620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
The paper describes further developments of the interactive evolutionary design concept relating to the emergence of mutually inclusive regions of high performance design solutions. These solutions are generated from cluster-oriented genetic algorithm (COGAs) output and relate to a number of objectives introduced during the preliminary design of military airframes. The data-mining of multi-objective COGA (moCOGA) output further defines these regions through the application of clustering algorithms, data reduction and variable attribute relevance analyses. A number of visual representations of the COGA output projected onto both variable and objective space are presented. The multi-objective output of the COGA is compared to output from a Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA-II) to illustrate the manner in which moCOGAs can generate good approximations to Pareto frontiers.
The optimization of continuous structures requires careful attention to discretization errors. Compared to ordinary low order formulation (h-elements) in conjunction with an adaptive mesh refinement in each optimization step, the use of high order finite elements (so called p-elements) has several advantages. However, compared to the h-method a higher order finite element analysis program poses higher demands from a software engineering point of view. In this article the basics of an object oriented higher order finite element system especially tailored to the use in structural optimization is presented. Besides the design of the system, aspects related to the employed implementation language Java are discussed.
This paper describes an Internet-enabled software model that could facilitate the development and utilization of nonlinear structural analysis programs. The software model allows users easy access to the analysis core program and the analysis results by using a web-browser or other application programs. In addition, new and legacy codes can be incorporated as distributed services and be integrated with the software framework from disparate sites. A distributed project management system, taking advantages of Internet and database technologies, is implemented to store and manage model information and simulation results. Nonlinear dynamic analysis and simulations of a bridge structure is performed to illustrate the facilities of the Internet-enabled software model.
This paper describes a couple of new truss structures based on fractal geometry. One is the famous Sierpinski Gasket and another is a fractal triangle derived by means of applying a process forming leaves of a cedar tree using M. F. Barnsley’s contraction mapping theory. Therefore a pair of x-y coordinates of an arbitrary nodal point on the structures are generated easily if IFS(Iterated Function System) codes and a scale of them are specified. Structural members are defined similarly. Thus data for frame analysis can be generated automatically, which is significant if the objective structure has complex configuration. Next analytical results under vertical and wind loadings in Japanese Building Code are shown. Here members are assumed to be timber and to have cross section of 15cm×15cm. Finally authors conclude that geometrically new truss structures were developed and automatic data generation for frame analysis was attained using IFS. Analytical results show they contribute to saving material when compared it with King-post truss.
In this contribution the software design and implementation of an analysis server for the computation of failure probabilities in structural engineering is presented. The structures considered are described in terms of an equivalent Finite Element model, the stochastic properties, like e.g. the scatter of the material behavior or the incoming load, are represented using suitable random variables. Within the software framework, a Client-Server-Architecture has been implemented, employing the middleware CORBA for the communication between the distributed modules. The analysis server offers the possibility to compute failure probabilities for stochastically defined structures. Therefore, several different approximation (FORM, SORM) and simulation methods (Monte Carlo Simulation and Importance Sampling) have been implemented. This paper closes in showing several examples computed on the analysis server.
The paper gives a general overview and concerns with a specified set of computer-aided analysis modules for hybrid structures loaded by extreme excitations. All problems are solved by methods of linear, quadratic or nonlinear mathematical optimization, that leads to very effective and economic design solutions. All approaches are derived from general optimization problem that can be easily altered to conform to specific design tasks. Some advantages and possibilities of hybrid structural modeling (single or mixed model-supported) are discussed. The methods will be illustrated by an example structure and optimization schemes.
This paper describes a framework for computer-aided conceptual design of building structures that results from building architectural considerations. The central task that is carried out during conceptual design is the synthesis of the structural system. This paper proposes a methodology for the synthesis of structural solutions. Given the nature of architectural constraints, user-model interactivity is devised as the most suitable computer methodology for driving the structural synthesis process. Taking advantage of the hierarchical organization of the structural system, this research proposes a top-down approach for structural synthesis. Through hierarchical refinement, the approach lends itself to the synthesis of global and local structural solutions. The components required for implementing the proposed methodology are briefly described. The main components have been incorporated in a proof-of-concept prototype that is being tested and validated with actual buildings.
This paper introduces the current development of electronic catalogues of construction products. The common system architecture of Web-based electronic products catalogues are discussed, followed by a discussion on construction products information standardization and latest distributed-systems technologies for communicating construction products information. Finally, this paper presents an implementation of Web service in e-commerce systems to enable sharing of construction products information.
The construction management has been under pressure to reduce operating costs and to improve productivity using innovative information technologe (IT) solutions conformed to structural characteristics, site conditions and past experiences. Given the growing emphasis on effectiveness and efficiency in construction projects, there is an imminent need to develop a formal procedure to select the best IT application for each proposed construction project and research and development (R&D) project. As there are numerous factors that have to be considered in selecting appropriate IT in a given situation, decision-makers need to have multicriteria decision-making ability. To enable them to make the most appropriate decision in any situation, it is important that effective tools incorporating multicriteria decision-making techniques are available. In this paper, an Analytic Network Process (ANP) model is conducted for the selection of appropriate IT application for innovative construction management prior to construction or research. The paper concludes that the ANP is a viable and capable tool for conducting IT application selection in multicriteria decision-making environment.
The objective of the joint project 'Life cycle optimised system solutions for densified housing with massive wood technology', short form Basys, was the development and application of an open building system for sustainable construction in a virtual enterprise. Four partners coming from building economy and a university institute developed the building system in a comprehensive planning process. By applying massive wood technology, most requirements of densified housing can be met and individual buildings can be produced on demand.
A simulation system has been developed as a computer aided design tool to evaluate the effect of proposed design on the thermal environment during the designing process. This system calculates outdoor surface temperatures in order to evaluate the thermal impact of a design factor in outdoor space. In this study, the previous heat balance simulation system was improved to predict the surface temperature of a proposed design using 3D-CAD. This system is able to input the complicated outdoor spatial forms efficiently and also to evaluate the surface temperature distribution from any viewpoint.
Current software solutions for real estate planning, construction and use, do not model the complete life cycle of a building. Well-integrated software tools exist for the planning and construction phases. Data integrity exists throughout the planning and construction phases, but problems occur at the transition to the use-phase. At this interface, the complete data set of planning and execution gets lost. Another software deficiency is that current software solutions don’t handle construction work and maintenance work equally. This is why a new software generation is demanded, which continuously covers the entire workflow process from the planning phase to the demolition of a building. New data concepts have to be developed, which allow bringing work items for construction together with work items for real estate use.
The paper presents the abstraction of process relevant information in order to enable the workflow management based on semantic data. It is shown for three examples, how the standards define the information needed to perform a certain planning activity. Abstraction of process relevant information is discussed for different granularities of the underlying processmodel. As one possible application ProMiSE is introduced, which uses process relevant data in individual tokens in a petri-net based process-model.
The contribution introduces an adaptable process model to meet the special requirements of the coordination of planning activities in AEC (Architecture, Engineering, Construction). The process model is based on the concept of Coloured Petri-Nets and uses metainformation to characterize process-relevant information and to enable process-control based on the actual results of the planning.
The presented work focuses on collaboration- experiences gathered with complex design and engineering projects, using the learning platform POLE- Europe. Within the POLE environment student-teams from different universities, disciplines and cultural backgrounds are assigned to real-world projects with clearly defined design - tasks, usually to be accomplished within one semester while working in a virtual environment for most of the time. The concept of POLE and the information and collaboration technology is described.
On Computer-Aided Instruction Tools for Teaching College Engineering Mechanics Related Courses
(2004)
In this research, questionnaires are designed to survey among teachers and students the current situation of applying Computer-Aided Instruction (CAI) tools to teaching and learning of college engineering mechanics related courses in Taiwan. The needs for CAI tools for teaching these mechanics related courses are investigated in the survey. Several prototypes of interactive multimedia tools are designed and implemented using information technologies. The applicability and effectiveness of these tools on assisting teaching of engineering mechanics related courses are discussed and evaluated. Moreover, a website for managing and sharing collected and developed CAI resources is constructed.
In the focus of the Bologna-contract of the European secretaries of education the universities are invited to aim a unification and comparability of certificates and to offer compatible and cooperative models of education. Among existing lectures in the Internet there will arise a new competition between the universities in netbased teaching and learning environments. For the use of distributed sources of information and for the possibility to generate free configurable sequences of education modules you need management systems which are able to handle different formats of documents and to assemble it to consistent and valid lessons. Beside elementar viewing-functions, fusion of information also administrative tasks are needed, e.g. automated efficiency controls, adaptive learning surroundings. This paper attends to three aspects: - netbased teaching and learning in the area of the instruction of civil engineers - netbased information assembling and fusion of knowledge bases to higher level documents - netbased learning with international coordinated projects
In the field of Civil Engineering, the content of reinforcement concrete design course (RC course) has complicated design procedures and many difficult specifications to recognize, so most of the students regard the RC course a tough course, and teachers very often find the class time insufficient. Also, teachers of the RC course usually spend a lot of time in organizing the examinations for handling tedious calculations and complicated logical reasoning. Furthermore, correcting examination papers with partial scoring takes even more time of the teacher’s. Therefore, the objective of this research is to design and develop a partial scoring assessment system to meet the needs in engineering design courses, such as the RC course. This assessment system can generate test items with variable parameters. It also supports inference diagnosis on the examinee’s misconceptions and gives partial scores in grading the examination. In this research, the example test subject is the analysis of rectangular reinforced concrete beam with single layer steel bars.
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.
Information and Communication Technologies (ITC) in education have been extensively discussed nowadays. In this e-learning scenario, the construction and use of environments that support teaching and learning is a reality. Therefore, for time and general resource savings it is crucial the access to hypermedia contents with great interactivity and with high reusability. Substantial efforts have been centered in the search for a metadata proposal (metadata is a generic term used to describe data that can be used to identify and to describe common characteristics among different documents) that can be standardized and is system independent for the so called learning objects.
Beside the standard calculation programs for civil engineering buildings mathematical programs have been lately established for the solution of differential equations for the analysis of mechanical and static systems. Programs like Maple, Matlab, MathCAD and Mathematica are popular in this field. To the knowledge of the authors, the widest application functionality offers the program Maple. Its advantages are, e.g. the alternatively symbolic or numerical solution of differential equation systems, the easy handling of parameter studies, the immediate visualization of results, the definition of macros for selected calculation steps and their export in other computer languages and, not least, the automatically generated, very clear documentation of the matehematical calculus.
Recent research shows that current learning strategies in construction industry have not been effective in implementing lean principles in construction. With that in mind the researchers set to investigate an alternative learning strategy in order to promote learning at the international level. A web-based environment, was developed for this project with the intent of promoting learning and knowledge exchange on the theory and practice of "process transparency" across different countries.
Vor dem Hintergrund einer sich verschärfenden Umweltgesetzgebung sowie der Erkenntnis, dass Bauabfälle sich grundsätzlich für eine Stoffkreislaufführung eignen, hat der Rückbau von Bauwerken in den letzten Jahren verstärkt an Bedeutung gewonnen. Aufgrund oftmals strenger Zeit- und Kostenvorgaben für einen Rückbau, begrenzter Verfügbarkeit von Personal und Betriebsmitteln, einer weitgehenden Unikatfertigung sowie wechselnder Standorte kommt dabei der projektorientierten Planung von Maßnahmen auf der Baustelle große Bedeutung zu. Im Rahmen des Beitrages werden Ansätze zur Modellierung und Lösung der sich hieraus ergebenden Probleme zur Planung und Optimierung von (Rück-) Bauabläufen unter Verwendung von Projektplanungsmodellen und -methoden vorgestellt. Hierbei werden neben betriebswirtschaftlichen auch umweltrelevante sowie technische Fragestellungen im Zusammenhang mit der Planung von Rückbauprojekten aufgegriffen. Eine Anwendung der Planungsansätze auf reale Gebäude zeigt, dass sich durch Kombination von Gebäuderückbau und Aufbereitungstechnik eine Qualitätsverbesserung von Recyclingbaustoffen erzielen lässt. Zur Umsetzung der hierzu erforderlichen Maßnahmen werden unter Berücksichtigung individueller abfallwirtschaftlicher Rahmenbedingungen der jeweiligen Planungsregion, gebäude- und baustellenbezogener Besonderheiten, technischer sowie kapazitiver Restriktionen Ablaufpläne für den Gebäuderückbau berechnet. Die für unterschiedliche Planungsregionen vorgenommenen Modellrechnungen weisen nach, dass sich die Demontage von Gebäuden gegenüber einem konventionellen Gebäudeabbruch unter bestimmten Rahmenbedingungen bereits wirtschaftlich vorteilhaft realisieren lässt. Abgerundet wird der Beitrag durch einen Ausblick auf Möglichkeiten einer Realisierung komplexer Bauabläufe auch unter strengen Zeitvorgaben sowie bei begrenzten Platzverhältnissen mit Hilfe fertigungssynchroner Ressourceneinsatzplanung sowie auf die Berücksichtigung von Unsicherheiten in der Planung und Ausführung von Rückbauprojekten.
In Anbetracht der leistungsstarken Computernetzwerke und der intensiven Globalisierung von Wissenschaft und Technik im Bauwesen ist es das Ziel der Bauinformatik, die Planungsprozesse des Konstruktiven Ingenieurbaus für die Nutzung verteilter Ressourcen zu gestalten, geeignete Kooperationsmodelle für die Fachplanung im Informationsverbund der Projektbeteiligten zu entwickeln und die kooperative Projektbearbeitung unter Nutzung verteilter Fachmodelle in Netzen zu ermöglichen. Dazu werden neue methodische Grundlagen geschaffen, welche die tiefgreifenden Veränderungen der Arbeits- und Organisationsstrukturen berücksichtigen. Vor diesem Hintergrund zeigt der Beitrag aktuelle Forschungsinhalte der Bauinformatik auf, die insbesondere im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1103 'Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau' von verschiedenen Projekten arbeitsteilig entwickelt werden. Es wird ein integratives Prozessmodell vorgestellt, das die Grundlage für die Unterstützung der vernetzt-kooperativen Planung mit modernen Methoden der Informationsverarbeitung und Kommunikationstechnik zusammenführt. An einem Beispiel aus dem baulichen Brandschutz werden die methodischen Ansätze der Prozessmodellierung mit Petri-Netzen und der mobilen Softwareagenten zur Unterstützung der Kooperation in der Fachplanung des Bauwesens dargestellt und erläutert.
Werden Bauwerke für eine begrenzte Lebensdauer ausgelegt, kann es sinnvoll sein, die Tragfähigkeit von Tragkonstruktionen zu überwachen, um Schäden zu vermeiden und eine sichere Funktionsweise zu gewährleisten. Die Überwachung, hier auf Basis von Schwingungen der Struktur, wird zumeist von einer rechnergestützten Messtechnik automatisch durchgeführt. Der Computer überprüft spezielle physikalische Kennwerte oder Kennfunktionen des Tragwerks auf Veränderungen. Eine Schädigung ruft eine Veränderung hervor. Aufgabe der Systemidentifikation ist es, eine solche Veränderung zu erkennen. Eine Modellbildung kann z.B. auf theoretischer Basis als Finite Element Modellierung, oder als Black Box Modellierung aus Messwerten mit der Methodik der deterministischen oder stochastischen Systemidentifikation vorgenommen werden. In diesem Aufsatz werden die Analyse allgemeiner deterministischer und stochastischer Erregungen und deren Schwingungsantworten zur Modellbildung und Systemidentifikation beschrieben. Als Anwendungsbeispiele für die Bauwerksüberwachung werden Methoden zur Schadens-Erfassung und -Lokalisation vorgestellt. Den Abschluss bilden Ausführungen zur numerischen Modellierung von Windlasten als stochastischen Prozess und der Kopplung dieser Modelle mit finiten Element-Modellen, um eine bessere Abschätzung der Lebensdauer eines Bauwerks schon im Entwurfsprozess zu ermöglichen.
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 Autoren stellen Grundlagen und Methoden zur Erstellung von Ausschreibungen und zur Durchführung der Kalkulation vor, die direkt mit dreidimensionalen Bauteilmodellen arbeiten. Dies trägt dazu bei, den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerkes durchgängig über 3-D-Modelle beschreiben zu können. Im ersten Abschnitt werden grundlegende Überlegungen zum Einsatz von PLM/PDM-Technologien im Bauwesen angestellt. Im Anschluß daran wird die herkömmliche Ausschreibungsmethodik analysiert. Die Unterschiede zwischen einem konventionellen Leistungsverzeichnis und einem dreidimensionalen Bauteilkatalog (Objektdatenbank) hinsichtlich der Datenstruktur werden dargestellt. Hieraus abgeleitet werden Methoden und Prozesse bei der Erstellung einer 3-D-Leistungsbeschreibung entwickelt. Dazu wird eine geeignete Benutzer-Schnittstelle eines dreidimensionalen Bauteilkataloges vorgestellt. Schließlich werden praxisrelevante Probleme bei der Verwendung von Bauteilkatalogen erörtert. Ein wesentlicher Baustein ist die Kalkulation. Hier werden Kalkulationsmethoden basierend auf einem zweidimensionalen Leistungsverzeichnis und einem dreidimensionalen Bauteilkatalog miteinander verglichen. Ergänzt wird dies um Lösungen zur Anbindung von elektronischen Marktplätzen an den Bauteilkatalog zum Zweck der Preisbildung. Schließlich wird ein Ausblick gegeben, wie eine Synthese zwischen dreidimensionalem Bauteilkatalog und textlichen Standard-Leistungsbeschreibungen erreicht werden kann.
Limit state design of hybrid structures with meshless methods using mathematical optimization
(2003)
The revitalization of existing structures belongs to the frequently tasks in urban reconstruction processes. The adaptation for new requirements will commonly affect substantial changes in the general configuration of structures. The resulting revitalized structures are characterized by a hybrid design, where old and new, identical or diverse materials and members will be coupled in different ways. In the planning stage the treatment of these systems leads to application of complex and hybrid mechanical models respectively. High performance numerical instruments have to be applied for solving not only analysis but also targeted design problems. Because of the hybrid character of mechanical models in revitalization planning processes the use of hybrid technologies is advantageous. In this paper mixed domain technique will be used for connecting EFG and FE. The models derived will be adopted for design purposes of non-linear loaded hybrid structures. The investigations show a good adaptability of the meshless methods to the design of hybrid structures by using optimization strategies. With this method the advantages of both finite element and meshless methods can be utilized most suitable. With the property of a minimum amount of unknowns by maintaining an adequate quality of the results the application of mixed finite element and meshless methods is a promising alternative to traditional methods in structural analysis and optimization.
In intelligente Gebäudesysteme wird Informationstechnik in systematisch geplanter Form eingesetzt, um die Eigenschaften von Gebäuden in den Bereichen Betriebskosten, Sicherheit und Flexibilität begl. der Nutzung zu verbessern. So müssen Gebäude während ihres Lebenszyklus Nutzer- und Nutzungsänderungen bewältigen. Dies gilt nicht nur für Zweckbauten, sondern auch für Wohngebäude, die früher auf den klassischen Familientyp (4-köpfige Familie) hin optimiert wurden. Heute ist mehr eine nutzungsneutrale, funktionsoptimierbare Gestaltung von Gebäuden gefordert. Die Kleinfamilie löst sich mehr und mehr zugunsten anderer Haushaltsformen auf, ein Gebäude soll auch für Single- oder Zweipersonenhaushalte gut geeignet sein, es soll eine optimale Verbindung von Wohnen und Arbeiten zulassen oder später älteren, pflegebedürftigen Personen ein möglichst langes selbstbestimmtes Leben ermöglichen. Das System intelligentes Gebäude besteht aus der Gebäudehülle und einer Kommunikations- und Informationsverarbeitungs-Infrastruktur, zu der alle im Gebäude eingebauten Geräte gehören, die zum Betrieb des Gebäudes erforderlich sind. Die Koordination der Funktion von Einzelkomponenten erfolgt dabei weniger durch den Nutzer, sondern durch eine spezielle Software, die auf die Knoten im System verteilt ist. Diese Architektur ist Grundlage der Verbesserung der Gebäudeeigenschaften in den genannten Bereichen, die möglichen Funktionen und die damit verbundene Flexibilität in der Nutzung wird mit dem Ausdruck Intelligenz des Gebäudes assoziiiert. Der Beitrag versucht zunächst, auf Basis der Konzepte und Erfahrungen des Innovationszentrums Intelligentes Haus Duisburg, kurz inHaus, und des vom Fraunhofer-Institut IMS seit 1993 gewonnenen einschlägigen Know-Hows einen Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand bei Systemintegrations-Technologien und -funktionen für ganzheitliche, intelligente Haus- und Gebäudesysteme zu geben, insbesondere für den Bereich der integrierten Bedienung und der Nutzung der Internet-Anbindung