1. Введение
С конца 1980-х и 1990-х годов в архитектуре произошла смена парадигмы, которая характеризовалась новым подходом к проектированию зданий, в котором переменные и адаптивные формы предпочитаются традиционному простому повторению жестких форм.
Эти новые требования, а не наоборот, привели к разработке методов алгоритмического генеративного моделирования, которые решают данную задачу более эффективно, чем формальные методы моделирования. Кроме того, эвристика и анализ проектирования начали быть тесно связаны друг с другом для того, чтобы выполнить оптимизацию производительности по отношению к результатам анализа (Schumacher [6]).
Несмотря на то, что уже существуют параметрические инструменты для расчета конструкций, которые успешно применяются в процессе проектирования, например, плагин Karamba3D для Grasshopper (Preisinger [4]), они обычно не дают столь же надежного результата, как программы МКЭ, поэтому повторный анализ с помощью профессиональных программ МКЭ по-прежнему необходим.
По этим причинам автором был разработан новый плагин Grasshopper в сотрудничестве с компанией Bollinger + Grohmann с целью создания эффективного параметрического интерфейса для профессиональной программы МКЭ RFEM 5. Этот плагин называется Parametric FEM Toolbox (Apellániz [1]).
2. Рабочий процесс
Новое приложение RFEM можно запустить с помощью API, но Toolbox настроен таким образом, что должна быть открыта работающая модель RFEMб с которой он сможет взаимодействовать. В данном разделе описываются рабочие процессы, которые можно выполнить с помощью Toolbox в зависимости от того, осуществляется ли передача данных из Grasshopper в RFEM, в обратном направлении или они требуются для дополнительных функций.
2.1. Рабочий процесс из Grasshopper в RFEM
Большинство компонентов Toolbox относятся к определенному объекту RFEM. На рисунке 3 показан процесс определения объекта стержня в Grasshopper и его экспорта в RFEM. Для большинства компонентов объекта в данном случае требуется в качестве входных данных геометрия Grasshopper и некоторые основные данные, например, номер сечения.
Более сложные дополнительные входные параметры, такие как тип стержня, шарниры и т.д., можно отобразить с помощью расширенного меню. Объект создается в среде Grasshopper, поэтому на данном этапе не требуется соединение с RFEM. Его свойства могут быть отображены внутри панелей Grasshopper и могут быть встроены в параметры RFEM.
Для того, чтобы экспортировать данные в RFEM, необходимо подключить эти объекты к компоненту "Set Data" и установить для параметра "Run" значение true. Преимущество использования явного компонента для процесса экспорта заключается в том, что данный относительно затратный в вычислительном отношении процесс экспорта объектов в RFEM сгруппирован в один шаг.
Выходные данные компонента «Set Data» - это те же объекты, но с дополнительной информацией об индексе, автоматически присвоенном им программой RFEM, которая может быть очень полезна для изменения этих объектов на более поздних этапах, для приложения к ним нагрузок и т.д..
2.2. Рабочий процесс из RFEM в Grasshopper
Аналогично данные можно импортировать из Grasshopper в RFEM через компонент «Get Data», просто указав, какие типы объектов должны быть импортированы. В случае, если не все существующие объекты определенного типа должны быть импортированы, пользователь может применить компоненты фильтра с несколькими доступными параметрами, чтобы указать точные объекты для импорта и, таким образом, сократить требуемое время для выполнения.
Импортированные объекты можно проанализировать с помощью тех же компонентов объекта, но в режиме «disassemble», таким образом, вместо создания объекта RFEM на основе определенных входных параметров, свойства объекта получены из определенного входного объекта. Кроме того, объекты RFEM можно напрямую преобразовать в геометрию Grasshopper, поместив их в контейнеры Grasshopper. Этот рабочий процесс будет более подробно рассмотрен в разделах 3.3 и 3.5.
Также можно импортировать результаты расчета из RFEM в Grasshopper с помощью компонентов «Calculation Results» и «Optimize Cross-Sections». Это может быть полезно при использовании опций визуализации в Rhino для отображения результатов и для выполнения возможной структурной оптимизации с помощью любого из эволюционных решателей, имеющихся в Grasshopper (Rutten [5]), через применение результатов как функции пригодности, а исходных входных параметров в качестве генов.
Все компоненты объекта имеют меню изменения, которое позволяет изменять свойства объектов RFEM в рамках этого цикла оптимизации. Не смотря на то, что данный рабочий процесс оптимизации является более затратным с точки зрения вычислений, чем аналогичные подходы с решателями МКЭ, скомпилированными внутри плагинов Grasshopper, например Karamba3D, которые не требуют экспорта и импорта данных из внешних приложений, он может быть полезен в случае, когда необходимы расширенные параметры расчета и проверки на основе кода.
2.3 Дополнительные функции
В настоящее время некоторые функции панели инструментов предоставляют дополнительные опции, помимо объектной логики:
- Выдавить стержни: С помощью одного компонента в Grasshopper можно получить трехмерные формы объектов-стержней, как показано на рисунках 4 и 9. Возможен вывод геометрии как в виде NURBS, так и в виде элементов Mesh.
- Исходные данные для ОЖЦ: С помощью одного компонента можно разбить массы и геометрию всех объектов RFEM в соответствии с назначенным материалом, который можно использовать в качестве входных данных для выполнения оценки жизненного цикла модели RFEM, как описано в разделе 3.5.
3. Проекты
3.1. Мост Тондо
Этот пешеходный мост в Брюсселе - конструкция из соединенных между собой стальных пластин. Моделирование данной сложной геометрии было выполнено не в самой программе расчета RFEM, а в Rhinoceros из-за более мощных инструментов этой программы моделирования, касающихся, кроме прочего, определения изогнутых линий и пересечения элементов поверхности.
Во избежание дублирования граничных линий смежных поверхностей, геометрия модели также была проверена в Grasshopper, поэтому граничные линии имеют точно такие же определяющие контрольные точки.
Несмотря на то, что в RFEM есть стандартные функции для импорта файлов геометрии из модели Rhino, Toolbox позволяет импортировать не только геометрические элементы, но и фактические конструктивные элементы с механическими свойствами и даже прикрепленными к ним нагрузками.
3.2. Павильон My-Co
Конструктивная система данного исследовательского проекта представляет собой решетчатую фанерную оболочку. Ввод расчетной модели этой конструкции произвольной формы был выполнен в программе Grasshopper, которая содержит несколько преимуществ, в конечном итоге значительно ускоривших процесс моделирования:
- Расчет решетчатой оболочки требует ввода конструктивных элементов в качестве линейных элементов в отличие от элементов поверхности и объема в архитектурной модели. Данная задача преобразования была автоматически выполнена с помощью параметрического алгоритма в Grasshopper, поэтому входная геометрия для модели RFEM уже была задана в Grasshopper.
- Это дало возможность проанализировать и предварительно обработать импортированную геометрию. Ориентация стержней также была автоматически задана в алгоритме Grasshopper.
- Ветровые нагрузки были также заданы в Grasshopper для того, чтобы автоматически определить секторы нагрузки и даже значения нагрузок. Toolbox также учитывает будущую ориентацию местной оси стержня у стержневых элементов в RFEM, таким образом нагрузки определяются с положительным или отрицательным значением в зависимости от правильной ориентации (приложенные нагрузки выделены синим и фиолетовым цветом на рисунке 8).
- Ориентация узловых опор была определена также автоматически в Grasshopper, поэтому для расчета соединений опорных плит можно было применить силы реакции вдоль правильной оси.
3.3. ArcelorMittal Headquarters
Конструкция штаб-квартиры ArcelorMittal состоит главным образом из конструкционной стали с открытой архитектурой. В данном проекте Toolbox также был применен в направлении из RFEM в Grasshopper (см. п. 2.2) для анализа и фильтрации результатов расчета этой большой конструкции, а также для правильной визуализации не только результатов расчета, но и выдавленных стальные стержни для расчета соединительных элементов и создания визуализации для протокола расчетов (см. п. 2.3).
3.4. Расширение арены Red Bull в Лейпциге
Расширение здания Red Bull Arena в Лейпциге было сложной задачей, так как новые элементы здания нужно было проектировать с учетом уже существующей конструкции (см. рисунок 6). Поэтому фундамент для новой пристройки был спроектирован в виде микросвай, причем почти все они были с различным углом наклона для того, чтобы не повлиять на существующие элементы фундамента и туннели.
Микросваи были заданы в модели Rhino, которая включала в себя существующую конструкцию, а затем импортирована в RFEM с помощью toolbox. Toolbox позволяет задать пользовательскую ориентацию узловых опор с помощью плоскости Grasshopper, что, возможно, является гораздо более удобным для пользователя методом, чем стандартный рабочий процесс их ввода с помощью углов ориентации.
3.5. Multi-Modal Optimizations
Наконец, необходимо отметить, что данный плагин Grasshopper можно комбинировать с другими имеющимися плагинами Grasshopper для выполнения мультимодального расчета и оптимизации. На рисунке 11 показана мультимодальная оптимизация ка с точки зрения конструктивных характеристик, так и воплощенного углерода конструктивной системы офисного здания в Берлине, путем сочетания Parametric FEM Toolbox с интегрированной в Grasshopper One Click LCA (Apellániz, Pasanen и Gengnagel [2]).
4. Заключение
Инструменты расчета конструкций в среде визуального программирования уже были успешно применены в процессе проектирования в качестве инструментов расчета в виде плагинов Grasshopper. Однако Parametric FEM Toolbox не предоставляет Grasshopper решатель по конечным элементам, а устанавливает соединение с программой МКЭ RFEM, в которой выполняется расчет конструкций.
Не смотря на то, что данный метод является более сложным с точки зрения вычислений, он позволяет применить широкие возможности надежной коммерческой программы расчёта по методу конечных элементов. Кроме того, процессы инженерной экспертной оценки выигрывают от использования хорошо зарекомендовавшей себя и широко используемой программы расчета. На сегодняшний день автору не известен какой-либо другой плагин для Grasshopper, который бы применял API-интерфейс программы МКЭ в той мере, в которой он представлен в нашей статье.
Parametric FEM Toolbox доказал свою способность улучшить процесс расчета во многих проектах с момента его выпуска. Не только в тех, которые характеризуются алгоритмически сгенерированной геометрией (Прейзингер и др. [3]), но был также применен в широком спектре проектов с нестандартными конструктивными системами.
С момента его выпуска отзывы пользователей оказали огромное влияние на дальнейшее развитие данного инструмента. Кроме того, Dlubal sofware, производитель программы RFEM, связался с нами, чтобы получить отзывы для разработки будущих версий API RFEM. Эти усилия по координации между производителем программы и сторонними разработчиками необходимы для обеспечения стабильной разработки и предоставления пользователям надежного и функционального инструмента проектирования.
Автор
Диего Апелланис
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Берлин;
[email protected]