1. Introduction
Depuis la fin des années 1980 et les années 1990, un changement de paradigme s'est produit dans l'architecture, caractérisé par une nouvelle approche de la conception des bâtiments dans laquelle les formes variables et adaptatives sont préférées à la simple répétition traditionnelle de formes rigides.
Ces nouvelles exigences, et non l'inverse, ont conduit au développement de techniques de modélisation algorithmique générative qui remplissent cette tâche plus efficacement que les techniques de modélisation explicites. De plus, l'heuristique de calcul et l'analyse sont désormais étroitement liées afin d'inclure une optimisation des performances vers les résultats (Schumacher [6]).
Bien qu'il existe déjà des outils paramétriques pour le calcul de structures, tels que le plugin Karamba3D pour Grasshopper (Preisinger [4]), ils ne fournissent généralement pas de résultats aussi robuste que les logiciels FEM commerciaux. Par conséquent, une réanalyse avec un logiciel commercial aux éléments finis est toujours nécessaire.
Pour ces raisons, un nouveau plugin Grasshopper a été développé par l'auteur en collaboration avec Bollinger + Grohmann afin de générer une interface paramétrique efficace pour le logiciel commercial de MEF RFEM 5. Ce plugin s'appelle « Parametric MEF Toolbox », soit « Boîte à outils aux éléments finis paramétrique » en français (Apellániz [1]).
2. Flux de travail
Il est possible de démarrer une nouvelle application RFEM avec l'API, mais la boîte à outils est compilée de telle sorte qu'il doit y avoir un modèle RFEM en cours d'exécution avec lequel interagir. Cette section décrit les flux de travail possibles avec la Toolbox selon que les données sont transférées de Grasshopper vers RFEM, dans le sens inverse, ou s'ils impliquent des fonctionnalités supplémentaires.
2.1. Flux de travail depuis Grasshopper vers RFEM
La plupart des composants de la Toolbox font référence à un objet RFEM particulier. La Figure 3 montre comment définir une barre dans Grasshopper et l'exporter vers RFEM. La plupart des composants de l'objet nécessitent en entrée des géométries Grasshopper et des informations de base, telles que le numéro de section, dans ce cas.
Des paramètres d'entrée optionnels plus avancés tels que le type de barre, les articulations, etc. peuvent être affichés via un menu extensible. L'objet étant créé dans Grasshopper, aucune connexion avec RFEM n'est requise à cette étape. Ses propriétés peuvent être affichées dans les panneaux Grasshopper et internalisées dans les paramètres de RFEM.
Pour exporter des données vers RFEM, vous devez insérer ces objets dans un composant « Set Data » (Définir des données) et définir le paramètre « Run » (Exécuter) sur vrai. L'avantage d'utiliser un composant explicite pour le processus d'exportation est que ce processus relativement plus coûteux d'exportation d'objets vers RFEM est regroupé en une seule étape.
Les sorties du composant « Set Data » (Définir des données) sont les mêmes objets, mais avec des informations supplémentaires sur l'indice que RFEM leur a automatiquement assigné, ce qui peut être très utile pour modifier ces objets dans des étapes ultérieures, leur appliquer des charges, etc.
2.2. Flux de travail depuis RFEM vers Grasshopper
De la même manière, il est possible d'importer des données depuis Grasshopper dans RFEM via le composant « Get Data » (Obtenir des données) en spécifiant simplement les types d'objets à importer. Si tous les objets existants d'un certain type ne doivent pas être importés, l'utilisateur peut utiliser des composants de filtre avec plusieurs paramètres disponibles afin de spécifier les objets exacts à importer et ainsi réduire le temps d'exécution requis.
Les objets importés peuvent être analysés avec les mêmes composants d'objet mais en mode « désassemblage ». Ainsi, au lieu de créer un objet RFEM à partir de certains paramètres d'entrée, les propriétés de l'objet sont obtenues à partir d'un certain objet d'entrée. Il est également possible de convertir des objets RFEM directement en géométrie Grasshopper en les transposant dans des conteneurs Grasshopper. Ce flux de travail sera exploré plus en détail dans les sections 3.3 et 3.5.
Il est également possible d'importer des résultats de calcul depuis RFEM dans Grasshopper via les composants « Résultats de calcul » et « Optimiser les sections ». Cela peut être intéressant pour l'utilisation des options de visualisation de Rhino afin d'afficher ces résultats et d'effectuer des optimisations structurelles potentielles avec l'un des solveurs évolutifs disponibles dans Grasshopper (Rutten [5]) en utilisant les résultats sous forme de fonction de fitness et les paramètres d'entrée d'origine sous forme de gènes.
Tous les composants de l'objet disposent d'un menu de modification qui permet de modifier les propriétés des objets RFEM dans cette boucle d'optimisation. Bien que ce flux de travail d'optimisation soit plus coûteux en calculs que des approches similaires avec des solveurs MEF compilés dans les plugins Grasshopper, tels que Karamba3D, qui ne nécessitent pas d'exporter et d'importer des données à partir d'applications externes, il peut néanmoins être intéressant lorsque des options de calcul avancées et des vérifications basées sur le code sont nécessaires.
2.3. Fonctionnalités supplémentaires
Actuellement, quelques fonctionnalités de la boîte à outils offrent des fonctionnalités supplémentaires au-delà de cette logique basée sur les objets :
- Extruder les barres : grâce à un seul composant unique, il est possible d'obtenir dans Grasshopper les formes 3D des objets de barre, comme le montrent les Figures 4 et 9. Une géométrie de sortie sous forme d'éléments NURBS et de maillage est possible.
- Entrée pour l'ACV (Analyse du cycle de vie) : grâce à un seul composant, il est possible de détruire les masses et les géométries de tous les objets RFEM en fonction du matériau assigné, qui peut être utilisé comme donnée d'entrée pour l'exécution de l'Analyse du cycle de vie provenant d'un modèle RFEM, comme décrit dans la section 3.5.
3. Projets
3.1. Passerelle Tondo
La passerelle suivante, située à Bruxelles, est une structure composée de plaques d'acier interconnectées. Le processus de modélisation de cette géométrie complexe n'a pas eu lieu dans le programme de calcul RFEM, mais dans Rhinoceros, grâce aux outils plus puissants de ce dernier logiciel de modélisation en ce qui concerne la définition de lignes courbes et l'intersection d'éléments de surface, entre autres fonctionnalités.
Afin d'éviter la duplication des lignes de contour des surfaces adjacentes, la géométrie du modèle a également été examinée dans Grasshopper, de sorte que ces lignes de contour ont exactement les mêmes points de contrôle.
Bien qu'il existe des fonctionnalités standard dans RFEM pour importer des fichiers de géométrie à partir d'un modèle de Rhino, la boîte à outils permet d'importer non seulement des éléments de géométrie, mais également des éléments de structure réels avec des propriétés mécaniques et même des charges qui leur sont associées.
3.2. My-Co Pavilion
Le système structural de ce projet de recherche est un gridshell en contreplaqué. La définition du modèle de calcul de cette structure de forme libre a eu lieu dans Grasshopper, ce qui a offert plusieurs avantages qui ont fini par accélérer considérablement le processus de modélisation :
- Le calcul d'un gridshell nécessite la définition des éléments structuraux comme des éléments linéaires par opposition aux éléments de surface et de volume du modèle architectural. Cette conversion a été effectuée automatiquement via un algorithme paramétrique dans Grasshopper. La géométrie d'entrée pour le modèle RFEM a donc déjà été définie dans Grasshopper.
- Cela a permis d'analyser et de prétraiter la géométrie importée. L'orientation des barres a également été définie automatiquement dans l'algorithme Grasshopper.
- La définition des charges de vent a également été effectuée dans Grasshopper, afin de définir automatiquement les secteurs de charge et même les valeurs de charge. La boîte à outils considère également l'orientation future de l'axe local de barre des éléments de barre dans RFEM, de sorte que les valeurs de charge sont définies avec une valeur positive ou négative selon la bonne orientation (remarquez les charges appliquées dans différentes couleurs bleu et violet dans la Figure 8).
- L'orientation des appuis nodaux a également été définie automatiquement dans Grasshopper, afin que les forces de réaction le long de l'axe droit puissent être utilisées pour calculer les assemblages des plaques de base.
3.3. Siège social d'ArcelorMittal
La structure du siège d'ArcelorMittal est principalement composée d'acier de construction exposé architecturalement. Dans ce projet, la boîte à outils a également été utilisée dans RFEM vers Grasshopper (voir la Section 2.2) afin d'analyser et de filtrer les résultats des calculs d'une si grande structure et de visualiser correctement non seulement les résultats des calculs, mais également les des barres en acier afin de calculer les éléments d'assemblage et de générer une visualisation de rendu pour le rapport de calcul (voir la Section 2.3).
3.4. Agrandissement de la Red Bull Arena de Leipzig
L'agrandissement de la Red Bull Arena de Leipzig était une opération complexe car les nouveaux éléments de construction ont dû être planifiés en tenant compte de la structure existante (voir la Figure 6). La fondation de la nouvelle extension a donc été conçue sous forme de micropieux, presque tous avec des inclinaisons différentes, afin de ne pas perturber les éléments de fondation et les tunnels existants.
Les micropieux ont été définis dans un modèle Rhino intégrant la structure existante, puis importés dans RFEM à l'aide de la boîte à outils. La boîte à outils permet l'orientation personnalisée des appuis nodaux via un plan Grasshopper, ce qui est sans doute une approche beaucoup plus conviviale que le flux de travail standard consistant à les définir via les angles d'orientation.
3.5. Optimisations multimodales
Enfin, il convient de souligner que ce plugin Grasshopper peut être combiné avec d'autres plugins Grasshopper existants afin d'effectuer des vérifications et des optimisations multimodales. La Figure 11 montre une optimisation multimodale en termes de performances structurelles et de carbone incorporé du système structurel d'un immeuble de bureaux à Berlin en combinant la boîte à outils aux éléments finis paramétrique avec l'intégration Grasshopper de l'ACV One Click (Apellániz, Pasanen et Gengnagel [2]).
4. Résumé
L'implémentation d'outils de calcul de structure dans un environnement de programmation visuel a déjà été implémentée avec succès dans le processus de vérification en tant qu'outils de calcul sous la forme de plugins Grasshopper. La boîte à outils aux éléments finis paramétrique ne fournit cependant pas de solveur d'éléments finis à Grasshopper, mais elle établit une connexion avec le programme d'éléments finis RFEM, où le calcul de structure est effectué.
Bien que cette approche soit plus coûteuse en calculs, elle permet d'utiliser les possibilités étendues des logiciels d'éléments finis robustes du commerce. De plus, les processus d'examen par les pairs en ingénierie bénéficient de l'utilisation de logiciels d'analyse bien établis et largement utilisés. À ce jour, l'auteur ne connaît pas d'autre plugin pour Grasshopper qui implémente l'API d'un programme aux éléments finis comme celui présenté dans cet article.
La boîte à outils aux éléments finis paramétriques a prouvé sa capacité à améliorer le processus de vérification de nombreux projets depuis sa sortie. Non seulement ceux caractérisés par des géométries générées algorithmiquement (Preisinger et al. [3]), mais il a également été implémenté dans un large éventail de projets composés de systèmes structuraux non standard.
Depuis sa sortie, le retour des utilisateurs a eu un impact considérable sur le développement de cet outil. Par ailleurs, Dlubal, l'éditeur de logiciels de RFEM, a également pris contact avec nous afin d'obtenir des informations sur le développement de futures versions de l'API de RFEM. Ces efforts de coordination entre le fabricant du logiciel et les développeurs tiers sont essentiels pour assurer un développement stable et fournir aux utilisateurs un outil de vérification fiable et robuste.
Auteur : Diego APELLÁNIZ
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlin;
[email protected]
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