Chair of Computational Modeling and Simulation
TUM Department of Civil, Geo and Environmental Engineering
Technical University of Munich

DFG-Forschergruppe 1546:
Rechnergestützte kooperative Trassenplanung in mehrskaligen 3D-Stadt- und Bauwerksmodellen

Teilprojekt B:
Methoden der Mehrskaligkeit in 3D-Stadt- und Bauwerksmodellen

 

Team: J. R. Jubierre, André Borrmann
   
Kooperationspartner: Prof. Breunig, Lehrstuhl für Geoinformatik, Karlsruher Institut für Technologie
  Dr. Mundani, Prof. Rank, Lehrstuhl für Computation in Engineering, TU München
  Prof. Kolbe, Prof. Schilcher, Dr. Donaubauer, Lehrstuhl für Geoinformatik, TU München
  Prof. Hinz, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, KIT
   
Praxispartner: Obermeyer Planen und Beraten GmbH
  SSF Ingenieure AG
  Landeshauptstadt München
  Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie, Referat für Öffentlichen Verkehr auf Schiene und Straße

 

Projektbeschreibung

Gesamtprojekt

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Die Planung von Infrastrukturmaßnahmen wie Straßen-, Bahn- und U-Bahntrassen im urbanen Umfeld und der damit verbundenen Über- und Unterführungsbauwerke stellt enorme Anforderungen an die beteiligten Ingenieure, da eine Vielzahl von rechtlichen, ökonomischen, ökologischen und konstruktiven Randbedingungen zu beachten sind. Gemeinsam ist diesen Anforderungen, dass sie einen Bezug zum geographischen Raum haben und damit als eine besondere Form von Geodaten einbezogen werden müssen. Gleichzeitig ist die Planung derartiger Maßnahmen durch eine hohe Zahl an Beteiligten, angefangen bei Planern aus unterschiedlichen Fachdisziplinen über fachfremde Entscheidungsträger aus unter­schied­lichen Ressorts bis hin zu Laien im Rahmen der Bürgerbeteiligung geprägt, die zudem i.d.R. räumlich verteilt arbeiten.

 

Ein drei- bzw. vierdimensionales Stadt- und Bauwerksmodell, das nicht nur die vorhandenen Hochbauten, sondern ebenso die bereits vorhandenen unterirdischen Bauwerke und Infrastruktur (wie Tunnel, U-Bahnhöfe, aber auch Verrohrung, Leitungstrassen, Kanäle etc.) umfasst und die Möglichkeit bietet, geplante Infra­struktur­einrichtungen in einfacher Weise zu integrieren, trägt zur Reduzierung der Komplexität der Planungsaufgabe bei und bildet damit eine deutlich geeignetere Grundlage für Planungsaktivitäten als die bislang in der Praxis meist verwendeten 2D-Pläne. Eine wesentliche Rolle spielt dabei auch die Integration von aktuellen Bilddaten während der verschiedenen Planungsphasen, um eine realitätsnahe Visualisierung des Planungsobjektes in seiner Umgebung, 3D-Analysen und ggf. eine Adaption der aktuellen Planung durchführen zu können – nicht nur im Büro, sondern auch vor Ort durch geeignete mobile Systeme.

Im Rahmen der Forschergruppe sollen Methoden und Techniken zur kooperativen Planung von Infrastrukturbauwerken in 3D-Stadt- und Bauwerksmodellen erforscht und entwickelt werden. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Planung von Bauwerken und Trassen. Dabei soll die 3D-Modellierung über eine Kollaborationsplattform mit einer raum-zeitlichen Datenbank, Bilddaten und Geo-Web-Services zusammenwirken. Letztere bilden gleichzeitig die Schnittstelle zum Planer vor Ort, der sich selbst sowie das 3D-Planungsmodell mittels eines mobilen, bildgestützten „Augmented Reality“-Systems lokalisieren können soll. Zur Bewertung beispielsweise von Trassen­führungen sollen externe heterogene Geodatenquellen sowie GIS-Analysemethoden herangezogen werden, auf die über das Internet mittels Geo-Web-Services zugegriffen wird.

Dabei werden in innovativer Weise Technologien aus den Bereichen Geographischer Infor­ma­tions­systeme (GIS), Computer Vision und Kollaborativer Planungsplattformen ver­bun­den und mit neuen Ansätzen zur interaktiv-parametrischen Trassenplanung, zur bild­ge­stützten real-time Lokalisierung in 3D, zur raum-zeitlichen Datenselektion und zur mehrskaligen 3D-Modellierung erforscht. Schließlich werden Infor­ma­tions­quellen dynamisch eingebunden und über Geo-Web-Services verfügbar gemacht werden.

 

Teilprojekt B: Methoden der Mehrskaligkeit

Der Größenbereich der bei Trassierungen zu berücksichtigenden Planungsebe­nen divergiert stark und reicht von der Betrachtung im Kilometerbereich zur Berücksichtigung regio­naler Randbedingungen bis hi­nab zur Skala von wenigen Zentimetern bei der detaillierten Ausgestal­tung eines Knotenpunktes. Um die Trassenplanung adäquat zu unterstützen, ist daher die Einbeziehung des Konzepts mehr­ska­liger geometrischer Modelle unumgänglich. Im Teil­projekt B werden zunächst die Anzahl und Aus­gestaltung der verschiedenen Detaillierungsebenen (Levels of Detail, LoD) ausgearbeitet und formal festgehalten. Da das Vorhalten von Mehrfachreprä­sentationen bei dynamischen Än­de­run­gen, wie sie vielfach bei der Trassenplanung auftreten, zu Inkonsisten­zen führen kann, werden da­rauf aufbauend Methoden zur Konsistenzprüfung und -siche­rung entwi­ckelt. Im Weiteren wird die Mög­lichkeit der Beschreibung von Abhängigkeiten zwischen geometrischen Entitäten in einem neu­tra­len Produktmodell geschaffen, um auf diese Weise mehrska­lige Modelle einschließlich der geltenden Kon­sistenzbedingungen zwischen verschiedenen Systemen aus­tauschbar zu machen. Dies soll schließ­lich Eingang finden in das gemeinsam mit TP D zu entwi­ckelnde mehrskalige Produktmodell für die Trassenplanung. Die Konzepte und Methoden sollen zu­nächst separat entwickelt werden, dann aber bei der Entwicklung der Kollaborationsplattform (TP A), der raum-zeitlichen Datenbank (TP C) und dem System für die Vor-Ort-Visualisierung (TP E) unmittelbar zur Anwendung kommen.

 

 

Einen wesentlichen Bestandteil solcher Produktmodelle bildet ein zugrunde liegendes geometrisches Modell, mit dem es möglich ist, das dargestellte Objekt in verschiedenen Detaillierungsstufen abzubilden. Die manuelle Erstellung solcher mehrskaliger Modelle hat sich, wie vorangegangene Forschungsarbeiten gezeigt haben, allerdings als komplex und fehleranfällig erwiesen. Zu untersuchen, wie solche Detaillierungsvorgänge automatisiert durchgeführt werden können, ist deshalb ein weiteres Ziel des Teilprojekts B.
Es ist dafür notwendig Überlegungen zur Repräsentation des geometrischen Teils eines solchen mehrskaligen Produktmodells anzustellen. Hierfür wurde in einem ersten Schritt untersucht, wie ein parametrisches geometrisches Modell abgebildet und in einzelnen Schritten detailliert werden kann. Der verfolgte Ansatz zur Automatisierung von Detaillierungsvorgängen besteht dabei darin, die Grundlagen der Graphentheorie mit dem Konzept der parametrischen Modellierung zu kombinieren.
Es wurde dazu bereits ein Graphersetzungssystem entwickelt, mit dem es möglich ist, parametrische Skizzen graphbasiert zu repräsentieren. Über die Anwendung von Graphersetzungsregeln ist es zudem möglich, den Graph, durch den eine Skizze repräsentiert wird, zu verändern. Der so erstellte Graph kann über einen Software-Prototypen anschließend in einen parametrischen CAD-Modellierer eingelesen werden.
Die Erweiterung des beschriebenen Graphersetzungssystems ist ein weitere Schwerpunkt des Teilprojekts B.

 


Veröffentlichungen:

▪  Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.:
Supporting feature-based parametric modeling by graph rewriting
In: Proc. of the 35nd ISARC 2018, Berlin, Germany, 2018

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▪  Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.:
Using graph rewriting methods for the semi-automatic generation of parametric infrastructure models
Advanced Engineering Informatics, 2017
DOI: 10.1016/j.aei.2017.07.003

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▪  Vilgertshofer, S.; Amann, J.; Willenborg, B.; Borrmann, A.; Kolbe, T.H.:
Linking BIM and GIS models in infrastructure by example of IFC and CityGML
In: Proc. of the ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering 2017, Seattle, USA, 2017

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▪  Breunig, M.; Borrmann, A.; Rank, E.; Hinz, S.; Kolbe, T.; Schilcher, M.; Mundani, R.-P.; Jubierre, J. R.; Flurl, M.; Thomsen, A.; Donaubauer, A.; Ji, Y.; Urban, S.; Laun, S.; Vilgertshofer, S.; Willenborg, B.; Menninghaus, M.; Steuer, H.; Wursthorn, S.; Leitloff, J.; Al-Doori, M.; Mazroobsemnani, N.:
Collaborative Multi-Scale 3D City and Infrastructure Modeling and Simulation
ISPRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XLII-4/W4, pp. 341-352, 2017
DOI: 10.5194/isprs-archives-XLII-4-W4-341-2017

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▪  Altvater, D.:
Parametrische Tunnelmodellierung in Autodesk Inventor zur Erstellung von IFC-Modellen
Betreuer: Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.
Bachelorarbeit, 2017

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▪  Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.:
A Graph Transformation Based Method for the Semi-Automatic Generation of Parametric Models of Shield Tunnels
In: Proc. of the EG-ICE Workshop on Intelligent Computing in Engineering, Krakow, Poland, 2016

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▪  Jubierre, J.R.; Borrmann, A.:
Knowledge-based engineering for infrastructure facilities: assisted design of railway tunnels based on logic models and advanced procedural geometry dependencies
Journal of Information Technology in Constuction 20, pp. 421-441, 2015

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▪  Flurl, M.; Singer, D.; Mundani, R.-P.; Rank, E.; Borrmann, A.:
A Rule-based Collaborative Modelling System for Infrastructure Design
In: Proc. of the 22th EG-ICE International Workshop, Eindhoven, Netherlands, 2015

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▪  Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.:
Automatic Detailing of Parametric Sketches by Graph Transformation
In: Proc. of the 32nd ISARC 2015, Oulu, Finnland, 2015

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▪  Borrmann, A.; Kolbe, T.H.; Donaubauer, A.; Steuer, H.; Jubierre, J.R.; Flurl, M.:
Multi-scale geometric-semantic modeling of shield tunnels for GIS and BIM applications
Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering 30 (4), pp. 263-281, 2015
DOI: 10.1111/mice.12090

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Kontakt:

Dipl.-Ing. J.R. Jubierre MSc
André Borrmann

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