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-м 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.

Рис. 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.

Рис. 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.

Рис. 3. Дополнительные входные параметры в Grasshopper

Ниже представлен участок сценария, создающий уровни в Сапфир.

Рис. 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.

Рис. 5. План здания в форме треугольника Рёло

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

Рис. 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).

Рис. 7. Ноды, формирующие диагридную решетку, и модель в Rhino 7

Рис. 8. Ноды, формирующие условно вертикальные колонны

Моделирование радиальных металлических балок сталежелезобетонного перекрытия изображено на рис. 9.

Рис. 9. 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.

Рис. 10. 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 рис. 11. Также учтены отверстия в монолитной стене под ввод коммуникаций.

Рис. 11. 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).

Рис. 12. Ноды, задающие контуры для нагрузок

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

Рис. 13. 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.

Рис. 14. 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 рис. 16.

Рис. 15. Модель в САПФИР-3D

Рис. 16. Общий вид сценария в САПФИР-3D

Демонстрация работоспособности параметрической модели

Для демонстрации было создано две 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 решений с использованием алгоритмов машинного обучения;
• топологическая оптимизация формы (метод BESO);
• CFD моделирование воздушных потоков.

Личным итогом для меня стала разработка и защита дипломного проекта (рис. 17). 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.

Рис. 17. 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.

Написать автору: 8he8takov@gmail.com