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Entwicklung eines digitalen Werkzeugs für die durchgängige Planung von Kunsteisbahnen auf der Basis eines dreidimensional-parametrischen Kurvenmodells

Künstlich vereiste Bob- und Rodelbahnen sind äußerst anspruchsvolle Ingenieurbauwerke mit höchstem Schwierigkeitsgrad. Aufgrund ihrer komplexen Geometrie und starker, geländebedingter Gefälle gestalten sich Bau und Umbau solcher Konstruktionen als aufwendige und komplizierte Prozesse. Bei der Planung müssen zahlreiche Anforderungen (bau-)technischer, geometrisch-mathematischer sowie Nutzungs- bzw. Sportart bedingter Natur in Einklang gebracht werden.

Im vorgenannten Kontext fokussiert das Forschungsprojekt auf die Entwicklung eines Planungswerkzeuges für den Neubau, Umbau, die Sanierung und den Betrieb solcher Kunsteisbahnen (Abbildung 1). Ziel der neuartigen adaptiven Planungsmethodik ist eine vollständige, digital-parametrische Beschreibung nahezu beliebiger Bahngeometrien durch eine parametrische Bahnachse, bestehend aus einer Abfolge von Geraden und Kurven mit hoher Stetigkeit (Abbildung 2). Das zu entwickelnde Tool soll optimierte Planungsprozesse auf Basis einer konsistenten Modellumgebung ermöglichen.

Mittels moderner CAD-Technologie entsteht ein zentrales 3D-Informationsmodell, welches den verschieden Fachplanerinnen und Fachplanern während des gesamten Prozesses Daten und Informationen zu unterschiedlichen Planungsschritten zur Verfügung stellt. Dadurch sollen Möglichkeiten geschaffen werden, Kunsteisbahnen effizienter zu planen, zu bauen und zu unterhalten.

Keywords: Digitalisierung, Parametrik, CAD, 3D-Modell, Planungswerkzeug, Statik, Fertigung, Energiekosten, Kunsteisbahn, Kurvenmodell, Bahngeometrie, BIM, Simulation, Vorfertigung, CAM, FEM, Nachhaltigkeit

Projektbezogene Besonderheiten

Künstlich vereiste Bob- und Rodelbahnen sind Ingenieurbauwerke mit höchstem Schwierigkeitsgrad. Ursächlich verantwortlich dafür sind die nachfolgend genannten Randbedingungen:

  1. Die notwendige Integration der gesamten Anlage in ein individuelles Gelände mit großem Höhenunterschied und starkem Gefälle führt zu komplexe Baustellenbedingungen.
  2. Individuelle Trassierung (Länge, Art und Anzahl der Kurven, Gefällewechsel) und individuelle Kurvenprofile (Profilparameter wiederholen sich nicht)
  3. Hohe, ständig wachsende Anforderungen zur Gewährleistung maximaler Sicherheit für die Sportler, insbesondere bei Stürzen und Geschwindigkeiten bis 135 km/h
  4. Abschnittsweise Integration der kältetechnischen Einrichtungen in den Bahnkörper und Berücksichtigung der temperaturbedingten Beanspruchungen auf die Konstruktion in Entwurf und Planung (Besondere Einbau- und Nutzungsbedingungen)

Defizite der derzeitigen Planungsmethodik

Der bis heute praktizierte Planungsmethodik fußt auf einem Ansatz der zu Beginn des Baus künstlich vereister Bob- und Rodelbahnen in der zweiten Hälfte der 1960er Jahre entwickelt worden ist. Dieser basiert auf einer Beschreibung der Bahngeometrie auf Basis einer Verknüpfung einer Trassierung der Längsachse (ähnlich den Prinzipien der Straßenplanung) mit der Zuweisung orthogonal zur Bahnachse ausgerichteter Profilkurven entlang entsprechender Stationierungen. Insbesondere vor dem Hintergrund der heute zur Verfügung stehenden rechnentechnischen Möglichkeiten weist die Herangehensweise diverse Defizite auf, die nachfolgen beschrieben werden.

  1. Die planerische Bearbeitung vollständig dreidimensional gekrümmter Bauwerksgeometrien mittels zweidimensionalen Modellen und Werkzeugen ist nicht zeitgemäß, da wichtige Parameter zu räumlichen „Zwischenzuständen“ (Bahnpositionen) nur interpoliert und nicht mit der möglichen Präzision abgeleitet werden können.
  2. Insbesondere für zunehmend nachgefragte Umbauten ist der bisher praktizierter Ansatz ungeeignet, da das Adaptieren von neuen Bahnabschnitten auf vorhandene Bahnabschnitte bzw. Bahngeometrien hochgradig fehleranfällig ist (Trassierung, Querschnitt, etc.) und einen unverhältnismäßig hohen Koordinations- und Zeitaufwand (Personalkosten) verursacht.
  3. Die den bisherigen Stand der Technik abbildende Methodik ist im Sinne einer integralen Planung (BIM) nicht zukunftsfähig, da es nicht möglich ist, unterschiedliche Fachplanermodelle auf der Basis eines gemeinsamen Geometriemodells zu erstellen und inhaltlich zu verknüpfen. Die Aussagekraft der Spezialanalysen (Energiebedarf, Verkleidungen, Beleuchtungen, Kamerastellung in Bezug auf die Ausleuchtung der Bahn, etc.) ist dadurch wesentlich eingeschränkt.
  4. Die derzeit nur punktuell definierte Beschreibung der Bahngeometrie markiert einen Flaschenhals für präzisere fahrdynamische Simulationen (Sicherheit der Sportler).

5) Die Kostenkalkulationen am Beginn der Planung basieren auf Schätzungen und auf Erfahrungswerten des Materialverbrauches, der Bauzeit und auch der Wartung. Optimierungen der Logistikprozesse, des Zeit- und Rohstoffverbrauches und somit der Kosten sind vor dem Hintergrund der fehlenden gemeinsamen Datenbasis im Hintergrund nicht bzw. nur bedingt möglich.

6) Die nicht vorhandene vollständige Beschreibung der Bahngeometrie macht den Einsatz numerisch gesteuerter Maschinentechnik für Bau und Wartung der Bahnen unmöglich, was wiederum die von den Betreibern der Bahnen stark nachgefragte Reduzierung der Betriebs- und Unterhaltungskosten unmöglich macht.

7) Die fehlende vollständige Beschreibung der Bahngeometrie (und alle mit der Bahn verbundenen Konstruktionselemente) schließt eine elementierte Bauweise und Vorfertigung der gekrümmten Elemente unter Werkstattbedingungen aus. Maßgebliche Potenziale zur Senkung der Baukosten und –zeiten der Anlagen können somit nicht erschlossen werden.

Aufgaben von FLEX im Forschungsprojekt

Als wissenschaftlich tätiger Projektpartner verfügt FLEX über ein spezifisches Knowhow auf dem Gebiet des Entwurfs und der Bearbeitung vollständig dreidimensionaler Geometriemodelle für bautechnische Konstruktionen, inklusive Geometriehandling, parametrischer Definitionen und Schnittstellenmodellierungen.

Der innovative Kern des von FLEX bearbeiteten Teilprojekts besteht in der Konzipierung einer Methode zum Entwurf und zur vollständig dreidimensional-parametrischen Beschreibung künstlich vereister Bob- und Rodelbahnen. Das zu entwickelnde Modell soll als „organisatorisches Rückgrat“ entsprechender Planungen dienen und in unterschiedlichen Umgebungen und Planungsumfängen nutzbar sein. Es beinhaltet die nachfolgend aufgeführten Teilelemente:

  1. Entwicklung eines Ansatzes zur Generierung eines im Kontext des Projekts anwendbaren, digital-dreidimensionalen Geländemodells
  2. Konzeptionierung einer adaptiven Methode zur vollständig parametrischen Beschreibung beliebiger Bahngeometrien auf der Basis zweidimensionaler Querschnittsdaten
  3. Aufbereitung räumlicher Geometriedaten zur Verwendung in numerisch gestützten, statischen Berechnungen
  4. Konzipieren und Umsetzen von Schnittstellenlösungen für Interoperabilität zwischen unterschiedlicher CAD, CAM und FEM Software
  5. Umsetzung der vollständigen Prozesskette (Datengrundlage, Datenerstellung, Simulation, Analyse, Planung, Fertigungsdatengenerierung) in einem Gesamtmodell
  6. Beratung des Projektpartners IBG in Bezug auf geometrisch-konstruktive Fragestellungen

Angestrebte technische Funktionalitäten

Das zu entwickelnde 3D-Informationsmodell soll zu jedem Zeitpunkt der Planung (und perspektivisch auch des Betriebs) der Anlage:

  1. eine exakte und vollständige, 3-dimensionale Flächenbeschreibung der Bahn liefern
  2. mit am Markt verfügbaren FEM-Programmen präzisere Berechnungen von Verformungen, Spannungen und Schnittkräften ermöglichen, als auf Basis bisheriger Modellierung möglich
  3.  prüffähige Berechnungen bzw. Dokumentationen generieren
  4. exakte 3D-Daten und Querschnittzeichnungen für die Bauausführenden Firmen liefern
  5. genaue Mengenermittlungen für Bau- oder Sanierungsmaßnahmen ermöglichen
  6. fahrdynamische Berechnungsergebnisse 3D visualisieren und fahr-sicherheitsrelevante Fahrli-nienszenarien qualitativ hochwertig auswerten
  7. exportierbare 3D-Daten für Fachplaner generieren und die Produktion von Simulations- und Prä-sentationsvideos ermöglichen

Ansatz Polylinien-Modell

Eine Bob- und Rodelbahn ist geometrisch gesehen ein lineares, räumlich komplex geformtes Gebilde. Von zentraler Bedeutung für die Beschreibung ihrer Form ist eine geschlossene Definition der Bahnachse vom Start bis zum Ende der Bahn. Die Entwicklung eines parametrischen Modells für die Beschreibung (nahezu) beliebiger Bahnachsen in Abhängigkeit der Geländetopologie markiert eine grundlegende Voraussetzung im Kontext des Forschungsprojekts.

Auf der Basis von zweidimensionalen Geometriedaten, die der Projektpartner IBG aus Referenzprojekten zur Verfügung stellte, wurde bei FLEX ein Konzept zur regelbasierten und automatisierten Generierung von 3D-Trassendaten entwickelt. Der gewählte Ansatz fußt auf der Überlagerung von Parametern aus Grundrissen, Längsschnittdarstellungen sowie Abwicklungen des Bahnverlaufs mit Höhenkoten an genau definierten Punkten im Bahnverlauf. Aus diesen Basisparametern wird eine "Liste" mit einer endlichen Anzahl räumlich präzise verorteter Punkte generiert. Diese wiederum bildet die Grundlage zur Erzeugung von 3D-Polylinien im Kontext der vorhandenen Modellumgebung. Die beschriebene Methodik („Polylinien-Modell“) bildet das Rückgrat für die weitere Modellierung der Bahngeometrie bzw. Bahnführung.

Parametrische Beschreibung der Bahnachse

Das bei FLEX neu entwickelte Polylinien-Modell markiert die Grundlage für eine vollständig parametrische Trassierung des Bahnverlaufs. Dieser kann geometrisch als eine Folge von zumeist gegenläufig gekrümmten Kurvenabschnitten gelesen werden, die über Klothoiden und Geradenabschnitte miteinander verbunden sind. Die stetige Beschreibung der gekrümmten Bahngeometrie als sog. Verbundkurve markiert eine besondere mathematisch-geometrische Herausforderung.

Grundlage der Fortschreibung des Bahnmodells ist die zuvor beschriebene, durchgängige Polylinie vom Start bis zum Ende der Bahn (Abbildung 8). Diese markiert die Basis zur Berechnung der Tangentenlängen der Verbundkurve, welche in der Folge so gekürzt wurden, dass nur die geraden Teilabschnitte der Trasse verblieben (Abbildung 9). Im Anschluss konnten auf der Basis des bei FLEX entwickelten Bahnmodells die ermitteln Radien regelbasiert beschrieben und in die Geometrie implementiert werden (Abbildung 10). Klothoiden markieren die Übergänge zwischen den geraden und kreisförmig gekrümmten Bereichen. Sie wurden als NURBS-Kurven mit wahlweise tangentialen oder krümmungsstetigen Übergängen in die Geometriedefinition implementiert und komplettieren die Haupttrasse der Bahn (Abbildung 11).

Besonderer Dank

FLEX bedankt sich explizit bei Herrn Prof. Dr.-Ing. André Sossoumihen vom Lehrbereich Verkehrs- und Infrastrukturplanung der HTWK Leipzig für die Beratung und Unterstützung. In interdisziplinärer Zusammenarbeit mit ihm wurde der Verbundkurven-Ansatz als wesentlicher Entwicklungsschritt im Projekt entwickelt. Dabei wurde Wissen aus dem Bereich des Straßenbaus im Kontext der Besonderheiten des Forschungsprojekts adaptiert.