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2022-09-12

使用参数化有限元分析工具箱改进结构设计

本文介绍了参数化有限元工具箱的开发以及使用这个新工具的一些可用工作流程。

1. 介绍

自 1980 年代末和 1990 年代以来,建筑的范式发生了转变,其特点是采用了一种新的建筑设计方法,在这种方法中,可变和适应性的形式比传统的简单重复的刚性形式更受青睐。

这些新的要求,而不是相反,导致了算法生成建模技术的发展,它比显式建模技术更有效地完成了这项任务。 此外,为了对结果进行性能优化,启发式设计和分析已经紧密结合在一起(Schumacher [6])。

虽然已经有一些用于结构分析的参数化工具在设计过程中被成功应用,例如用于 Grasshopper 的插件 Karamba3D (Preisinger [4]),但它们通常不提供结果与商业有限元软件一样强大;因此,仍然需要使用商业有限元软件进行重新分析。

出于这些原因,作者与 Bollinger + Grohmann 合作开发了一个新的 Grasshopper 插件,以便为商业有限元分析软件 RFEM 5 生成有效的参数化接口。 这个插件叫做 Parametric FEM Toolbox (Apellániz [1])。

2. 工作流程

可以使用 API 启动一个新的 RFEM 应用程序,但必须有一个正在运行的 RFEM 模型与之交互。 本节介绍使用工具箱可以实现的工作流程,具体取决于数据是从 Grasshopper 传输到 RFEM 中,还是从相反的方向传输到 RFEM 中,或者是否涉及其他功能。

2.1.从 Grasshopper 到 RFEM 的工作流程

大多数 Toolbox 零部件都引用特定的 RFEM 对象。 图 3 显示了在 Grasshopper 中定义杆件对象并将其导出到 RFEM 的过程。 在这种情况下,大多数对象组件都需要 Grasshopper 的几何形状和一些基本信息,例如截面编号。

通过扩展菜单可以显示更高级的可选输入参数,例如杆件类型、铰等。 该对象是在 Grasshopper 内部创建的,因此在这一步不需要使用 RFEM 进行连接。 它的属性可以在 Grasshopper 面板中显示,并且可以在 RFEM 参数中内化。

为了将数据导出到 RFEM,需要将这些对象插入到“设置数据”组件中,并将“运行”参数设置为 true。 在导出过程中使用显式组件的优点是,将对象导出到 RFEM 的计算量相对较大,并且可以在一个步骤中完成。

“设置数据”组件的输出是相同的对象,但附加了关于 RFEM 自动分配给它们的索引的信息,这些信息对于在以后的步骤中修改这些对象、向它们施加荷载等非常有用.

2.2.从 RFEM 到 Grasshopper 的工作流程

同样,您也可以通过“获取数据”组件将数据从 Grasshopper 导入到 RFEM 中,只需指定要导入的对象类型即可。 如果不需要导入某种类型的所有现有对象,则可以使用带有多个可用参数的过滤组件来指定要导入的确切对象,从而减少所需的执行时间。

导入的对象可以使用相同的对象组件进行分析,但在“分解”模式下进行分析,因此不是从某些输入参数创建RFEM对象,而是从某个输入对象获取对象属性。 也可以通过将 RFEM 对象浇铸到 Grasshopper 容器中,将其直接转换为 Grasshopper 几何图形。 该工作流程将在 3.3 和 3.5 节中进一步介绍。

也可以通过“计算结果”和“截面优化”组件将计算结果从 RFEM 导入到 Grasshopper 中。 这对于使用 Rhino 的可视化选项来显示结果以及使用 Grasshopper (Rutten [5]) 中可用的任何进化求解器进行潜在的结构优化可能会很有趣。结果作为适应度函数,原始输入参数作为基因。

所有对象组件都有一个修改菜单,可以在该优化循环中修改 RFEM 对象的属性。 虽然这种优化工作流程比在 Grasshopper 中编译的有限元求解器(例如 Karamba3D)的计算成本更高,并且不需要从外部应用程序导出和导入数据,但是当高级计算选项和基于代码的检查时,它仍然是有趣的。必要的。

2.3.附加功能

目前,除了基于对象的逻辑之外,该工具箱的一些功能还提供了其他功能:

  • 拉伸杆件: 在 Grasshopper 中通过单个组件即可获得杆件对象的三维形状,如图 4 和图 9 所示。 可以同时以 NURBS 和 Mesh 单元的形式输出几何图形。
  • LCA 的输入: 通过一个组件,可以根据分配的材料分解所有 RFEM 对象的质量和几何形状,然后将其用作对 RFEM 模型进行生命周期评估的输入,如第 3.5 节所述。

3. 项目

3.1.通多桥

布鲁塞尔的人行天桥是由相互连接的钢板组成。 这种复杂的几何形状的建模过程不是在实际的计算程序 RFEM 中进行,而是在 Rhinoceros 中进行,因为 Rhinoceros 建模软件在定义曲线和面单元的相交等方面具有更强大的功能。

为了避免相邻面的边界线重复,模型的几何形状也在 Grasshopper 中进行了检查,因此这些边界线具有完全相同的定义控制点。

尽管在 RFEM 中有从 Rhino 模型导入几何文件的标准功能,但工具箱不仅可以导入几何元素,还可以导入带有力学属性甚至荷载的实际结构元素。

3.2. My-Co展馆

本研究项目的结构体系是胶合板屋架。 这种自由形式结构的计算模型是在 Grasshopper 中定义的,它具有以下几个优点,从而大大加快了建模过程:

  • 与建筑模型的面和体积单元不同,在计算网格壳结构时需要将结构杆件定义为线性单元。 该转换任务是通过 Grasshopper 中的参数化算法自动完成的,因此 RFEM 模型的输入几何形状已经在 Grasshopper 中定义好了。
  • 这样就可以对导入的几何图形进行分析和预处理。 杆件的方向也是在 Grasshopper 算法中自动定义的。
  • 在 Grasshopper 中也可以对风荷载进行定义,从而自动定义荷载分区,甚至荷载值。 该工具箱还考虑了 RFEM 中杆件单元的杆件局部轴的未来方向,因此根据正确的方向将荷载值定义为正值或负值(注意蓝色和紫色不同的施加荷载图 8 中的颜色)。
  • 节点支座的方向也在 Grasshopper 中自动定义,因此可以使用沿右轴的反力来设计底板的连接。
3.3.安赛乐米塔尔总部

安赛乐米塔尔总部的主要结构是外露钢结构。 在这个项目中,我们还使用了 RFEM 到 Grasshopper 方向的工具箱(见第 2.2 节),以便对这样一个大型结构的计算结果进行分析和过滤,并且不仅可以将计算结果可视化,还可以显示拉伸的应力。钢杆件的设计和计算软件的可视化渲染(见第 2.3 节)。

3.4.莱比锡红牛竞技场扩建

莱比锡红牛体育场的扩建工程是一项复杂的工程,因为在规划新的建筑构件时必须考虑到现有的结构(见图 6)。 因此,为了不影响现有的基础构件和隧道,新建部分的基础采用了微型桩的形式,几乎所有微型桩都具有不同的倾角。

在包含现有结构的 Rhino 模型中定义了微型桩,然后使用工具箱将其导入到 RFEM 中。 该工具箱允许通过 Grasshopper 平面自定义节点支座的方向,可以说这比通过方向角度定义节点支座的标准工作流程更加用户友好。

3.5.多模态优化

最后需要说明的是,Grasshopper 插件可以与其他现有的 Grasshopper 插件结合使用,以进行多模态设计和优化。 图 11 显示了柏林的一栋办公楼通过将参数有限元工具箱与 One Click LCA 的 Grasshopper 集成(Apellániz、Pasanen 和 Gennagel [2]).

4. 概述总结

在可视化编程环境中实施结构分析工具,作为计算工具以 Grasshopper 的插件形式在设计过程中得到了成功实施。 参数化 FEM 工具箱没有为 Grasshopper 提供有限元求解器,但它与有限元程序 RFEM 建立连接,并在该程序中进行结构分析。

虽然这种方法计算量较大,但它允许使用强大的商业有限元软件的广泛可能性。 此外,工程同行评审过程得益于使用成熟且广泛使用的分析软件。 到目前为止,作者不知道有任何其他的 Grasshopper 插件可以像本文中介绍的那样实现有限元程序的 API。

Parametric FEM Toolbox 自发布以来已经证明了它能够增强许多项目的设计过程。 它不仅以算法生成的几何图形为特征(Preisinger et al. [3]),而且在由非标准结构体系组成的各种项目中也得到了应用。

自发布以来,用户的反馈对该工具的进一步开发产生了巨大的影响。 此外,我们还联系了 RFEM 的软件开发商 Dlubal,就 RFEM 的 API 未来版本的开发进行了反馈。 软件制造商和第三方开发人员之间的这些协调工作对于确保软件开发的稳定性和为用户提供可靠、强大的设计工具至关重要。

作者: 迭戈·阿佩拉尼兹

B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlin;
[email protected]


参考
  1. Apellániz, D. 和 Vierlinger, R. (2022)。 使用参数化 FEM 工具箱改进结构设计。 钢结构,15 (3), 188-195。 https://doi.org/10.1002/stco.202200004
  2. Apellániz, D.、Pasanen, P. 和 Gengnagel, C. (2021)。 在早期设计阶段对生命周期进行评估的整体参数化方法。 在第 12 届建筑和城市设计仿真 (SimAUD) 年会上
  3. Priceinger, C., HEimrath, M., Orlinski, A., Hofmann, A. Bollinger, K. (2019)。 现代参数化在结构设计中的应用 - 工作报告 钢结构建筑, 88 (3), 184-193。 https://doi.org/10.1002/stab.201910073
  4. Preisinger, C. (2013)。 链接结构和参数化几何图形。 建筑设计, 83 (2), 110-113. https://doi.org/10.1002/ad.1564
  5. Rutten,D. (2013)。 加拉帕戈斯群岛: 关于广义求解器的逻辑和局限性。 建筑设计, 83 (2), 132-135. https://doi.org/10.1002/ad.1568
  6. Shvartzberg, M. 和 Poole, M. (2015). 参数化主义的政治: 建筑数字技术。 Blomsbury Publishing。