Urban Simulation

Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten

© CADFEM 2015

Dr.-Ing. Stefan Trometer

Urban Simulation Neueste Entwicklungen im Bereich der numerischen Simulation

auf Basis von 3D-Stadtmodellen

1 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn


© CADFEM 2015

Die Firma CADFEM


© CADFEM 2015

CADFEM – Computer Aided Engineering (CAE) seit 1985

CADFEM in D, A, CH

• Gründung der CADFEM GmbH durch Dr. Günther Müller im Jahr 1985

• Familienunternehmen

• 185 Mitarbeiter

• 12 Standorte

• 2.300 Kunden

• 60 Millionen Euro Umsatz

CADFEM und ANSYS Partnerschaft

• Seit Firmengründung

• Verkauf aller ANSYS Produkte

ANSYS ist Weltmarktführer im Bereich CAE


© CADFEM 2015

CADFEM International – „Gemeinsam mehr erreichen“

CADFEM International ist die Dachorganisation

für die globalen Aktivitäten von CADFEM

Kerngeschäft

ANSYS Channel Partner

Ergänzende

Geschäftspartnerschaften

Start-Ups



© CADFEM 2015

Urbane Simulation – Die Idee


© CADFEM 2015

Motivation urbane Simulation


& Semantische 3D

Stadtmodelle Numerische Simulationen

© CADFEM 2015

Voraussetzungen & Herausforderungen

Voraussetzungen

Automatisierte Erstellung von

3D-Stadtmodellen

Hohe Geometriequalität

Regelmäßige Modellfortführung

Herausforderungen

Plattform für Auswahl und

Schnittstelle

Implementierung von

Ingenieursmethoden

Geometriebereinigung

Export Geometrie & Attribute

Import Simulationsergebnisse

Automatisierung der Prozesse

Individuelle kundenorientierte

Lösungen


Erst durch die urbane Komplexität entsteht der Bedarf

an detaillierten 3D-Simulationen

Erst durch semantische 3D-Stadtmodelle und die

gegenwärtige Leistungsfähigkeit von numerischen

Lösungen entstand die Möglichkeit der 3D-Simulationen

© CADFEM 2015

Übersicht aktuelle Aktivitäten von CADFEM

Aktuelle Anwendungsfelder

Urban Simulation

&

Druckwellenausbreitung

Hochwasser &

Tsunami

Windfeldsimulation

Rauch- und

Schadstoffausbreitung

Personenstromsimulation


© CADFEM 2015

Übersicht aktuelle Aktivitäten von CADFEM

Aktuelle Technologiepartner

Novosibirsk State University

of Architecture

and Civil Engineering



Windfeldsimulation

Rauch- und

Schadstoffausbreitung

Personenstromsimulation

Urban Simulation

&

Hochwasser &

Tsunami


© CADFEM 2015

Innovationsnetzwerke


© CADFEM 2015

Nationale Plattform Zukunftsstadt

http://www.nationale-plattform-zukunftsstadt.de/

• Thema Zukunftsstadt ist das Thema der Wissenschaftsjahres 2015

in Deutschland

• Typ Innovationsnetzwerk (BMBF)

• CADFEM Dr. Günter Müller ist Mitglied und Experte


→Forschungsagenda

→Wettbewerb Zukunftsstadt

© CADFEM 2015

Grafing – 1 von 51 vom BMBF geförderten Zukunftsstädten

Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn 12

www.wettbewerb-zukunftsstadt.de/

© CADFEM 2015

Morgenstadt - Stadt der Zukunft

• Thema Gemeinsam urbane Innovationen realisieren

• Typ Innovationsnetzwerk

• Organisation Fraunhofer IAO

• Status Phase II (2014-2015)


© CADFEM 2015

TUM Leonhard Obermeyer Center (LOC)


• Thema Entwicklung von computergestützten

Technologien für die bebaute Umgebung

• Typ Forschungszentrum der TUM

• Partner Premium und Gründungsmitglieder:

Nemetschek | Obermeyer | CADFEM

Z. Yao: 3D City Database Extension


© CADFEM 2015

Geometrieaufbereitung


© CADFEM 2015

Beispiele für unterschiedliche Detaillierungsgrade


LoD2 + Topologie

LoD2 LoD1

LoD3

© CADFEM 2015

Stadtmodell-Import – Erster Versuch…


© CADFEM 2015

Geometriebereinigung


Fehlerklassen

2158 Objekte | 159 Fehler 2319 Objekte | 144 Fehler 2307 Objekte | 8 Fehler

Import mit hoher Qualität Vernetzung mit hoher

Qualität

© CADFEM 2015

Geometrieoptimierung für Strömungssimulationen (CFD)

Voroptimiertes

CityGML-Modell

Einsatz spezieller

Vernetzungsalgorithmen

von ANSYS

→ Voroptimiertes Stadtmodell

→ Automatisierte Vernetzung komplexer Modelle

→ Reduzierte Handarbeit bei der Modellerstellung (CFD)


© CADFEM 2015

Digitale Gebäudemodelle (BIM)

Implementierung von digitalen Gebäudemodellen

(IFC-Standard) in das Stadtmodell

BIM-Modell aus dem

Planungsprozess

Integration in das

Stadtmodell für lokale und

urbane Simulationen

Import

ANSYS Workbench

Auswertung von Windlasten

auf den Fensterflächen des

Gebäudemodells auf Basis

eines stationären Windfeldes


© CADFEM 2015

Integration der Gebäudemodelle ins Stadtmodell



© CADFEM 2015

Anwendungsbeispiele


© CADFEM 2015

DETORBA – Einführung

• Projekt Ausbreitung von Detonationsdruckwellen

in urbanen Gebieten (DETORBA)

• Typ BMBF – Forschung für die ziviele Sicherheit

Web-Anwendung für die Szenariodefinition

Schnittstelle zur Simulationssoftware ANSYS

Geometriebereinigung & Optimierung

Automatisierung der Prozesse

Optimierte Ergebnisauswertung

Ergebnisvisualisierung im Web-Portal


© CADFEM 2015

Download-Portal – Datenexport


Räumliche Auswahl über Karte oder per Objekt-ID

direkter Datenbankzugriff

Automatische Modellübernahme in die ANSYS Workbench

1 km² entspricht etwa 2.000 Objekten

© CADFEM 2015

Analyse eines fiktiven Detonationsszenarios



Auswertung

diskreter Messpunkte

Luftraummodell mit Detonation und Messpunkten

im expliziten Solver ANSYS AUTODYN

© CADFEM 2015

Analyse eines fiktiven Detonationsszenarios


Ergebnisaufbereitung - Animationen

© CADFEM 2015

Definition Szenario & Echtzeit-Prognose

29

• Ort: 10 m vor dem Gebäude

• Intensität: 500 kg TNT

Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn

Echtzeit-Prognose

→ Vereinfachte Ingenieursmethode

→ Basierend auf kreisförmiger


→ Erste Bewertung des Szenarios

für Sicherheitskräfte

→ Definition des Simulationsraums

→ Kontextinformationen

→ Gebäudenutzung

→ Kritische Infrastruktur

→ …

© CADFEM 2015

Auswertung Szenario & Aufbereitung für Sicherheitskräfte

30

• Maximale Druck- und Impulsergebnisse

Durch das urbane Umfeld ergeben

sich deutliche Abweichungen von

einer vereinfachten konzentrischen


Diese Abweichungen

entstehen sowohl für den

maximalen Druckeintrag

als auch für den

maximalen Impulseintrag


© CADFEM 2015

Auswertung Szenario & Aufbereitung für Sicherheitskräfte

31

• Schädigungs- und Verletzungsindikatoren

als direkte Bewertungskriterien

für erforderliche Schutzmaßnahmen

Gebiete, in denen

Schädigungen zu

erwarten sind

Auswertung von individuellen

Versagensfunktionen aus der

lokalen Druck & Impuls

Einwirkung (P-I-Curves)

Wahrscheinlichkeitsverteilung

von Fensterversagen

Durch das urbane Umfeld ergeben

sich deutliche Abweichungen von

einer vereinfachten konzentrischen

Schädiungsverteilung

Schädigungs-

konzentration

an Innenecken

Schädigungs-

konzentration

an Innenecken


Simulation

→ Realitätsnahe Schädigungsverteilung

→ Abweichungen zur Prognose

aufgrund der Bebauung und des

Fundortes zur angrenzenden

Bebauung

→ Gefahrenanalyse auf Basis der

Bebauung

→ Grundlage für die Planung von

Evakuierungsszenarien

© CADFEM 2015

Verifikationsbeispiel Kampfmittelräumung


Sprengung München Schwabing 2012

Quellen:

Münchner

Abendzeitung

Bildzeitung

Amerikanischer 500lbs Blindgänger

Evakuierung von 2500 Anwohner

Stadtmodell LoD1

Bayerisches Landesamt für Vermessung

Druckwellensimulation

32 32

ROT

Fassadenschäden

BLAU

Glasbruch

© CADFEM 2015

DETORBA – Zusammenfassung

Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn 33 33

© CADFEM 2015

Analyse turbulenter Windfelder

• Projekt Windlastermittlung an urbanen Strukturen

und Personenkomfortbewertung

Modellvorbereitung

Gemessenes

Windprofil

In Kooperation mit


© CADFEM 2015

Analyse turbulenter Windfelder


© CADFEM 2015

Modellierung von Turbulenzen im urbanen Raum

• Projekt Modellierung von Luftströmungen in der Nähe von komplexen Gebäuden in einem urbanen Umfeld

• Typ Promotionsprojekt von Svetlana Valger (Prof. Fedorova)

Gemittelte statische

Druckverteilung


© CADFEM 2015 37 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn

Pressure coefficient distribution on the surface of the building A

Scheme of the location of the sections for the building A (а) and points of measurements in these sections (b) а) b)

Pressure coefficient values on the wall section h3 of the building A,

received using various meshes (1 – coarse resolution (9 Millions of cells), 5

– the highest resolution (59 Millions of cells))

Modellierung von Turbulenzen im urbanen Raum

© CADFEM 2015

Rauchentwicklung und Schadstoffausbreitung

• Projekt Transiente Rauchausbreitung im urbanen

Raum auf Basis einer stationären

Windfeldanalyse Reales

Brandszenario

Stationäres Windfeld


© CADFEM 2015

Hochwassersimulation & Risikoanalyse

• Projekt Hochwassersimulation und

Risikoanalyse basierend auf 3D-

Stadtmodellen

• Typ Förderprojekt (DBU)

Detaillierte 3D Simulation eines Gebäudes

(Source: Hendrik Schubert, TU-Dresden)

Urbanes Hochwasserszenario

(Source: Hendrik Schubert,

TU-Dresden)

CityGML-Modell von Dresden

(source: www.dresden.de) 39 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn

© CADFEM 2015

Tsunamischutz & globales Frühwarnsystem

• Projekt Hochwasser- und Tsunamischutz

in Küstenregionen

3D Simulation einer Tsunamiwelle

die auf mehrstöckige Gebäude an

der Küste trifft (ANSYS Fluent)

Globale Tsunami Risikoanalyse

mit dem Frühwarnsystem

TRIDEC Cloud des GFZ

(Source: GFZ Potsdam)


© CADFEM 2015

Urbane Personenstromsimulation

• Projekt Personenstromsimulation in urbanem

Umfeld für Großveranstaltungen

und Evakuierungen

Modelldefinition

→ Urbanes Evakuierungsszenario mit 2000 Personen

→ Basierend auf Stadtmodelldaten zur Gebäudenutzung

→ Zeitlicher Verlauf der Personenströme

→ Ergebnis: Evakuierung dauert weniger als 6min

Evakuierungsgebiet

Rettungszone

Rettungszone

Cooperation with


© CADFEM 2015

Zusammenfassung

42

Welche allgemeinen Anforderungen bestehen an 3D-Stadtmodelle?

Aktualität und Nachführung der Modelle sind essential für die Anwendung

Geometriequalität und Modellanreicherungen mit spezifischen Daten

ist essentiell für Simulationsanwendungen

Semantische Informationen bieten Mehrwert von der ersten Einschätzung

über die Modellvorbereitung bis zur Ergebnisbewertung

Ergebnisvisualisierung schließt den Kreis

und ermöglicht anwenderorientierte Lösungen

Individuelle Anwendungsfelder haben individuelle Kunden & Anwender

und benötigen daher individuell angepasste Lösungen

Haben Sie eine Idee für eine Anwendung, für ein Projekt, …

oder eine spezielle Frage? – Einfach melden!



© CADFEM 2015

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


© CADFEM 2015

Kontakt

CADFEM GmbH

Dr.-Ing. Stefan Trometer

New Business Development - Digital City

Marktplatz 2

85567 Grafing b. München

Germany

Tel: +49-(0)8092-7005-35

Fax: +49-(0)8092-7005-570

E-Mail: [email protected]

www.cadfem.de


Documents

Urban Simulation