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Semantic floorplan segmentation using self-constructing graph networks
Full text linkThis article presents an approach for the automatic semantic segmentation of floorplan images, predicting room boundaries (walls, doors, windows) and semantic labels of room types. A multi-task network was designed to represent and learn inherent dependencies by combining a Convolutional Neural Network to generate suitable features with a Graph Convolutional Network (GCN) to capture long-range dependencies. In particular, a Self-Constructing Graph module is applied to automatically induce an input graph for the GCN. Experiments on different datasets demonstrate the superiority and effectiveness of the multi-task network compared to state-of-the-art methods. The accurate results not only allow for subsequent vectorization of the existing floorplans but also for automatic inference of layout graphs including connectivity and adjacency relations. The latter could serve as basis to automatically sample layout graphs for architectural planning and design, predict missing links for unobserved parts for as-built building models and learn important latent topological and architectonic patterns
Social Cohesion and Resilience through Citizen Engagement
Full text linkThis is an open access title available under the terms of a CC BY-NC-ND 4.0 License. It is free to read, download and share on Elgaronline, thanks to generous funding support from the German Academic Exchange Service (DAAD) and the German Ministry for Education and Research (BMBF). This incisive book examines how citizens are increasingly taking it upon themselves to change their neighbourhoods and communities, becoming co-producers, makers and pioneers who actively participate in the design of urban spaces and spatial processes. Analysing the potentials and limitations of civic engagement, it discusses how such participation has led to greater cohesion of communities against changing environments
Erhaltungsperspektiven für die City Nord
Full text linkDie City Nord folgt dem Aufbau der funktionalen Stadt mit der Trennung von Wohnen, Erholung, Arbeiten sowie Verkehr und entspricht damit dem Leitbild der Charta von Athen, die eine aufgelockerte, durchgrünte und nach Funktion gegliederte Stadtstruktur beschreibt.
Die vorliegende Arbeit untersucht die vorwiegend baulichen und nutzungsbezogenen Veränderungen in der City Nord im Hinblick auf den Erhalt nachkriegsmoderner Planungsleitbilder und Konzeptionsideen. Die Basis für die Untersuchung bildet dabei der 2011 veröffentlichte Masterplan zur zukünftigen Entwicklung der City Nord. Aus der Forschung mittels Literatur- und Desktoprecherche sowie Expert:inneninterviews werden zukünftige Erhaltungsperspektiven für die nachkriegsmodernen Planungsleitbilder der City Nord abgeleitet. Die Arbeit kommt zum Schluss, dass die Bebauungsstruktur in der City Nord auf politischer, wirtschaftlicher und denkmalrechtlicher Ebene Erhaltungsperspektive besitzt, jedoch insbesondere das nachkriegsmoderne monofunktionale Nutzungsspektrum aufgebrochen wird
Development of an FEM diffusion model for chloride transport in concrete
Full text linkDie Chloriddiffusion in Beton erfährt Einflüsse, welche in ihrer Gänze eine hohe Komplexität beinhalten. Analytische Lösungsansätze des 2. Fick’schen Diffusionsgesetzes können das Chlorideindringen in Beton über Vereinfachungen des Sachverhaltes modellieren; sie zeigen jedoch Grenzen auf, nicht-lineare Einflüsse hinreichend genau darzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Diffusionsmodell auf Grundlage der
Finite-Element-Methode (FEM) entwickelt, um die Einflüsse der Porosität, Tortuosität, Chloridbindung, des Porenverschlusseffektes und der Kontaktzone zwischen Zementstein und Gesteinskorn numerisch in Abhängigkeit der Struktur von Beton zu berücksichtigen. Die Grundtauglichkeit des Modells konnte durch eine Validierung mit empirisch ermittelten Daten belegt werden.The chloride diffusion in concrete is impacted, directly and indirectly, by a number of factors resulting in a complex system of interdependences and reactions. Describing these processes by using an analytical approach based on Fick’s 2nd law of diffusion requires simplifications causing a limited representation of non-linear circumstances like i.e. chloride binding. In order to include the impacts of porosity, tortuosity, chloride binding, pore blocking effect and the interfacial transition zone (ITZ) in a numerical way by considering the structure of concrete a diffusion model has been developed based on the finite element method. A basic suitability of this model has been proved by a validation using empirical data
Modellierung eines Frostangriffes auf Beton als Zweischichtsystem mittels FEM auf Basis von empirischen Daten aus CDF und modifizierten Migrationsprüfungen
Full text linkAutomatisierte Segmentierung und Klassifizierung von Objekten in 3D-Punktwolken mit künstlichen neuronalen Netzen
Full text linkThe recording of objects surfaces with Light Imaging, Detection and Ranging (LIDAR) scanners is a well-established surveying method for the highly accurate and detailed geometric creation of models. The result of LIDAR recordings is a three-dimensional (3D) point cloud with geometric and spectral (intensity and color values) features that represent a geometric model of reality. This model is usually automatically extended by the human imagination with semantic information by looking at it, so that object classes, individual objects or measurement errors in the point cloud can be reliably identified. The easy interpretation of point cloud scenes and its effective recording with LIDAR scanners has led to the fact that point clouds become a quasi-format standard for 3D models, besides to mesh, voxel and parametric models. Semantic features are necessary for automatic processing of point clouds, for example, in a building information model. Currently, semantic enhancement of point cloud information is mostly done manually, and automation (e.g., via deep learning methods) is still a subject of research. In particular, Artificial Neural Networks (ANN) have proven to be effective for this task when the data and hyperparameters (HPs) are optimized.
In this thesis, the PointNet ANN was used as an example to research which are optimal point cloud data and HPs. The creation of training data with manual annotation tools, the implementation and research of processes for automatic semantic segmentation, and the development of a heuristic quality model for the evaluation of point cloud datasets and of semantic segmentation processes are the central research issues. The annotation tool, Point Cloud Classification Tools (PCCT), was developed to investigate automation, training processes of annotators, and features influence. For automatic point cloud processing, influences are points from erroneous measurements, the class inequality and the semantic class definitions. Different class definitions and methods for minimizing the differences in class sizes have been developed, adaptations in point cloud pre-processing have been applied and the weighting of infrequent classes have been optimized.
The research results show that optimal (data-based) HPs for semantic segmentation of a building dataset can be defined. This HP set and the approach can be used as guidelines for similar projects. An increase in recall of more than 50% for infrequently occurring classes can be achieved by algorithm-based class definition and class size consideration. Using the heuristic quality model, available training data and semantic segmentations can be evaluated and compared.Die flächenhafte Erfassung von Objektoberflächen mit Light imaging, detection and ranging (LIDAR) Scannern ist ein etabliertes Vermessungsverfahren zur hoch-genauen und detailreichen geometrischen Erstellung von Modellen. Das Ergebnis der LIDAR Erfassung ist eine dreidimensionale (3D) Punktwolke mit geometrischen und spektralen Merkmalen, die ein geometrisches Modell der Realität darstellen. Dieses Modell kann durch Menschen beim Betrachten meist automatisch um semantische Informationen erweitert werden, so dass Objektklassen, einzelne Objekte oder Messfehler in der Punktwolke sicher erkannt werden. Die einfache Interpretation durch den Menschen von Punktwolkenszenen und deren effektiven Erfassung mit LIDAR Scannern hat dazu geführt, dass Punktwolken neben den Mesh-, den Voxel- und den parametrischen Modellen quasi zu einem Formatstandard geworden sind. Semantische Merkmale sind für die automatische Verarbeitung der Punktwolken, z. B. in einem Bauwerksinformationsmodell, notwendig. Die semantische Erweiterung der Punktwolkeninformationen wird aktuell meist händisch durchgeführt und eine Automatisierung (z. B. mittels Deep Learning Verfahren) ist Gegenstand der Forschung. Insbesondere haben sich für diese Aufgabe Künstliche Neuronale Netze (KNN) als effektiv erwiesen, wenn die Daten und Hyperparameter optimiert sind.
In dieser Arbeit wurde am Beispiel des KNN PointNet erforscht, welche Punktwolkendaten und Hyperparamter optimal sind. Die Erstellung von Trainingsdaten mit händischen Annotationswerkzeugen, die Implementierung und Erforschung von Prozessen zur automatischen semantischen Segmentierung, sowie die Entwicklung eines heuristischen Qualitätsmodells zur Evaluation von Punktwolkendatensätzen und von semantischen Segmentierungsprozessen standen im Fokus. Das Annotationswerkzeug Point Cloud Classification Tools (PCCT) wurde entwickelt, mit dem die Automatisierung, die Trainingsprozesse von Annotatoren und die Funktionen in Annotationswerkzeugen untersucht werden. Bei der automatischen Punktwolkenverarbeitung sind die Einflüsse Punkte aus fehlerhaften Messungen, Klassenungleichheit und die semantische Klassendefinition zu berücksichtigen. Verschiedene Klassendefinitionen und Methoden für die Minimierung der unterschiedlichen Klassengrößen wurden entwickelt, Adaptionen bei der Punktwolkenvorverarbeitung wurden angewendet und die Gewichtung von seltenen Klassen wurde optimiert.
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass optimale (datenbasierte) Hyperparameter für die semantische Segmentierung eines Bauwerksdatensatzes definiert werden können. Diese Hyperparamter und das Vorgehen können als Richtlinien für ähnliche Projekte verwendet werden. Eine Steigerung der semantischen Genauigkeit um bis 50% (Recall) ist bei selten vorkommenden Klassen kann durch eine algorithmusbezogene Klassendefinition und die Berücksichtigung der Klassengrößen erzielt werden. Mittels des heuristischen Qualitätsmodells können verfügbare Trainingsdaten und semantische Segmentierungen evaluiert werden
Die kreativen Potenziale des Modellierens: Modelle, Modellnutzung und die Tätigkeit des Modellierens als Methoden im Tragwerksentwurf
Full text linkThis dissertation deals with the creative potentials of model-use and modelling understood as methods in the structural design process. Hereby, structural design is considered as the creative process of developing a load-bearing concept for a structure or building. While previous research on the structural design process was largely based on specific examples, an abstraction to the methods used in the process is so far lacking. Specifically, there is a lack of knowledge on which methods contribute to the generation of creativity; yet creativity is a crucial prerequisite for addressing the multiple challenges the construction sector is currently facing, such as the transformation towards sustainable construction. Previous research suggests that the use and development of models representing the structural design or parts of it play an important role for the generation of creativity within structural design. However, an in-depth understanding of how model-use or modelling are related to the generation of creativity is lacking.
This dissertation aims to shed light on the generation of creativity in structural design. Particularly, it focuses on model-use and modelling as central practices of this process. Hereby, the model is seen as an agent with a generative capacity and the ability to actively contribute to the structural design process. The goal is to generate a better understanding of models, model-use and modelling as methods in the structural design process, and of their contribution to the generation of creativity. The main research question is: What are the creative potentials of model-use and modelling in structural design, and how can they be comprehended conceptually in a method of modelling?
To answer this research question, the dissertation combines different qualitative methods from the empirical social sciences with an interdisciplinary literature review in a grounded theory process. First, qualitative interviews with structural engineers were conducted. The interviews centred on the structural design process, its underlying methods, model-use and modelling, and their contribution to the generation of creativity. Second, a participatory observation of modelling practices in an engineering office was carried out. The empirical data was analysed using different coding techniques and comparative analysis. The generated findings were compared and contrasted with findings from an interdisciplinary literature review on models and modelling in the fields of structural design and philosophy of science and technology, and further validated using triangulation, expert validation, and peer debriefing.
The dissertation provides multiple insights on methods practising engineers employ in the structural design process and particularly on model-use and modelling. First, central mechanisms inherent to models are specified, as well as their effects and impacts on design development and communication, which are the main goals in the structural design process. Second, three ideal-typical translation processes - content-centred, communication-centred, and environment-centred - are identified, which can be conceptualised as the basic elements of the activity of modelling. Third, two different practices of modelling, namely an engaging with either the model content or the model environment, are described. As a synthesising result, a method of modelling is developed, which aims to provide orientation to engineers engaged in structural design processes.
Through these findings, the dissertation provides with a better understanding of models, model-use, and modelling in structural design, as well as of different strategies for creativity for structural design processes. Conceptually, implicit knowledge is made explicit and thus available for further reflection or application, namely knowledge on the structural design process and on model-use and modelling as methods within it. With respect to structural design practice, this could help to interact with models in a way that makes use of their creative potentials or lead to the development of modelling tools that appropriately respond to the working practices of structural engineers. Methodologically, the dissertation contributes by providing an in-depth and detailed example case of how qualitative methods from the empirical social sciences can be applied in the structural engineering context to generate new findings. Overall, the dissertation thus contributes on several levels to the state of research on models and modelling and the generation of creativity in structural design.Diese Dissertation befasst sich mit den kreativen Potenzialen der Modellnutzung und der Tätigkeit des Modellierens als Methoden im Tragwerksentwurf. Der Tragwerksentwurf wird dabei als kreativer Prozess verstanden, bei dem eine tragende Struktur für ein Bauwerk entwickelt wird. Bisherige Forschung zum Tragwerksentwurf basiert weitgehend auf Beispielen - ohne von diesen Methoden zu abstrahieren. Insbesondere fehlt das Wissen, welche Methoden zur Entstehung von Kreativität im Tragwerksentwurf beitragen. Kreativität ist jedoch nötig für die Bewältigung der Herausforderungen, die sich der Baubranche aktuell stellen, beispielsweise durch die nötige Transformation zum nachhaltigen Bauen. Bisherige Forschung suggeriert, dass die Verwendung oder die Entwicklung verschiedener Modelle, die den Tragwerksentwurf oder Teile dessen repräsentieren, eine zentrale Rolle für die Entstehung von Kreativität spielen. Allerdings mangelt es an einem Verständnis dafür, wie genau die Modellnutzung und das Modellieren zur Generierung von Kreativität beitragen.
Die Dissertation beleuchtet ebendiese Entstehung von Kreativität im Tragwerksentwurf. Dabei fokussiert sie auf die Modellnutzung und das Modellieren als zentrale Praktiken dieses Prozesses. Modelle werden als Agenten mit produktiven Fähigkeiten betrachtet, die aktiv zum Tragwerksentwurf beitragen. Ziel ist es, ein besseres Verständnis von Modellen, der Modellnutzung und dem Modellieren als Methoden im Tragwerksentwurf sowie von deren Beitrag zur Entstehung von Kreativität zu entwickeln. Die Hauptforschungsfrage lautet: Welches sind die kreativen Potenziale der Modellnutzung und des Modellierens im Tragwerksentwurf und wie können diese konzeptionell in einer Methode des Modellierens erfasst werden?
Um diese Forschungsfrage zu beantworten, wurden qualitative Methoden der empirischen Sozialforschung mit einer interdisziplinären Literaturrecherche in einem Grounded Theory-Prozess kombiniert. Zunächst wurden qualitative Interviews mit Tragwerksplanenden durchgeführt. Die Interviews fokussierten den Tragwerksentwurf, die ihm zugrundeliegenden Methoden der Modellnutzung und des Modellierens sowie deren Beitrag zur Entstehung von Kreativität. Darauf aufbauend erfolgte eine teilnehmende Beobachtung von Modellierungspraktiken in einem Planungsbüro. Die empirischen Daten wurden mithilfe verschiedener Kodierungstechniken und vergleichender Analysen ausgewertet. Die resultierenden Erkenntnisse wurden mit den Ergebnissen einer interdisziplinären Literaturrecherche zu Modellen und der Tätigkeit des Modellierens in den Bereichen Tragwerksentwurf und Wissenschafts- und Technikphilosophie verglichen und mittels Triangulation, Expertenvalidierung und Peer-Debriefing weiter validiert.
Die Dissertation liefert zahlreiche Erkenntnisse zu den Methoden von Tragwerksplanenden im Tragwerksentwurf, insbesondere zur Modellnutzung und zum Modellieren. So werden erstens zentrale modellimmanente Mechanismen sowie deren Auswirkungen auf die Entwurfsentwicklung und Kommunikation, zwei Hauptziele im Entwurfsprozess, spezifiziert. Zweitens werden drei idealtypische Übersetzungsprozesse - inhalts-, kommunikations- und umgebungszentriert -- identifiziert, die als Grundelemente der Tätigkeit des Modellierens betrachtet werden können. Drittens werden verschiedene Praktiken des Modellierens beschrieben. Als synthetisierendes Ergebnis wird eine Methode des Modellierens entwickelt, welche Tragwerksplanenden als Orientierung in Entwurfsprozessen dienen kann.
Anhand dieser Ergebnisse vermittelt die Dissertation ein besseres Verständnis von Modellen, der Modellnutzung und der Tätigkeit des Modellierens sowie von verschiedenen Kreativitätsstrategien im Tragwerksentwurf. Auf konzeptioneller Ebene wird implizites Wissen über den Tragwerksentwurf sowie über die Modellnutzung und das Modellieren als Methoden dieses Prozesses explizit und somit für weitere Überlegungen und Anwendungen verfügbar gemacht. Im Hinblick auf die Entwurfspraxis könnte dies zu einer Interaktion mit Modellen führen, die kreative Potenziale nutzbar macht, oder zu einer Entwicklung von Werkzeugen, die die Arbeitsweisen von Tragwerksplanenden unterstützen. Ein zusätzlicher methodischer Beitrag besteht in der Darstellung eines umfassenden und detaillierten Fallbeispiels, welches aufzeigt, wie qualitative Methoden der empirischen Sozialforschung im Kontext des Ingenieurwesens angewendet werden können. Insgesamt trägt die Dissertation somit auf mehreren Ebenen zum Stand der Forschung zu Modellen, der Tätigkeit des Modellierens und der Entstehung von Kreativität im Tragwerksentwurf bei
Exploring multi-modelling approaches in Hamburg, Germany’s evolving digital urban twin infrastructure
Full text linkDigital urban twin technology is currently being developed, prototyped and tested to address multiple challenges related to sustainable urban development. Crossing specialist sectors and departments, such technology aims to integrate, orchestrate and govern multiple models across domains and paradigms. However, currently available solutions are largely confined to singular, tailor-made and proprietary solutions that structurally limit the development and connection of various multi-paradigm and multi-scale models. In this paper, we present our work-in-progress on the use of multi-modelling approaches within Hamburg’s evolving modular digital urban twin infrastructure. Based on participatory multi-stakeholder workshops, we address the multi-domain issue of energetic renovation and its potential gentrification effects by creating a city-scale system dynamics and a neighborhood-scale agent-based model. Connecting them via an urban model platform, preliminary findings show that such a system-of-systems approach combined with a multi-stakeholder model development seems promising for the future of multi-modelling in the context of digital urban twins
BuildDigiCraft : New Mindset for High-quality Baukultur in Europe: Bridging Craft and Digital
Full text linkThis book contains all project results of the Erasmus+ project “New mindset for high-quality European Baukultur: bridging digital and craft”, in short BuildDigiCraft. The project was realized between 2019-2022 as an Erasmus+ strategic partnership between eight universities from the Baltic Sea Region.
BuildDigiCraft explores the interrelation of the new digital tools, the traditional building craft techniques, the current design practice and the values behind the process of shaping the built environment. Its main research question is: “How do we shape the future built environment in a world of growing digitalization and professional specialization?”
The book contains the following chapters: 1. Introduction; 2. Chapters: 2.1. Training program; 2.2. Glossary; 2.3. Process; 2.4. Knowledge; 2.5. Material; 3. Manifesto; 4. Catalog of Video Lectures; 5. Full List of Participant