Urban Simulation
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© 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
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Die Firma CADFEM
2 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn
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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
3 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn
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CADFEM International – „Gemeinsam mehr erreichen“
CADFEM International ist die Dachorganisation
für die globalen Aktivitäten von CADFEM
Kerngeschäft
ANSYS Channel Partner
Ergänzende
Geschäftspartnerschaften
Start-Ups
4 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn
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Urbane Simulation – Die Idee
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Motivation urbane Simulation
6 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn
& Semantische 3D
Stadtmodelle Numerische Simulationen
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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
7 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn
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
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Übersicht aktuelle Aktivitäten von CADFEM
Aktuelle Anwendungsfelder
Urban Simulation
&
Druckwellenausbreitung
Hochwasser &
Tsunami
Windfeldsimulation
Rauch- und
Schadstoffausbreitung
Personenstromsimulation
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Übersicht aktuelle Aktivitäten von CADFEM
Aktuelle Technologiepartner
Novosibirsk State University
of Architecture
and Civil Engineering
9 Workshop "3D-Stadtmodelle" | 3. und 4. November 2015 im Universitätsclub Bonn
Druckwellenausbreitung
Windfeldsimulation
Rauch- und
Schadstoffausbreitung
Personenstromsimulation
Urban Simulation
&
Hochwasser &
Tsunami
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Innovationsnetzwerke
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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
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→Forschungsagenda
→Wettbewerb Zukunftsstadt
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Grafing – 1 von 51 vom BMBF geförderten Zukunftsstädten
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www.wettbewerb-zukunftsstadt.de/
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Morgenstadt - Stadt der Zukunft
• Thema Gemeinsam urbane Innovationen realisieren
• Typ Innovationsnetzwerk
• Organisation Fraunhofer IAO
• Status Phase II (2014-2015)
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TUM Leonhard Obermeyer Center (LOC)
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• 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
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Geometrieaufbereitung
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Beispiele für unterschiedliche Detaillierungsgrade
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LoD2 + Topologie
LoD2 LoD1
LoD3
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Stadtmodell-Import – Erster Versuch…
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Geometriebereinigung
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Fehlerklassen
2158 Objekte | 159 Fehler 2319 Objekte | 144 Fehler 2307 Objekte | 8 Fehler
Import mit hoher Qualität Vernetzung mit hoher
Qualität
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Geometrieoptimierung für Strömungssimulationen (CFD)
Voroptimiertes
CityGML-Modell
Einsatz spezieller
Vernetzungsalgorithmen
von ANSYS
→ Voroptimiertes Stadtmodell
→ Automatisierte Vernetzung komplexer Modelle
→ Reduzierte Handarbeit bei der Modellerstellung (CFD)
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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
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Integration der Gebäudemodelle ins Stadtmodell
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Anwendungsbeispiele
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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
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Download-Portal – Datenexport
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Räumliche Auswahl über Karte oder per Objekt-ID
direkter Datenbankzugriff
Automatische Modellübernahme in die ANSYS Workbench
1 km² entspricht etwa 2.000 Objekten
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Analyse eines fiktiven Detonationsszenarios
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Druckwellenausbreitung
Auswertung
diskreter Messpunkte
Luftraummodell mit Detonation und Messpunkten
im expliziten Solver ANSYS AUTODYN
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Analyse eines fiktiven Detonationsszenarios
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Ergebnisaufbereitung - Animationen
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Definition Szenario & Echtzeit-Prognose
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• Ort: 10 m vor dem Gebäude
• Intensität: 500 kg TNT
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Echtzeit-Prognose
→ Vereinfachte Ingenieursmethode
→ Basierend auf kreisförmiger
Druckwellenausbreitung
→ Erste Bewertung des Szenarios
für Sicherheitskräfte
→ Definition des Simulationsraums
→ Kontextinformationen
→ Gebäudenutzung
→ Kritische Infrastruktur
→ …
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Auswertung Szenario & Aufbereitung für Sicherheitskräfte
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• Maximale Druck- und Impulsergebnisse
Durch das urbane Umfeld ergeben
sich deutliche Abweichungen von
einer vereinfachten konzentrischen
Druckwellenausbreitung
Diese Abweichungen
entstehen sowohl für den
maximalen Druckeintrag
als auch für den
maximalen Impulseintrag
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Auswertung Szenario & Aufbereitung für Sicherheitskräfte
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• 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
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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
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Verifikationsbeispiel Kampfmittelräumung
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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
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DETORBA – Zusammenfassung
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Analyse turbulenter Windfelder
• Projekt Windlastermittlung an urbanen Strukturen
und Personenkomfortbewertung
Modellvorbereitung
Gemessenes
Windprofil
In Kooperation mit
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Analyse turbulenter Windfelder
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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
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© 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
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Rauchentwicklung und Schadstoffausbreitung
• Projekt Transiente Rauchausbreitung im urbanen
Raum auf Basis einer stationären
Windfeldanalyse Reales
Brandszenario
Stationäres Windfeld
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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
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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)
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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
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Zusammenfassung
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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!
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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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
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