В этой статье я хочу рассказать, как я использовал визуальное программирование для получения расчетной и архитектурной модели здания в своем дипломном проекте.

Про параметрическое моделирование я узнал на 5 курсе строительного института. Рутина всегда отталкивала меня, но в тоже время я понимал, что это неминуемая часть моей будущей работы, поэтому решил работать над минимизацией ее количества.

Формирование геометрии здания

Плагин Grasshopper для Rhino 7 - это высокоточное математическое представление любой формы,что позволяет его использовать для создания сложной геометрии зданий.

Еще до момента открытия программы следует задаться изменяемыми входными параметрами модели для того, чтобы приступить к разработке логики сценария.

Изначально были заданы следующие параметры:

• Габарит здания (в основе формы фигура постоянной ширины Треугольник Рёло);

• Высота этажа;

• Угол поворота этажа;

• Радиус ядра жесткости.

В ходе разработки подземной части здания были добавлены и другие параметры:

• Ширина коридора возле ядра жесткости;

• Отступ контура плитного ростверка от контура сваи;

• Шаг расстановки свай (расстояние по осям между ближайшими сваями);

• Отступ крайней сваи от контура плитного ростверка.

Ниже представлен участок сценария, создающий уровни в Сапфир.

В Grasshopper был создан участок сценария, формирующий треугольник Рёло на плоскости. Фигура в плане была выбрана не случайно. Во-первых, с точки зрения архитектуры, при использовании круглого ядра жесткости получается постоянно меняющаяся глубина помещения, что дает гибкость и свободу планировочных решений. Во-вторых, фигура достаточно проста при построении циркулем на бумаге или в чертежной программе, однако задание узлов, лежащих на данной кривой, в расчетных программах весьма трудоемко и требует или параллельного вычисления координат, или переноса dxf-геометрии.

Далее, для образования перекрытий здания, треугольник Рёло был размножен по высоте с определённым углом поворота и шагом, заданными во входных параметрах.

Формирование наружной структуры происходило в несколько этапов:

• Создание наклонных элементов;

• Создание условно вертикальных элементов (стальных колонн и железобетонных пилонов).

Моделирование радиальных металлических балок сталежелезобетонного перекрытия изображено на рисунке Рисунок 10.

Формирование стен железобетонного ядра жесткости представляет довольно массивный объем нодов и связей, ввиду чего изучать логику его построения лучше, открыв Hi-res изображение сценария или файл программы. Помимо линий, образующих стены, были размечены точки проёмов.

Подземная часть здания представляет собой:

• монолитные железобетонные стены, на которые опирается металлическая структура здания;

• плитно-свайный фундамент.

Сценарий ее моделирования представлен на рисунке 12. Также учтены отверстия в монолитной стене под ввод коммуникаций.

Для некоторых нагрузок необходимо смоделировать свои образующие линии. Например, для учета веса стеклянных офисных перегородок внутри здания. Также нужно передать в Сапфир определенный, параметрически изменяющийся, набор контуров перекрытий, величина нагрузок на которые отличается (технические этажи).

Дополнительно был создан блок, выводящий справочную информацию о некоторых геометрических параметрах модели. С помощью него можно узнать углы наклонных элементов наружной металлической структуры и длину дуги треугольника Рёло.

В итоге получился довольно крупный сценарий. Основной объем геометрии создавался в Grasshopper, так как он предлагает большое разнообразие нодов с различными функциями. Для реализации подобного в САПФИР-ГЕНЕРАТОР пришлось бы использовать обычное программирование. Также САПФИР оперирует более сложной объемной геометрией с множеством свойств, а значит время выполнения сценария увеличилось бы.

Перенос модели из Grasshopper при помощи плагина Sapfir2020 в САПФИР-3D и доработка сценария

С использованием Sapfir2020, плагина для Grasshopper, геометрия из Rhino 7 в виде точек и линий была перенесена в САПФИР-3D, где проводилось дальнейшее назначение сечений и доработка геометрии.

В САПФИР-3D по полученной геометрии из Grasshopper были созданы:

• Плиты перекрытий, а также проемы в них для устройства шахт;

• Балки перекрытий;

• Металлические элементы наружной решетки;

• Железобетонные пилоны;

• Стены ядра жесткости и проёмы в них;

• Стены подземного этажа здания и проёмы в них;

• Плитно-свайный фундамент;

• Нагрузки от веса полов, веса кровли, веса перегородок, веса фасадного остекления, полезная нагрузка на перекрытия, в том числе на технические этажи.

Параметризация непосредственно в САПФИР позволяет автоматически корректно размещать балки и плиту перекрытия при изменении её толщины. Редактируя свойства нодов программы, можно моментально поменять величину любого типа нагрузки, сечение и материал элементов, тип КЭ, опирание, связи. Общий вид сценария представлен на рисунке 17.

Демонстрация работоспособности параметрической модели

Для демонстрации было создано 2 расчетных модели здания с различными параметрами (см. видео).
ВИДЕО ТУТ
https://www.youtube.com/watch?v=A_dVdFMEEus

В ходе проверки работоспособности модели были выявлены следующие особенности, связанные с логикой работы САПФИР:

• при изменении количества этажей для новой расчетной модели, предыдущая расчетная модель сбивает этажные конструктивные блоки. Рекомендуется сразу открывать и сохранять модель в Лира-САПР;

• иногда не удается триангулировать некоторые плиты перекрытия. Обычно помогает удаление расчетной модели с нетриангулированными элементами и создание новой.

Выводы и итоги

Использование параметризации при создании традиционных зданий требует анализа целесообразности для каждого проекта. Стоит иметь в виду, что первичное создание модели может быть выигрышно при обычном подходе, однако последующее внесение правок нивелирует все прежние преимущества.

Наибольшую эффективность параметрический метод проектирования показывает при разработке зданий с нестандартными конструктивными формами. Из-за отсутствия какой-либо статистики и рекомендаций создание таких проектов требует поисковых расчетов:

• увеличение или уменьшение общего габарита здания может потребоваться для обеспечения требуемых технико-экономических показателей в балансе с конструктивными предпосылками;

• подбирая угол поворота этажа, можно добиться наиболее благоприятной аэродинамики здания;

• меняя такие параметры, как высота этажа и размер ядра жесткости, можно получить оптимальные перемещения, ускорения и формы колебаний здания;

• изменение шага свай и размера фундаментной плиты позволяет рассматривать различное их количество в зависимости от грунтовых условий, а также регулировать ширину основания при расчете опрокидывания.

Сценарий, рассмотренный в статье, довольно гибкий. Так, сохранив общую логику, можно заменить один нод и получить здание другой формы в плане, другой тип наружной металлической решетки.

Связка Grasshopper и САПФИР-ГЕНЕРАТОР дают уникальную возможность для проектировщика браться за самые смелые проекты, оптимизируя его работу и повышая качество готового продукта. Сравнивая десятки и сотни вариантов одного здания, можно получить наиболее экономичный и безопасный. При этом затраты на этапе проектирования останутся примерно на том же уровне, что и разработка проекта традиционным методом, поскольку цена внесения изменений в параметрическую модель крайне мала.

Использование всего потенциала программ сэкономит еще больше времени, снизит издержки проектирования и повысит экономичность. Один из примеров - задание армирования по результатам расчета в Лира-САПР и оформление чертежей КЖ непосредственно в САПФИР-3D. Существует множество плагинов для Grasshopper, вот возможности некоторых из них:

• расчет инсоляции здания с влиянием соседней застройки;

• оптимизация планировочных решения, используя алгоритмы машинного обучения;

• топологическая оптимизация формы (метод BESO);

• CFD моделирование воздушных потоков.

Личным итогом для меня стала разработка и защита дипломного проекта (Рисунок 18). Можно с уверенностью сказать, что именно параметризация позволила в сжатые сроки выполнить проект здания нестандартной конструктивной формой и положительно повлияла на итоговое качество работы. Несмотря на отсутствие конструкторского опыта у студента, данный подход позволил получить более полное понимание о работе конструктивной схемы, благодаря возможности ее анализа при различных параметрах.

Перспективы

Архитекторы намного чаще используют Grasshopper, чем конструкторы. Например, при использовании единой параметрической модели, переданной архитекторами, общий замысел и концепция проекта останется неизменной несмотря на то, что инженер-конструктор внесет какие-то изменения для обеспечения надежности и безопасности реализуемого проекта. Возможна и обратная ситуация, например, инженер-конструктор создает сценарий, а уже архитектор задает такие параметры, чтобы получить требуемые технико-экономические показатели, не меняя основных конструктивных решений. Есть уверенность, что при дальнейшем изучении и внедрении данного подхода, могут быть применены приёмы для совместной работы, что увеличит производительность и качество итогового продукта.

Благодарность

За помощь и наставничество хочу выразить благодарность моему дипломному и научному руководителю - к.т.н., Тарасову Алексею Владимировичу.

#Примечание

Описанный опыт был первым для автора. Сценарий, представленный в статье, может быть многократно оптимизирован при более глубоком изучении Grasshopper.