Parametrisches Design und visuelle Skripterstellung

Das parametrische Konstruieren gewinnt zunehmend an Bedeutung. Vor allem, weil die Bauindustrie erst jetzt offener für den breiten Einsatz von Technologie wird. In den letzten Jahren haben wir eine Zunahme von nicht-traditionellen Hilfsmitteln beobachtet, die auf die gesamte Bauindustrie abzielt. Heutzutage werden immer komplexere Strukturen entworfen, für die traditionelle Entwurfsmethoden nicht ohne weiteres angewendet werden können. Gerade in diesen Zeiten entstehen Innovationen. Parametrische Entwurfswerkzeuge, die vor einigen Jahren fast ausschließlich von Architekten verwendet wurden, sind jetzt auch für Bauingenieure und Tragwerksplaner verfügbar. Werfen wir einen genaueren Blick auf das parametrische Modellieren und Konstruieren.

Warum parametrisch?

Im Allgemeinen können Unternehmen durch den Einsatz parametrischen Konstruierens von einer höheren Produktivität profitieren. Eine parametrische Entwurfsarbeitsweise hilft bei der Erstellung, Pflege und Optimierung von Statikmodellen, wobei die Modelldefinition klar und lesbar bleibt. Die gängigste Art, Strukturen parametrisch zu entwerfen, ist die visuelle Skripterstellung. Grasshopper, ein Plugin für Rhinoceros (ein 3D-Modellierungspaket), ist eine der am häufigsten verwendeten visuellen Skriptumgebungen. Auch Dynamo bietet eine ähnliche Funktion für Autodesk Revit. Visuelle Skripte verwenden einen Algorithmus, um verschiedene Objekte (z.B. Punkte, Linien und Flächen) im 3D-Modellraum zu erstellen. Dieser Algorithmus folgt einer linearen Logik und ist in der grafischen Benutzerumgebung relativ einfach zu definieren. Im Vergleich zu traditionellen Programmiersprachen ist ein visuelles Skript viel intuitiver. Wenn das visuelle Skript “stark” erstellt wurde, können Änderungen an der Strukturtopologie (z.B. der Geometrie der Struktur) extrem schnell durchgeführt werden.

Der grundlegende Arbeitsablauf ist einfach: Definieren Sie zwei Punkte (d. h. Knoten) und verbinden Sie diese Punkte mit einer Linie. Wenn sich die Lage der beiden Punkte ändert, werden sie weiterhin durch die Linie verbunden. Dieselbe Idee lässt sich auch auf die Erstellung von Listen mit Knoten und Linien anwenden, um letztendlich ein Struktursystem zu erzeugen. Es macht sicherlich Spaß, mit der visuellen Skripterstellung zu beginnen, und jeder kann in kurzer Zeit recht produktiv werden. Abbildung 1 zeigt zum Beispiel ein visuelles Skript, das ein 3D-Raumfachwerk für eine Überdachung mit angepasster Geometrie erzeugt. Mit etwas Übung (und Training) könnte dieses visuelle Skript in nur 15 Minuten erstellt werden.

Fig 1 – Visuelles Skript, das eine 3D-Raumfachwerktopologie erzeugt (resultierende Strukturtopologie unten links)

Die visuelle Skripterstellung bietet ein lesbares "Skript", das in die meisten kommerziellen Strukturanalysesoftwareprogramme übertragen werden kann. Die skriptierte Modelltopologie (Strukturgeometrie und Querschnittsgrößen) kann mit Hilfe anderer Softwarekomponenten in gängige Analyse- und Entwurfssoftwarepakete importiert werden. Diese Softwarekomponenten sind weit verbreitet und werden in der Regel kostenlos zur Verfügung gestellt. Anbindungen an Software wie SCIA Engineer, Tekla Structures, Dlubal, IDEA StatiCa, etc. sind für Grasshopper kostenlos erhältlich. Ein wesentlicher Vorteil von Grasshopper ist die Offenheit: Jeder, der über grundlegende Programmierkenntnisse verfügt, kann eine neue Komponente für einen bestimmten Bedarf erstellen und sie mit der Gemeinschaft teilen. Natürlich sind fortgeschrittene Programmierkenntnisse erforderlich, um FEA-Solver oder Analysewerkzeuge für komplexe Themen wie die Echtzeitanalyse von Zugmembranstrukturen (z. B. das Kangaroo-Plugin), Computational Fluid Dynamics (CFD-Lösung für Windkanal-Simulationen) oder fortgeschrittene Wetterberechnungen (z. B. das Ladybug-Plugin) zu erstellen. Die Offenheit der visuellen Skripterstellung ermöglicht es dem Benutzer, die am besten geeigneten Werkzeuge auszuwählen, um eine beliebige Anzahl von Entwurfsaufgaben unter Verwendung derselben skriptbasierten Modelltopologie zu erledigen. Neben der Modelltopologie muss der Ingenieur auch Randbedingungen (Auflager, Gelenke, Lasten usw.) hinzufügen, die alle innerhalb des visuellen Skripts definiert werden können. So kann der Benutzer beispielsweise eine SCIA Engineer-Analyse automatisch in einer Schleife durchführen, um die Struktur zu optimieren, während er die Ergebniswerte ausdruckt und bei jeder Iteration Stabprüfungen durchführt. Es ist zu beachten, dass bei der Arbeit mit SCIA Engineer einige Einstellungen nicht im Skriptmodell definiert werden können. Dies gilt z. B. für die Netzeinstellungen oder die Auswahl der zu exportierenden Ergebnisse. In diesen Fällen kann der Benutzer Projektvorlagedateien verwenden, um diese Parameter vor der Umwandlung des Skriptmodells in das Analysemodell vorzudefinieren.  

Anspruchsvolle Bauwerke - Flughäfen und Stadien

Eine der Hauptanwendungen des parametrischen Entwurfs sind Bauwerke, deren manuelle Modellierung zu komplex wäre. Stadien, Flughäfen, Hochhäuser (oder jedes andere markante Bauwerk), die von ehrgeizigen Architekten entworfen werden, haben eines gemeinsam: hochkomplexe Formen, die oft zu kompliziert sind, um sie mit konventionellen Mitteln innerhalb eines machbaren Zeitrahmens zu modellieren. Große Architekturbüros (z. B. Zaha Hadid Architects) verwenden täglich den parametrischen Ansatz. Bauingenieure könnten sehr effizient werden, wenn sie lernen würden, das von den Architekten erstellte parametrische Modell zur Erstellung der Bauwerksgeometrie zu verwenden. Parametrische Entwurfsmethoden ermöglichen es dem Ingenieur, Analysemodelle für die anspruchsvollsten Projekte in wenigen Minuten statt in Monaten zu erstellen. Diese Modelle können Tausende von Bauteilen enthalten, aber Änderungen können relativ einfach durchgeführt und analysiert werden. 

Eine der jüngsten Anwendungen dieses Ansatzes ist das monumentale Al-Janoub-Stadion in Katar (Abb. 2), bei dem Ingenieure von AECOM parametrische Methoden für die Konzeption und den Entwurf des Bauwerks verwendeten. Das Stadion wurde für die FIFA Fußball-Weltmeisterschaft 2022 gebaut. Es bietet Platz für 40 000 Zuschauer und wird bis zu den Viertelfinalspielen des Turniers genutzt. Danach wird es auf eine Kapazität von 20 000 Plätzen umgebaut und vom Al Wakrah Sports Club genutzt. Das Dach besteht aus zwei symmetrischen Teilen, wobei jede Seite aus drei Schalen besteht. Die oberen Ränge des Stadions sind so konzipiert, dass sie nach dem Turnier entfernt werden können. Für die Dachkonstruktion, die aus 185 m langen, gestützten Bögen besteht, wurden die Bauphasenplanung, der Brandschutz und das Plattendesign für die v-förmigen Stützen, die die Hauptbögen tragen, durchgeführt. 

Fig. 2 – Al-Janoub-Stadion in Katar [1] Links: Statikmodell in SCIA Engineer als Beitrag zum SCIA User Contest 2020; Rechts: Architektonische Visualisierung

Die Herausforderung bestand darin, ein wegweisendes Stadion zu schaffen, das ein Erlebnis von Weltklasse bietet. Schnelles Prototyping unter Verwendung des parametrischen Entwurfs mit SCIA Engineer und die Interoperabilität mit virtuellen Realitäts-Umgebungen ermöglichten es den Ingenieuren, verschiedene Lösungen zu testen und Optionen zu bewerten, um ein Stadion zu bauen, das der Vision des Architekten entspricht.

Die Vorgehensweise bei der Erstellung des parametrischen Modells des Al-Janoub-Stadions unterscheidet sich nicht wesentlich von dem zuvor gezeigten Beispiel eines Raumfachwerks (Abb. 1). Das Skript war jedoch komplexer, und der Konstrukteur musste die vollständige Kontrolle über die Daten haben. Normalerweise werden solche Projekte in mehrere Teile aufgeteilt, die miteinander verbunden sind, aber durch separate Teilskripte modelliert werden. In den letzten Schritten werden alle Bauteile zu einer einzigen langen Liste zusammengeführt, die dann mit dem Strukturanalysemodell verknüpft werden kann.

Vom parametrischen zum erzeugten Design

Aufstrebende Bereiche des parametrischen Designs sind die Themen Topologieoptimierung, Formfindung und erzeugtes Design. In all diesen Fällen legt der Ingenieur die Grenzen der möglichen Lösung fest und fortschrittliche Algorithmen finden dann iterativ die optimale Lösung. Beim generativen Entwurf wird die künstliche Intelligenz (KI) mit dem parametrischen Entwurf kombiniert, um die beste Strukturform zu finden. Aus pragmatischen Gründen steht es der KI nicht völlig frei, die optimale Form zu finden; der Ingenieur muss einige Randbedingungen festlegen, um die KI zu steuern. Typischerweise sind diese Bedingungen definierte Stützbereiche und der volumetrische Bereich, in dem die Strukturform existieren kann. Generative Entwurfsalgorithmen können oft zu einzigartigen Ergebnissen führen, da die Strukturen für ihre einzigartigen Bedingungen optimiert werden. Interessanterweise ähneln die auf diese Weise optimierten Strukturen oft denen in der Natur vorkommenden Formen (Abb. 3).

Die durch den generativen Entwurf erzeugten Strukturformen ähneln sehr oft Bäumen. Betrachtet man den "Überbau" eines Baumes, so ist der Stamm an seiner Basis am stärksten, da hier alle Kräfte und Momente, die durch Blätter, Äste und Windlasten entstehen, am größten sind. Der Stamm teilt sich in große Äste, die sich weiter in kleinere und dünnere Äste aufteilen. Schließlich bedecken optimal geformte Blätter an den Astenden so viel Fläche wie möglich, um das Sonnenlicht einzufangen. Die Evolution treibt die Bäume dazu an, so effizient wie möglich zu sein, und die Formen, die sich entwickeln, stehen in direktem Zusammenhang mit den Bedingungen, unter denen die Baumarten existieren. Die gleichen Prinzipien lassen sich auch auf Design, Architektur und Technik anwenden. Eine ähnliche Effizienz kann bei Brücken mit großer Spannweite beobachtet werden, wo die Materialausnutzung die Konstruktion weitgehend bestimmt. Die Effizienz war schon immer eine grundlegende Frage im Bauwesen.

Fig. 3 – Typisches Beispiel von generativem Design.

Natürlich kann generatives Design auch in anderen Bereichen als der Gestaltung natürlicher Formen und organischer Strukturen eingesetzt werden. Es könnte dazu verwendet werden, eine optimale Anordnung von Wohnungen in einem mehrstöckigen Gebäude zu finden oder ganze Stadtgebiete so zu optimieren, dass sie für die Bewohner bequemer sind. Durch den Einsatz von KI oder maschinellem Lernen auf parametrischen Entwurfsalgorithmen kann der Ingenieur große Mengen potenzieller Entwurfslösungen vergleichen und praktisch den effizientesten Entwurf auswählen. Dieser Prozess wäre mit herkömmlichen Konstruktionsmethoden nicht realistisch durchführbar.

Parametrische Brückenentwürfe

Ein offensichtlicher Bereich des Bauwesens, in dem Projekte von parametrischen Methoden profitieren können, ist der Brückenentwurf. Bei der Planung immer größerer Spannweiten muss das Tragwerkssystem sehr effizient sein, um unnötige Baumasse zu vermeiden. Dies kommt dem parametrischen Entwurfsansatz sehr entgegen. Das Profil und die Form einer Brücke werden häufig durch die Ausrichtung, das Profil und den Querschnitt der Fahrbahn oder der Eisenbahn bestimmt, die sie trägt. Wenn die Brückenkrümmung in der Ebene oder im Profil erheblich ist, wird die Erstellung eines Analysemodells oft mühsam und fehleranfällig. Dies gilt insbesondere für Brückenformen (z. B. Fachwerke, Hänge- oder Schrägseilbrücken), die im Allgemeinen aus vielen Elementen bestehen. Der parametrische Entwurf bietet eine effizientere Methode, um dasselbe Analysemodell in kürzerer Zeit zu erstellen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Analysemodell direkt aus dem Autobahnmodell zu generieren, wenn es ebenfalls parametrisch erstellt wird. 

Ein weiterer großer Vorteil des parametrischen Brückenentwurfs ist die Möglichkeit, vorhandene Skripte wiederzuverwenden, was einen großen Produktivitätsvorteil darstellt. Da Brücken im Allgemeinen recht ähnlich sind, kann die Wiederverwendung von Skripten aus früheren Projekten desselben Brückentyps viel Zeit für den Entwurf sparen. Denken Sie daran, dass gute Skripte auf der Erfüllung von Entwurfsbedingungen beruhen und nicht ausschließlich auf exakte Zahlen. Die in Abbildung 4 gezeigte Hängebrücke befindet sich in der Tschechischen Republik. Nachdem das parametrische Modell erstellt worden war, wurde es mit dem Grasshopper-Plugin Koala in ein Analysemodell in SCIA Engineer umgewandelt. Die FE-Analyse und die Nachweisführung der Stahlteile wurden dann in SCIA Engineer abgeschlossen.

Fig. 4 – Die Fußgängerbrücke von Sázava wurde durch visuelles Skripting modelliert und war im SCIA User Contest 2020 vertreten. [3]

Verschiedene Brückentypen können parametrisch modelliert und entworfen werden, aber die Art und Weise, wie die Dokumentation für Behörden, Interessengruppen und das Bauteam bereitgestellt wird, könnte durch die Verbindung von BIM-Softwaretools mit dem parametrischen Modell verändert werden. Die Kombination dieser Werkzeuge ermöglicht es den Konstrukteuren, datenreiche Modelle zu erstellen, die während der Bau- und Instandhaltungsphase des Lebenszyklus´ der Brücke verwendet werden können.

Fig. 5 – Visualisierung des BIM-Modells der Randselva-Brücke, Norwegen. [4]

Ein zentrales Modell half bei der Lösung von Konflikten zwischen Bewehrungsstäben, Spanngliedern und anderen Versorgungsleitungen auf der Brücke. Durch diesen Prozess wurden potenzielle Konflikte auf der Baustelle, die andernfalls zu Verzögerungen im Bauprozess geführt hätten, entschärft und auf ein Minimum reduziert. Das Land, das in dieser Entwicklung am weitesten zu sein scheint, ist Norwegen. Die Randselva-Brücke wurde im Jahr 2016 von der norwegischen Straßenverwaltung entworfen. Die Konstruktion basierte auf einem umfangreichen BIM-Modell. Das Modell enthielt Informationen wie die Bewehrung jeder Bauphase, Geländer und Fahrbahnbeläge. Das BIM-Modell im Ist-Zustand wurde von der norwegischen Straßenverwaltung auch als umfassende Information für Wartungs- und Betriebszwecke archiviert. In der Tat werden heutzutage die meisten Brücken in Norwegen den Behörden und Bauunternehmen in Form eines BIM-Modells vorgelegt. Zweifelsohne werden andere Länder diesem Beispiel folgen.

Schlussfolgerungen

Die parametrische Planung wird mit Sicherheit die Art und Weise verändern, wie Ingenieure an komplexe Bauprojekte herangehen und diese in Angriff nehmen. Gegenwärtig wird ihre Leistungsfähigkeit vor allem bei der Planung wilder architektonischer Strukturen genutzt. Dennoch bietet sie den Ingenieuren eine schnelle Methode zur Erstellung von Analysemodellen für komplizierte Bauwerksgeometrien, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie mit Projektänderungen Schritt halten kann. Für die meisten Brückeningenieure ist es eine praktikable Lösung, um den Entwurfsprozess zu automatisieren und gleichzeitig noch mehr Zeit zu sparen, indem frühere Arbeiten aus abgeschlossenen Projekten besser wiederverwendet werden können.   

Referenzen 

[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