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DFG Forschergruppe 2363 „Bewertung von Gebäudeentwurfsvarianten in frühen Entwurfsphasen auf Basis adaptiver Detaillierungsstrategien“ DFG Researcher.

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1 DFG Forschergruppe 2363 „Bewertung von Gebäudeentwurfsvarianten in frühen Entwurfsphasen auf Basis adaptiver Detaillierungsstrategien“ DFG Researcher Unit 2363 “Evaluation of building design variants in early phases using adaptive levels of development” Katholieke Universiteit Leuven, Belgien Prof. Dr.-Ing. Philipp Geyer Sundar Singaravel, MSc.

2 Partners Prof. Dr.-Ing. André Borrmann Technische Universität München
Prof. Dr.-Ing. Markus König Ruhr-Universität Bochum Prof. Dr.-Ing. Frank Petzold, Technische Universität München Prof. Dr.-Ing. Philipp Geyer Katholieke Universiteit Leuven, Belgien Prof. Dr.-Ing. Werner Lang Technische Universität München Prof. Dr.-Ing. Martina Schnellenbach-Held Universität Duisburg-Essen Researcher group consisting of 5 researchers + PhD students at 4 universities funded by DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) = German Research Foundation equivalent to FWO in Belgium Project: Fundamental research on BIM for early design phases 21st of March | Beyond BIM | Ghent

3 Challenge Early design phases
Building Information Modeling (Digital Models) rarely used Higher planning effort / more details required Incomplete planning information Variant examination useful and often expected Understandable evaluation of performance, costs, economics, constructability FOR 2363 Building Information Modeling (Digital Models) rarely used Flexibility and variable detailing missing Higher planning effort / more details required BIM requires more modelling Incomplete planning information In early stages a lot of things are not known Variant examination useful and often expected Early design requires alternative thinking Understandable evaluation of performance, costs, economics, constructability For an integrative multidisciplinary well-performing design early analysis is required Quelle: Borrmann et al nach MacLeamy 2004 21st of March | Beyond BIM | Ghent 3

4 Problems in early design phases
Variant management Barely digital support Inconsistencies and redundancies Detailing History not recorded Fuzzy information not representable Information depth not dynamically adaptive Evaluation Simulation and analysis not sufficiently usable Exploration and selection of variants not well supported Quelle: DB Netz AG 2015 Quelle: Bredehorn et al. 2016, 21st of March | Beyond BIM | Ghent

5 Research objectives Make Building Information Modeling efficiently applicable in early design phases Manage complexity (detailing, variants, performance etc.) Enable detailed analysis and simulations in early phases Visual exploration of designs for decision support Enhancement of planning quality and building performance 21st of March | Beyond BIM | Ghent

6 Scientific methods Multiscale modeling Consistent detailing
Integration of fuzzy information Variant management Representation of variants with low redundancy Combination of variants and generation of building models Quelle: Bredehorn et al. 2016, 21st of March | Beyond BIM | Ghent

7 Scientific methods Simulation-based evaluation
Specification and checking of requirements Semi-automatic completion Adaptive prediction models Partial update calculation for changes Knowledge databases and substitute models 21st of March | Beyond BIM | Ghent

8 Scientific methods Visual exploration
Intuitive Navigation for detailing, fuzziness and variants Visualization of simulation-based evaluation Decision support Comparison of variants and evaluations Documentation of the design history and decisions Quelle: TUM 21st of March | Beyond BIM | Ghent

9 + Group and interactions TP1: Detailing and fuzziness
TP2: Variants and generation TP4: Adaptive system flows model TP5:Intelligent substitute models + TP3: Exploration and decision support 21st of March | Beyond BIM | Ghent

10 Subproject 4 „System-based simulation of energy flows“
Katholieke Universiteit Leuven, Belgien Prof. Dr.-Ing. Philipp Geyer Technische Universität München Prof. Dr.-Ing. Werner Lang Dipl.-Ing. Patricia Schneider 21st of March | Beyond BIM | Ghent

11 TP4 - Challenge Early design phase: High influence on design
High improvement potential of performance Low information density of models Hardly any tools for total energy analysis Existing simulation tools inappropriate due to high information density No methods for reliable assessment of lifecycle energy consumption Gesamtenergiebedarf ist in Frühen Planungsphasen: sehr gut beeinflussbar Hohes Verbesserungspotenzial Geringe Informationsdichte Kaum computergestützte Methoden zur Analyse und Simulation des Gesamtenergiebedarfs Bestehende Simulationsmethoden sind für frühe Planungsphasen ungeeignet (hoher Informations- und Modellierungsbedarf) Keine Methoden für die verlässliche Abschätzung des Energieaufwandes für Herstellung, Instandhaltung, Entsorgung („graue Energie“) TP4 wird einen neuartigen Modellierungs- und Analyseansatz gekoppelt an adaptive Detaillierung für frühe Entwurfsphasen entwickeln 21st of March | Beyond BIM | Ghent

12 Development of a systems model
Parametric object-oriented and flow-based modelling and simulation Decomposition using design structure matrix (DSM) and system identification System flow modelling using SysML Fuzziness attributes with propagation Dynamic components as knowledge database nach AP1 Anforderungsanalyse AP 2  Kernansatz des TP: Parametrische objektorientierte und flussbasierte Systemmodellierung und -simulation 1. Schritt: Dekomposition – welche Komponenten gibt es, welche Parameter haben sie Methoden: Design Structure Matrix (DSM) und numerisch –> Methoden der Systemidentifikation Weitere Modellierung und Dokumentation: SysML Zur Darstellung von Unschärfe mit Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion arbeiten Attribut von Flüssen in Systemmodell und Simulation als auch in zu entwickelnden dynamischen komponenten-integrierten Datenbanken für graue Energie Umgang mit Unsicherheit, Beurteilung der Zuverlässigkeit der Ergebnisse –> Fehlerfortpflanzungsberechnung implementiert 21st of March | Beyond BIM | Ghent

13 Modular analysis and simulation
Substitute models based on metamodelling and machine learning Black/White/Gray box approaches Sensitivity analysis for development of substitute models and uncertainty analysis AP3 Modulare Berechnungs- und Simulationsverfahren Im Zentrum: Echtzeitantwort Ersatzmodelle und maschinelles Lernen auf Komponentenebene Black Box Modelle, White Box Modelle Grey Box Modelle = Mischformen In Vorarbeiten: Exemplarisches Modell für Gesamtgebäude für 6 Entwurfsparameter auf erweiterter RSM weniger als 7% Abweichung von detaillierter Energiesimulation Ganz aktuell erfolgreiche Entwicklung für COP einer Kältemaschine –> Komponente auf ANN-Basis ‌‍Sensitivitätsanalyse (1) Überführung in Ersatzmodelle  welche Parameter sind relevant (2) zur Unsicherheitsermittlung Datenquelle: Betriebsenergie: Parametrische Simulationsmodelle Graue Energie: Vergleichende Auswertung vorhandene Daten 21st of March | Beyond BIM | Ghent

14 Synchronization and model transformation for detailing and update
Rule-based and knowledge-driven transformations for the derivation and update of the system model Graph grammars for Partial update calculations Sensitivity analysis to determine information demand Structures defined by SysML AP4 Synchronisationsmechanismen Modelltransformationen zur Detaillierung und Aktualisierung ‍Regel- und wissensbasierter Transformationen für Ableitung und Aktualisierung des Systemmodells Formale Basis hierfür sind Graphengrammatiken Es soll untersucht werden, zu welchem Grad partielle Neuberechnung zur Modellaktualisierung möglich sind ‍Sensitivitätsanalyse als Methode zur Detaillierungsanfrage Wo ist weiterer Informationsbedarfs –> Anfrage auslösen / Vorschläge machen Informations- und Kommunikations­strukturen durch SysML beschreiben 21st of March | Beyond BIM | Ghent

15 Expected results for Subproject 4
Modular system flow modeling method for adaptive detailing Modelling method for discipline-crossing interdependencies (example energy flows) Treatment of incomplete and fuzzy information Potential of partial adaptive update calculations Decision support in early design phases Approach of substitute modelling of energy Possibility of black/white/gray box models for early design phases Quick responding design assistance Modulare Systemflussmodellierung für adaptive Detaillierung Modellierungsmethode disziplinübergreifender Abhängigkeiten (Beispiel Energie) Umgang mit unvollständigen und unscharfen Informationsständen Ergebnisse zum Potential der adaptiv-partiellen Neuberechnung ‍Entscheidungsunterstützung früher Entwurfsphasen  schnelle Rückmeldungen und Unschärfe Ansatz der Ersatzmodellierung von Energie Möglichkeiten von Black-Box- / White-Box- / Grey-Box-Modellen für frühe Entwurfsphasen ‍Schnell antwortende Entwurfsassistenz 21st of March | Beyond BIM | Ghent

16 Forschergruppe 2363 „Bewertung von Gebäudeentwurfsvarianten in frühen Entwurfsphasen auf Basis adaptiver Detaillierungsstrategien“ Researcher unit 2363 “Evaluation of building design variants in early phases using adaptive levels of development” Contacts Coordinator: Prof. Dr.-Ing. Markus König Ruhr-Universität Bochum PI of Subproject 4: Prof. Dr.-Ing. Philipp Geyer Katholieke Universiteit Leuven   21st of March | Beyond BIM | Ghent


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