A BIM-based Interactive Storyboard Approach for Accessible Occupant Activity Simulation in Safety Scenarios

The safety in and around the built environment is a fundamental aspect of everyday life. To gain insights into related processes, shortcomings and potential improvements, domain experts leverage knowledge and techniques from various fields. Here, performance-based evaluations using computer simulations are flexible, scalable solutions and allow challenges and problems to be addressed that would otherwise be difficult, if not impossible, to gauge in their entirety. Digital tools and methods support stakeholders as they assess critical measures and decisions without putting buildings or occupants at risk.

At the same time, existing approaches are often focused on a narrow scope and require intricate setups, limiting usability and increasing the barrier of entry, particularly for non-specialists without programming knowledge. In an effort to actively involve practitioners, include domain-specific components and facilitate adequate analyses for a variety of use cases, a framework to design simulation scenarios using digital building models and an interactive storyboard is suggested. Following a design science research methodology, the conceptual framework to increase the accessibility of simulating occupant activity is presented and demonstrated with the help of a prototypical implementation.

Building Information Modeling (BIM) serves as a foundation as digital models and data exchange principles are used to establish the simulation environment. This includes ways of defining and sharing elements according to relevant developments, e.g., the use of open standards and machine-readable formats. As people move and interact within this environment, activity at the microscopic level is analyzed, meaning that each person is represented through individual properties and behavior. Corresponding algorithms, parameters as well as itineraries comprised of personal tasks and goals are reviewed and incorporated.

Since the proposed framework aims to make the entire workflow more accessible and enable participation, a storyboard application lets users create and modify scenarios in interactive and intuitive fashion. General configuration options are provided along with semantically enhanced definitions of the virtual environment and its population. In order to extend the scope beyond the design phase and facilitate the setup and implementation, formalized output is automatically generated and utilized for subsequent steps through computer-aided methods. This comprehensive approach thus supports simulation and analysis while offering a spatial reference by means of powerful visualization capabilities and achieving a common basis of understanding.

A system architecture is developed to demonstrate and evaluate the framework. It features a web-based storyboard, a custom simulation software as well as several interfaces and can be adapted for established infrastructure or varying project scopes and requirements. The concept is employed for two example use cases that integrate a BIM model and follow the outlined workflow, each analyzing specific activity, characteristics and procedures for safety scenarios in planned or existing real-world environments. The functionality and intended benefits are validated, discussing potential extensions before drawing the conclusions and laying out possibilities for future work.

Die Sicherheit im Zusammenhang mit der gebauten Umwelt ist ein wesentlicher Aspekt alltäglicher Geschehnisse. Um Einblicke in Prozesse, Schwachstellen und potenzielle Verbesserungen zu gewinnen und verschiedenste Sachverhalte zu beurteilen, nutzen Fachleute leistungsbasierte Methoden. Computersimulationen sind dabei flexible, skalierbare Lösungen um Herausforderungen und Probleme anzugehen, die sonst schwer oder gar nicht in ihrer Gesamtheit zu erfassen wären. Digitale Werkzeuge und Verfahren unterstützen hier bei der Bewertung kritischer Maßnahmen und Entscheidungen, ohne Gebäude oder Bewohner zu gefährden.

Gleichzeitig sind bestehende Ansätze oft in ihrer Ausrichtung begrenzt und erfordern eine komplizierte Einrichtung, was Zugänglichkeit und Nutzbarkeit einschränkt, insbesondere für Beteiligte ohne Programmierkenntnisse. Daher wird ein Framework für Simulationsszenarien auf Basis von Gebäudemodellen und eines interaktiven Storyboards vorgeschlagen, um Fachleute aktiv zu beteiligen, fachspezifische Komponenten einzubinden und vielfältige Anwendungsfälle analysieren zu können. Das System wird gemäß dem Forschungsansatz der Design Science konzeptioniert und anhand einer prototypischen Implementierung demonstriert.

Digitale Modelle und Datenaustausch nach Prinzipien des Building Information Modeling (BIM) werden eingesetzt, um die Simulationsumgebung aufzubauen. Dazu gehören die Definition und gemeinsame Nutzung von Elementen unter Berücksichtigung offener Standards, maschinenlesbarer Formate und weiterer relevanter Entwicklungen. Die Aktivität, also die Bewegung und Interaktion von Menschen in dieser Umgebung, wird auf mikroskopischer Ebene analysiert, wodurch jede Person über individuelle Eigenschaften und Verhaltensmuster verfügt. Entsprechende Algorithmen, Parameter sowie persönliche Abfolgen, die aus einer Reihe von Aufgaben und Zielen bestehen, werden untersucht und einbezogen.

Um den gesamten Arbeitsablauf zugänglicher zu machen und Beteiligung zu vereinfachen, ermöglicht eine interaktive, intuitive Storyboard-Anwendung die Erstellung und Anpassung von Szenarien. Diese bietet diverse Möglichkeiten zur generellen Konfiguration und semantisch angereicherten Spezifikation der virtuellen Umgebung und Population. Um neben Entwurfsphase auch Einrichtung und Implementierung zu unterstützen, werden die Ergebnisse automatisch formalisiert und über computergestützte Methoden für nachfolgende Schritte verwendet. Dieser vollumfängliche Ansatz für Simulation und Analyse bietet zudem gute Visualisierungsmöglichkeiten zur Herstellung eines Raumbezugs und einer gemeinsamen Verständnisgrundlage.

Zur Demonstration und Evaluation wird eine Systemarchitektur bestehend aus webbasiertem Storyboard, Simulationssoftware und Schnittstellen entwickelt. Sie kann für bestehende Infrastrukturen oder unterschiedliche Projekte und Anforderungen angepasst werden. Zwei Anwendungsbeispiele integrieren ein BIM-Modell und veranschaulichen den Ablauf des Frameworks, indem jeweils spezifische Aktivitäten, Merkmale und Vorgänge für Sicherheitsszenarien in geplanten oder bestehenden realen Umgebungen analysiert werden. Nach Validierung und Diskussion der Funktionalität, des angestrebten Nutzens sowie potenzieller Erweiterungen werden die Ergebnisse festgehalten und Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten aufgezeigt.