Im Sächsischen Eisenbahnmuseum befinden sich gegenwärtig drei Modellbahnanlagen:
Spur I Anlage
Im hinteren Teil des Museums existieren zwei Modellbahnanlagen in ausrangierten Regelspurwaggons. Direkt angrenzend an die Feldbahnanlage ist eine Spur I Anlage in einem alten Güterwaggon untergebracht. Die 10,5 m lange und bis zu 2,5 m breite Anlage wird mit einem digitalen Motorola-System betrieben. Zentrales Motiv ist ein kleiner, liebevoll gestalteter Bahnhof.
H0-Anlage
Ebenfalls im hinteren Teil des Geländes ist kann das Museum mit einer H0-Anlage in beträchtlicher Größe aufwarten. In einem ehemaligen Eilzugwagen der Deutsche Reichsbahn befindet sich die 14 m lange und 2 m breite Modellbahnanlage. Trotz analogen Betriebs können hier bis zu 35 Züge gleichzeitig verkehren. Im Gegensatz zur Spur I Anlage beschäftigt sich dieses Modellbahn mit einer zweigleisigen Hauptstrecke sowie einem größeren Bahnhof inklusive des dazugehörigen Bahnbetriebswerks.
Museumsgartenbahnanlage:
Die ursprüngliche Anlage entstand etwa Mitte der 90er Jahre aus einer Schenkung des ehemaligen Chemnitzer Oberbürgermeisters Volkmar Noll. Diese war in Segmentbauweise errichtet und konnte somit an verschiedenen Orten aufgebaut werden. Zuletzt wurde sie in der Sachsenallee Chemnitz gezeigt.
Nach längerer Einlagerungszeit begann die Zerlegung der alten Anlage ungefähr im Jahr 2001. Danach entstand eine fest installierte Gartenbahnanlage in der ehemaligen Meisterbude des Rundhauses II.
Nach mehreren Jahren Betrieb sollte 2007 auch diese Anlage wieder abgebaut und durch eine neue Gartenbahn ersetzt werden. Diese Idee hat es jedoch nicht weiter als bis zum Planungs- und Probestatus gebracht und somit fiel die Anlage erneut in einen Dornröschenschlaf.
Ab 2009 fanden sich drei Vereinsmitglieder, die sich zum Ziel gesetzt hatten wieder eine Anlage aus dem vorhandenen Material aufzubauen. Nach Abriss-, Aufräum- und Sortierarbeiten erfolgte schließlich der Streckenentwurf. So entschied man sich für eine eingleisige Rundstrecke mit abzweigender Stichbahn, welche nutzbar für Schmalspurfahrzeuge nach deutschem, österreichischem und schweizer Vorbild sein sollte.Zudem entstand die Idee die neue Anlage von außen durch die Fenster komplett einsehbar zu gestalten, damit mittels eines Bewegungsmelders die Gartenbahn auch automatisch losfährt, sobald ein Besucher sich ihr nähert. Dank dieser Technik kann die Gartenbahn auch ohne personelle Besetzung verkehren. Der Betriebsbeginn der Gartenbahn auf dem Rohbau wurde im Jahr 2010 durchgeführt. Seitdem wächst die Anlage Stück für Stück.
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