1. Introducción
Desde finales de los años 80 y 90 ha habido un cambio de paradigma en la arquitectura, caracterizado por un nuevo enfoque de diseño de edificios en el que se prefieren las formas variables y adaptables a la repetición simple tradicional de formas rígidas.
Estos nuevos requisitos, y no al revés, han llevado al desarrollo de técnicas de modelado generativo algorítmico que cumplen esta tarea de manera más eficiente que las técnicas de modelado explícito. Además, la heurística de diseño y el análisis se han vinculado de cerca para incluir la optimización del rendimiento hacia los resultados (Schumacher [6]).
Aunque ya existen herramientas paramétricas para el análisis estructural que se están implementando con éxito en el proceso de diseño, como el complemento Karamba3D para Grasshopper (Preisinger [4]), generalmente no proporcionan un resultado tan robusto como el software comercial FEM; por lo tanto, aún es necesario un nuevo análisis con el software comercial del MEF.
Por estas razones, el autor ha desarrollado un nuevo complemento de Grasshopper en colaboración con Bollinger + Grohmann con el fin de generar una interfaz paramétrica eficaz para el software comercial de análisis por elementos finitos RFEM 5. Este complemento se llama Parametric FEM Toolbox (Apellániz [1]).
2. Flujo de trabajo
Es posible iniciar una nueva aplicación de RFEM con la API, pero Toolbox está compilado de manera que debe haber un modelo de RFEM en ejecución con el que interactuar. Esta sección describe los flujos de trabajo que son posibles con Toolbox dependiendo de si los datos se transfieren de Grasshopper a RFEM, en la dirección opuesta, o si implican funcionalidades adicionales.
2.1. Flujo de trabajo de Grasshopper a RFEM
La mayoría de los componentes de Toolbox se refieren a un objeto de RFEM en particular. La figura 3 muestra el proceso para definir un objeto de barra dentro de Grasshopper y exportarlo a RFEM. La mayoría de los componentes del objeto requieren como entrada las geometrías de Grasshopper y alguna información básica, como el número de la sección, en este caso.
Los parámetros de entrada opcionales más avanzados, como el tipo de barra, las articulaciones, etc., se pueden mostrar a través de un menú extensible. El objeto se crea dentro de Grasshopper, por lo que no se requiere conexión con RFEM en este paso. Sus propiedades se pueden mostrar dentro de los paneles de Grasshopper y se pueden internalizar dentro de los parámetros de RFEM.
Para exportar datos a RFEM, es necesario conectar estos objetos en un componente "Set Data" (Establecer datos) y establecer el parámetro "Run" (Ejecutar) en verdadero. La ventaja de usar un componente explícito para el proceso de exportación es el hecho de que este proceso relativamente más costoso desde el punto de vista computacional de exportar objetos a RFEM se agrupa en un solo paso.
Las salidas del componente "Establecer datos" son los mismos objetos, pero con información adicional sobre el índice que RFEM les ha asignado automáticamente, lo que puede ser muy útil para modificar estos objetos en pasos posteriores, aplicarles cargas, etc..
2.2. Flujo de trabajo de RFEM a Grasshopper
Del mismo modo, se pueden importar datos desde Grasshopper a RFEM a través del componente "Get Data" (Obtener datos) con sólo especificar qué tipo de objetos se importarán. En caso de que no se deban importar todos los objetos existentes de un cierto tipo, el usuario puede usar componentes de filtro con varios parámetros disponibles para especificar los objetos exactos que se van a importar y así reducir el tiempo de ejecución requerido.
Los objetos importados se pueden analizar con los mismos componentes del objeto pero en el modo "desensamblar", por lo que en lugar de crear un objeto de RFEM a partir de ciertos parámetros de entrada, las propiedades del objeto se obtienen de un determinado objeto de entrada. También es posible convertir los objetos de RFEM directamente en la geometría de Grasshopper vertiéndolos en contenedores de Grasshopper. Este flujo de trabajo se explorará más en las Secciones 3.3 y 3.5.
También es posible importar resultados de cálculo de RFEM en Grasshopper a través de los componentes "Resultados de cálculo" y "Optimizar secciones". Esto puede ser interesante para usar las opciones de visualización de Rhino para mostrar estos resultados y llevar a cabo posibles optimizaciones estructurales con cualquiera de los solucionadores evolutivos disponibles en Grasshopper (Rutten [5]) utilizando el los resultados como una función de aptitud y los parámetros de entrada originales como genes.
Todos los componentes del objeto tienen un menú de modificación que permite modificar las propiedades de los objetos de RFEM dentro de este bucle de optimización. Aunque este flujo de trabajo de optimización es más costoso computacionalmente que enfoques similares con solucionadores de elementos finitos compilados dentro de los complementos de Grasshopper, como Karamba3D, que no requieren exportar e importar datos desde aplicaciones externas, aún puede ser interesante cuando se ofrecen opciones de cálculo avanzadas y comprobaciones basadas en código. necesario.
2.3. Funcionalidades adicionales
Actualmente, un par de funcionalidades de la caja de herramientas proporcionan características adicionales más allá de esta lógica basada en objetos:
- Extruir barras: A través de un solo componente, es posible obtener en Grasshopper las formas 3D de los objetos de barra, como se muestra en las figuras 4 y 9. Es posible la geometría de salida en forma de elementos NURBS y de malla.
- Entrada para LCA (Análisis de ciclo de vida): A través de un solo componente, es posible desglosar las masas y geometrías de todos los objetos de RFEM según el material asignado, que se puede usar como entrada para ejecutar una evaluación del ciclo de vida de un modelo de RFEM como se describe en la sección 3.5.
3. Proyectos
3.1. Puente de Tondo
La siguiente pasarela en Bruselas es una estructura hecha de placas de acero interconectadas. El proceso de modelado de esta geometría compleja no se realizó en el programa de cálculo real RFEM, sino en Rhinoceros, debido a las herramientas más potentes de este último software de modelado con respecto a la definición de líneas curvas y la intersección de elementos de superficie, entre otras características.
Para evitar la duplicidad de líneas de contorno de superficies adyacentes, también se examinó la geometría del modelo en Grasshopper, por lo que estas líneas de contorno tienen exactamente los mismos puntos de control de definición.
Aunque hay funcionalidades estándar en RFEM para importar archivos de geometría desde un modelo de Rhino, Toolbox hizo posible importar no solo los elementos geométricos, sino también los elementos estructurales reales con propiedades mecánicas e incluso las cargas vinculadas a ellos.
3.2. Pabellón My-Co
El sistema estructural de este proyecto de investigación es una membrana reticular de madera contrachapada. La definición del modelo de cálculo de esta estructura de forma libre se realizó en Grasshopper, lo que ofreció varias ventajas que terminaron por acelerar drásticamente el proceso de modelado:
- El cálculo de una membrana reticular requiere la definición de las barras estructurales como elementos lineales en contraste con los elementos de superficie y volumen del modelo arquitectónico. Esta tarea de conversión se realizó automáticamente a través de un algoritmo paramétrico en Grasshopper, por lo que la geometría de entrada para el modelo de RFEM ya se había definido en Grasshopper.
- Esto hizo posible analizar y preprocesar la geometría importada. La orientación de las barras también se definió automáticamente en el algoritmo de Grasshopper.
- La definición de las cargas de viento también se realizó en Grasshopper, para definir los sectores de carga e incluso los valores de carga automáticamente. La caja de herramientas también tiene en cuenta la orientación futura del eje local de la barra de los elementos de la barra en RFEM, de modo que los valores de carga se definen con un valor positivo o negativo dependiendo de la orientación correcta (observe las cargas aplicadas en azul y púrpura diferentes). colores en la figura 8).
- La orientación de los apoyos en nudos también se definió automáticamente en Grasshopper, por lo que las fuerzas de reacción a lo largo del eje derecho se pudieron usar para diseñar las conexiones de las placas de base.
3.3. ArcelorMittal Headquarters
La estructura de la sede de ArcelorMittal se compone principalmente de acero estructural expuesto desde el punto de vista arquitectónico. En este proyecto, Toolbox también se utilizó en la dirección de RFEM a Grasshopper (ver Sección 2.2) para analizar y filtrar los resultados del cálculo de una estructura tan grande y también para visualizar correctamente no solo los resultados del cálculo, sino también la extrusión. barras de acero para diseñar los elementos de conexión y producir una visualización renderizada para el informe de cálculo (ver Sección 2.3).
3.4. Ampliación del Red Bull Arena en Leipzig
La ampliación del Red Bull Arena en Leipzig fue una operación compleja debido al hecho de que los nuevos elementos del edificio se tuvieron que planificar teniendo en cuenta la estructura ya existente (ver figura 6). Por lo tanto, la cimentación de la nueva ampliación se diseñó en forma de micropilotes, casi todos con diferentes inclinaciones, para no afectar a los elementos de cimentación y túneles existentes.
Los micropilotes se definieron en un modelo de Rhino que incluía la estructura existente y luego se importaron a RFEM con Toolbox. La caja de herramientas permite la orientación personalizada de los apoyos en nudos a través de un plano de Grasshopper, lo que podría decirse que es un enfoque mucho más fácil de usar que el flujo de trabajo estándar de definirlos a través de los ángulos de orientación.
3.5. Multi-Modal Optimizations
Finalmente, se debe señalar que este complemento de Grasshopper se puede combinar con otros complementos de Grasshopper existentes para llevar a cabo diseños y optimizaciones multimodales. La figura 11 muestra una optimización multimodal en términos tanto del rendimiento estructural como del carbono incorporado del sistema estructural de un edificio de oficinas en Berlín al combinar Parametric Toolbox FEM con la integración de Grasshopper de One Click LCA (Apellániz, Pasanen y Gengnagel ]).
4. Conclusión
La implementación de herramientas de análisis estructural en un entorno de programación visual ya se ha implementado con éxito en el proceso de diseño como herramientas de cálculo en forma de complementos de Grasshopper. Sin embargo, el complemento Parametric RFEM Toolbox no proporciona a Grasshopper un solucionador de elementos finitos, sino que establece una conexión con el programa de elementos finitos RFEM, donde se lleva a cabo el análisis estructural.
Aunque este enfoque es más costoso desde el punto de vista computacional, permite el uso de las amplias posibilidades de un software comercial potente de elementos finitos. Además, los procesos de revisión por pares de ingeniería se benefician del uso de software de análisis bien establecido y ampliamente utilizado. Hasta la fecha, el autor no conoce ningún otro complemento para Grasshopper que implemente la API de un programa de elementos finitos en la medida del presentado en este artículo.
Parametric FEM Toolbox ha demostrado su capacidad para mejorar el proceso de diseño de numerosos proyectos desde su lanzamiento. No solo aquellos caracterizados por geometrías generadas algorítmicamente (Preisinger et al. [3]), sino que también se ha implementado en una amplia gama de proyectos compuestos por sistemas estructurales no estándar.
Desde su lanzamiento, los comentarios de los usuarios han tenido un enorme impacto en el desarrollo posterior de esta herramienta. Además, Dlubal, el productor de software de RFEM, también se puso en contacto para obtener comentarios para el desarrollo de futuras versiones de la API de RFEM. Estos esfuerzos de coordinación entre el fabricante del software y los desarrolladores externos son esenciales para garantizar un desarrollo estable y proporcionar a los usuarios una herramienta de diseño fiable y robusta.
Autor
Diego APELLÁNIZ
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlín;
[email protected]