der gemeinderat Juli/August 2021

Planen & Bauen
ÖFFENTLICHER RAUM
Planen & Bauen
Virtuelles 3D-Stadtmodell von München:
Es wurde unter anderem genutzt, um die
Eignung der solaren Energiegewinnung
für alle Dach- und Wandflächen
abzuschätzen.
DIE AUTOREN
Christof Beil und Dr. Tatjana Kutzner
arbeiten im Team von Prof. Dr. Thomas
H. Kolbe am Lehrstuhl für Geoinformatik
der Technischen Universität München
Stadtplanung
Digitale Zwillinge für
smartere Städte
3D-Modelle von Quartieren und ganzen Städten helfen dabei, die Auswirkungen
von Veränderungen zu simulieren und zu analysieren, bevor die Maßnahmen in
die Realität umgesetzt werden.
Der Begriff des „digitalen Zwillings“
wurde ursprünglich in der
Industrie 4.0 entwickelt und fand
zuerst in Bereichen wie Maschinenbau
oder Automobiltechnik Verwendung. Beschrieben
wurde damit das digitale Gegenstück
zu einem realen Objekt, etwa
einer Turbine, welches dieses über dessen
gesamten Lebenszyklus abbildet. In jüngerer
Vergangenheit wurde dieses Konzept
als „digitaler urbaner Zwilling“ auch
auf einzelne Quartiere oder ganze Städte
übertragen. Sie beinhalten nicht nur verschiedene
3D-Modelle (z. B. 3D-Stadtmodelle
oder BIM-Modelle), sondern schließen
vielfach auch Echtzeitdaten (z. B. von
Sensoren) und Analysewerkzeuge (z. B.
zur Energiebedarfsberechnung) ein.
„WAS WÄRE WENN“-SZENARIEN
Die umfassende Dokumentation realer
städtischer Objekte wie Gebäude, Bäume
oder Stromleitungen als Teile des digitalen
urbanen Zwillings ermöglicht eine
Bestandsaufnahme des Ist-Zustands der
Stadt. Durch Planung und Entwurf von
Gebäuden, Quartieren oder Städten mit
Hilfe digitaler Objekte können Kosten sowie
Material- und Energiebedarfe abgeschätzt
werden. Ein hoher Nutzen entsteht
zudem durch die kontinuierliche
Verwendung des digitalen urbanen Zwillings
über sämtliche Phasen des Lebenszyklus
von Stadtobjekten. Weiterhin erlaubt
eine Kopie des digitalen urbanen
Zwillings (gewissermaßen ein digitaler
Drilling) Analysen und Simulationen als
„Was wäre wenn"-Szenarien“ durchzuführen.
Die Auswirkung von Veränderungen,
etwa ein Radweg anstelle einer Fahrspur
und der daraus resultierende veränderte
Verkehrsfluss, kann so virtuell erprobt
und bewertet werden, bevor diese
in die Realität umgesetzt werden.
Neben der Erzeugung stellt vor allem
auch die fortlaufende Aktualisierung digitaler
Modelle der Umwelt eine Herausforderung
dar. Die vielfältigen Daten des
digitalen urbanen Zwillings liegen in der
Regel in verschiedenen Händen und bilden
so ein System aus verteilten Bestandteilen.
Daher müssen Datenintegrations-
Fotos: Technische Universität München; Sabine Schönhut
prozesse definiert werden, welche in der
Lage sind, diese Probleme zu lösen. Dabei
kommt dem semantischen 3D-Stadtmodell
als verbindendes Element eine
Schlüsselrolle zu. Neben geometrisch genauen
und georeferenzierten Daten beinhaltet
dieses umfangreiche semantische
und topologische Informationen und
ist zudem für Visualisierungszwecke geeignet.
ANKERPUNKT FÜR VIELFÄLTIGE
INFORMATIONEN ZUR STADT
Thematisch kann das 3D-Stadtmodell
sämtliche Objekte der Stadt wie Gebäude,
den Straßenraum oder Vegetation umfassen.
Die Stadt wird dabei hierarchisch in
kleinere Bestandteile zerlegt, welche ihrerseits
weiter untergliedert werden können.
Ein einfaches Beispiel ist ein Stadtmodell,
welches Gebäudemodelle beinhaltet,
die wiederum aus Teilflächen wie
Dach-, Wand- und Grundflächen aufgebaut
sind. Jedes dieser Einzelobjekte ist
eindeutig benenn- und auswählbar und
kann so als Ankerpunkt für die Verbindung
weiterer urbaner Informationen
zum virtuellen Stadtmodell dienen.
Zur Modellierung, Speicherung und
Verwaltung semantischer 3D-Stadtmodelle
hat sich der internationale Standard
CityGML etabliert, der vom Open Geospatial
Consortium herausgegeben wird. CityGML
wird von vielen Städten weltweit
für die Verwaltung von 3D-Stadtmodellen
eingesetzt. CityGML erlaubt die Modellierung
städtischer Objekte mit deren
3D-Geometrie und 3D-Topologie, Semantik
und Erscheinung in vier verschiedenen
Detaillierungsgraden. Die im
Juni 2021 verabschiedete neue Version 3.0
des Standards verbessert die Nutzbarkeit
von CityGML für Anwendungsbereiche
wie Energie- und Umweltsimulationen,
Stadtplanung, Verkehrsanalysen, autonomes
Fahren und Smart Cities maßgeblich.
CityGML 3.0 ermöglicht die Darstellung
mehrerer Versionen eines Stadtobjekts
(z. B. historische Versionen oder alternative
Planungsentwürfe) innerhalb eines
Stadtmodells. Zudem können hochdynamische
Informationen in Bezug auf Stadtobjekte
(z. B. Sonneneinstrahlung im
Tagesverlauf) repräsentiert und Sensoren
mit 3D-Stadtmodellen verknüpft werden.
Die Verkehrsinfrastruktur kann nun detaillierter
modelliert werden und die Geometrie
von Stadtobjekten durch Punktwolken
repräsentiert werden.
SOLARE EINSTRAHLUNG AUF MÜNCHNER
GEBÄUDE WIRD SIMULIERT
Das Beispiel einer Solarpotenzialanalyse
mit Vegetationsmodell zeigt den Nutzen
von 3D-Stadtmodellen. Im Rahmen des
vom Runder Tisch GIS e.V. und dem Landesamt
für Digitalisierung, Breitband und
Vermessung Bayern initiierten Projekts
„Nutzung von Geomassendaten“ wurde
durch das Leibniz-Institut für ökologische
Raumentwicklung für das gesamte
3D-Modelle dienen auch zur gemeinsamen Analyse und Visualisierung der
Auswirkungen ober- und unterirdischer Baumaßnahmen.
Münchner Stadtgebiet ein detailliertes
Vegetationsmodell erstellt und anschließend
von der TUM die solare Einstrahlung
in 3D auf Fassaden und Dächern simuliert.
Die Abbildung auf der linken
Seite zeigt das Ergebnis der Simulation
sowie den Einfluss der Vegetation auf Einstrahlungswerte
der Gebäudeflächen.
Digitale 3D-Modelle existieren auf verschiedenen
Skalen und für unterschiedliche
Einsatzbereiche. Während zur Planung
einzelner Bauwerke IFC-basierte
BIM-Modelle zum Einsatz kommen, werden
existierende topografische Objekte
auf Stadt(quartier)ebene mittels City-
GML-Modellen dargestellt. Zahlreiche
Anwendungen erfordern eine Integration
dieser Modelle.
Ein Beispiel ist die Analyse der Auswirkung
geplanter unterirdischer Bauwerke
auf die Grundwasserströmung und
deren mögliche Folgen auf umliegende,
existierende Objekte mittels Grundwassersimulation.
Hierfür ist ein konsistentes
3D-Modell bestehend aus geplanten Bauwerken,
existierenden ober- und unterirdischen
Objekten, geologischen und
hydrogeologischen Daten sowie den Ergebnissen
der Grundwassersimulation
erforderlich.
Christof Beil und Tatjana Kutzner
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