Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Bauinformatik in Hannover
Volker BerkhahnInstitute for Computer Science in Civil Engineering
University of Hannover, Germany
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Überblick
• Vorstellung des Institutes
• Vorstellung der Forschungsschwerpunkte
• Bruchkantenidentifikation in Topographien
• Generierung von Elementnetzen für hydrodynamische Simulationen
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Finite Elemente Approximation auf der Basis beliebigdimensionaler Zellen (T. Fröbel, P. Milbradt)• Klassische Finite Elemente Methode: Einschränkung auf
einfache Geometrie der Elemente• Einschränkung durch natürliche Elementkoordinaten auf
beliebigen Polyedern aufgehoben• Bestimmung der natürlichen Element-
koordinaten über Voronoi-Zerlegungen• Nicht-nonvexe Polyeder als Finite
Elemente: Mengenoperationen der konvexen Hüllen und der konvexen Subpolyeder
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Gleichungslöser für Finite Elemente auf der Basis natürlicherElemente (T. Pick, P. Milbradt)• DFG-Graduierten Kolleg 615 „Interaktion von Modellbildung,
Numerik und Software-Konzepten für technisch-wissenschaftliche Problemstellungen“
• Geometrie der Zelle: konvexe und nicht-konvexe Polyeder• Numerische Integration über Gauß-Punkte• Barizentrische Zerlegung der Zellen mit Simplexe• Algebraische
Mehrgitterverfahren mit Master- und Slave-Knoten
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Kopplung Zellularer Automaten und Finite-Element-Strömungsmodelle(T. Schonert, M. Höcker, P. Milbradt)• DFG-Graduierten Kolleg 615 „Interaktion von Modellbildung,
Numerik und Software-Konzepten für technisch-wissenschaftliche Problemstellungen“
• Simulation physikalischer Systemgrößen: FE-Verfahren zur Lösung der DGL, stetige Systemgrößen
• Simulation ökologischer Systemgrößen: Zellulare Automaten, diskrete Fuzzy-Mengen
• Beispiel: Strömungsmodell, Reibungskoeffizienten ausSeegrasbewuchs
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)• Zusammenarbeit mit Bauinformatik TU München (E. Rank, M.
Schleinkofer)• Line-Search-Algorithmus über Mediale Achsen• Geometrische und topologische
Kriterien zur Identifikation von Bauteilen
• Neuronale Netze zur Bemaßungserkennung
• Geometrieinformation fürProduktmodell
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)• Zusammenarbeit mit Bauinformatik TU München (E. Rank, M.
Schleinkofer)• Line-Search-Algorithmus über Mediale Achsen• Geometrische und topologische
Kriterien zur Identifikation von Bauteilen
• Neuronale Netze zur Bemaßungserkennung
• Geometrieinformation fürProduktmodell
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)• Zusammenarbeit mit Bauinformatik TU München (E. Rank, M.
Schleinkofer)• Line-Search-Algorithmus über Mediale Achsen• Geometrische und topologische
Kriterien zur Identifikation von Bauteilen
• Neuronale Netze zur Bemaßungserkennung
• Geometrieinformation fürProduktmodell
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)
• Anwendung im Verkehrswesen
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)
• Anwendung in der Geodäsie (Deutsche Grundkarte M 1:5000)
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)
• Verbundprojekt Strömungsmechanik und Geodäsie
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Relationale Prozessmodellierung in kooperativer Gebäudeplanung(A. Klinger, V. Berkhahn)• DFG-Projekt im Rahmen des SPP 1103: Vernetzt-kooperative
Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau • Grundlagen: Mengen-, Relationen- und Graphentheorie• Hierarchische Graphensysteme,
Petri-Netze und Netzpläne• Konsistenz- und Korrektheits-
bedingungen für Strukturen, Hierarchien und Bewertungen
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Relationale Prozessmodellierung in kooperativer Gebäudeplanung(A. Klinger, V. Berkhahn)• Hierarchischer Workflow-Graph
- Transitionen und Aktivitäten- Hierarchie-Ebenen
• Bewertete Prozess-Struktur- Aktivitäten: Zeitdauer- Transitionen: Zeitversatz- Analyse der kritischen Wege
• Transferprojekt mit Praxispartnern aus Hamburg und Teheran
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Relationale Prozessmodellierung in kooperativer Gebäudeplanung(A. Klinger, V. Berkhahn)• Hierarchischer Workflow-Graph
- Transitionen und Aktivitäten- Hierarchie-Ebenen
• Bewertete Prozess-Struktur- Aktivitäten: Zeitdauer- Transitionen: Zeitversatz- Analyse der kritischen Wege
• Transferprojekt mit Praxispartnern aus Hamburg und Teheran
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Ganzheitliche Modellierung von Verkehrsabläufen auf Autobahnen(M. Rose)• Hierarchische Struktur• Heterogen modellierte
Verkehrsabläufe- mikroskopisch- makroskopisch- mesoskopisch
• Reproduktion von typischen Phänomenen
- Staubildung- Stop-and-Go-Wellen- Detektordaten
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Holistische Modelluntersuchungen zur Interaktion von Seegang,Tideströmungen und Morphodynamik (P. Milbradt)• JadeWeserPort, Tiedewasser-Containerhafen• Umweltverträglichkeitsprüfung der BAW-DH• Simulation der ausbaubedingten Änderungen der
Tideströmungen und des Seegangs• Szenario A: instationäre Tideströmungen und stationäre
Seegangsereignisse -> erste Abschätzung
• Szenario B: vollständig gekoppelte Simulationsmodelle
• Ergebnis: Lokaler Einfluss des Ausbaus
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Ein hybrides Schema zur Elementgenerierung basierend auf einerTopographie-Analyse (V. Berkhahn, K. Kaapke)
• Erkennung von charakteristischen Merkmalen der Topographie
• Analyse-Grid mit quadratischen Elementen
• Bestimmung der Steigungen und Steigungsänderungen
• Identifikation von Bruchkanten• Interpolation der Bruchkanten
auf Analyse-Grid
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Ein hybrides Schema zur Elementgenerierung basierend auf einerTopographie-Analyse (V. Berkhahn / K. Kaapke)• Bruchkanten für Strukturierung der Topographie• Reguläre Netze (Flussbett, Flussböschungen,
Deichböschungen): Vorgabe der Elementgröße, Elementorientierung, Seitenverhältnis; Vernetzung auf Basis von b-Spline-Flächen
• Irreguläre Netze (Vorländer, Verknüpfung der reguärenTeilnetze): Vorgabe der Elementgröße; Vernetzung auf Basis von Delaunay-Refinement
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Institut für Bauinformatik
Bauinformatik-Seminar 2005 im Söllerhaus / Kleinwalsertal
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection and Hybrid Meshing Scheme
• Introduction
• Breakline Detectionbilinear, rectangular analysis gridb-spline, rectangular analysis gridinterpolation of breakline points
• Hybrid Meshing Schemeregular meshes based on b-spline surfacesirregular meshes based on Delaunay triangulation and mesh adaptation
• Conclusions and Outlook
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection and Hybrid Meshing Scheme
• Sebastian Rath, Erik PascheArbeitsbereich Wasserbau, River and Coastal EngineeringTechnische Universität Hamburg-Harburg
• Stephan Mai1, Oliver Stoschek2, Andreas MathejaFranzius - Institut für Wasserbau und KüsteningenieurwesenUniversität Hannover 1 Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), Abteilung M4, Koblenz2 DHI Wasser & Umwelt GmbH, Syke
• Stefan Schimmels, Ingo JungeInstitut für Strömungsmechanik, Universität Hannover
• Kai Kaapke3, Matthias Göbel4, Volker BerkhahnInstitut für Bauinformatik, Universität Hannover3 Water Research Laboratory, University of New South Wales, Sydney 4 Projektionisten GmbH, Hannover
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Introduction
• numerical simulations in hydrodynamics
• approximation of the topography by element meshes
• approximation accuracy influences the quality of numerical simulations
• mesh generation based on high resolution topo-graphic survey data
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• generation of element meshes based on measurement points, digital surface models, maps and any other available information
• information summarized in a geometry model
Introduction
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• different structures of measurement points
cross sectional data (Oste River)
Introduction
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• different structures of measurement points
longitudal section data (Lühe River)
Introduction
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• different structures of measurement points
echo sounding data (Delaware River)
Introduction
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• different structures of measurement points overlappings with ambiguous surface information gaps without significant surface information
different measurement campaigns (Weser River and tidal harbour of Bremen)
Introduction
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Introduction
• great abundance or lack of measurement points • no coherence to the required element node density, to simulate
the hydrodynamic behavior
estuary of Delaware River detail of Bremen Harbor
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Introduction
requirements for mesh generation:
• element representation for river beds and levee slopes:element orientation, edge ratio and element size prescribed
• element representation for floodplains:element size prescribed
• different areas for the element mesh generation
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Introduction
hybrid meshing scheme:
• regular triangular element meshes, b-spline surfaces meshing
• irregular triangular element meshes, coarsening and refinement based on Delaunay triangulation
objective of breakline identification:
• orientation of elements
• definition of different meshing areas
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• definition of segmented b-spline surfaces:
point on b-spline surface global parameter set control points / deBoor pointsnumber of deBoor pointsshape functions / b-spline functions grade of b-spline functions
B-Spline Surfaces
[ ] [ ]K N 1
3ij
N MK L
ij i ji 0 j 0
L M 1u ,u
(u,v) N (u)N (v)
u v v ,v
N, M K, L ;
for ;
with ; +
= =
+
∈
=
∈ ∈
∈ ∈
∑ ∑
d
b d
EN N
ij
Ku Li j
N 1, M 1N (u), N (v)
K, L
(u,v)u, v
+ +
d
b
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• definition of segmented b-spline functions:node vectors
b-spline functions of grade r
b-spline functions of grade 0
B-Spline Surfaces
[ ][ ]
0 N K 1
0 M L 1 j
i i 1
j 1
u ,u
v ,v
u u i 0,..., N K
v 0,...,M L
T
T
with for
with v for j+ +
+ +
+
+
= ≤ = +
= ≤ = +
u
v
r r 1 r 1i i r 1i i i 1
i r i i r 1 i 1
u u u uN (u) N (u) N (u) r 1,..., N Ku u u u
for − −+ ++
+ + + +
− −= + = +− −
[ [0 i i 1i
1.0 for u u ,u N (u) for i 0,...,N K0.0 else
+⎧⎨⎩
∈= = +
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
b-spline surface without endpoint interpolation
B-Spline SurfacesN0
2 N12 N2
2
b-spline functions of grade
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• modification of b-spline functions:endpoint interpolation
shape of b-spline functions
B-Spline Surfaces
0 K N N K 1
0 L M M L 1
u ... u u ... uv ... v u ... u
and and
+ +
+ +
= = = =
= = = =
[ ]K 2; N 7; T 0 0 0 1 2 3 4 5 6 6 6 = = =u
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
b-spline surface with endpoint interpolation
B-Spline Surfaces
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection
• generation of a rectangular slope analysis grid approximating the topography:
equidistant grid points in the plane(N 1)*(M 1)+ +
,
ijd x, y −
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection
• generation of a rectangular slope analysis grid approximating the topography:
equidistant grid points in the plane(N 1)*(M 1)+ +
,
ijd x, y −
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection
• Feasible methods for slope assessment in rectangular grids
• Rath, S., and Pasche, E.: Hydrodynamic Floodplain Modeling based on High-Resolution LiDAR measurements. Proceedings of 6th International Conference on Hydroinformatics, Singapore, 2004
,
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection
• slope calculation at a point
• user defined limit slope value for breakline identification
• slope classification: embankment points
( )2 2ij iju ijvS atan S S 180 /= + π
i 1j 1 i 1j i 1j 1 i 1j 1 i 1j i 1j 1iju
(z 2z z ) (z 2z z )S
(4 2 2)d+ + + + − − + − − −+ + − + +
=+
i 1j 1 ij 1 i 1j 1 i 1j 1 ij 1 i 1j 1ijv
(z 2z z ) (z 2z z )S
(4 2 2)d− + + + + − − − + −+ + − + +
=+
,
ijd
limS
ij limS S>
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection
• user defined limit slope value for breakline identification
• slope classification: embankment points
,
limS
ij limS S>
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Detection
• bilinear, rectangular analysis grid
• zigzag of identified breakline: not suitable for the hybrid meshing scheme!
• enhancement of breakline detection: applying a b-spline slope analysis grid in order to achieve a moderate smoothing
,
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• b-spline, rectangular analysis grid
• reduced zigzag of identified breakline: still not suitable for the hybrid meshing scheme!
• further enhancement of breakline identification: interpolation of breakline points in order meet the limit slope value
Breakline Detection
,
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Breakline Identification
improved breakline identification:• b-spline, rectangular analysis grid• interpolation of breakline points
,
levee
river bed
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Hybrid Meshing Scheme
b-spline-surface editor for river bed and levee embankments• roughly defined boarder curves of b-spline surfaces• automatic identification of relevant breaklines
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Hybrid Meshing Scheme
b-spline-surface editor for river bed and levee embankments• specified number of control points of the b-spline surface in
u and v direction
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Hybrid Meshing Scheme
b-spline-surface editor for river bed and levee embankments• specified number of control points of the b-spline surface in
u and v direction
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
adapting the z-coordinates of all control points
• QR decomposition method
• high efficient iteration algorithm
Editing B-Spline Surfaces
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
adapting the z-coordinates of all control points
• QR decomposition method
• high efficient iteration algorithm
Editing B-Spline Surfaces
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
adapting the z-coordinates of all control points
• QR decomposition method
• high efficient iteration algorithm
Editing B-Spline Surfaces
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
regular de Boor grid => regular element mesh (start mesh)
for
Mesh Generation based on B-Spline Surfaces
N 1 K
M 1 L
0 i (u u ) / u0 j (v v ) / v
+
+
≤ ≤ − ∆
≤ ≤ − ∆ij K L(u i u,v j v)= + ∆ + ∆n b
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
• refinement algorithms to adapt the mesh to specific requirements
• refinement criteria:
maximum deviation
maximum edge length
maximum edge gradient
over / below specified z-level
• mesh cut off at a specified border polygon
Mesh Generation based on B-Spline Surfaces
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Hybrid Meshing Scheme
Delaunay based coarsening and refinement for river floodplains
• point set:- measurement points based on survey data (removable
points)- additional refinement points (removable points)- breakline points (fixed points) - border points of regular meshes (fixed points)
• Delaunay triangulation of point set
• refinement and coarsening process to meet the user defined element size criteria
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Hybrid Meshing Scheme
Delaunay based coarsening and refinement for river floodplains• coarsening process
• refinement process
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Hybrid Meshing Scheme
Delaunay based coarsening and refinement for river floodplains• Irregular triangular mesh meeting breakline points and edges
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Hybrid Meshing Scheme
Concatenation of regular and irregular triangle meshes
Universität Hannover Institut für Bauinformatik
Conclusions
• hybrid meshing scheme:- regular triangle meshes with user specified element size
and element orientation- irregular triangle meshes with user specified element size
• breakline identification- rectangular slope analysis grid based on a b-spline
surface- interpolation scheme for breakline points detached from
the analysis grid• meshing and slope algorithms are implemented in a Java based
software tool• HybridMesh will be available as open source software