1. Úvod
Od konce 80. a 90. let minulého století dochází v architektuře k posunu paradigmatu vyznačujícímu se novým přístupem k navrhování budov, v němž se upřednostňují proměnlivé a adaptivní tvary před tradičním jednoduchým opakováním tvarů klasických.
Tyto nové požadavky, a ne naopak, vedly k vývoji algoritmických generativních metod modelování, které splňují tento úkol efektivněji než explicitní postupy modelování. Heuristický návrh a jeho analýza se navíc velmi úzce propojily, aby bylo možné provést optimalizaci návrhu na základě výsledků analýzy (Schumacher [6]).
Ačkoli již existují parametrické nástroje pro statické výpočty, které se úspěšně začleňují do procesu návrhu, jako je například plugin Karamba3D for Grasshopper (Preisinger [4]), obvykle takové nástroje neposkytují robustní výsledek, a tak je stále potřeba provést důkladnou analýzu v profesionálním MKP programu.
Z tohoto důvodu byl autorem ve spolupráci se společností Bollinger + Grohmann vyvinut nový plugin pro Grasshopper s cílem vytvořit efektivní parametrické rozhraní pro komerční MKP program RFEM 5. Tento plugin se nazývá Parametric FEM Toolbox (Apellániz [1]).
2. Pracovní postup
Novou aplikaci RFEM je možné spustit pomocí API, ale Toolbox je nastaven tak, že musí interagovat se spuštěným RFEM modelem. V této části popisujeme pracovní postupy, které jsou v nástroji Toolbox dostupné pro přenos dat z programu Grasshopper do programu RFEM, opačným směrem, nebo pro další nabízené funkce.
2.1. Pracovní postup z Grasshopperu do RFEMu
Většina komponent Toolboxu odkazuje na určitý objekt programu RFEM. Na obrázku 3 je znázorněn postup, jak definovat objekt prutu v programu Grasshopper a exportovat ho do programu RFEM. Většina komponent objektů vyžaduje zadání geometrie v Grasshopperu a některé základní údaje, jako například v tomto případě číslo průřezu.
Pokročilejší volitelné vstupní parametry jako typ prutu, klouby atd. lze zobrazit pomocí rozšířené nabídky. Objekt je vytvořen v programu Grasshopper, takže v tomto kroku není zapotřebí žádné propojení s programem RFEM. Jeho vlastnosti lze zobrazit uvnitř panelů Grasshopper a lze je také přenést do RFEM parametrů.
Pro export dat do programu RFEM je nutné tyto objekty zapojit do komponenty „Set Data“ a nastavit parametr „Run“ na true. Výhodou použití explicitní komponenty pro proces exportu je, že tento výpočetně relativně náročný proces exportu objektů do programu RFEM je seskupen do jednoho kroku.
Výstupem položky "Set Data" jsou stejné objekty, ale s dodatečnými informacemi o indexu, který jim RFEM automaticky přiřadil, což může být velmi užitečné pro úpravu těchto objektů v dalších krocích, pro jejich zatížení atd.
2.2. Pracovní postup z RFEMu do Grasshopperu
Obdobně lze data importovat do Grasshopperu z RFEMu pomocí funkce "Get Data", kde stačí zadat, které typy objektů se mají importovat. V případě, že by neměly být importovány všechny existující objekty určitého typu, může uživatel použít komponenty filtrování s několika dostupnými parametry pro zadání určitých objektů pro import, a zkrátit tak dobu zpracování.
Importované objekty lze analyzovat se stejnými komponentami objektů, ale v režimu „disassemble“, takže místo vytvoření RFEM objektu na základě určitých vstupních parametrů se vlastnosti objektu získají z určitého vstupního objektu. RFEM objekty lze také přímo převést do geometrie v Grasshopperu tak, že je umístíme do Grasshopper kontejnerů. Tomuto pracovnímu postupu se budeme podrobněji věnovat v kapitolách 3.3 a 3.5.
Kromě toho lze také importovat z programu RFEM do programu Grasshopper výsledky výpočtu pomocí volby „Calculation results“ a pomocí komponenty „Optimize Cross-Sections“. To by mohlo být zajímavé pro použití možností vizualizace v programu Rhino pro zobrazení těchto výsledků a také pro případnou optimalizaci konstrukce pomocí kteréhokoliv evolučního řešiče v programu Grasshopper (Rutten [5]) používajícího výsledky jako fitness funkce a původní vstupní parametry jako geny.
Všechny komponenty objektů mají dostupnou nabídku Upravit, která umožňuje upravovat vlastnosti RFEM objektů v této optimalizační smyčce. Ačkoli je tento optimalizační pracovní postup výpočetně nákladnější než podobné přístupy s MKP řešiči kompilovanými v rámci Grasshopper pluginů, jako je např. Karamba3D, které nevyžadují export a import dat z externích aplikací, může to být přesto zajímavé, když jsou potřeba pokročilé možnosti výpočtu a posudky podle norem.
2.3. Další funkce
V současnosti nástroj obsahuje několik funkcionalit, které kromě této objektové logiky nabízejí další funkce:
- Tažení prutů: Prostřednictvím jediné komponenty je možné v programu Grasshopper získat 3D tvary prutových objektů, jak je vidět na obrázku 4 a 9. Výstupní geometrie je možná ve formě NURBS a Mesh prvků.
- Vstup pro LCA: Prostřednictvím jediné komponenty lze rozdělit hmotnosti a geometrie všech RFEM objektů podle přiřazeného materiálu, což může být použito jako vstup pro spuštění Posouzení životního cyklu mimo RFEM model, jak je popsáno v kapitole 3.5.
3. Projekty
3.1. Most Tondo
Most pro pěší v Bruselu je ocelová konstrukce tvořená propojenými ocelovými plechy. Modelování této složité geometrie neproběhlo ve výpočetním programu RFEM, ale v programu Rhinoceros, který má výkonnější nástroje pro modelování, mimo jiné zvláště pro definování zakřivených linií a průniků plošných prvků.
Aby se zamezilo duplicitě hraničních linií sousedících ploch, byla geometrie modelu přezkoumána také v programu Grasshopper, aby tyto hraniční linie měly přesně shodné řídicí body.
Přestože jsou v programu RFEM standardní funkce pro import geometrických souborů z modelu z Rhina, Toolbox umožnil importovat nejen geometrické prvky, ale kompletní konstrukční prvky se zadanými mechanickými vlastnostmi a dokonce s aplikovanými zatíženími.
3.2. Pavilon My-Co
Konstrukčním řešením tohoto projektu je překližková mříž. Zadání výpočetního modelu této konstrukce volného tvaru proběhlo v programu Grasshopper, což přineslo několik výhod, které výrazně zrychlily proces modelování:
- výpočet mřížové skořepiny vyžaduje, aby byly konstrukční pruty definovány jako lineární prvky na rozdíl od plošných a objemových prvků architektonického modelu. Tato konverzní úloha byla automaticky provedena parametrickým algoritmem v Grasshopperu, takže vstupní geometrie pro model RFEM byla definována již v programu Grasshopper.
- To umožnilo analyzovat a připravit geometrii pro import. Orientace prutů byla také automaticky definována v algoritmu Grasshopperu.
- V programu Grasshopper bylo zadáno také zatížení větrem, aby bylo možné automaticky definovat sektory zatížení a dokonce i hodnoty zatížení. Toolbox také zohledňuje budoucí orientaci lokální osy prutu v programu RFEM, takže hodnoty zatížení jsou v závislosti na správné orientaci definovány buď s kladnou nebo zápornou hodnotou (zatížení na obrázku 8 se zobrazuje modře a purpurově).
- V programu Grasshopper byla také automaticky definována orientace uzlových podpor, takže pro posouzení spojů základových desek bylo možné použít reakční síly podél správné osy.
3.3. Sídlo společnosti ArcelorMittal
Budova sídla společnosti ArcelorMittal je tvořena převážně architektonicky přiznanou konstrukční ocelí. V tomto projektu byl Toolbox použit také ve směru z RFEMu do Grasshopperu (viz kapitola 2.2), aby bylo možné analyzovat a filtrovat výsledky výpočtu u tak velké konstrukce a také správně zobrazit nejen výsledky výpočtu, ale také tažené ocelové pruty pro návrh spojovacích prvků a také renderovanou vizualizaci pro protokol výpočtu (viz kapitola 2.3).
3.4. Rozšíření Red Bull Arény v Lipsku
Rozšíření Red Bull Arény v Lipsku bylo komplikovaným projektem, protože při návrhu nových stavebních prvků bylo třeba zohlednit stávající konstrukci (viz obrázek 6). Základ nové přístavby byl proto navržen ve formě mikropilot, téměř všech s různým sklonem navržených tak, aby neovlivnily stávající základové prvky a tunely.
Mikropiloty byly definovány v modelu Rhino, který již také obsahoval stávající konstrukci, a poté bylo vše pomocí Toolboxu importováno do programu RFEM. Toolbox umožňuje uživatelskou orientaci uzlových podpor pomocí Grasshopper roviny, což je pravděpodobně mnohem uživatelsky přívětivější postup než standardní pracovní postup jejich zadání pomocí úhlů orientace.
3.5. Multimodální optimalizace
Nakonec je třeba zmínit, že tento plugin pro Grasshopper lze kombinovat s jinými existujícími Grasshopper pluginy, aby bylo možné provádět multimodální posouzení a optimalizace. Na obrázku 11 je znázorněna multimodální optimalizace jak z hlediska statiky, tak uhlíkové stopy konstrukčního systému kancelářské budovy v Berlíně, která kombinuje Parametric FEM Toolbox a One Click LCA integrovanou v Grasshopperu (Apellániz, Pasanen a Gengnagel [2]).
4. Závěr
Nástroj pro statické výpočty již byl ve vizuálním programovacím prostředí úspěšně implementován do procesu návrhu jako výpočetní nástroj ve formě pluginů pro Grasshopper. Parametric FEM Toolbox ovšem neposkytuje Grasshopperu MKP řešič, ale umožňuje propojení s MKP programem RFEM, který provádí statickou analýzu.
Ačkoli je tento postup výpočetně nákladnější, umožňuje využít rozsáhlé možnosti robustního komerčního softwaru pro výpočty metodou konečných prvků. Dále i inženýrské odborné posouzení těží z použití osvědčených a široce používaných výpočetních programů. K dnešnímu dni není autorovi znám žádný jiný plugin pro Grasshopper, který by implementoval API programu pro výpočty metodou konečných prvků do té míry, jak je představeno v tomto příspěvku.
Parametric FEM Toolbox od svého vydání prokázal, že může zlepšit proces posouzení mnoha projektů. Nejen ty, které se vyznačují algoritmicky generovanými geometriemi (Preisinger et al. [3]), ale byl použit také v celé řadě projektů nestandardních konstrukčních systémů.
Od jeho vydání má zpětná vazba od uživatelů značný vliv na další vývoj tohoto nástroje. Výrobce softwaru RFEM, společnost Dlubal Software, nás také kontaktoval a požádal nás o zpětnou vazbu ohledně vývoje budoucích verzí API pro RFEM. Toto úsilí o koordinaci mezi výrobci softwaru a vývojáři z řad třetích stran má zásadní význam pro zajištění stabilního vývoje a poskytuje uživatelům spolehlivý a robustní návrhový nástroj.
Autor: Diego APELLÁNIZ
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlín;
[email protected]
.jpg?mw=350&hash=8f312d6c75a747d88bf9d0f5b1038595900b96c1)
