Automatisierte Geometrieaufbereitung digitaler 3D-Stadtmodelle für die Strömungssimulation

Die Verwendungsmöglichkeiten für digitale Stadtmodelle haben in den letzten Jahren stetig zugenommen. So werden großflächige 3D-Stadtmodelle nicht mehr nur für die reine Visualisierung genutzt, sondern auch für zum Beispiel Navigationssoftware und Solarpotentialanalysen. Weiterhin wächst der kommunale und städtische Datenbestand digitalisierter Gebäude und mit ihm auch der Wunsch zusätzliche Verwertungsmöglichkeiten zu erschließen. Die vorhandenen digitalen Stadtmodelle lassen sich allerdings in der Regel nicht nahtlos weiterverwenden. Sie müssen zunächst umfangreich nach- und aufbereitet werden, bevor sie, der Anwendung entsprechend angepasst, ihren Einsatz finden. So kann das Modell selbst Fehler besitzen (z. B. fehlende Gebäudeflächen, Selbstverschneidungen) oder auch für eine numerische Simulation unvorteilhafte Eigenschaften aufweisen (z. B. zu kleine Flächen). Weiterhin kann das Modell in einer für die Simulation ungeeigneten Repräsentationsform vorliegen, was eine Konvertierung der Daten notwendig macht. Das führt gegebenenfalls durch Inkompatibilitäten zwischen den Repräsentationsformen oder unterschiedlicher Toleranzen zu weiteren Herausforderungen. Für die Vereinfachung von dreidimensionalen Gebäudemodellen oder die Überführung der Modelle zwischen verschiedenen Detailstufen existieren bereits eine Reihe von Verfahren mit diversen Herangehensweisen. Dabei spielt die Aufrechterhaltung gebäudespezifischer geometrischer Eigenschaften, wie etwa der Komplanarität, Parallelität oder der Rechtwinkligkeit oft eine zentrale Rolle. Es ist jedoch festzustellen, dass die existierenden Verfahren in der Regel einer kartografischen Generalisierung dienen oder der Vereinfachung der Modelle für eine reduzierte visuelle Darstellung. Eine Vereinfachung der Modelle zur optimalen Nutzung für numerische Simulationen bleibt im Regelfall unbeachtet. Hierfür gelten deutlich strengere Anforderungen an die Modelle. So müssen die einzelnen Gebäudemodelle zum Beispiel wasserdichte (geschlossene) Volumenkörper ohne Selbstverschneidungen ergeben. Weiterhin reicht es nicht aus, nur die einzelnen Gebäudemodelle zu betrachten. Auch Abstände zwischen Gebäuden müssen groß genug sein, damit das Luftvolumen mit ausreichend numerischen Netzelementen versehen werden kann. Ist das nicht der Fall, muss das Luftvolumen zwischen den Gebäuden aufgefüllt und die Gebäude zusammengefasst werden. Ziel des Promotionsvorhabens ist eine möglichst hoch automatisierte Aufbereitung von digitalen Stadtmodellen zur effizienten Verarbeitung durch gängige Simulationswerkzeuge aus dem CAD-Umfeld. Dazu wird ein Werkzeug geschaffen, welches die topologischen und geometrischen Informationen der Gebäude den Simulationsanforderungen entsprechend verändert ohne dabei die Simulationsergebnisse wesentlich zu verfälschen. Mittels geeigneter Steuerparameter kann das Werkzeug flexibel dem jeweiligen Stadtmodell beziehungsweise der Simulationsanwendung angepasst werden. Die im Folgenden angeschnittenen Verfahren zur geometrischen beziehungsweise topologischen Vereinfachung werden miteinander kombiniert. Ein gängiges Verfahren zur Vereinfachung der Topologie und Geometrie ist das Zusammenführen komplanarer Flächen oder Kanten. Diese auch unter dem Begriff Merge bekannte Vorgehensweise ist gängige Praxis und wird in dieser Arbeit mit anderen Aufbereitungsverfahren kombiniert. Neben dem Zusammenfassen von Flächen und Kanten spielt das Vereinen von Körpern eine wichtige Rolle. Mit der Booleschen Vereinigung zweier oder mehrere Gebäudemodelle lassen sich innenliegende Flächen (die Kontaktflächen der Modelle) löschen und in weiteren Schritten Details, wie zum Beispiel kleine Abstände an Gebäudeübergängen, erkennen und aufbereiten. Mit Hilfe der morphologischen Schließung werden kleine Luftvolumen, wie etwa bei Innenhöfen, geschlossen. Hierbei werden Körper zunächst aufgebläht und anschließend wieder geschrumpft. Das Resultat ist ein vereinfachter Körper, welcher der Form des Originals stark ähnelt. Durch eine Kombination der morphologischen Schließung und der Booleschen Vereinigung werden zudem kleine Luftvolumen zwischen Gebäuden geschlossen. Mit dem entwickelten Sweep-Verfahren werden gezielt Gebäudeflächen gedreht oder verschoben. Dabei werden beispielsweise die Endpunkte einer Kante aufeinander geschoben, sodass die Kante kollabiert. Auch Komplanarität benachbarter Flächen kann mittels Sweep erzwungen werden. Mit einem anschließenden Mergen von Flächen und/oder Kanten nach jeder Verschiebung oder Drehung einer Fläche wird das Gebäudemodell iterativ vereinfacht. Rundungen werden bei den gegebenen Stadtmodellen gewöhnlich durch mehrere schmale Polygone dargestellt. Das Ersetzen dieser Polygone durch Freiformflächen kann Gebäudemodelle mit vielen Rundungen deutlich vereinfachen. Bei der Erzeugung einer Freiformfläche werden zunächst zusammenhängenden Polygone, die eine Rundung ergeben, detektiert und dann der Rand der Rundung durch B-Spline-Kurven approximiert. Die mittels der Randkurven erstellte Coons-Fläche ist eine B-Spline-Fläche, welche die Randkurven interpoliert. Die vorgestellten Verfahren der Vereinfachung werden an drei Gebäudekomplexen getestet. Mittels einer Gegenüberstellung der aufbereiteten Modelle und der Originalmodelle erfolgt eine Bewertung. Außerdem erfolgt die Bewertung eines erstellten CFD-Netzes für eines der drei Modelle. Das Anwendungsszenario stellt die numerische Strömungssimulation dar. Hierzu wurden exemplarische Windsimulationen für die Stadtmodelle durchgeführt.

Author dc:creator

• Piepereit, Raul

Advisor dc:contributor.advisor

• Kada, Martin

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

https://doi.org/10.14279/depositonce-20356

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/21556