Robert Irmler

IoT - An Opportunity for Autonomous BIM Reconstruction?

While the concepts and technologies of Building Information Modeling (BIM) are on their way to become an industry standard, there is an increasing demand for the digitalization of the existing building stock. Based on our previous work on this subject we present a framework for autonomous BIM reconstruction using an IoT-based approach. We show that it is possible to integrated depth sensing technologies with common devices that move regularly throughout a building. By autonomously conducting several scans of the same region it is possible to enhance the quality of the reconstructed model while reducing the human workload. The use of (semi-)autonomous devices however comes with a trade-off and in this study could not achieve results equal to human-made scans.

Real-time collaborative reconstruction of digital building models with mobile devices

Abstract Many software-based building processes require digital building models. Since the building stock does not have sufficient data in this regard, the demand for Scan-to-BIM processes is increasing. In this paper we present a system for the reconstruction of ‘as-built’ BIM content of house interiors based on the Google Tango technology. The strength of our approach is the use of low-cost mobile scanning devices and a client-server system that allows for a real-time collaborative scanning and reconstruction of indoor scenes. We developed a server application that continuously aggregates scan data of multiple scanning devices (clients) and applies the data stream to a real-time post-processing pipeline to reconstruct rooms, walls, doors and windows. The reconstruction result is then distributed to all clients, where it is visualized in real time. The collaborative workflow and real-time data processing make our system especially useful in situations that are time-critical and require concurrent collection and processing of data. One of our targeted use cases therefore is the model generation for crime scene documentation. The effectiveness of our approach was demonstrated on three test sites. Our results compare well to other state-of-art methods regarding the reconstruction of walls, but they also revealed potential for improvement regarding the detection of doors and windows in occluded and cluttered environments.

Anwendung genetischer Algorithmen zur Kalibrierung Typologie-basierter energetischer Gebäudemodelle

Unfalle auf der Baustelle enden im Vergleich zu anderen Wirtschaftszweigen ofter mit schwereren Folgen. Bauarbeiter sind einer Reihe an Gefahren ausgesetzt, wie herunterfallenden Gegenstanden, mechanischen Gefahrdungen wie Absturz von grosen Hohen, Stolpern, Rutschen, beim Umgang mit schweren Maschinen sowie giftigen Gasen und so weiter. Des weiteren stellt das hohe Unfallrisiko auch ein hohen Kostenfaktor fur Bauunternehmen dar. Aus diesen Grunden sind Bauunternehmen besonders interessiert an Masnahmen zur Gefahrenpravention, die mit einer fruhzeitigen Lokalisierung der Gefahrenfaktoren verbunden ist. Die besonderen Herausforderungen fur den Arbeitsschutz auf der Baustelle, aufgrund der wechselnden Bedingungen durch Klimaeinflusse oder nicht stationarer Arbeiten, fordern ein System, dass die Prozessuberwachung in Echtzeit ausfuhren und anhand dessen Zukunftsprognosen zu erstellen um die Entstehung von Gefahrensituation verhindern zu konnen. Die Prozessuberwachung kann mit dem Einsatz geeigneter vernetzter Sensoren erfolgen, die standig Informationen zum Erfassungsbereich des Sensors an eine Netzwerk weitergeben. Die gesammelten Daten stehen jedoch in keiner Beziehung zueinander, so dass eine Auswertung der Gesamtsituation hier schwierig wird. Zudem bedarf es Expertenwissen zur Interpretation der bereitgestellten Informationen, deren manuelle Bearbeitung viel Zeit in Anspruch nimmt. Im Rahmen des Forschungsprojekts integratives-Safety-Awareness-Model (iSAM) wurden beispielhaft einige Sensoren mit Methodiken aus dem Bereich der Agentenmodellierung fur den Einsatz der Gefahrdungsdetektion auf Baustellen erweitert und in einem Multiagentensystem vernetzt. Der konzeptionelle Ansatz zur Entwicklung von Agenten zur Bedienung, Kontrolle und Kalibrierung eines Sensors und zur Detektion von Gefahrenfaktoren auf Baustellen soll im vorliegenden Beitrag prasentiert werden. Die Echtzeitfahigkeit wurde mit Hilfe eines 3D Sensors validiert.Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht eine Verdopplung der Sanierungsrate im Gebaudesektor von 1 auf 2 % vor. Dies erfordert unter anderem eine Steigerung der Transparenz und Aussagekraft entsprechender Informationsinstrumente. Energetische Gebaudesimulationen konnen in diesem Kontext fur Entscheidungstrager eine wichtige Grundlage zur Auswahl geeigneter Sanierungsmasnahmen bilden. Die energetische Gebaudemodellierung stellt dabei einen oftmals zeitintensiven Prozess dar, welcher eine Vielzahl an detaillierten Nutzereingaben erfordert. Ansatze zur Vereinfachung und Automatisierung der Modellgenerierung stutzen sich in der Regel auf Gebaudetypologien, um fehlende Nutzereingaben durch statistisch fundierte Annahmen zu ersetzen. Die Verwendung nicht-verifizierter Annahmen schrankt jedoch die Validitat und Aussagekraft der resultierenden Simulationsergebnisse deutlich ein. Das vorliegende Paper stellt deshalb einen Ansatz zur Kalibrierung Typologie-basierter energetischer Gebaudemodelle auf Basis von Smart Meter Daten vor. Mit Hilfe eines genetischen Algorithmus soll dabei ein Set von Parametern ermittelt werden, welche das typologische Modell derart verandern, dass dieses das reale Gebaude hinreichend genau abbildet.Durch die europaweite Einfuhrung der Smart-Meter Zahler, ist es moglich individuelle Energieverbrauchsdaten automatisiert und in einem beliebigen Zeitraum messen zu konnen. Das Institut fur Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen der Technischen Universitat Darmstadt beschaftigt sich im Forschungsprojekt „SmartER Game“ damit, welcher Mehrwert sich durch die Auswertung dieser Daten fur Verbraucher, Versorger und Umwelt generieren lasst. In diesem Zusammenhang ist die Aufgabe dieser Thesis einen Software Generator zu entwickeln, der es ermoglicht mit Hilfe der IWU-Gebaudetypologie simulationsfahige Modelle von Einfamilienhausern zu entwickeln, welche in Zukunft diese Daten nutzen konnen, um reale Simulationen uber Energieverbrauche zu tatigen. Deshalb wurde die Simulationssoftware EnergyPlus und dessen Erweiterung OpenStudio untersucht, um Hintergrunde, Ablaufe und notige Parameter fur die Modellierung zu verstehen und zu analysieren. Auserdem wurde bei dieser Betrachtung festgestellt, dass die amerikanische Software auch fur die europaischen Gebaude anwendbar ist, auch wenn dadurch einige erlauternde Anderungen vorzunehmen sind. Die OpenStudio API wurde verwendet, um ein Modell mit Konstruktion, verschiedenen Raumen, Bewohnern, Heizanlage, elektronischen Geraten und Licht zu erstellen. Die einzelnen Parameter wurden untersucht, um ihre Bedeutung fur die Modellierung zu qualifizieren. Ziel war es, die Vorgaben der EnEV zu verwirklichen, um ein realitatsnahes Modell zu entwickeln. Dabei wurden fehlende Kenntnisse durch die IWU-Gebaudetypologie, IWU Anlagenkennwerte, der EnEV und dem statistischen Bundesamt erganzt und deren Auswirkungen auf die Simulationsergebnisse untersucht. Dadurch konnte die Eingabe des Nutzers auf die Information des Gebaudetyps und Baujahr reduziert werden. Die Kompatibilitat mit EnergyPlus wurde hergestellt und die Ergebnisse auch in OpenStudio veranschaulicht und verglichen. So konnte gezeigt werden, dass es moglich ist, mit der Verwendung der IWU-Gebaudetypologie als Datenbank, einen Software Generator zu erstellen, der simulationsfahige Modelle entwickelt, welche aussagekraftige Ergebnisse liefern. Dazu sind vom Nutzer keine Fachkenntnisse in Bezug auf Baukonstruktion, energetische Berechnungen, Softwareprogrammierung oder der Simulationssoftware EnergyPlus notwendig. Am Schluss einer jeden Generierung konnte eine Simulation gefahren und dem Nutzer die Ergebnisse durch einfache visuelle Verwendung der EnEV Skala veranschaulicht werden.In diesem Bericht werden Methoden vorgestellt, die eine ganzheitliche Integration energetisch aktiver Fassadenelemente vereinfachen sollen. Dafur werden eine digitale Produktdatenmodellierung vorgeschlagen, eine Kollaborationsplattform konzipiert und eine objektorientierte Versionierungshistorie entwickelt. Fur die Produktdatenmodellierung ist der IFC-Standard entsprechend seines Schemas so erweitert worden, dass allgemein multifunktionale Bauteile damit beschrieben werden konnen. Fur die Kollaborationsplattform wurden Anforderungen gesammelt und ein Konzept mit drei Ebenen (Layern) erarbeitet. Hierfur wurden verschiedene Funktionen wie gemeinsame Datenhaltung, Produktdatenkatalog und Kommunikationsmanagement vorgesehen. Die verwendeten Programme im gesamten, verteilten System konnen autonom uber ein Multi-Agenten-System (MAS) kommunizieren und Aufgaben bearbeiten, um den Planer zu unterstutzen. Das MAS erzeugt auserdem eine objektorientierte Versionierungshistorie, die sicherstellen soll, dass der Informationsverlust im Laufe des Planungsprozesses minimal ist. Dies wird dadurch erreicht, dass fur neu hinzugefugte Modellkomponenten Vorgangerelemente gesucht und verlinkt werden.Die Nutzung von Standortinformationen speziell innerhalb von Gebauden hat in den letzten Jahren und verstarkt mit der Vorstellung der Bluetooth-basierten Apple iBeacons ein hohes Interesse erfahren. Gerade im Bereich des Facility Managements zeigt sich zum Beispiel bei der Navigationsunterstutzung von Handwerkern wahrend der Konstruktions- oder Nutzungsphase des Gebaudes ein groses Potenzial durch die Lokalisierung der Nutzer. Bei der Entwicklung von Systemen zur Standortbestimmung wird dabei haufig auf die bereits vorhandene drahtlose Infrastruktur (Wi-Fi) oder energieeffiziente Bluetooth Low Energy-Beacons zuruckgegriffen. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Stabilitat werden bei diesen signalbasierten Sensoren oft Musterabgleichsverfahren, allen voran das Fingerprinting, fur die Berechnung der Position der Nutzer verwendet. In dieser Arbeit werden, basierend auf der Definition eines Fingerprints als mathematischer Vektor, insgesamt elf unterschiedliche Berechnungsverfahren untersucht und miteinander verglichen. Dabei werden sowohl „Nearest Neighbor“-Verfahren betrachtet, welche die Euklidische Distanz zweier Vektoren berechnen, als auch Verfahren, die die Kosinus-Ahnlichkeit und somit den Winkel zwischen zwei Vektoren vergleichen. Daruber hinaus werden weitere Verfahren betrachtet, die andere Ahnlichkeitsmase verwenden und haufig im Kontext des „Data-Mining“ Anwendung finden. Die verschiedenen Verfahren wurden im Zuge einer umfangreichen Evaluation in einem Burokomplex bei laufendem Betrieb getestet und verglichen. Dabei wurden zwei Smartphones fur die Datensammlung verwendet und die Verfahren in unterschiedlichen Infrastrukturbedingungen analysiert. Die Evaluationsergebnisse zeigen, dass es teilweise erhebliche Unterschiede in der Genauigkeit der Berechnung gibt und veranschaulichen, dass das „Adapted Nearest Neighbor“-Verfahren das groste Potenzial bietet und wie die Berechnungsgenauigkeit noch weiter optimiert werden kann.