Parametrische Kurvenmodelle für Kunsteisbahnen (KuKuMo)

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

Den Kern des Forschungsprojektes bildet die Neuentwicklung einer Methodik zur Generierung digital-parametrischer 3D-Modelle zur Planung von künstlich vereisten Bob- und Rodelbahnen. Im Sinne eines adaptiven Gesamtmodells ist das zu entwickelnde Tool für den primären Einsatz als Planungswerkzeug für Neubauten, Umbauten, Sanierungen und den Betrieb solcher Anlagen vorgesehen. Auf der Basis vollständiger und konsistenter CAD-Daten soll es als „datentechnisches Rückgrat“ zur Verwendung in unterschiedlichen Planungsschritte bzw. -inhalten (Statik, Konstruktion, Kältetechnik) durch unterschiedliche Spezialisten (Fahrdynamik, Schal- und Bewehrungsplanung, Planung Kälteanlage) zur Verfügung stehen bzw. Anwendung finden. Die angestrebte Neuentwicklung reflektiert die fortschreitenden Entwicklungen bauplanerischer Werkzeuge, baupraktischer Fertigungstechnologien sowie fachlicher Regularien und das Erfordernis nach deutlich höherer Ressourceneffizienz im Betrieb der Anlagen (Energiekosten).

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

Defizite der derzeitigen Planungsmethode

1) Die planerische Bearbeitung vollständig dreidimensional gekrümmter Bauwerksgeometrien mittels zweidimensionalen Modellen und Werkzeugen ist nicht zeitgemäß, da wichtige Informationen zu „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 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.

HTWK-Anteil am Forschungsprojekt

  • Konzeptionierung einer adaptiven Methode zur vollständig parametrischen Beschreibung beliebiger Bahngeometrien in Abhängigkeit von zweidimensionalen Querschnittsdaten
  • Geometriedatenaufbereitung für statische Berechnungen und Analysen in gängigen FEM-Programmen
  • Konzipieren und Umsetzen von Schnittstellenlösungen für Interoperabilität zwischen unterschiedlicher CAD, CAM und FEM Software
     
  • Beratung in Bezug auf geometrisch-konstruktive Fragestellungen und Umsetzung der vollständi-gen Prozesskette (Datengrundlage, Datenerstellung, Simulation, Analyse, Planung, Fertigungsda-tengenerierung) in einem Gesamtmodell

Projektbezogene Besonderheiten

Künstlich vereiste Bob- und Rodelbahnen sind Ingenieurbauwerke mit höchstem Schwierigkeitsgrad. Ursächlich verantwortlich dafür sind die nachfolgenden 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)

Angestrebte technische Funktionalitäten

Das 3D-Informationsmodell soll zu jedem Zeitpunkt der Planung (und 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

Grundlage Polylinie

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 PuR 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. Der so generierte Strang einer endlichen Anzahl räumlich präzise verorteter Punkte dient wiederum als Basis 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 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. In interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Prof. Dr.-Ing. André Sossoumihen vom Lehrbereich Verkehrs- und Infrastrukturplanung der HTWK Leipzig wurde eine Lösung entwickelt, die Wissen aus dem Bereich des Straßenbaus im Kontext des Forschungsprojekts adaptiert.

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).