Parametrický návrh a vizuální skriptování

Parametrický design nabývá na významu. Zejména proto, že stavebnictví je teprve nyní otevřenější širokému využití technologií. V posledních letech pozorujeme nárůst netradičních nástrojů napříč celým stavebnictvím. Navrhují se stále složitější konstrukce, pro které není snadné použít tradiční metody navrhování. A právě v této době přicházejí ke slovu inovace. Parametrické nástroje pro navrhování, které ještě před několika lety používali téměř výhradně architekti, jsou nyní k dispozici i statikům. Pojďme se na parametrické modelování a navrhování podívat blíže.

Proč přejít na parametrické navrhování?

Obecně lze říci, že firmám by parametrické navrhování mohlo přinést zvýšení produktivity. Pracovní postup parametrického navrhování pomáhá vytvářet a optimalizovat výpočetní modely a zároveň udržovat definici modelu jasnou a čitelnou. Nejběžnějším způsobem parametrického navrhování konstrukcí je vizuální skriptování. Grasshopper, zásuvný modul pro Rhinoceros (balík pro 3D modelování), je pro vizuální skriptování jedním z nejpoužívanějších prostředí. Podobně Dynamo nabízí analogickou funkci pro Autodesk Revit. Vizuální skripty používají algoritmus pro vytváření různých entit (tj. bodů, čar a ploch) v prostoru 3D modelu. Tento algoritmus se řídí lineární logikou a lze jej poměrně jednoduše definovat v grafickém uživatelském prostředí. Ve srovnání s tradičními programovacími jazyky je vizuální skriptování mnohem intuitivnější a přístupnější pro širší spektrum uživatelů. Za předpokladu, že je vizuální skript vytvořen robustně, lze změny topologie konstrukce (tj. geometrie konstrukce) provádět velmi rychle.

Základnější pracovní postup je jednoduchý - definujte dva body (tj. uzly) a spojte tyto body čarou. Pokud se poloha obou bodů změní, čára je bude stále spojovat. Stejnou myšlenku lze aplikovat na vytváření seznamů uzlů a čar, čímž se nakonec vytvoří celý konstrukční systém. Začít s vizuálním skriptováním je jistě zábavné a každý se může stát během krátké doby velmi zručným a produktivním. Na obrázku 1 je například vizuální skript, který generuje 3D prostorový krov pro klenutou střechu. S praxí (a tréninkem) lze takový skript vytvořit již za 15 minut.

Obr. 1 - Vizuální skript, který generuje topologii 3D prostorového krovu (výsledná topologie konstrukce vlevo dole)

Vizuální skriptování nabízí čitelný „skript“, který lze přenést do většiny komerčních programů pro statické výpočty. Skriptovanou topologii modelu (geometrii konstrukce a rozměry průřezů) lze importovat do populárních výpočtových softwarových balíků pomocí dalších softwarových komponent. Tyto softwarové komponenty jsou široce dostupné a jsou zpravidla poskytovány zdarma. Pro Grasshopper je například zdarma k dispozici propojení se softwary jako SCIA Engineer, Tekla Structures, Dlubal, IDEA StatiCa atd. Velkou výhodou Grasshopperu je otevřenost; kdokoli se základními programátorskými dovednostmi může vytvořit novou komponentu sloužící konkrétní potřebě a sdílet ji v rámci uživatelské komunity. Pokročilé programátorské dovednosti jsou samozřejmě nutné k vytvoření FEA solverů nebo výpočtových nástrojů pro složitá témata, jako je analýza membránových konstrukcí v reálném čase (např. zásuvný modul Kangaroo), dynamika kapalin (CFD solvery pro simulace ve větrném tunelu) nebo pokročilé výpočty počasí (např. zásuvný modul Ladybug). Otevřená povaha vizuálního skriptování umožňuje uživatelům zvolit si nejvhodnější nástroje k provedení libovolného počtu konstrukčních úloh při použití stejné topologie skriptovaného modelu. Kromě topologie modelu musí konstruktér přidat také okrajové podmínky (podpory, klouby, zatížení atd.), které lze všechny definovat v rámci vizuálního skriptu. Uživatelé mohou například vytvořit automatickou smyčku výpočtu ve SCIA Engineer a využít ji k optimalizaci konstrukce s tiskem výsledků výpočtu a normových posudků v každé iteraci. Je třeba poznamenat, že při práci se SCIA Engineer nelze některá nastavení definovat ve skriptovaném modelu. Například nastavení sítě nebo výběr vhodných výsledků pro export. V těchto případech mohou uživatelé použít šablony projektu k předdefinování potřebných parametrů před transformací skriptovaného modelu do výpočtového modelu.  

Náročné konstrukce - letiště a stadiony

Jednou z hlavních aplikací parametrického navrhování jsou typy konstrukcí, které by bylo příliš složité modelovat ručně. Stadiony, letiště, výškové budovy (nebo jakékoli jiné komplikované stavby) navržené ambiciózními architekty mají jedno společné: složité tvary, které jsou často příliš komplikované na to, aby je bylo možné modelovat běžnými prostředky při dodržení daných časových termínů. Velké architektonické kanceláře (např. Zaha Hadid Architects) používají parametrický přístup denně. Statici by se mohli stát velmi efektivními, kdyby se naučili využívat parametrický model vytvořený architekty pro generování geometrie konstrukce. Parametrické metody navrhování umožňují statikům vytvářet výpočtové modely nejnáročnějších projektů v řádu minut namísto týdnů či měsíců. Tyto modely mohou obsahovat tisíce prutů, ale změny by mohly být provedeny, přepočteny a posouzeny relativně snadno.

Jedním z nejnovějších příkladů tohoto přístupu je monumentální stadion Al Janoub v Kataru (obr. 2), kde projektanti ze společnosti AECOM použili pro koncepci a návrh konstrukce právě parametrické metody. Stadion byl postaven pro mistrovství světa ve fotbale v roce 2022. Pojme 40 000 diváků a bude sloužit až do čtvrtfinále turnaje. Poté bude přestavěn na kapacitu 20 000 míst a bude jej využívat sportovní klub Al Wakrah. Střecha má dvě symetrické části, z nichž každá je složena ze tří skořepin. Horní patra stadionu byla navržena tak, aby je bylo možné po skončení turnaje odejmout. Střešní konstrukce, která se skládá ze 185 m dlouhých oblouků, prošla návrhem stavební etapizace, posudkem požární odolnosti a návrhem desek pro V-sloupy podpírající primární oblouky. 

Obr. 2 - Stadion Al Janoub v Kataru [1] Vlevo: Model pro statickou analýzu v programu SCIA Engineer, jak byl představen v soutěži SCIA User 2020; vpravo: Architektonická vizualizace

Cílem bylo vytvořit přelomový stadion, který nabídne zážitek světové úrovně. Rychlá tvorba prototypů v programu SCIA Engineer pomocí parametrického modelování a interoperabilita s prostředím virtuální reality umožnila autorům otestovat a vyhodnotit různá řešení. Vznikl tak stadion splňující původní vizi architekta.

Přístup zvolený k vytvoření parametrického modelu stadionu Al Janoub se příliš neliší od dříve uvedeného příkladu prostorového krovu (obr. 1.). Scénář byl však skutečně složitější a projektant musel mít data plně pod kontrolou. Obvykle jsou takové projekty rozděleny do několika částí, které jsou propojeny, ale modelovány samostatnými dílčími skripty. V závěrečných krocích jsou všechny části sloučeny do jednoho dlouhého seznamu, který lze následně propojit s výpočtovým modelem.

Od parametrického ke generativnímu designu

Novými oblastmi parametrického navrhování jsou témata optimalizace topologie, hledání tvaru a generativní navrhování. Ve všech těchto případech konstruktér definuje hranice možného řešení a pokročilé algoritmy pak iterativně hledají optimální řešení. Při generativním navrhování se umělá inteligence (AI) kombinuje s parametrickým navrhováním, aby se vybral nejlepší tvar konstrukce. Z pragmatických důvodů nemá umělá inteligence úplnou volnost při hledání optimálního tvaru; statik musí definovat okrajové podmínky, kterými se umělá inteligence bude řídit. Obvykle jsou těmito podmínkami definované oblasti podpor a obálka, do které se musí konstrukční tvar „vejít“. Generativní návrhové algoritmy mohou často vést k jedinečným výsledkům, protože konstrukce jsou optimalizovány pro své jedinečné podmínky. Je zajímavé, že takto optimalizované struktury se často podobají tvarům, které se vyskytují v přírodě (obr. 3).

Konstrukční tvary vytvořené generativním návrhem velmi často připomínají stromy. Zkoumáme-li „nadstavbu“ stromu, je kmen nejsilnější u jeho základny, protože v tomto místě jsou všechny síly a momenty způsobené listy, větvemi a zatížením větrem největší. Kmen se dělí na velké větve, které se dále dělí na menší a tenčí větve. Nakonec optimálně tvarované listy na koncích větví pokryjí co největší plochu, aby zachytily sluneční světlo. Evoluce žene stromy k co největší efektivitě a formy, které se vyvíjejí, přímo souvisejí s podmínkami, v nichž se daný druh stromu vyskytuje. Stejné principy lze aplikovat na design, architekturu a inženýrství. Podobnou efektivitu lze pozorovat u mostů s dlouhým rozpětím, kde se využití materiálu do značné míry řídí konstrukčním návrhem. Efektivita byla ve stavebním inženýrství vždy zásadní otázkou.

Obr. 3 - Typický případ generativního návrhu.

Generativní navrhování lze samozřejmě využít i v jiných oblastech než při navrhování přírodních tvarů a organických struktur. Lze jej využít k nalezení optimálního uspořádání bytů ve vícepodlažní budově nebo k optimalizaci celých městských oblastí tak, aby byly pro obyvatele pohodlnější. Přidání vrstvy umělé inteligence nebo strojového učení nad algoritmy parametrického navrhování umožňuje inženýrovi porovnat obrovské množství potenciálních konstrukčních řešení a prakticky vybrat nejefektivnější schéma. Tento proces by nebylo reálně možné provést pomocí tradičních inženýrských metod.

Parametrické návrhy mostů

Jedním ze zjevných odvětví, kde parametrické metody mohly najít velmi dobré uplatnění, je navrhování mostů. Při navrhování stále delších rozpětí musí být konstrukční systém velmi účinný bez nadbytečné hmotnosti konstrukce. A to je v souladu s přístupem parametrického navrhování. Výškové a půdorysné zakřivení mostu je často dáno uspořádáním, profilem a příčným řezem vozovky nebo železnice, kterou most podpírá. Pokud je zakřivení mostu v půdorysu nebo profilu značné, stává se vytvoření výpočtového modelu procesem, který je zdlouhavý a náchylný k chybám. To platí zejména pro mostní konstrukce skládající se z mnoha prvků (např. příhradové, visuté nebo lanové). Parametrický návrh nabízí efektivnější metodu pro vytvoření stejného výpočtového modelu v kratším čase. Navíc existuje možnost generovat výpočtový model přímo z modelu komunikace, pokud ten je také vytvořen parametricky. 
Významnou výhodou parametrického návrhu mostů je navíc možnost opětovného použití stávajících skriptů, což vede ke zvýšení celkové produktivity. Vzhledem k tomu, že mosty jsou si obecně dost podobné, může opětovné použití skriptů z předchozích projektů stejného typu mostu ušetřit významné množství času. Nezapomeňme také, že dobré skripty se opírají o vyhovující návrhové podmínky, nikoli výhradně o přesná čísla. Zavěšený most na obrázku 4 níže se nachází v České republice. Po vytvoření parametrického modelu byl převeden do výpočtového modelu v programu SCIA Engineer pomocí zásuvného modulu Grasshopper - Koala. Poté byla ve SCIA Engineer dokončena konečně-prvková analýza a provedeny posudky ocelových prutů.

Obr. 4 - Lávka pro pěší v Sázavě modelovaná pomocí vizuálního skriptování byla zařazena do soutěže SCIA User 2020. [3]

Různé typy mostů lze modelovat a navrhovat parametricky, ale způsob předkládání dokumentace úřadům, zúčastněným stranám a stavebnímu týmu by se mohl změnit propojením softwarových nástrojů BIM s parametrickým modelem. Spojení těchto nástrojů umožňuje projektantům vytvářet modely bohaté na data, která lze využít jak během fáze výstavby, tak při údržbě v rámci životního cyklu mostu.

Obr. 5 - Vizualizace BIM modelu mostu Randselva, Norsko. [4]

Existence centrálního modelu pomohla vyřešit kolize mezi výztužnými pruty, předpínacími kabely a dalšími vedeními instalovanými na mostě. Tento proces minimalizoval potenciální střety během vlastní výstavby, které by jinak způsobily zpoždění prací. Zdá se, že zemí, která je v tomto vývoji nejdále, je Norsko. Most Randselva byl navržen v roce 2016 norskou silniční správou. Stavba byla založena na rozsáhlém modelu BIM. Model obsahoval informace včetně výztuže v každé fázi výstavby, zábradlí a povrchových úprav vozovky. Model BIM v podobě, v jaké byl vytvořen, norská silniční správa rovněž archivovala jako komplexní informace pro účely údržby a provozu. V současné době je totiž většina mostů v Norsku předkládána úřadům a dodavatelům ve formě modelu BIM. Další země budou nepochybně tento příklad následovat.

Závěry

Parametrické navrhování jistě změní přístup inženýrů ke složitým konstrukčním projektům a jejich řešení. V současné době se jeho síla nejvíce využívá při navrhování divokých architektonických konstrukcí. Přesto nabízí statikům rychlou metodu vytváření výpočtových modelů pro komplikované geometrie, jejíž další výhodou je schopnost držet krok se změnami projektu. Také pro většinu mostních inženýrů představuje schůdné řešení, jak automatizovat proces navrhování a zároveň potenciálně ušetřit ještě více času lepším opakovaným využitím předchozí práce z dokončených projektů.   

REFERENCES

[1] https://www.scia.net/en/user-stories/al-janoub-stadium

[3] https://www.scia.net/en/company/references/uc-books

[4] https://e-mosty.cz/wp-content/uploads/e-mosty-Sept21.pdf