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Technische Universität München
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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

Link zur Projektseite

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.

Publications

  • Vilgertshofer, S.: Unterstützung parametrischer Modellierung durch Graphersetzung: Automatisierte Erstellung von graphbasierten Modellrepräsentationen. Proc. des 31. Forum Bauinformatik, 2019 mehr… BibTeX
  • Slepicka, M.: Umsetzung graphbasierter Methoden zur automatisierten Modellerstellung in parametrischen CAD-Werkzeugen. Bachelor's thesis, 2019 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.: Supporting feature-based parametric modeling by graph rewriting. Proc. of the 35nd ISARC 2018, 2018 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Vilgertshofer, S.; Amann, J.; Willenborg, B.; Borrmann, A.; Kolbe, T.H.: Linking BIM and GIS models in infrastructure by example of IFC and CityGML. Proc. of the ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering 2017, 2017 mehr… BibTeX Volltext ( DOI )
  • Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.: Using graph rewriting methods for the semi-automatic generation of parametric infrastructure models. Advanced Engineering Informatics 33, 2017, 502–515 mehr… BibTeX Volltext ( DOI ) Volltext (mediaTUM)
  • 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, 2017, 341-352 mehr… BibTeX Volltext ( DOI )
  • Altvater, D.: Parametrische Tunnelmodellierung in Autodesk Inventor zur Erstellung von IFC-Modellen. Bachelor's thesis, 2017 mehr… BibTeX
  • Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.: A Graph Transformation Based Method for the Semi-Automatic Generation of Parametric Models of Shield Tunnels. Proc. of the EG-ICE Workshop on Intelligent Computing in Engineering, 2016 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Vilgertshofer, S.; Borrmann, A.: Automatic Detailing of Parametric Sketches by Graph Transformation. Proc. of the 32nd ISARC 2015, 2015 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Flurl, M.; Singer, D.; Mundani, R.-P.; Rank, E.; Borrmann, A.: A Rule-based Collaborative Modelling System for Infrastructure Design. Proc. of the 22th EG-ICE International Workshop, 2015 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • 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, 2015, 421-441 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • 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), 2015, 263-281 mehr… BibTeX Volltext ( DOI ) Volltext (mediaTUM)
  • Jubierre, J.R.; Borrmann, A.: Flexible linking of semantic, procedural and logic models for consistent multi-scale infrastructure design. Proc. of the 10th European Conference on Product & Process Modelling, 2014 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Vilgertshofer, S.: Repräsentation und Detaillierung parametrischer Skizzen mit Hilfe von Graphersetzungssystemen. , 2014 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Borrmann, A.; Flurl, M.; Jubierre, J.R.; Mundani, R.-P.; Rank, E,.: Synchronous collaborative tunnel design based on consistency-preserving multi-scale models. Advanced Engineering Informatics 28 (4), 2014, 499-517 mehr… BibTeX Volltext ( DOI ) Volltext (mediaTUM)
  • Borrmann, A.; Kolbe, T.H.; Donaubauer, A.; Steuer, H.; Jubierre, J.R.: Transferring multi-scale Approaches from 3D City Modeling to IFC-based Tunnel Modeling. Proc. of the 3DGeoInfo, 2013 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • 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. Proc. of the ICCBEI 2013, 2013 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Borrmann, A.; Jubierre, J. R.: A multi-scale tunnel product model providing coherent geometry and semantics. Proc. of the 2013 ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering, 2013 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Jubierre, J. R.; Borrmann, A.: Cross-submodel consistency preservation in multi-scale engineering models. Proc. of the 14th International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing (CSC2013), 2013 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • 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), 2013, 593-606 mehr… BibTeX Volltext ( DOI ) Volltext (mediaTUM)
  • 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. FIG Working Week, 2012 mehr… BibTeX
  • Flurl, M.; Mundani, R.-P.; Rank, E.; Borrmann, A.: A Collaborative Multi-Scale Planning Platform: Concept and Implementation Approach. Proc. of the 14th Int. Conf. on Computing in Civil and Building Engineering, 2012 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Borrmann, A.; Ji, Y.; Jubierre, J. R.; Flurl M.: Procedural Modeling: A new approach to multi-scale design in infrastructure projects. Proc. of the EG-ICE Workshop on Intelligent Computing in Engineering, 2012 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Borrmann, A.; Ji, Y.; Jubierre, J. R.: Multi-scale geometry in civil engineering models: Consistency preservation through procedural representations. Proc. of the 14th Int. Conf. on Computing in Civil and Building Engineering, 2012 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Jubierre, J. R.; Flurl, M.: Umsetzung von mehrskaligen prozeduralen Modellen in eine Multi-Geometrie Umgebung. Proc. of the 24th Forum Bauinformatik, 2012 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • Obergriesser, M.; Borrmann, A.: Infrastructural BIM standards – Development of an Information Delivery Manual for the geotechnical infrastructural design and analysis process. Proc. of the European Conference on Product and Process Modeling (ECPPM), 2012 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)
  • 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. Proc. of the 6th International ISPRS Conference on 3D Geoinformation, 2011 mehr… BibTeX
  • Ji, Y.; Borrmann, A.; Obergriesser, M.: Towards the Exchange of Parametric 3D Bridge Models Using a Neutral Data Format. Proc. of the ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering, 2011 mehr… BibTeX Volltext (mediaTUM)

Kontakt:

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

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