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Urbane Simulationen auf Basis von 3D-Stadtmodellen
geoinfo.potsdam.2016
Arne Schilling
virtualcitySYSTEMS GmbH
Berlin, Germany
2 Arne Schilling
Urbane Simulationen
Überflutungen
Lokale Windfelder
Akustik / Druckwellenausbreitung
Thermische Quartiersanalysen
Ausbreitung von Schadstoffen
(Fußgängerströme, Solarpotential)
3 Arne Schilling
Urbane Simulationen
Simulation von physikalischen Phänomenen in Städten auf Basis von 3D Stadtmodellen
4 Arne Schilling
Technologiepartner
Netzwerk Urbane Simulation
Urbane Simulation
&
Druckwellenausbreitung
Überflutungssimulation& Tsunami Schutz
Urbane Windsimulation
Rauch & Schadstoffausbreitung
Crowd Movement
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering
5 Arne Schilling
GDI Integration
ETL Prozesse
Offene Architektur Web Schnittstellen Anwendungen greifen auf gemeinsame
Datenbasis zu.
Visualisierung STEP
Simulation
Datenzugriff
6 Arne Schilling
Analyse der Veränderung von Windstömungen durch Neubauten
Auswirkungen auf Fußgänger
Platform: ANSYS CFX (CFD Methode)
Navier-stokes Gleichungen, 𝑘−𝜀 Turbulenzmodell
Fallbeispiel: Luftströmungen
Physikalisches Modell für Simulation Windgeschwindigkeiten auf 7 m Abtrag der Drücke auf Gebäude
Turbulente Luftströmungen Maximale Windgeschwindigkeiten
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering
7 Arne Schilling
Einsatzszenarien Blingergängerfund und terroristischer Anschlag
Hilfestellung für Kampfmittelräumdienst
Analyse der Resilienz von Baustrukturen
Bewertung von Schadensindikatoren
Fallbeispiel: Detonationssimulation
Simulationsergebnis in ANSYS Darstellung von Schadensindikatoren
Entschärfung eines
Blindgängers,
Evakuierungsgebiet
Struktiuranalyse
8 Arne Schilling
Transiente urbane Rauchausbreitung unter nicht-tubulenten Strömungsbedingungen
Fallbeispiel: Rauchausbreitung
Szenario
Temperaturentwicklung eines Dachstuhlbrandes
Steady-state Luftströmungen Übertrag auf 3D Modell
9 Arne Schilling
Berechnung von Hochwasserereignissen
Sowohl 2D als auch 3D Analyse mit 3D Stadtmodellen und Bathymetrie
Fallbeispiel: Überflutungen
DGM mit Bathymetrie Vergleich Wasserspiegellage in 2D/3D Simulation
Aufstauung durch Brücke 3D Modell von Dresden
10 Arne Schilling
GIS ist nicht für komplexe physikalische Berechnungen geeignet
Durchführung von numerischen Simulationen ist Standard in CAD/CAE Produktentwicklung
-> Technologische Lücke zwischen GIS und CAE
Herausforderungen
Quelle: http://wildeanalysis.co.uk Quelle: http://www.cpdlr.com
?
11 Arne Schilling
Geometrie
Formatkonvertierung von CityGML nach STEP
Herstellung der Topologie
Geometrieheilung
• Keine Selbstverschneidungen
• Keine nicht-mannigfaltigen Geometrien
• Keine internen Flächen
• Wasserdicht
Defeaturing / Generalisierung
Datenaufbereitung
Geometrieheilung, z.B. Entfernung innerer Flächen (oben) und Korrektur von Selbstverschneidungen (unten)
12 Arne Schilling
Physikalisches Modell
Vernetzung -> Finite Elemente
Physikalische Eigenschaften
Randbedingungen
Definition des Szenarios
Modellerstellung
Windeingangsströmung
Detonationspunkt
Vernetzung von LoD3 Gebäude
Vernetzung des Luftraums
13 Arne Schilling
In Simulationssoftware
Messkurven
Schnittebenen
Animationen
Auswertung
Strömungslinien Druckwellenausbreitung Anliegende Luftdrücke
Luftdruck an Sensor über die Zeit
14 Arne Schilling
In GIS bzw. Online Portalen
Für Entscheidungsträger
Karten überlagern als WMS
Auswertung von Voxelräumen
Matching mit Gebäudeteilen (evtl. Speicherung als CityGML ADE)
Auswertung
Überlagerung als Karte über WMS Übertragung von physikalischen Ergebniswerten Indikatoren, hier z.B. Glasbruch
15 Arne Schilling
Beschränkungen
• CityGML LOD 2 Modelle (keine Fenster, Balkone, etc.) werden bevorzugt. LoD 3 / LoD 4 Modelle erfordern erheblichen manuellen Aufwand
• Modellausschnitt beschränkt auf 1x1km (in ANSYS)
• Georeferenzierung geht bei der Übertragung von GIS nach CAD/CAE verloren. Erweiterungen erforderlich, z.B. für STEP
Diskussion
16 Arne Schilling
Forschungsbedarf
• Definition von Schnittstellen zwischen GIS und CAE
• Visualisierung von komplexen Simulationsergebnissen (räumlich-zeitliche Auswertung von großen Vektor- oder Voxelräumen)
• Persistente Speicherung von Simulationsergebnissen in GIS, z.B. über CityGML ADE
• Materialbeschreibungen in 3D Stadtmodellen
• Überführung von BIM Modellen (IFC) für Detailsimulationen (z.B. Rauchentwicklung und Integration in GIS
• Datenaufbereitung: Generalisierung, „Defeaturing“, Validierung, Geometrieheilung, Optimierung durch Einführung von Freiformflächen
Diskussion