1. Wstęp
Od końca lat 80. i 90. XX wieku w architekturze nastąpiła zmiana paradygmatu, charakteryzująca się nowym podejściem do projektowania budynków, w którym zmienne i adaptacyjne formy są preferowane zamiast tradycyjnej, prostej powtarzalności form sztywnych.
Te nowe wymagania, a nie odwrotnie, doprowadziły do rozwoju algorytmicznych technik modelowania generującego, które realizują to zadanie bardziej efektywnie niż techniki modelowania bezpośredniego. Ponadto heurystyka obliczeniowa i analiza zostały ściśle ze sobą powiązane w celu uwzględnienia optymalizacji wydajności z myślą o wynikach (Schumacher [6]).
Chociaż istnieją już parametryczne narzędzia do analizy statyczno-wytrzymałościowej, które są z powodzeniem stosowane w procesie projektowania, takie jak np. wtyczka Karamba3D dla Grasshopper (Preisinger [4]), zazwyczaj nie zapewniają one wyników tak solidne, jak komercyjne oprogramowanie wykorzystujące metody MES; dlatego nadal konieczna jest ponowna analiza za pomocą komercyjnego oprogramowania MES.
Z tych powodów autor we współpracy z Bollinger + Grohmann opracował nową wtyczkę Grasshopper, aby wygenerować efektywny interfejs parametryczny dla komercyjnego oprogramowania FEM RFEM 5. Wtyczka ta nosi nazwę Parametric FEM Toolbox (Apellániz [1]).
2. Przepływ pracy
Możliwe jest uruchomienie nowej aplikacji RFEM z interfejsem API, ale biblioteka Toolbox jest tak skompilowana, że interakcja wymaga działającego modelu RFEM. W tej sekcji opisano przepływy pracy, które są dostępne w programie Toolbox w zależności od tego, czy dane są przesyłane z Grasshopper do RFEM, w przeciwnym kierunku, czy też zawierają dodatkowe funkcje.
2.1. Przepływ pracy z Grasshopper do RFEM
Większość komponentów Toolbox odnosi się do określonego obiektu RFEM. Rysunek 3 przedstawia proces definiowania obiektu pręta w programie Grasshopper i eksportowania go do programu RFEM. Większość elementów składowych obiektu wymaga geometrii Grasshopper i podstawowych informacji, takich jak numer przekroju.
Bardziej zaawansowane, opcjonalne parametry wejściowe, takie jak typ pręta, przeguby itp., można wyświetlić w menu rozwijanym. Obiekt jest tworzony w Grasshopper, więc na tym etapie nie jest wymagane połączenie z programem RFEM. Jego właściwości mogą być wyświetlane w panelach Grasshopper oraz w parametrach programu RFEM.
Aby wyeksportować dane do programu RFEM, należy umieścić te obiekty w komponencie „Ustaw dane” i ustawić parametr „Uruchom” na wartość prawda. Zaletą stosowania komponentu jawnego w procesie eksportu jest to, że ten stosunkowo droższy obliczeniowo proces eksportu obiektów do programu RFEM jest pogrupowany w jednym kroku.
Dane wyjściowe komponentu „Ustaw dane” to te same obiekty, ale z dodatkowymi informacjami o indeksie, który program RFEM przypisał do nich automatycznie, co może być bardzo przydatne przy modyfikowaniu tych obiektów w późniejszych krokach, obciążaniu itp..
2.2. Przepływ pracy z programu RFEM do Grasshopper
Podobnie dane można importować z Grasshopper do RFEM za pomocą komponentu „Pobierz dane”, określając, jakie obiekty mają zostać zaimportowane. W przypadku, gdy nie wszystkie istniejące obiekty określonego typu mają zostać zaimportowane, użytkownik może użyć filtrów z kilkoma dostępnymi parametrami, aby dokładnie określić obiekty, które mają zostać zaimportowane, a tym samym skrócić czas wykonywania.
Importowane obiekty można analizować za pomocą tych samych komponentów, ale w trybie „rozłóż na części”, dzięki czemu zamiast tworzyć obiekt RFEM na podstawie określonych parametrów wejściowych, właściwości obiektu są uzyskiwane z określonego obiektu wejściowego. Obiekty programu RFEM można również konwertować bezpośrednio na geometrię Grasshopper, umieszczając je w kontenerach Grasshopper. Ten przepływ pracy zostanie szerzej omówiony w rozdziałach 3.3 i 3.5.
Możliwe jest również importowanie wyników obliczeń z programu RFEM do Grasshopper za pomocą komponentów „Wyniki obliczeń” i „Optymalizuj przekroje”. Może to być interesujące w przypadku korzystania z opcji wizualizacji w Rhino w celu wyświetlenia tych wyników i przeprowadzenia potencjalnej optymalizacji konstrukcji za pomocą dowolnego z ewolucyjnych solwerów dostępnych w Grasshopper (Rutten [5]) przy użyciu wyniki jako funkcję dostosowania, a oryginalne parametry wejściowe jako geny.
Wszystkie komponenty obiektu posiadają menu modyfikacji, które umożliwia modyfikowanie właściwości obiektów RFEM w ramach tej pętli optymalizacji. Chociaż ta optymalizacja jest bardziej kosztowna pod względem obliczeniowym niż podobne podejścia z wykorzystaniem solwerów MES skompilowanych we wtyczkach Grasshopper, takich jak Karamba3D, które nie wymagają eksportowania i importowania danych z zewnętrznych aplikacji, nadal może być interesujące, gdy zostaną zastosowane zaawansowane opcje obliczeń i kontroli opartej na kodzie. konieczne.
2.3. Dodatkowe funkcje
Obecnie kilka funkcji zestawu narzędzi zapewnia dodatkowe funkcje wykraczające poza logikę opartą na obiektach:
- Wyciągnij pręty: Za pomocą jednego elementu można uzyskać w Grasshopper kształty 3D obiektów prętowych, jak pokazano na rysunkach 4 i 9. Geometria wyjściowa jest możliwa zarówno w postaci elementów NURBS, jak i siatki.
- Dane wejściowe dla LCA: Za pomocą jednego elementu możliwe jest rozbicie mas i geometrii wszystkich obiektów RFEM według przypisanego materiału, które można wykorzystać jako dane wejściowe do przeprowadzenia Oceny cyklu życia modelu RFEM, zgodnie z opisem w rozdziale 3.5.
3. Projekty
3.1. Most Tondo
Poniższa kładka w Brukseli jest konstrukcją wykonaną z połączonych ze sobą stalowych płyt. Proces modelowania tej złożonej geometrii odbył się nie w samym programie RFEM, ale w Rhinoceros, ze względu na bardziej wydajne narzędzia tego ostatniego do modelowania, dotyczące między innymi definiowania zakrzywionych linii i przecinania elementów powierzchniowych.
Aby uniknąć powielania linii granicznych sąsiednich powierzchni, w Grasshopper sprawdzono również geometrię modelu, w związku z czym linie te mają dokładnie takie same punkty kontrolne.
Chociaż w programie RFEM dostępne są standardowe funkcje importu plików geometrii z modelu Rhino, Toolbox umożliwił import nie tylko elementów geometrii, ale także rzeczywistych elementów konstrukcyjnych z właściwościami mechanicznymi, a nawet obciążeniami.
3.2. Pawilon My-Co
Układ konstrukcyjny stanowi powłoka wykonana ze sklejki. Definiowanie modelu obliczeniowego tej konstrukcji o dowolnym kształcie miało miejsce w Grasshopper, co miało kilka zalet, które ostatecznie przyspieszyły proces modelowania:
- Obliczenia powłoki siatkowej wymagają zdefiniowania prętów konstrukcyjnych jako elementów liniowych, w przeciwieństwie do elementów powierzchniowych i kubaturowych modelu architektonicznego. To zadanie konwersji zostało automatycznie przeprowadzone za pomocą algorytmu parametrycznego w Grasshopper, dzięki czemu geometria wejściowa dla modelu RFEM została już zdefiniowana w Grasshopper.
- Umożliwiło to analizę i wstępne przetworzenie importowanej geometrii. Orientacja prętów została również automatycznie zdefiniowana w algorytmie Grasshopper.
- Definiowanie obciążeń wiatrem również przeprowadzono w Grasshopper, w celu automatycznego zdefiniowania sektorów obciążenia, a nawet wartości obciążeń. Przybornik uwzględnia również przyszłą orientację lokalnej osi pręta w programie RFEM, dzięki czemu wartości obciążeń są definiowane z wartością dodatnią lub ujemną, w zależności od prawidłowej orientacji (zwróć uwagę na przyłożone obciążenia w kolorze niebieskim i fioletowym kolorów na rysunku 8).
- Orientacja podpór węzłowych również została automatycznie zdefiniowana w Grasshopper, dzięki czemu siły reakcji wzdłuż prawej osi mogły zostać wykorzystane do obliczenia połączeń płyt fundamentowych.
3.3. ArcelorMittal Headquarters
Konstrukcja głównej siedziby firmy ArcelorMittal składa się głównie ze stali konstrukcyjnej. W tym projekcie wykorzystano również Toolbox w kierunku od RFEM do Grasshopper (patrz rozdział 2.2) w celu analizy i filtrowania wyników obliczeń tak dużej konstrukcji, a także do prawidłowej wizualizacji nie tylko wyników obliczeń, ale także wyciągniętych prętów stalowych w celu wymiarowania elementów połączeń i wizualizacji renderingu dla protokołu obliczeń (patrz Rozdział 2.3).
3.4. Rozbudowa Red Bull Arena w Lipsku
Rozbudowa Red Bull Arena w Lipsku była procesem złożonym, ponieważ nowe elementy budynku musiały zostać zaplanowane z uwzględnieniem już istniejącej konstrukcji (patrz rys. 6). Z tego względu fundament nowego dobudowanego budynku zaprojektowano w postaci mikropala, prawie wszystkie o różnych nachyleniach, aby nie naruszać istniejących elementów fundamentu i tuneli.
Mikropale zostały zdefiniowane w modelu Rhino zawierającym istniejącą konstrukcję, a następnie zaimportowane do programu RFEM za pomocą przybornika. Przybornik umożliwia niestandardową orientację podpór węzłowych za pomocą płaszczyzny Grasshopper, co jest prawdopodobnie znacznie bardziej przyjazne dla użytkownika niż standardowy przepływ pracy polegający na definiowaniu ich za pomocą kątów orientacji.
3.5. Multi-Modal Optimizations
Na koniec należy podkreślić, że tę wtyczkę dla Grasshopper można łączyć z innymi istniejącymi wtyczkami w celu przeprowadzania obliczeń multimodalnych i optymalizacji. Rysunek 11 przedstawia multimodalną optymalizację systemu konstrukcyjnego budynku biurowego w Berlinie pod względem wydajności konstrukcyjnej i węgla poprzez połączenie Parametric FEM Toolbox z integracją Grasshopper z One Click LCA (Apellániz, Pasanen i Gengnagel) [2]).
4. Uwagi końcowe
Implementacja narzędzi do analizy statyczno-wytrzymałościowej w środowisku programowania wizualnego została już z powodzeniem zaimplementowana w procesie projektowania jako narzędzia obliczeniowe w postaci wtyczek do Grasshopper. Parametric FEM Toolbox nie udostępnia Grasshopper z Solverem elementów skończonych, ale nawiązuje połączenie z programem RFEM, w którym przeprowadzana jest analiza statyczno-wytrzymałościowa.
Chociaż takie podejście jest bardziej kosztowne obliczeniowo, pozwala na wykorzystanie szerokich możliwości, jakie daje komercyjnie dostępne oprogramowanie do analizy elementów skończonych. Ponadto, w procesach inżynierskich w celu weryfikacji wyników można wykorzystać ugruntowane i szeroko stosowane oprogramowanie analityczne. Autorowi nie jest do tej pory znany żaden inny plugin do Grasshopper, który implementowałby API programu elementów skończonych w takim stopniu, jak wtyczka prezentowana w artykule.
Od momentu wydania przybornika Parametric FEM Toolbox udowodniono, że może usprawnić proces projektowania wielu projektów. Nie tylko te, które charakteryzują się wygenerowanymi algorytmicznie geometriami (Preisinger i in. [3]), ale zostały one również zastosowane w wielu projektach niestandardowych układów konstrukcyjnych.
Od momentu wydania narzędzia opinie użytkowników miały ogromny wpływ na dalszy rozwój tego narzędzia. Ponadto firma Dlubal, producent oprogramowania RFEM, również skontaktowała się z nami w celu uzyskania opinii na temat rozwoju przyszłych wersji API dla RFEM. Ta koordynacja między producentem oprogramowania a programistami zewnętrznymi jest niezbędna do zapewnienia stabilnego rozwoju i dostarczenia użytkownikom niezawodnego i solidnego narzędzia do projektowania.
Autor
Diego APELLNIZ
'B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlin;
[email protected]