Mehrskaligkeit
Ziel der Arbeiten in Teilprojekt B war die Entwicklung grundlegender Ansätze und formaler Methoden zur Schaffung inhärent konsistenter mehrskaliger Modelle für den Infrastrukturbau. Zum Zweck der Demonstration der entwickelten Methoden wurde die Modellierung mittels Schildvortriebsverfahren hergestellter Verkehrstunnel (U-Bahn-Tunnel) ausgewählt. Zunächst wurden fünf unterschiedliche Detaillierungsebenen (Levels of Detail, LoD) definiert, die einen für die unterschiedliche Planungsphasen adäquaten Abstraktionsgrad aufweisen (Abb. 1): LoD 1 beschreibt den Verlauf der Trassierung als Kurve im 3D-Raum, LoD 2 den Hüllkörper des Tunnelbauwerks. LoD 3 unterteilt diesen Hüllkörper in die drei Haupträume Innenraum, Auskleidungsraum und Ringspalt. LoD 4 untergliedert den Innenraum weiter, während LoD 5 die detaillierte Beschreibung aller Bauteile enthält.
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| Abb. 1: Illustrative Darstellung der Detaillierungsebenen 2 bis 5 für einen Schildvortriebstunnel |
Im Unterschied zu den im Bereich der Geographischen Informationssysteme (GIS) etablierten Verfahren, bei denen die Repräsentationen der einzelnen Detaillierungsebenen unabhängig voneinander vorgehalten werden und eine Konsistenzsicherung nur indirekt möglich ist, galt es, Methoden zur formalen Beschreibung von Abhängigkeiten zwischen den Detaillierungsebenen zu entwickeln. Das Ziel dabei war es, eine automatisierte Konsistenzsicherung zu ermöglichen und der deutlich höheren Dynamik der Modelle im Bereich der Planung Rechnung zu tragen. Dies konnte durch umfassende Integration von Verfahren der parametrischen Modellierung erreicht werden, welche auf dem Einsatz von geometrisch-topologischen Zwangsbedingungen (Constraints) sowie parametrisierten Bauteilabmessungen beruht, die algebraisch definierte Verweise auf andere Maße bzw. globale Parameter beinhalten können (Ji et al. 2013, Borrmann et al. 2013, Borrmann & Jubierre 2013). Die Verwendung dieser Zwangsbedingungen zur Definition von Abhängigkeiten zwischen geometrischen Entitäten unterschiedlicher Detaillierungsebenen und die damit einhergehende Definition eines prozeduralen Modells, das alle einzelnen Konstruktionsschritte beinhaltet, erlaubt ein automatisiertes Update aller abhängigen Elemente auf feineren Ebenen im Fall einer Änderung auf einer gröberen Ebene und damit die automatisierte Konsistenzsicherung. Die definierten Abhängigkeiten und die in Beziehung gesetzten Modellelemente ergeben in Notation der Graphentheorie einen gerichteten Wurzelbaum (Abb. 2).
Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt der Forschungsarbeiten in TP B lag auf der Entwicklung eines Produktmodells für Schildvortriebstunnel, das eine geometrisch-semantische Beschreibung unter Integration des Konzept der Mehrskaligkeit bereitstellt und somit einen Austausch mehrskaliger Tunnelmodelle über die Grenzen einzelner Fachapplikationen hinweg erlaubt (Borrmann et al., subm1). Die Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich wurden in enger Kooperation mit TP A sowie den Wissenschaftlern des SFB 837 (Prof. König, Ruhr-Univ. Bochum) durchgeführt. Eine wesentliche Herausforderung hierbei lag in der Abbildung der Konstruktionsoperationen der verfügbaren prozeduralen Geometriemodellierer in einem neutralen Datenmodell. Eine weitere Herausforderung lag in der Herstellung der notwendigen Kohärenz zwischen dem geometrischen und dem semantischen Teil des Produktmodells. Im entwickelten Lösungsansatz werden zur Beschreibung des semantischen Teils der LoDs 2-4 ausschließlich Space-Objekte (Objekte mit einer Raum-Container-Semantik) zugelassen und erst auf der feinsten Ebene 5 die in der Realität auftretenden physischen Objekte abgebildet. Zur Abbildung der Verfeinerungsbeziehungen zwischen Space-Objekten bzw. zwischen Space- und physischen Objekten werden entsprechende Relationships gesetzt, die eine strikte Containment-Semantik umsetzen („Matrjoschka-Prinzip“).
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| Abb. 2: Linke Seite: Prozedurales Modelle mit Abfolge von Konstruktionsschritten, denen jeweils ein LoD zugewiesen wird. Rechte Seite: Die entstehenden Abhängigkeiten ergeben einen Wurzelbaum (Graphentheorie). |
Der Nachweis der Umsetzbarkeit der erarbeiteten Konzepte ist durch die Entwickelung eines Software-Prototyps gelungen. Er basiert auf dem kommerziellen parametrischen CAD-Programm Autodesk Inventor und erlaubt den Aufbau eines inhärent konsistenzgesicherten mehrskaligen Modells eines Schildvortriebstunnels, sowie dessen Export in das entwickelte Produktdatenmodell, das als XML-Schema umgesetzt wurde. Mithilfe eines zweiten Prototyps, der im Rahmen des TP A auf Basis der Software Siemens NX entwickelt wurde, konnte die grundsätzliche Machbarkeit des Austausches mehrskaliger, konsistenzgesicherter Modelle auf Basis des entwickelten Formats zwischen verschiedenen Applikationen nachgewiesen werden.
Die Forschungsarbeiten sind in enger Kooperation mit den anderen Beteiligten der Forschergruppe durchgeführt worden. Eine besonders enge Zusammenarbeit fand infolge der eng verzahnten Fragestellungen mit TP A statt – die Umsetzung der parametrisch-prozeduralen Modellierung für den Aufbau mehrskaliger Modelle wurde gemeinsam durchgeführt (Borrmann et al., subm2). Infolge der gemeinsamen Forschungsaktivitäten mit TP C konnte die Abbildung der geometrisch-semantischen Modelle in einer raum-zeitlichen Datenbank realisiert werden. Durch die enge Zusammenarbeit mit TP D konnten Prinzipien der mehrskaligen Modellierung im Kontext der Stadtmodellierung (CityGML-Standard) analysiert und in Teilen auf die Modellierung im Planungskontext übertragen werden. Im Zuge der gemeinsamen Forschungsarbeiten sind zahlreiche gemeinsame Veröffentlichungen entstanden.
Die Praxisrelevanz wurde durch intensiven Austausch mit der Firma Obermeyer Planen + Beraten gesichert, die der Forschergruppe zudem reale Planungsdaten des Vorhabens „Zweite S-Bahn-Stammstrecke“ zur Verfügung stellen konnte. Diese bildeten die Grundlage für die im Rahmen des Projekts ausgearbeitete prototypische Modellierung eines mehrskaligen Schildvortriebstunnels (Jubierre & Borrmann, 2013).
Veröffentlichungen
Amann, J.; Borrmann, A,; Hegemann, F.; Jubierre, J.R.; Flurl, M.; Koch, C.; König, M.: A Refined Product Model for Shield Tunnels Based on a Generalized Approach for Alignment Representation, In: Proc. of the ICCBEI 2013, Tokyo, Japan, 2013
Ji, Y.; Borrmann, A.; Beetz, J.; Obergriesser, M.: Exchange of Parametric Bridge Models using a Neutral Data Format, ASCE Journal of Computing in Civil Engineering 27 (6), pp. 593-606, 2013, DOI: 10.1061/(ASCE)CP.1943-5487.0000286
Borrmann, A.; Jubierre, J. R.: A multi-scale tunnel product model providing coherent geometry and semantics, In: Proc. of the 2013 ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering, Los Angeles, CA, USA, 2013
Jubierre, J. R.; Borrmann, A.:Cross-submodel consistency preservation in multi-scale engineering models, In: Proc. of the 14th International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing (CSC2013), Cagliari, Sardinia, Italy, 2013
Obergriesser, M.; Borrmann, A.: Infrastructural BIM standards – Development of an Information Delivery Manual for the geotechnical infrastructural design and analysis process, In: Proc. of the European Conference on Product and Process Modeling (ECPPM), Reykjavik, Iceland, 2012
Borrmann, A.; Ji, Y.; Jubierre, J. R.: Multi-scale geometry in civil engineering models: Consistency preservation through procedural representations, In: Proc. of the 14th Int. Conf. on Computing in Civil and Building Engineering, Moscow, Russia, 2012
Flurl, M.; Mundani, R.-P.; Rank, E.; Borrmann, A.: A Collaborative Multi-Scale Planning Platform: Concept and Implementation Approach, In: Proc. of the 14th Int. Conf. on Computing in Civil and Building Engineering, Moscow, Russia, 2012
Breunig, M.; Borrmann, A.; Rank, E.; Schilcher, M.; Hinz, S.; Donaubauer, A.; Mundani, R.-P.: Towards 3D Geoinformatics and Computational Civil Engineering Support for Cooperative Track Planning, In: FIG Working Week, Rome, Italy, 2012
Borrmann, A.; Ji, Y.; Jubierre, J. R.; Flurl M.: Procedural Modeling: A new approach to multi-scale design in infrastructure projects, In: Proc. of the EG-ICE Workshop on Intelligent Computing in Engineering, Herrsching, Germany, 2012
Jubierre, J. R.; Flurl, M.: Umsetzung von mehrskaligen prozeduralen Modellen in eine Multi-Geometrie Umgebung, In: Proc. of the 24th Forum Bauinformatik, Ruhr-Universität Bochum, Germany, 2012
Breunig, M.; Rank, E.; Schilcher, M.; Borrmann, A.; Hinz, S.; Mundani, R.-P.; Ji, Y.; Menninghaus, M.; Donaubauer, A.; Steuer, H.; Vögtle, T.: Towards Computer-Aided Collaborative Subway Track Planning in Multi-Scale 3D City and Building Models, In: Proc. of the 6th International ISPRS Conference on 3D Geoinformation, Wuhan, China, 2011
Ji, Y.; Borrmann, A.; Obergriesser, M.: Towards the Exchange of Parametric 3D Bridge Models Using a Neutral Data Format, In: Proc. of the ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering, Miami, Florida, USA, 2011