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Prä-Prozessor Framework Für BIm-gekoPPelte vIBroakustIsche sImulatIonen Im holzBau

Felix Frischmannlehrstuhl für computation in engineering, Ingenieurfakultät Bau geo umwelt

Stefan Kollmannsbergerlehrstuhl für computation in engineering, Ingenieurfakultät Bau geo umwelt

Andreas Raboldift rosenheim

Abstrakt: Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Integration vibroakustischer Simulationen in den digitalen Planungsprozess mehrgeschossiger Massivholzbauwerke. Bauwerke in Massivholzbauweise erfreuen sich derzeit aufgrund ihrer zum klassischen Massivbau vergleichbaren Bauzeit und vorteilhaften Nachhaltigkeits-Eigenschaften erhöhter Beliebtheit. Bei der Ausweitung des Massivholzbaus auf Mehrgeschoßer zeigen sich allerdings deutliche Defizite vorhandener Planungswerkzeuge. Dies gilt im Besonderen für die Bewertung der bauakustischen Gebäudequalität im Planungsprozess. Dieser Beitrag beschäftigt sich daher mit der direkten und automatisierten Ableitung von Simulationsmodellen für numerische vibroakustische Simulationen aus Bauwerksinformationsmodellen (BIM). Dabei soll untersucht werden, wie sich eine Kopplung von Simulations- und Bauwerksmodell realisieren lässt, die über die reine Extrahierung geometrischer und topologischer Informationen hinausgeht. Es wird dargestellt, welche Herausforderungen sich aus dieser Kopplung hinsichtlich Gebäudedatenmodell und Prä-Prozessor Routinen ergeben.

Schlüsselwörter: Mehrgeschossiger Massivholzbau, Vibroakustik, Bauwerksinformationsmodell, Hexaeder-Netzgenerierung, Mortar-Methode

1. einleitung und ProblemstellungDie bauakustische Bewertung mehrgeschossiger Bauwerke im Planungsprozess ist notwendig, um die akustische Beeinflussung verschiedener Nutzungseinheiten im fertigen Bauwerk zu minimieren und normative Anforderungen zu erfüllen. Die Bewertung der bauakustischen Qualität von Baukonstruktionen erfolgt heutzutage schwerpunktmäßig auf Basis von messtechnischen Parameterstudien repräsentativer Baukomponenten. Von besonderer Bedeutung für die

Felix Frischmann, Stefan Kollmannsberger, Andreas Rabold

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Bauakustik ist die Flankenübertragung des Luft- und Körperschalls über Bauteilstöße und verbindungen. Die übertragung der messtechnisch gewonnenen akustischen eigenschaften repräsentativer Anschlüsse auf ein Gesamtbauwerk erweist sich gerade mit Hinblick auf die Flankenübertragung oft als schwierig. Daher gewinnen numerische methoden in der akustik immer mehr an Bedeutung, da diese bauakustische gesamtbauwerksbetrachtungen zu einem frühen Planungsstadium ermöglichen. Die methode der Finiten elemente (Fem) ist ein robustes numerisches Verfahren zur Simulation vibroakustischer Effekte. Für dreidimensionale gesamtmodelle mehrgeschossiger holzbauwerke existieren allerdings nach kenntnis der Autoren noch keine robusten und validierten numerischen Werkzeuge, die die Komplexität des Materials Holz sowie die komplexen räumlichen Schallwege in den Bauteilstößen erfassen können.

Diese arbeit beschäftigt sich konkret mit der Integration numerischer verfahren in den Planungsprozess. Die wissenschaftliche arbeit ist eingebettet in eine DFg- und aiF-geförderte Forschungskooperation zwischen dem ift rosenheim, der hochschule rosenheim sowie dem zentrum für mathematik und dem lehrstuhl für Computation in Engineering an der Technischen Universität München. Die Forschungskooperation ermöglicht die Durchführung und den abgleich messtechnischer und numerischer Parameterstudien an typischen Verbindungen im Massivholzbau. Der Fokus liegt hier auf notwendigen Prä-Prozessor routinen (in Folge Pre-Processing) für konforme und nicht-konforme diskrete Modelle in vibroakustischen Simulationen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Integration dieser Routinen in den Planungsprozess auf Basis von Bauwerksinformationsmodellen (BIm).

2. vorarbeitenSchwerpunktmäßig befasst sich diese Arbeit mit der Kopplung numerischer Simulationsmodelle an semantische Bauwerksmodelle (BIm). Der vorteil semantischer modelle für die Interaktion verschiedener Planungsbeteiligter wurde intensiv in den EU-Projekten ATLAS, COMBI, COMBINE, TOCEE und VEGA untersucht (Meißner, et al., 1994; Rüppel, et al., 1996; 2007; Scherer, et al., 1995; Tolman, et al., 1995). IFC als ein mögliches semantisches Bauwerksmodell ist standardisiert, offen und erweiterbar, wobei besonders auf die Erweiterungen für Tragwerksplanung (ST-4 Structural Analysis Model and Steel Construction, 2011) und Holzbau-Konstruktionen (ST-5 Structural Timber Model, 2011) hingewiesen wird. Die nutzung des IFc Datenmodells für numerische simulationen und strukturanalysen wurde unter anderem in Arbeiten von van Treek (van Treek, 2004; van Treek und Rank, 2004) und

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Romberg (2005) am Lehrstuhl für Computation in Engineering (bzw. früher Bauinformatik) untersucht. In den Arbeiten von van Treek stand die automatisierte Bestimmung topologischer Bauteil-Raumvolumen-Relation aus IFC-Daten im Vordergrund, wie sie bei thermischen Simulationen benötigt werden. Sie spielen aber auch bei vibroakustischen Betrachtungen eine große Rolle. Romberg befasste sich mit der Generierung von diskreten dreidimensionalen Finite-Elemente Simulationsmodellen für Strukturanalysen auf Basis von IFC Daten (im Gegensatz zu vorwiegend dimensionsreduzierten Modellen gem. ST-4 Erweiterung).

Ein zentraler Aspekt des Forschungsvorhabens ist die bauteilorientierte nicht-konforme Diskretisierung des Bauwerks. Die sicherstellung der c0-stetigkeit der lösung in der Finite-element simulation hoher ordnung erfolgt durch die mortar-methode. Diese art der Kopplung wurde beispielsweise in der Promotionsarbeit von Wassouf (2010) am Lehrstuhl computation in engineering für statische Probleme untersucht. Die wissenschaftlichen Grundlagen beruhen u.a. auf Forschungsarbeiten von Barbara Wohlmuth (Flemisch, et al., 2006; 2010), die ebenfalls Antragsteller des Forschungsprojektes ist. Im Rahmen dieses Projektes wird die Mortar-Methode für akustisch weiche Verbindungen erweitert. Weitere, zentrale Vorarbeiten für das Forschungsprojekt als Ganzes sind die Untersuchungen von Rabold (Rabold, 2008; 2009; 2010; 2011; Schramm, et al., 2010) zur Verwendung der p-Version der Finiten Elemente (p-FEM: Finite Elemente hoher Ordnung) für vibroakustische Probleme. In diesem Zusammenhang wurden vibroakustische p-FEM Simulationen für Holzbalkendecken durchgeführt und anhand zahlreicher praktischer Messungen validiert. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen zur Vibroakustik stehen in diesem Projekt nun die schallübertragungen zwischen Bauteilen sowie gesamtbauwerks-simulationen im vordergrund.

3. BIM-gekoppelte vibroakustische Simulations-ModelleBauwerksinformationsmodelle (BIm) können anschaulich als geometriebasierte Datenbanken für hierarchische Bauwerksdaten verstanden werden. Die geometrischen und topologischen Informationen werden dabei mit semantischen Daten (beispielsweise zeit- oder material- Informationen) verknüpft. BIM-Modelle basieren immer auf einer dreidimensionalen Geometrie, gehen aber über 3D-caD-modelle hinaus. In der Planungspraxis kommen zumeist noch zweidimensionale Zeichnungen oder vereinzelt 3D-Modelle zum Einsatz. Die Fehleranfälligkeit bei der Überführung klassischer Modelle in Simulations-Modelle, besonders bei Dimensionskonflikten oder nachträglichen Änderungen, verstärkt das Interesse der Industrie an BIM-Technologie. ein konsequenter BIm-Planungsansatz arbeitet mit einem zentralen modell, welches dann

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für die jeweiligen Disziplinen (Bsp. Vibroakustik) in ein Simulationsmodell zu überführen ist. Die hier konzeptionell dargestellte BIm-kopplung soll einerseits die automatisierte ableitung des simulationsmodells erlauben, andererseits aber auch das zentrale BIm-modell um Informationen zur modelltransformation erweitern. nachfolgend werden die anforderungen des vibroakustischen Simulationsmodells beleuchtet, um anschließen eine mögliche Kopplung an das zentrale BIm-modell darzustellen.

3.1. Pre-Processing Routinen für vibroakustische simulationen

Die Arbeitsschritte des Pre-Processing sind vielfältig und leiten sich aus den Anforderungen der numerischen verfahren ab. Finite-element strukturanalysen im hochbau werden klassischer-weise an dimensionsreduzierten Schalen- oder Plattenmodellen vorgenommen. geometrische Flächenmodelle werden im Pre-Processing dabei in diskrete Dreiecks- oder Vierecks-Flächennetze überführt (Netzgenerierung). Bei vibroakustischen Betrachtungen hinsichtlich Schallübertragung über Bauteilflanken spielen dreidimensionale Effekte an den Bauteilübergängen eine zentrale rolle. Dimensionsreduzierte modelle sind hierfür weniger geeignet als modelle, die den dreidimensionalen spannungszustand abbilden können. Für die Finite-element methode ist eine robuste vernetzung unbedingte vorrausetzung für die Berechnung. allerdings ist die hexaeder-netzgenerierung für beliebige volumenkörper im Vergleich zur Flächen-Netzgenerierung um ein vielfaches komplexer. Schalenartige Strukturen können jedoch mit reduzierter Komplexität in dreidimensionale diskrete Hexaeder-modelle überführt werden. grundlage sind geometrische 2 ½ D modelle und extrusions-vernetzungsalgorithmen. letztlich müssen die Dimensionen des geometrie-modells, des diskretisierten modells und der Fem-Formulierung eine kompatible einheit bilden, siehe abbildung 1.

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Abbildung 1: Konformität von Modellierung, Diskretisierung und FEM

Viele Strukturen im Hochbau, darunter auch Massivholzbauteile, lassen sich durch Schalen-, Platten oder Scheibenmodelle erfassen. In diesem Projekt bilden diese dimensionsreduzierten geometrie-modelle daher den ausgangspunkt für die Diskretisierung. voll dreidimensionale hexaeder-netze werden hieraus durch extrusion erstellt. simple extrusionsräume sind allerdings nur bei isolierten schalenmodellen gültig. Die konforme hexaeder-Diskretisierung von Multi-Schalenmodellen benötigt zusätzliche Verschneidungsroutinen um die geometrisch-topologischen relationen korrekt abbilden zu können. am lehrstuhl für computation in engineering wurde das Pre-Processing Framework tum.GeoFrame entwickelt (Sorger, et al., 2009; 2012). Die Vernetzungsroutinen des Frameworks erlaubt die konforme Hexaeder-Vernetzung von Multi-Schalenmodellen. Weitere, wesentliche Bestandteile des Frameworks sind das visualisierungsmodul, geometriekern für Brep-modelle und CAD-Clean-Up Funktionen. Bei der Kopplung von Bauwerks- und Simulationsmodellen stellt dieses Framework im Forschungsprojekt einen zentralen Baustein dar.

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Abbildung 2: Hexaeder-Netzgenerierung eines Massivholzbau-Anschlusses

Abbildung 2 zeigt einen typischen Massivholzbau-Anschluss, der mit TUM.GeoFrame einmal konform inklusive Verbindungsdetails sowie nicht-konform vernetzt wurde. Die reduzierte Komplexität einer nicht-konformen Vernetzung ist rein visuell zu erkennen. Die konforme Abbildung aller Details reduziert die Elementgröße und erhöht damit die Elementanzahl. Diese Explosion des Datenvolumens erhöht die Berechnungszeit der Simulation. Gesamtbauwerks-simulationen können daher meist nicht alle Details erfassen. Die zunächst nicht-konforme vernetzung beider schalen (abbildung 2 unten) wird auch als bauteilorientierte vernetzung bezeichnet. Die C0-Steigkeit der FE-Lösung an den Bauteilstößen ist im diskreten Modell nicht abgebildet. Dazu sind zusätzliche Maßnahmen notwendig. Die Netzkonformität kann im Pre-Processing nachträglich wiederhergestellt werden. Alternativ kann, wie im Forschungsprojekt vorgesehen, die Stetigkeit am nicht-konformen Netz über numerische Methoden sichergestellt werden. numerische methoden für nicht-konforme diskrete modelle sind u.a. die Penalty- und die Mortar-Methode. Im Projekt kommt letztere zum Einsatz.

3.1.1. anforderungen an Pre-Processing routinen hinsichtlich mortar-methode und Finite elemente hoher ordnung

Die Finiten elemente hoher ordnung sowie mortar-Formulierungen sind nicht kern dieses Beitrags und werden nur in kürze dargestellt, soweit sie modellierung und netzgenerierung direkt beeinflussen.

Bei der mortar methode handelt es sich um eine numerische Formulierung für nicht-konforme nicht-überlappende diskrete modelle, wobei die kontaktbedingungen der einzelnen gebiete in schwacher Form erfüllt werden. Für eine detaillierte herleitung wird auf wassouf (2010) und die darin enthaltene Literaturübersicht verwiesen.

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abbildung 3: nicht-konform diskretisiertes hexaeder-modell

Abbildung 3 zeigt zwei an ihrem Übergang nicht-konform diskretisierte Gebiete Ω1 und Ω2. Mit Hinblick auf die am Interface Γ inkompatible Diskretisierung wird dabei eine Seite als Master- die andere als Slave-Domäne betrachtet. Die diskrete C0-Kontinuität der Verschiebungen uFe wird bei der mortar-methode durch eine integrale Betrachtung über das Interface ersetzt. Die Verschiebungen der Slave-Domäne werden durch jene der Masterdomäne approximiert. Die minimierung des approximationsfehlers kann über einen energieausdruck beschrieben werden. Es wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass der Fehler nicht nur orthogonal zur approximation sondern auch zu allen Basen des Funktionsraums eines geeigneten lagrange-multiplikators ist. Für elastische Probleme führt die mortar-methode letztlich zu folgender Formulierung:

Die zwei gleichungen für die teilgebiete plus nebenbedingung lassen sich in ein monolithisches gleichungssystem überführen und für diskrete modelle in matrixform darstellen. als Ansatzfunktionen des Lagrange Multiplikators können jene der Slave-Domäne am Interface verwendet werden. Verglichen mit der klassischen konformen FEM-Formulierung ist das Problem um eine unbekannte, sowie um die koppelterme g1, g2 erweitert. Die matrix ist jedoch symmetrisch, was die Lösung vereinfacht.

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Durch die mortar-Formulierung müssen die mitunter geometrisch-topologisch komplexen Bauteilverbindungen nicht konform aufgelöst werden. Die Kenntnis der Bauteilrelation ist aber weiterhin unerlässlich. Anschaulich bedeutet dies, dass die flächige Verschnitt-Geometrie der Bauteile bekannt sein muss, da diese in der mortar-Formulierung als Interface diskret aufgelöst wird und dort die Ansatzräume der Lagrange-Multiplikatoren definiert sind. Die flächige verschnitt-geometrie ist in einem 2 ½ D modell allerdings nicht explizit gegeben, sondern ist ein resultat der Flächennetz-extrusion und sollte daher im zuge des Pre-Processings bestimmt werden.

Ein großer Vorteil der Mortar-Methode besteht darin, dass neben monolithischen Bauteil-verbindungen auch komplexere nicht-steife Anschlüsse abbildbar sind. Für Holzbau-Anschlüsse, die beispielsweise durch Winkelverbindungen nicht starr fixiert sind, ergibt sich eine komplexe Kopplungsmechanik. Im beschriebenen Forschungsprojekt wird hierfür eine Kondensation der vibroakustischen Eigenschaften in eine Mortar-Formulierung entwickelt. hierfür sind typisierte mortar-Formulierungen für bestimmte anschlüsse zu entwickeln, die auch im Pre-Processing zu beachten sind.

Im Projekt kommt die p-Version der Finiten Elemente (p-FEM: FEM mit Ansatzfunktionen hoher Ordnung) zum Einsatz, da diese hervorragende Konvergenzeigenschaften besitzt (Rank, et al., 2005; Düster, et al., 2001). Zudem erlaubt die p-FEM im Gegensatz zur konventionellen h-FEM sehr große Seitenverhältnisse. Dies ist insbesondere für die flächigen Massivholzstrukturen vorteilhaft deren Schichten in Dickenrichtung aufgelöst werden müssen. Die Anzahl an erforderlichen hexaeder-elementen lässt sich damit bei höherer genauigkeit auf ein minimum reduzieren. Für die Netzgenerierung bedeutet dies, dass Elemente mit möglichst großen Seitenverhältnissen zu generieren sind und selbst notwendige Verfeinerungen im Umfeld feingliedriger Details lokal zu begrenzen sind.

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Abbildung 4: High-Order Hexaeder Netz mit lokal beschränkter Netzverfeinerung

3.2. IFC- Bauwerksmodelle und Kopplung von simulationsmodellen

BIm steht sowohl für „Building Information model“ als auch für „Building Information Modeling“. Beide Terminologien werden im Folgenden entsprechend verwendet. Zunächst wird das neutrale, offene und praxiserprobte Bauwerks-Datenmodell IFc (Industry Foundation Classes), entwickelt von der buildingSMART Organisation (vormals International Alliance for Interoperability, IAI), dargestellt. Das IFC-Format verfolgt das Ziel, sämtliche semantischen, geometrischen und topologischen Informationen eines Bauwerks und seiner Bauteile über den Lebenszyklus in einem Produktmodell zu vereinen. Ein Nachteil dieses allgemeinen Ansatzes ist, dass eine optimierung des Datenmodells hinsichtlich einer bestimmten anwendung nur schwer möglich ist. Vielmehr ist eine Modelltransformation für die jeweiligen Anwendungen notwendig. Der große Vorteil des Datenmodells ist die Erweiterbarkeit und der strikt objektorientierte Ansatz. Diese Eigenschaften bilden die Grundlage einer echten Kopplung des BIm-modells an abgeleitete simulationsmodelle.

3.2.1. Das IFc DatenmodellIFC ist ein gemäß ISO 16739:2013 standardisiertes Datenmodell, bei dessen Entwicklung auf die erfahrungen des steP-Datenformats (Iso 10303) zurückgegriffen wurde. Das Datenmodell ist in der modellierungssprache eXPress, und neuerdings auch mittels Xml-Schema, spezifiziert. Abbildung 5 zeigt einen kurzen Auszug des hierarchischen Datenmodells mit einigen im Folgenden wichtigen strukturen.

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Abbildung 5: Auszug aus dem IFC-Datenmodell

Bauteile wie wände oder Decken sind als gebäudeprodukte unter „Buildingelements“ gruppiert. konkrete Bauteilkonstruktionen (Bsp. Ifcwall) werden über abstrakte Datentypen zusammengefasst. topologisch-geometrische relationen werden durch Ifcrelationship-Objekte definiert. Wichtige Relationen sind unter anderem Bauteileinschlüsse (IfcRelFillsElement und IfcRelVoidsElement). Beispielhaft zeigt Abbildung 6 den Einschluss eines Fensters in eine wand. vorteilhaft ist die logisch getrennte erfassung der Bauteile Fenster und wand. nachteilig ist die Tatsache, dass die finale explizite Geometrie und Topologie des Gesamtbauteils aus Booleschen operationen erzeugt werden muss.

Abbildung 6: Darstellung einer Wand-Fenster Relation im IFC-Modell

Weitere wichtige Relationen die im Projekt eine große Rolle spielen, sind Aggregationen, Bauteil-Verbindungen (Anschlüsse) und Bauteil-Raumvolumen-Relationen, siehe Abbildung 7.

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Abbildung 7: Wichtige logische Relationen im IFC-Datenmodell (Quelle Bauteilstoß: Binderholz Bausysteme GmbH)

Bauteilverbindungen (Bauteilstöße) können mit einer Verbindungsgeometrie „ConnectionGeometry“ assoziiert werden. So kann die geometrische Kontaktfläche im IFC-Datenformat explizit definiert und gespeichert werden. Eine wiederkehrende Bestimmung der Kontaktgeometrie lässt sich dadurch vermeiden, allerdings muss die Gültigkeit nach Modifikation der verknüpften Bauteile gewährleistet bleiben. Ein automatisierter, prozeduraler Ansatz zur Definition der Kontaktgeometrie ist daher vorteilhaft. Das IFC-Modell unterscheidet sich wesentlich von anderen CAD/CAM-Austauschformaten, die vorwiegend geometrische (teilweise auch topologische) Informationen abbilden. Das IFC-Format beinhaltet geometrische Informationen als nur einen Baustein zur Spezifikation von Bauproduktdaten. ein Produkt kann allerdings mit mehreren geometrischen repräsentationen verknüpft werden (siehe Abbildung 8):

• Brep: Boundary represenation

• CSG: Constructive Solid Geometry

• SweptSolid: Prozedurale Konstruktion von Volumenkörpern

• tessellation: Diskretisierte repräsentation.

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Abbildung 8: Umsetzung der Geometrie-Beschreibung im IFC-Datenformat

3.2.2. IFC-Datenmodell und vibroakustische simulationsmodelle

Das IFC-Modell bietet verschiedene Geometrie-Schemata zur Darstellung ein und desselben Produkts an. Über Relationen verknüpfte Produkte können in verschiedenen Repräsentationen vorliegen. Für Pre-Processing Routinen, die meist für nur ein Schema ausgelegt sind, ist dies nicht optimal. tum.geoFrame arbeitet mit dem Boundary-representation–schema (Brep). andere schemata sind daher im Pre-Processing in eine Brep-struktur zu überführen. nachfolgend sollen die notwendigen schritte konzeptionell und beispielhaft dargestellt werden, die zur transformation in ein gültiges vibroakustik-simulationsmodell notwendig sind.

Abbildung 9 zeigt einen Massivholzbauwand-Stoß mitsamt Ausbaukomponenten (Dämmung etc.). zur Interpretation der im IFc-Format gespeicherten Baukonstruktion wurde tum.geoFrame um eine IFc schnittstelle erweitert.

Abbildung 9: Pre-Processing Arbeitsschritte für einen Beispiel-Wandanschluss

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Zunächst ist die Tragstruktur von Ausbaukomponenten (Dämmung, Vorsatzschale, etc.) zu trennen. Danach müssen alle inkompatiblen geometrie-repräsentationen in Brep konvertiert werden. Im Beispiel liegt die Tragstruktur als SweptSolid-Repräsentation vor. Bei der transformation wird auf die freie Bibliothek Ifcopenshell (Ifcopenshell, 2013) zurückgegriffen, die wie tum.geoFrame auf dem offenen geometriekern opencascaDe beruht. Das resultierende BRep-Modell (siehe Abbildung 9b) ist ein Volumenmodell der wand, aggregiert aus einzelnen holzschichten. Die Detailierung des schichtenaufbaus wird derart allerdings nicht im diskreten Modell erfasst und würde das Datenvolumen unnötig vergrößern. Zusätzlich ist eine 2 ½ D Repräsentation zur Anwendung der Extrusions-Algorithmen notwendig. Abbildung 9c zeigt das finale transformierte Simulations-Modell. Die kontaktgeometrie ist aufgelöst. sie ist nicht im IFc-modell gespeichert und wurde im rahmen des Pre-Processings generiert. Die Erfassung der Kontaktgeometrie ist, wie zuvor erläutert, für die mortar-methode notwendig. Die Bestimmung der kontakt-geometrie (Interface) im Pre-Processing ist vorteilhaft, um geometrische Anforderung, resultierend aus der mortar-Formulierung für typisierte verbindungen zu berücksichtigen. Bei akustisch weichen Kopplungen kann sich die mechanisch aktive Koppelfläche von der geometrischen Verschnitt-Geometrie unterscheiden, besonders dann wenn etwa Elastomer-Trennschichten vorhanden sind. Dies ist durch numerische Untersuchungen im Projekt zu klären. Abbildung 9d) zeigt ein hexaeder-netz des anschlusses als eingang in die vibroakustik-simulation. Das netz sollte zur Verbesserung der numerischen Ergebnisse zu den Kontaktflächen hin verfeinert werden. Die dargestellten Arbeitsschritte verdeutlichen, dass die Überführung der IFC-Datenstruktur in ein brauchbares simulationsmodell mit teilweise komplexen geometrischen operationen verbunden ist. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn Facettenmodelle in eine BRep-Struktur zu überführen sind (geometrisches Re-Modeling). Aber auch die Auflösung interner Strukturen und Kontaktflächen der Bauteile ist geometrisch komplex. Oft sind die konkreten Anforderungen der numerischen simulation im modellierungsprozess des IFc-modells teilweise noch nicht bekannt. Daher müssen diese arbeitsschritte im rahmen des Pre-Processings durchgeführt werden.

3.2.3. konzept einer Integration in den BIm-Planungsprozessnachfolgend wird ein konzept zur Integration der beispielhaft dargestellten modelltransformation in das IFc-Datenmodell beschrieben. Dabei soll eine kopplung des simulationsmodells an das IFc-Datenmodell realisieren werden, die sich über automatisierte Transformationsroutinen definiert. Nach der Modell-Transformation von IFC in ein Simulationsmodell liegen die zu analysierenden Struktur-Komponenten in expliziter BRep-Repräsentation vor. Da das BRep-Schema IFC-

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kompatibel ist, kann die explizite BRep-Simulationsgeometrie im Sinne einer effizienten Integration in den Planungsprozess in das IFc-Datenmodell zurück gespeichert werden, und steht damit für weitere Simulationen zur Verfügung. Erst bei Modifikation der damit verknüpften Produkte ist eine Anpassung dieser Simulationsgeometrie notwendig. Eine Modifikation der Produkte erzwingt eventuell eine erneute Transformation, zumindest aber eine gültigkeitsprüfung des simulationsmodells. hierbei wird deutlich, dass sich eine große Steigerung von Effizienz- und Robustheit der Transformation im Pre-Processing erzielen lässt, wenn die notwendigen arbeitsschritte in Form prozeduraler transformations-schritte abgespeichert werden können. Die arbeitsschritte der Transformation, die einmalig hergeleitet wurden, können so wiederverwendet werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll das IFC-Datenmodell daher um Objektklassen zur speicherung der modell-transformation in Form prozeduraler operationen erweitert werden. als resultat ist das IFc-Datenmodell damit um ein explizites Brep-simulations-modell und ein prozedurales Transformationsmodell erweitert, wie Abbildung 10 verdeutlicht.

Abbildung 10: Konzept einer IFC-Erweiterung zur Kopplung von IFC- und Simulations-Modell

Die Integration in den IFC-basierten Planungsprozess kann weiter verbessert werden, wenn die notwendigen Schritte der Modelltransformationen für typisierte Massivholz-Bauteile über Templates erfasst werden. Die Pre-Processing Routinen lassen sich so vereinfachen. Zudem können so die messtechnisch und numerisch analysierten verbindungstypen während der modellierungsphase als templates über sogenannte typen-kataloge zugänglich gemacht werden. Die typisierten Verbindungen können bereits Aussagen zur vibroakustischen Qualität liefern, lassen sich aber auch vereinfacht in Simulationsmodelle transferieren um robuste Aussagen zur vibroakustischen Qualität im Gesamtbauwerk zu generieren. Abbildung 11 verdeutlicht dieses Vorgehen skizzenhaft.

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abbildung 11: Integration der IFc-erweiterung und simulation in den IFc-Planungsprozess

4. stand der arbeit und ausblickBeispielhaft wurden die notwendigen arbeitsschritte bei der ableitung eines simulationsmodells für vibroakustische Simulationen aus IFC-Daten für einen typischen Massivholz-Bauteilanschluss dargestellt. Das vorhandene, akademische Pre-Processing Framework TUM.GeoFrame wurde dafür um eine IFC-Schnittstelle erweitert. Dafür wurde auf vorhandene Bibliotheken (Ifcopenshell, 2013) und c++-klassenstrukturen für IFc-Datenmodelle zurückgegriffen. Damit sind die grundlagen gelegt, um die konzeptionell dargelegte IFc-erweiterung umzusetzen. Diese wird das IFc-Datenmodell um prozedurale transformationsroutinen zur IFC-Kopplung von Simulationsmodellen erweitern. Auch werden Templates für typisierte Anschlüsse im Massivholzbau generiert. Die Verwendung dieser Templates in kommerziellen BIM-Modellierungstools (beispielsweise Revit oder cadwork) ist Gegenstand zukünftiger entwicklungen.

Parallel zu den Arbeiten am Pre-Processing Framework finden im Forschungsprojekt umfangreiche messtechnische und numerische Parameterstudien statt. ziel ist es, die vibroakustischen Eigenschaften der Bauteilstöße messtechnisch zu erfassen und in präzise und robuste numerische simulationsmodelle zu übertragen. Die ergebnisse dieser Parameterstudien werden in die zukünftige Entwicklung der Pre-Processing Routinen einfließen.

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