1. Wstęp
Od końca lat 80. i 90. nastąpiła zmiana paradygmatu w architekturze, 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 opracowania algorytmicznych technik modelowania generatywnego, które spełniają to zadanie skuteczniej niż techniki modelowania jawnego. Ponadto heurystyki i analizy zostały ściśle ze sobą powiązane, aby uwzględnić optymalizację wydajności pod kątem wyników (Schumacher [6]).
Chociaż istnieją już parametryczne narzędzia do analizy statyczno-wytrzymałościowej, które są z powodzeniem wdrażane w procesie projektowania, takie jak wtyczka Karamba3D dla Grasshopper (Preisinger [4]), zwykle nie zapewniają one wyników tak solidny jak komercyjne oprogramowanie 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 w celu wygenerowania efektywnego interfejsu parametrycznego dla komercyjnego oprogramowania FEM, RFEM 5. Wtyczka ta nosi nazwę Parametric FEM Toolbox (Apellániz [1]).
2. Przebieg pracy
Możliwe jest uruchomienie nowej aplikacji RFEM z interfejsem API, ale Toolbox jest skompilowany w taki sposób, że musi istnieć działający model w RFEM do interakcji. W tej sekcji opisano procesy robocze, które są dostępne w programie Toolbox w zależności od tego, czy dane są przesyłane z Grasshopper do programu RFEM w przeciwnym kierunku, czy też zawierają dodatkowe funkcje.
2.1. Przebieg pracy z Grasshopper do RFEM
Większość komponentów Toolbox odnosi się do konkretnego obiektu RFEM. Rysunek 3 przedstawia proces definiowania obiektu prętowego w Grasshopper i eksportowania go do programu RFEM. Większość komponentów obiektu wymaga geometrii Grasshopper jako danych wejściowych i pewnych podstawowych informacji, takich jak w tym przypadku numer przekroju.
Bardziej zaawansowane, opcjonalne parametry wejściowe, takie jak typ pręta, przeguby itp., można wyświetlić za pomocą menu rozszerzalnego. Obiekt jest tworzony w Grasshopper, więc na tym etapie nie jest wymagane połączenie z programem RFEM. Jego właściwości można wyświetlić w panelach Grasshopper i zinternalizować w parametrach programu RFEM.
Aby wyeksportować dane do programu RFEM, należy te obiekty umieścić w elemencie „Ustaw dane” i ustawić dla parametru „Uruchomienie” wartość true. Zaletą wykorzystania jawnego komponentu w procesie eksportu jest fakt, że ten stosunkowo droższy obliczeniowo proces eksportu obiektów do programu RFEM jest pogrupowany w jednym kroku.
Elementami wyjściowymi komponentu „Ustaw dane” są te same obiekty, ale z dodatkowymi informacjami o indeksie, który został im automatycznie przypisany przez program RFEM, co może być bardzo przydatne przy modyfikowaniu tych obiektów w późniejszych krokach, obciążaniu ich itp..
2.2. Przebieg pracy z programu RFEM do Grasshopper
Podobnie dane można importować z Grasshopper do RFEM za pomocą komponentu „Pobierz dane”, określając, jakie typy obiektów mają zostać zaimportowane. W przypadku, gdy nie wszystkie istniejące obiekty danego typu mają zostać zaimportowane, użytkownik może użyć filtrów z kilkoma dostępnymi parametrami, aby dokładnie określić, które obiekty mają zostać zaimportowane, a tym samym skrócić wymagany czas wykonania.
Importowane obiekty mogą być analizowane za pomocą tych samych komponentów obiektu, ale w trybie „rozmontować”, dzięki czemu zamiast tworzyć obiekt RFEM na podstawie określonych parametrów wejściowych, właściwości obiektu są uzyskiwane z określonego obiektu wejściowego. Obiekty programu RFEM można konwertować bezpośrednio na geometrię Grasshopper, umieszczając je w kontenerach Grasshopper. Ten przepływ pracy zostanie dokładniej omówiony w sekcjach 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 Rhino w celu wyświetlenia tych wyników i przeprowadzenia potencjalnej optymalizacji konstrukcyjnej za pomocą dowolnego ewolucyjnego solwera dostępnego w Grasshopper (Rutten [5]) za pomocą wyniki jako funkcja przystosowania, a oryginalne parametry wejściowe jako geny.
Wszystkie komponenty obiektu posiadają menu modyfikacji, które umożliwia zmianę właściwości obiektów programu RFEM w ramach tej pętli optymalizacji. Chociaż ten proces optymalizacji jest bardziej kosztowny obliczeniowo niż podobne podejścia z solwerami MES skompilowanymi we wtyczkach Grasshopper, takimi jak Karamba3D, które nie wymagają eksportowania ani importowania danych z aplikacji zewnętrznych, może być interesujący, gdy zostaną zastosowane zaawansowane opcje obliczeń i konieczne.
2.3. Dodatkowe funkcjonalności
Obecnie kilka funkcji zestawu narzędzi zapewnia dodatkowe funkcje wykraczające poza logikę opartą na obiektach:
- Wyciągnij pręty: Za pomocą jednego elementu można uzyskać w Grasshopper trójwymiarowe kształty prętów, jak pokazano na rysunkach 4 i 9. Możliwa jest geometria wyjściowa w postaci elementów NURBS i Mesh.
- Dane wejściowe dla LCA: Za pomocą jednego komponentu możliwe jest rozbicie mas i geometrii wszystkich obiektów programu RFEM według przypisanego materiału, który można wykorzystać jako dane wejściowe do przeprowadzenia oceny cyklu życia z modelu programu RFEM, jak opisano w rozdziale 3.5.
3. Projekty
3.1. Most Tondo
Poniższa kładka w Brukseli jest konstrukcją wykonaną z połączonych ze sobą płyt stalowych. Proces modelowania tej złożonej geometrii odbywał się nie w programie RFEM, ale w Rhinoceros, dzięki bardziej zaawansowanym narzędziom do modelowania, które umożliwiają między innymi definiowanie linii krzywych i przecinanie się elementów powierzchniowych.
Aby uniknąć powielania linii granicznych sąsiednich powierzchni, w programie Grasshopper zbadano również geometrię modelu, dlatego te linie graniczne mają dokładnie te same punkty kontrolne.
Mimo że w programie RFEM dostępne są standardowe funkcje do importowania plików geometrii z modelu Rhino, Toolbox umożliwia import nie tylko elementów geometrycznych, ale także rzeczywistych elementów konstrukcyjnych z właściwościami mechanicznymi, a nawet dołączonymi do nich obciążeniami.
3.2. Pawilon My-Co
Układem konstrukcyjnym tego projektu badawczego jest kratownica ze sklejki. Definiowanie modelu obliczeniowego tej konstrukcji o dowolnym kształcie miało miejsce w Grasshopper, co miało kilka zalet, które znacznie przyspieszyły proces modelowania:
- Obliczenia powłoki rastra wymagają zdefiniowania prętów konstrukcyjnych jako elementów liniowych w przeciwieństwie do elementów powierzchniowych i objętościowych modelu architektonicznego. To zadanie konwersji zostało automatycznie przeprowadzone za pomocą algorytmu parametrycznego w Grasshopper, więc geometria wejściowa dla modelu w RFEM została już zdefiniowana w Grasshopper.
- Umożliwiło to analizę i wstępną obróbkę importowanej geometrii. Orientacja prętów została również automatycznie zdefiniowana w algorytmie Grasshopper.
- Definiowanie obciążeń wiatrem również zostało przeprowadzone w Grasshopper, aby automatycznie zdefiniować sektory obciążeń, a nawet wartości obciążeń. Przybornik uwzględnia również przyszłą orientację lokalnej osi pręta w programie RFEM, dzięki czemu wartości obciążeń są definiowane jako dodatnie lub ujemne, w zależności od prawidłowej orientacji (zwróć uwagę na przyłożone obciążenia w kolorze niebieskim i fioletowym kolory na rysunku 8).
- Orientacja podpór węzłowych została również automatycznie zdefiniowana w programie Grasshopper, dzięki czemu do obliczenia połączeń płyt fundamentowych można było wykorzystać siły reakcji wzdłuż prawej osi.
3.3. Siedziba ArcelorMittal
Konstrukcja głównej siedziby firmy ArcelorMittal jest wykonana głównie ze stali konstrukcyjnej o odsłoniętej architekturze. W tym projekcie Toolbox został również wykorzystany w kierunku od RFEM do Grasshopper (patrz rozdział 2.2) w celu przeanalizowania i przefiltrowania wyników obliczeń tak dużej konstrukcji, a także do prawidłowej wizualizacji nie tylko wyników obliczeń, ale również prętów stalowych w celu wymiarowania elementów połączeń i wizualizacji renderingu do raportu z obliczeń (patrz rozdział 2.3).
3.4. Rozbudowa Red Bull Arena w Lipsku
Rozbudowa Red Bull Arena w Lipsku była operacją złożoną ze względu na fakt, że nowe elementy budynku musiały zostać zaplanowane z uwzględnieniem już istniejącej konstrukcji (patrz rys. 6). Dlatego też posadowienie nowej przybudówki zaprojektowano w postaci mikropali, prawie wszystkie o różnych nachyleniach, aby nie naruszać istniejących elementów posadowienia i tuneli.
Mikropale zostały zdefiniowane w modelu Rhino zawierającym istniejącą konstrukcję, a następnie zaimportowane do programu RFEM za pomocą przybornika. Zestaw narzędzi umożliwia niestandardową orientację podpór węzłowych za pomocą płaszczyzny Grasshopper, co jest prawdopodobnie znacznie bardziej przyjazne dla użytkownika niż standardowy proces roboczy polegający na definiowaniu ich za pomocą kątów orientacji.
3.5. Optymalizacje multimodalne
Na koniec należy zaznaczyć, że ta wtyczka Grasshopper może być łączona z innymi istniejącymi wtyczkami Grasshopper w celu przeprowadzania projektów multimodalnych i optymalizacji. Rysunek 11 przedstawia multimodalną optymalizację systemu konstrukcyjnego budynku biurowego w Berlinie, zarówno pod względem wydajności konstrukcyjnej, jak i zawartości węgla, poprzez połączenie Parametric FEM Toolbox z integracją Grasshopper z One Click LCA (Apellániz, Pasanen i Gengnagel) [2]).
4. Wniosek
Implementacja narzędzi do analizy statyczno-wytrzymałościowej w środowisku programowania wizualnego została już pomyślnie zaimplementowana w procesie projektowania jako narzędzia obliczeniowe w postaci wtyczek Grasshopper. Parametric FEM Toolbox nie udostępnia Grasshopper z rozwiązywaniem elementów skończonych, ale nawiązuje połączenie z programem elementów skończonych RFEM, w którym przeprowadzana jest analiza statyczno-wytrzymałościowa.
Chociaż podejście to jest droższe obliczeniowo, umożliwia wykorzystanie szerokich możliwości, jakie oferuje niezawodne oprogramowanie komercyjne do elementów skończonych. Co więcej, w procesach inżynierskich w ramach wzajemnej oceny korzystne jest wykorzystanie ugruntowanego i powszechnie stosowanego oprogramowania analitycznego. Do tej pory autorowi nie jest znany żaden inny plugin do Grasshoppera, który implementowałby API programu elementów skończonych w takim stopniu, jak ten przedstawiony w artykule.
Zestaw narzędzi Parametryczny MES udowodnił, że może usprawnić proces projektowania wielu projektów od momentu jego wydania. Nie tylko te, które charakteryzują się algorytmicznie generowanymi geometriami (Preisinger i in. [3]), ale zostały również zastosowane w wielu projektach składających się z niestandardowych układów konstrukcyjnych.
Od momentu wprowadzenia na rynek, opinie użytkowników miały ogromny wpływ na dalszy rozwój tego narzędzia. Ponadto firma Dlubal, producent oprogramowania RFEM, również skontaktowała się z nami w celu uzyskania informacji zwrotnych na temat rozwoju przyszłych wersji interfejsu 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 APELLÁNIZ
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlin;
[email protected]
.png?mw=512&hash=ea9bf0ab53a4fb0da5c4ed81d32d53360ab2820c)
.jpg?mw=350&hash=8f312d6c75a747d88bf9d0f5b1038595900b96c1)
