Sensortechnik: Wie der digitale Zwilling Fassaden effizienter macht

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Im Rahmen des Forschungsprojekts DigitalTWIN werden Fassadenelemente mit Sensortechnik ausgestattet, die wichtige Kennwerte im Fassadenzwischenraum messen.
Sensortechnik für FassadenelementeQuelle: se Commerce

Das Monitoring von Fassaden mit Hilfe von Sensortechnik und einem Cloud-Cluster ist das Thema des Forschungsprojekts DigitalTWIN.

Zur Unterstützung beim Monitoring von Gebäuden wird im Forschungsprojekt DigitalTWIN gezeigt, wie doppelschalige Fassadenelemente in Gebäuden anhand vernetzter Informationen und interaktiver Anweisungen zukünftig effektiver und effizienter betrieben werden können. Dazu sind die Fassadenelemente mit Sensortechnik ausgestattet, die wichtige Kennwerte im Fassadenzwischenraum messen.

Anwendungsfälle zur Digitalisierung im Bauwesen

Renommierte Projektpartner aus Industrie und Forschung entwickeln bis 2021 digitale Werkzeuge und Techniken weiter, um Dienste, Prozesse und Abläufe entlang der Wertschöpfungskette des Bauwesens zu vernetzen und zu automatisieren. Bei DigitalTWIN – Digital Tools and Workflow Integration for Building Lifecycles – steht das Verständnis für systemische Abhängigkeiten und Wechselwirkungen im Vordergrund, weshalb die Forschungspartner aus unterschiedlichen Branchen und Tätigkeitsfeldern kommen. Im Rahmen des Smart Service Welt II – Förderprogramms wird DigitalTWIN durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Nach dem Start des Forschungsprojektes im Juni 2018 wurden die Marktgegebenheiten, Technologien und Standards analysiert und die Kerntechnologien ausgewählt. Ergänzend entwickelte das Konsortium drei Use Cases (Anwendungsfälle), die exemplarisch relevante Fragestellungen der Digitalisierung im Bauwesen thematisieren.

So beschäftigt sich Use Case 1 mit der einfachen Verfügbarkeit und Visualisierung von live Mess- und Prüfdaten am Gebäude mittels des digitalen Zwillings durch Nutzung von Edge-Cloud- und Cluster-Computing-Technologien.

Sensortechnik für Fassadenelemente

Das Bauelement ISOshade von iconic skin ist eine Isolierglaseinheit mit werkseitig integriertem Sonnenschutz bestehend aus einem 3-fach Isolierglas und einem Zwischenraum mit innen liegender Sonnenschutzanlage. Die Intelligenz von ISOshade liegt im abgedichteten Zwischenraum, der Klimalasten mittels eines bauphysikalisches Prinzip selbstreguliert. Trockenmittel, das im Rahmenverbund eingefüllt ist, schützt zusätzlich vor Kondensation. ISOshade ist für alle Fassadentypen geeignet und eignet sich auch für den Einsatz in Hochhäusern. Von besonderem Interesse ist daher für den Gebäudebetreiber ein kontinuierliches Monitoring und die frühzeitige Detektion von Fehlern und Beschädigungen, um Wartungsarbeiten gezielt durchzuführen.

DigitalTWIN: Sensortechnik gibt Auskunft über den Status der Bauelemente

Mit der DigitalTWIN-Sensortechnik, die in einzelne Elemente integriert wird, können Rückschlüsse auf Veränderungen durch Wettereinflüsse, abweichende Einzelzustände oder kritische Temperatur- und Feuchteverhältnisse gezogen werden. Um für den Gebäudebetreiber und den Wartungsmitarbeiter einfach bedienbare User-Interfaces bereitzustellen, kommt eine neuartige Cloud-Clusterarchitektur auf Basis einer Plattformtechnologie zum Einsatz, um Online- und Offline-Szenarien zu ermöglichen. Die Plattform nutzt scaleIT-Technologiestack (aufeinander aufbauende Softwarekomponenten, die eine Plattform bilden). Darin eingebunden sind Microservices für IFC/BIM-Daten, Sensorwerterfassung, -weitergabe und -speicherung sowie eine Middleware (Software für den Datenaustausch zwischen Anwendungsprogrammen unter verschiedenen Betriebssystemen) zur Aufbereitung der Daten und die Visualisierung mittels Mixed-Reality-Software Unity. 

Derzeit können exemplarisch mittels der eingebauten Sensorik Informationen zum Zustand des Bauelements ISOshade abgerufen, über Zeitreihenanalysen Veränderungen detektiert und der Sonnenschutz über das digitale Modell bedient werden. Intuitive Benutzeroberflächen stellen den Status der Fassade in Echtzeit dar: Wartungsampeln melden beispielsweise Überschreitungen der Grenzwerte als Warnung oder Alarm. Zudem werden die Warnungen und Alarme als Aufgaben für die festgelegten Rollen des Facility Managers und des Maintenance Engineer an die eingebundene HoloLens übermittelt.

Eingesetzte Sensor-Hardware- und Softwarekomponten

Die Sensornetzlösungen des Forschungspartners Carl Zeiss 3DA wurden hierzu im ISOshade verbaut, da diese Hardware bereits von Zeiss als Multisensor gemeinsam mit der entwickelten Multisensor-Anwendung für Messräume getestet wurde. Features dieser Entwicklung aus Hardware und Software erlauben es, das System so individuell zu konfigurieren, dass der Benutzer die gewünschten Grenzwerte festlegen kann. Zur Verwendung im ISOshade wurde die Software so erweitert, dass ein kontinuierliches „Condition Monitoring“ umgesetzt werden kann. In diesen Demom-Modi werden simulierte Warnungen oder Alarme eingespielt, die dann als Aufgaben für den Facility Manager und Maintenance Engineer in der Augmented Reality Umgebung dienen. Zu den Softwarekomponenten zählen weitere Komponenten wie die HHI-Middleware, die zeitgleich Informationen an alle Clients verteilt, und eine eigens vom Fassadenbauer seele entwickelten Modelldaten-App. Die Modelldaten-App enthält eine Datenbank, in der die Einzelbauteile der Fassadenelemente im ifc4-Format zusammen mit deren Eigenschaften, wie zum Beispiel den Hierarchieinformationen, bestehen bleiben. 

Architektur wird auf weitere Anwendungsfälle übertragen

Die Demo 2 des Use Case 1 ist für das Forschungsprojekt DigitalTWIN ein Meilenstein, da die erforderliche Systemarchitektur und wichtige Microservices zur Vernetzung von Objekt- und Metadaten sowie deren Visualisierung angewendet werden. Im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes wird diese Architektur auf weitere Anwendungsfälle übertragen, durch zusätzliche Endgeräte, wie Laserscanner und 3D Drucker ergänzt und in komplexeren Anwendungsszenarien im Austausch zwischen Planung, Fertigung und Montage auf der Baustelle gezeigt. Die Demo steht aktuell im Showroom von iconic skin und wird an unterschiedlichen Veranstaltungen, wie der digitalBAU in Köln im kommenden Jahr ausgestellt werden.

Die Demo können Sie unter folgendem Link miterleben: https://youtu.be/2e7_JzS1vsU


Das Konsortium

DigitalTWIN ermöglicht durch die weltweit tätigen Partner die Diskussion der Rahmenbedingungen in den unterschiedlichen Märkten und die Reflexion, wie zukünftig das Bauschaffen in Deutschland und die Struktur unserer Wirtschaft als Vorteil im global umkämpften IT-Markt genutzt und ausgebaut werden kann. Dementsprechend formen führende Dienstleister und Industrieunternehmen aus den Bereichen Bau, IT-, Kommunikations- und Automatisierungstechnik sowie führende Forschungseinrichtungen das Konsortium. Die Konsortialpartner sichern durch ihr breites Kompetenzspektrum die Expertise des interdisziplinären Vorhabens. DigitalTWIN schafft durch die Kompetenzbündelung von namhaften Beteiligten einen Mehrwert für die Realisierbarkeit der IKT-Lösungen und ermöglicht eine direkte und kritische Überprüfung, ob die Konzepte und Ansätze praxistauglich umgesetzt werden können. Begleitet wird das Projekt von Expertisen zur Datensicherheit, IT-Sicherheit sowie zur methodischen Optimierung von Unternehmensprozessen, um den Einsatz in sehr unterschiedlichen Firmenstrukturen und Anwendermärkten sicherzustellen.

Die Konsortialpartner sind:

  • se commerce GmbH
  • Heinrich-Hertz-Institut der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
  • Telegärtner Karl Gärtner GmbH
  • Carl Zeiss 3D Automation GmbH
  • planen-bauen 4.0 – Gesellschaft zur Digitalisierung des Planens, Bauens und Betreibens mbH
  • Werner Sobek Stuttgart AG

Weitere Informationen: https://d-twin.eu/

Hier erfahren Sie mehr über den Einsatz eines digitalen Zwillings bei der Inspektion von Brücken.

Lesen Sie auch: “Neuartiges Fassadensystem revolutioniert Arbeitsumfeld”

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