Start Digitale Stadtplanung Wir gestalten die Städte der Zukunft: Zertifikatsprogramm "Digitale Zwillinge für Städte"

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Wir gestalten die Städte der Zukunft: Zertifikatsprogramm “Digitale Zwillinge für Städte”

Autor: Stefan Trometer, Managing Director, Virtual City Systems
Titelbild und Abbildungen: Virtual City Systems

Es wird erwartet, dass bis 2050 schätzungsweise 2 Milliarden Menschen in städtische Gebiete abwandern werden. Das bedeutet, dass Städte rund um den Globus vor der beispiellosen Herausforderung stehen, ihre Infrastruktur rasch anzupassen und auszubauen, um für ihre Bürger in einer modernen Gesellschaft sicher, nachhaltig und lebenswert zu sein. Angemessene Wohnungen, Schulen, Energie- und Wasserversorgungssysteme zum Beispiel sind für die Gesundheit und das Wohlergehen einer rasch wachsenden Bevölkerung von größter Bedeutung. Dabei können Fehleinschätzungen und -planungen enorme Folgen haben.

Die jüngsten Fortschritte im Bereich der digitalen 3D-Stadtmodelle und Simulationen revolutionieren die Planung und Stadtentwicklung. Das digitale 3D-Stadtmodell ist viel mehr als nur eine visuelle Kopie der Stadt, es ist eine digitale Plattform für interaktive Planung, Analysen und Simulationen. Als umfassender Digitaler Zwilling der Stadt ist das Modell der Schlüssel zur Lösung einiger der drängendsten Probleme der Städte in der Gegenwart.

Digitale Zwillinge nutzen, um bessere Städte zu bauen

Digitale Zwillinge spiegeln die sukzessive Weiterentwicklung und den gegenwärtigen Höhepunkt jahrzehntelanger Datenerhebung und -analyse im städtischen Umfeld wider. Dabei ist ein digitaler Zwilling mehr als nur ein digitales geografisches Modell einer Stadt. Er umfasst eine Vielzahl von Modellen und Daten zu verschiedensten Themen und spannt mittlerweile den Bogen bis hin zur Bewegung und zum Verhalten von Luft, Wasser, Licht, Wärme, Verschmutzung und vor allem den Menschen. Generell muss es gelingen, dass ein Digitaler Zwilling die Stadt als eine veränderliche, dynamische, lebendige Umgebung abbildet.

Abb. 1: Der CityGML-basierte Digitale Zwilling von Helsinki enthält detaillierte Informationen über die einzelnen Gebäude, das Gelände und die Systeme der Stadt, mit denen die Nutzer über eine webbasierte Plattform interagieren können.

Angesichts der zunehmenden Komplexität aus den vielschichtigen Anforderungen an Stadtplanungen bietet ein Digitaler Zwilling eine Vielzahl von Vorteilen. Obwohl er ein breiteres Spektrum an Datenquellen und eine stärkere Beteiligung der Mitwirkenden erfordert, spart er im Ende Zeit und Geld. Im unmittelbaren Sinne entfällt der Bedarf an physischen und maßstabsgetreuen Modellen, denn die Prozesse werden digitalisiert. Darüber hinaus fördert er die Möglichkeit, innerhalb des Modells risikofrei zu experimentieren, sowie die umfassende Zusammenarbeit zwischen Stadtverwaltungen, Experten, Institutionen und Privatpersonen. Die daraus resultierenden intelligenteren Designentscheidungen machen Städte sicherer, sauberer und lebenswerter für die Bürger. Im weiteren Sinne sind Digitale Zwillinge auch im Kampf gegen den Klimawandel von unschätzbarem Wert. Um Klimaneutralität zu erreichen, müssen viele verschiedene Wechselwirkungen im Energiesystem einer Stadt berücksichtigt werden. Dabei kann der Digitale Zwilling helfen, die komplexen Zusammenhänge sichtbar zu machen.

Was passiert, wenn …? Es braucht gute Vorhersagen im urbanen Raum

Das zunehmende Wachstum der Städte und der Klimawandel stellen die Gestaltung des urbanen Raums vor große Herausforderungen. Wie verändert sich die Windströmung bei einer Neubebauung? Wie gehen wir mit dem Fund einer Fliegerbombe im dicht besiedelten urbanen Raum um? Wo entstehen städtische Wärmeinseln und wo ist das größte Potenzial an Solarenergie? Diese und viele weitere Fragen müssen heute zum Wohl und Schutz der Bevölkerung sowie als Beitrag zur Klimawandelanpassung und zu einer sicheren und lebenswerten Stadt beantwortet werden. Der urbane Raum ist sensibel und komplex. Daher braucht es die bestmöglichen Vorhersagen, um Potenziale zu erkennen oder Gefahren abzuschätzen. Wie groß ist der Evakuierungsradius einer Fliegerbombe? Muss das Krankenhaus komplett evakuiert werden oder ist es nicht betroffen?

3D-Stadtmodelle bieten eine Grundlage für urbane Simulationen und Analysen. Dadurch lassen sich sowohl flächendeckend als auch objektspezifisch Simulationsergebnisse erstellen und bewerten.

Vorteile der Simulation von Wind und Sonneneinstrahlung

Windverhältnisse haben einen großen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit und die Funktionalität von städtischen Strukturen sowie auf den Komfort und die Sicherheit der Bürger. Windsimulation ermöglicht Komfortstudien und die Untersuchung von Emissionsausbreitungen im urbanen Raum. Es können Faktoren wie Druck, Kraft, Volumenstrom und Temperatur punktuell oder an Flächen wie Gebäudefassaden ausgewertet werden. Durch die Kopplung von Analysen zur solaren Einstrahlung mit der Wind- und Thermiksimulation lassen sich zudem städtische Wärmeeffekte wie urbane Hitzeinseln untersuchen. Mithilfe der Abbildung des Emissions- und Strömungsverhaltens von Partikeln kann die Ausbreitung von Gefahrenstoffen (z. B. Feinstaub) im urbanen Raum abgebildet werden.

Abb. 2: CFD-Windsimulationen im Kalasatama-Viertel von Helsinki lieferten detaillierte Ergebnisse über die Auswirkungen von Windeffekten auf das Mikroklima, den Komfort, die Sicherheit auf den Straßen und auf die Gebäude.

Die Simulation von Sonneneinstrahlung, eine 3D-Solarpotenzialanalyse, ermöglicht die Ermittlung der monatlichen Einstrahlungswerte für die direkte, diffuse und globale Solarstrahlung auf Dach- und Wandflächen von Gebäuden. Dabei werden Verschattungsobjekte wie Vegetation, Baukörper und Gelände berücksichtigt. Per Mausklick auf die Gebäudeflächen lassen sich in Form von Diagrammen die Monats- oder Jahresverläufe aller Strahlungsarten (diffus, global, direkt) anschaulich darstellen und systematisch auswerten. So können zusätzlich zum etablierten Solarkataster, welcher die solare Einstrahlung lediglich für Dächer berechnet, Potenziale von Fassadenflächen und Verschattungseffekte für die Bewertung energetischer Maßnahmen im urbanen Kontext detailliert bestimmt werden.

Stadtplaner*innen sehen so noch vor Baubeginn, wie das Hinzufügen oder Entfernen von Strukturen die Luftströmung und den Luftdruck verändert. Somit eignet sich die Simulation besonders für die frühen Phasen eines Entwurfs. Mit dieser Investition am Anfang eines Projektes lassen sich Einblicke in komplexe physikalische Effekte und Wechselwirkungen in der städtischen Umgebung gewinnen, die viel Zeit und Geld sparen.

Abb. 3: Simulation der Solarpotentiale auf Gebäudeoberflächen während des Tages und des Jahres und ermöglicht es den Benutzern, sich vorzustellen, wo der Einsatz von Sonnenkollektoren am vorteilhaftesten ist.

Zertifikatsprogramm “Digitale Zwillinge für Städte”

Im Rahmen des Zertifikatsprogrammes „Digitale Zwillinge für Städte“ der Technischen Universität München (TUM) wird im März 2021 eine interdisziplinäre Gruppe von Fakultätsmitgliedern und Partnern eine begrenzte Anzahl von Teilnehmern über Digitales Bauen (BIM) und Digitale Stadtmodellierung (CityGML) unterrichten. Sie zeigen, wie diese mit innovativen Analyse- und Simulationsmethoden kombiniert werden und wie und von wem sie eingesetzt werden, um „smartere“ urbane Räume mit Lebensqualität zu gestalten. Dabei gibt es Einblicke in praktische Einsatzszenarien aus Gemeinden und Metropolen und Impulse für die eigene Umsetzung.

Der Teilnehmerkreis ist beschränkt auf maximal 20 Personen und setzt sich zusammen aus Führungskräften, Projektleiterinnen und Projektleitern aus den Bereichen Stadtplanung, Ingenieur- und Architekturbüros, Kommunen, Vermessung und Geodäsie sowie Business Development Smart City.

Inhalte und Ziele dabei sind (1) das Vorstellen innovativer Methoden aus den Bereichen Bauingenieurwesen, Geoinformation und Stadtplanung, (2) das Bewerten von Möglichkeiten der digitalen Vernetzung und entstehender neuer Geschäftsmodelle, (3) das Kennenlernen von themen- und skalenübergreifenden digitalen Analysemethoden, (4) die Entwicklung individueller Lösungsstrategien für komplexe urbane Fragestellungen und (5) der Aufbau eines Netzwerks für zukünftige Aktivitäten.

Dieses berufsbegleitende Weiterbildungsprogramm zeigt, wie sich interdisziplinäre Lösungen zu einem virtuellen Stadtmodell – dem Digitalen Zwilling – vereinen. Der Digitale Zwilling dient als Basis für Entscheidungen in Hinblick auf Nachhaltigkeit, Sicherheit und Lebensqualität in der bebauten Umwelt.

Wir freuen uns auf Ihre Anmeldungen für das Zertifikatsprogramm “Digitale Zwillinge für Städte“!

Webseite von Virtual City Systems: www.vc.systems

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