1. Introdução
Desde o final dos anos 80 e 90 que tem havido uma mudança de paradigma na arquitetura, caracterizada por uma nova abordagem de dimensionamento de edifícios na qual as formas variáveis e adaptáveis são preferidas à tradicional repetição simples de formas rígidas.
Estes novos requisitos, e não o contrário, levaram ao desenvolvimento de técnicas de modelação generativa algorítmica que cumprem esta tarefa de forma mais eficiente do que as técnicas de modelação explícita. Além disso, a heurística de dimensionamento e a análise estão estreitamente associadas para incluir a otimização do desempenho na direção dos resultados (Schumacher [6]).
Apesar de já existirem ferramentas paramétricas para análise estrutural que estão a ser implementadas com sucesso no processo de dimensionamento, tais como o plug-in Karamba3D para Grasshopper (Preisinger [4]), elas geralmente não fornecem um resultado tão robusto quanto um software de FEM comercial; portanto, ainda é necessária uma reanálise com um software de FEM comercial.
Por estas razões, um novo plug-in Grasshopper foi desenvolvido pelo autor em colaboração com a Bollinger + Grohmann a fim de gerar uma interface paramétrica eficaz para o software de FEM comercial RFEM 5. Esse plug-in é chamado de Caixa de ferramentas do FEM paramétrico (Apellániz [1]).
2. Fluxo de trabalho
É possível iniciar uma nova aplicação RFEM com a API, mas a caixa de ferramentas é compilada de forma a que deve haver um modelo do RFEM em execução para interagir. Esta secção descreve os fluxos de trabalho possíveis com a Toolbox, quer os dados sejam transferidos do Grasshopper para o RFEM, no sentido inverso, ou envolvam funções adicionais.
2.1. Fluxo de trabalho do Grasshopper para o RFEM
A maioria dos componentes do Toolbox refere-se a um objeto específico do RFEM. A Figura 3 mostra o processo para definir um objeto de barra dentro do Grasshopper e exportá-lo para o RFEM. A maioria dos componentes do objeto requer como entrada as geometrias do Grasshopper e, neste caso, algumas informações básicas, como o número da secção.
Parâmetros de entrada opcionais mais avançados, tais como tipo de barra, articulações etc. podem ser exibidos através de um menu extensível. O objeto é criado no Grasshopper, por isso não é necessária uma ligação com o RFEM neste passo. As suas propriedades podem ser apresentadas nos painéis do Grasshopper e interiorizadas nos parâmetros do RFEM.
Para exportar dados para o RFEM, é necessário conectar esses objetos a um componente "Definir dados" e definir o parâmetro "Executar" como verdadeiro. A vantagem de utilizar um componente explícito para o processo de exportação é o facto de este processo computacionalmente mais caro de exportar objetos para o RFEM ser agrupado num único passo.
As saídas do componente "Definir dados" são os mesmos objetos, mas com informação adicional sobre o índice que o RFEM atribuiu automaticamente aos mesmos, o que pode ser muito útil para modificar esses objetos em etapas posteriores, aplicar cargas etc..
2.2. Fluxo de trabalho do RFEM para o Grasshopper
Da mesma forma, os dados podem ser importados do Grasshopper para o RFEM através do componente "Obter dados", apenas especificando que tipos de objetos devem ser importados. Caso nem todos os objetos existentes de um determinado tipo devam ser importados, o utilizador pode utilizar componentes de filtro com vários parâmetros disponíveis para especificar os objetos exatos a serem importados e assim reduzir o tempo de execução necessário.
Os objetos importados podem ser analisados com os mesmos componentes do objeto mas no modo "desmontar", por isso em vez de criar um objeto RFEM a partir de determinados parâmetros de entrada, as propriedades do objeto são obtidas a partir de um determinado objeto de entrada. Também é possível converter objetos do RFEM diretamente na geometria do Grasshopper, colocando-os nos contentores do Grasshopper. Este fluxo de trabalho será explorado em maior detalhe nas Secções 3.3 e 3.5.
Os resultados de cálculos do RFEM também podem ser importados para o Grasshopper através dos componentes "Resultados de cálculos" e "Otimizar secções". Isto pode ser interessante para utilizar as opções de visualização do Rhino para apresentar esses resultados e para realizar potenciais otimizações estruturais com qualquer um dos solucionadores evolutivos disponíveis no Grasshopper (Rutten [5]) utilizando a função resultados como uma função de fitness e os parâmetros de entrada originais como genes.
Todos os componentes dos objetos têm um menu de modificação que permite alterar as propriedades dos objetos do RFEM dentro deste ciclo de otimização. Embora este fluxo de trabalho de otimização seja computacionalmente mais caro do que abordagens semelhantes com solucionadores FEM compilados dentro de plug-ins do Grasshopper, como o Karamba3D, que não requerem a exportação e importação de dados de aplicativos externos, ainda pode ser interessante quando opções de cálculo avançadas e verificações baseadas em código são necessário.
2.3. Funções adicionais
Atualmente, algumas funcionalidades da caixa de ferramentas fornecem funções adicionais para além desta lógica baseada em objetos:
- Extrudir barras: Através de uma única componente, é possível obter no Grasshopper as formas tridimensionais dos objetos da barra, como apresentado nas Figuras 4 e 9. É possível uma geometria de saída na forma de elementos NURBS e de malha.
- Entrada para ACV: Através de um único componente, é possível decompor as massas e as geometrias de todos os objetos do RFEM de acordo com o material atribuído, que pode ser utilizado como entrada para realizar uma avaliação do ciclo de vida do modelo RFEM como descrito no Secção 3.5.
3. Projetos
3.1. Ponte de Tondo
A seguinte ponte pedonal em Bruxelas é uma estrutura feita de chapas de aço interligadas. O processo de modelação desta geometria complexa não ocorreu no próprio programa de cálculo RFEM, mas sim no Rhinoceros, devido às ferramentas mais poderosas deste último software de modelação no que diz respeito à definição de linhas curvas e interseção de elementos de superfície, entre outras.
De forma a evitar a duplicação de linhas de fronteira de superfícies adjacentes, a geometria do modelo também foi examinada no Grasshopper, para que estas linhas de fronteira tenham exatamente os mesmos pontos de controlo de definição.
Apesar de existirem funcionalidades padrão no RFEM para importar ficheiros de geometria de um modelo do Rhino, a Caixa de ferramentas tornou possível importar não apenas elementos de geometria, mas também elementos estruturais reais com propriedades mecânicas e até cargas associadas.
3.2. Pavilhão My-Co
O sistema estrutural deste projeto de pesquisa é uma grelha de madeira compensada. A definição do modelo de cálculo desta estrutura de forma livre ocorreu no Grasshopper, o que ofereceu diversas vantagens, que acabaram por agilizar drasticamente o processo de modelação:
- O cálculo de uma grelha requer a definição das barras estruturais como elementos lineares em contraste com os elementos de superfície e de volume do modelo arquitectural. Esta tarefa de conversão era realizada de forma automática através de um algoritmo paramétrico no Grasshopper, pelo que a geometria de entrada para o modelo do RFEM já tinha sido definida no Grasshopper.
- Isso possibilitou analisar e pré-processar a geometria importada. A orientação das barras também foi definida automaticamente no algoritmo do Grasshopper.
- A definição das cargas de vento foi também realizada no Grasshopper, de forma a definir os setores de carga e mesmo os valores de carga de forma automática. A caixa de ferramentas também tem em consideração a orientação futura do eixo local de barra dos elementos de barra no RFEM, de modo que os valores das cargas são definidos com um valor positivo ou negativo dependendo da orientação para a direita (repare que as cargas aplicadas cores na Figura 8).
- A orientação dos apoios nodais também foi definida automaticamente no Grasshopper, para que as forças de reação ao longo do eixo direito pudessem ser utilizadas para dimensionar as ligações das placas de base.
3.3. Sede da ArcelorMittal
A estrutura da sede da ArcelorMittal é constituída principalmente por aço estruturalmente exposto. Neste projeto, o Toolbox também foi utilizado na direção do RFEM para o Grasshopper (ver Secção 2.2) para analisar e filtrar os resultados do cálculo de uma estrutura tão grande e também para visualizar adequadamente não só os resultados do cálculo, mas também a estrutura extrudida barras em aço para dimensionar os elementos de ligação e para produzir uma representação para o relatório de cálculo (ver Secção 2.3).
3.4. Expansão do Red Bull Arena em Leipzig
A ampliação do Red Bull Arena em Leipzig foi uma operação complexa devido ao facto de os novos elementos do edifício terem de ser planeados tendo em consideração a estrutura já existente (ver Figura 6). A fundação do novo anexo foi, portanto, dimensionada sob a forma de microestacas, quase todas com diferentes inclinações, para não afetar os elementos de fundação e os túneis existentes.
As microestacas foram definidas num modelo Rhino que incluía a estrutura existente e depois importadas para o RFEM com a caixa de ferramentas. A caixa de ferramentas permite a orientação personalizada de apoios nodais através de um plano do Grasshopper, o que é sem dúvida uma abordagem muito mais amigável do que o fluxo de trabalho padrão de defini-los através dos ângulos de orientação.
3.5. Otimizações multimodais
Por fim, importa salientar que este plug-in do Grasshopper pode ser combinado com outros plug-ins do Grasshopper já existentes para realizar dimensionamentos e otimizações multimodais. A Figura 11 mostra uma otimização multimodal em termos de desempenho estrutural e de carbono incorporado do sistema estrutural de um edifício de escritórios em Berlim, combinando o Paramétrico FEM Toolbox com a integração do Grasshopper do One Click LCA (Apellániz, Pasanen e Gengnagel [2]).
4. Conclusão
A implementação de ferramentas de análise estrutural em ambiente de programação visual já foram implementadas com sucesso no processo de dimensionamento como ferramentas de cálculo na forma de plug-ins Grasshopper. O Paramétrico FEM Toolbox, no entanto, não oferece um solucionador de elementos finitos do Grasshopper, mas estabelece uma ligação com o programa de elementos finitos RFEM, onde a análise estrutural é realizada.
Embora esta abordagem seja mais cara computacionalmente, ela permite o uso de várias possibilidades de softwares comerciais de elementos finitos robustos. Além disso, os processos de revisão pelos pares da engenharia beneficiam do uso de software de análise bem estabelecido e amplamente utilizado. Até à data, o autor não conhece nenhum outro plug-in para Grasshopper que implemente a API de um programa de elementos finitos com a extensão do apresentado neste artigo.
O Paramétrico FEM Toolbox comprovou sua capacidade de melhorar o processo de dimensionamento de inúmeros projetos desde o seu lançamento. Não apenas aqueles caracterizados por geometrias geradas por algoritmos (Preisinger et al. [3]), mas também tem sido implementados numa vasta gama de projetos de sistemas estruturais não padrão.
Desde o seu lançamento, o feedback dos utilizadores teve um enorme impacto no desenvolvimento desta ferramenta. A Dlubal, fabricante de software do RFEM, também entrou em contacto para obter feedback para o desenvolvimento de futuras versões da API do RFEM. Estes esforços de coordenação entre o fabricante de software e os programadores terceiros são essenciais para garantir um desenvolvimento estável e fornecer aos utilizadores uma ferramenta de design fiável e robusta.
Autor: Diego APELLÁNIZ
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlim;
[email protected]
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