineering” promoted by the German Research Foundation (DFG). Planning processes in civil engineering can be described by workflow graphs. The process structure describes the logical planning process and can be formally defined by a bipartite graph. This structure consists of activities, transitions and relationships between activities and transitions. In order to minimize errors at execution time of a planning process a consistent and structurally correct process model must be guaranteed. This contribution considers the concept and the algorithms for checking the consistency and the correctness of the process structure.
Integrated structural engineering system usually consists of large number of design objects that may be distributed across different platforms. These design objects need to communicate data and information among each other. For efficient communication among design objects a common communication protocol need to be defined. This paper presents the elements of a communication protocol that uses a mediator agent to facilitate communication among design objects. This protocol is termed the Mediative Communication Protocol (MCP). The protocol uses certain design communication performatives and the semantics of an Agent Communication language (ACL) mainly the Knowledge and Query Manipulation Language (KQML) to implement its steps. Details of a Mediator Agent, that will facilitate the communication among design objects, is presented. The Unified Modeling Language (UML) is used to present the Meditative protocol and show how the mediator agent can be use to execute the steps of the meditative communication protocol. An example from structural engineering application is presented to demonstrate and validate the protocol. It is concluded that the meditative protocol is a viable protocol to facilitate object-to-object communication and also has potential to facilitate communication among the different project participants at the higher level of integrated structural engineering systems.
Physically Based Modeling and Multi-Physical Simulation System for Wood Structure Fire Performance
(2004)
This research is devoted to promoting the performance-based engineering in wood structure fire. It looks into the characteristic of the material, structural composing and collapse detecting to find out the main factors in the wood structure collapse in fire. The aim of the research is to provide an automatic simulation platform for the complicated circulation. A physically based model for slim member for beams and columns and a frame of multi-physical simulation are provided to implement the system. The physically based model contains material model, structural mechanics model, material mechanics model, as well as geometry model for the compositive simulation. The multi-physical simulation is built on the model and has the capacity to carry out a simulation combining structural, fire (thermal, CFD) and material degradation simulation. The structural and fire simulation rely on two sophisticated software respectively, ANSYS (an FEA software) and FDS (with a core of CFD). Researchers of the paper develop system by themselves to combine the two existing ones. The system has the capability to calculate the wood char to find out the loss of cross-section and to detect the collapse caused in different ways. The paper gives a sample of Chinese traditional house to show how this simulation system works.