Как я сделал «генератор дипломов для строительного вуза»
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.
Рисунок 1 — 3D-модель в Rhino 7
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.
Рисунок 2 — Входные параметры в Grasshopper
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.
Рисунок 3 — Дополнительные входные параметры в Grasshopper
Ниже представлен участок сценария, создающий уровни в Сапфир.
Рисунок 4
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.
Рисунок 5 — План здания в форме треугольника Рело
Далее, для образования перекрытий здания, треугольник Рёло был размножен по высоте с определённым углом поворота и шагом, заданными во входных параметрах.
Рисунок 6 — Ноды, формирующие плиты перекрытия, и модель в Rhino 7
Формирование наружной структуры происходило в несколько этапов:
Создание наклонных элементов;
Создание условно вертикальных элементов (стальных колонн и железобетонных пилонов).
Рисунок 7 — Ноды, формирующие диагридную решетку, и модель в Rhino 7Рисунок 9 — Ноды, формирующие условно вертикальные колонны
Моделирование радиальных металлических балок сталежелезобетонного перекрытия изображено на рисунке Рисунок 10.
Рисунок 10 — Ноды, формирующие балки сталежелезобетонного перекрытия
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.
Рисунок 11 — Ноды, формирующие ядро жесткости
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.
Рисунок 12 — Ноды, формирующие подземную часть здания
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).
Рисунок 13 — Ноды, задающие контуры для нагрузок
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.
Рисунок 14 — Ноды, выводящие справочную информацию
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.
Рисунок 15 — Общий вид сценария в Grasshopper
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.
Рисунок 16 — Модель в САПФИР-3DРисунок 17 — Общий вид сценария в САПФИР-3D
Демонстрация работоспособности параметрической модели
Для демонстрации было создано 2 расчетных модели здания с различными параметрами (см. видео).
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.
Рисунок 18 — 3D-модель дипломного проекта автора статьи
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.
