Parametrický návrh a vizuálne skriptovanie

Parametrický dizajn nadobúda na význame. Najmä preto, že stavebníctvo je ešte len teraz otvorenejšie širokému využitiu technológií. V posledných rokoch pozorujeme nárast netradičných nástrojov naprieč celým stavebníctvom. Navrhujú sa čoraz zložitejšie konštrukcie, pre ktoré nie je ľahké použiť tradičné metódy navrhovania. A práve v tejto dobe prichádzajú k slovu inovácie. Parametrické nástroje na navrhovanie, ktoré ešte pred niekoľkými rokmi používali takmer výhradne architekti, sú teraz k dispozícii aj statikom. Poďme sa na parametrické modelovanie a navrhovanie pozrieť bližšie.

Prečo prejsť na parametrické navrhovanie?

Všeobecne sa dá povedať, že firmám by parametrické navrhovanie mohlo priniesť zvýšenie produktivity. Pracovný postup parametrického navrhovania pomáha vytvárať a optimalizovať výpočtové modely a zároveň udržiavať definíciu modelu jasnú a čitateľnú. Najbežnejším spôsobom parametrického navrhovania konštrukcií je vizuálne skriptovanie. Grasshopper, zásuvný modul pre Rhinoceros (balík pre 3D modelovanie), je pre vizuálne skriptovanie jedným z najpoužívanejších prostredí. Podobne Dynamo ponúka analogickú funkciu pre Autodesk Revit. Vizuálne skripty používajú algoritmus na vytváranie rôznych entít (bodov, čiar a plôch) v priestore 3D modelu. Tento algoritmus sa riadi lineárnou logikou a je možné ho pomerne jednoducho definovať v grafickom užívateľskom prostredí. V porovnaní s tradičnými programovacími jazykmi je vizuálne skriptovanie oveľa intuitívnejšie a prístupné pre širšie spektrum užívateľov. Za predpokladu, že je vizuálny skript vytvorený robustne, potom je možné zmeny topológie konštrukcie (geometrie konštrukcie) vykonávať veľmi rýchlo.

Základný pracovný postup je jednoduchý - definujte dva body (uzly) a spojte tieto body čiarou. Ak sa poloha oboch bodov zmení, čiara ich bude stále spájať. Rovnakú myšlienku je možné aplikovať na vytváranie zoznamov uzlov a čiar, čím sa nakoniec vytvorí konštrukčný systém. Začať s vizuálnym skriptovaním je určite zábavné a každý sa môže stať počas krátkej doby pomerne produktívnym. Na obrázku 1 je napríklad zobrazený vizuálny skript, ktorý generuje 3D priestorový krov pre klenutú strechu s tvarom na prianie. S praxou (a tréningom) je možné taký skript vytvoriť už za 15 minút.

Obr. 1 - Vizuálny skript, ktorý generuje topológiu 3D priestorového krovu (výsledná topológia konštrukcia vľavo dole)

Vizuálne skriptovanie ponúka čitateľný „skript“, ktorý je možné preniesť do väčšiny komerčných programov pre statické výpočty. Skriptovanú topológiu modelu (geometriu konštrukcie a rozmery prierezov) je možné importovať do populárnych výpočtových softvérových balíkov pomocou ďalších softvérových komponentov. Tieto softvérové komponenty sú široko dostupné a spravidla poskytované zadarmo. Pre Grasshopper je zadarmo k dispozícii prepojenie so softvérmi ako SCIA Engineer, Tekla Structures, IDEA StatiCa atď. Veľkou výhodou Grasshopperu je otvorenosť; ktokoľvek so základnými programátorskými schopnosťami môže vytvoriť nový komponent slúžiaci konkrétnej potrebe a zdieľať ju v rámci komunity. Pokročilé programátorské schopnosti sú samozrejme nutné na vytvorenie FEA solverov alebo výpočtových nástrojov pre zložité témy, ako je analýza membránových konštrukcií v reálnom čase (napr. zásuvný modul Kangaroo), dynamika kvapalín (CFD solvery pre simulácie vo veternom tuneli) alebo pokročilé výpočty počasia (napr. zásuvný modul Ladybug). Otvorená povaha vizuálneho skriptovania umožňuje používateľom zvoliť si najvhodnejšie nástroje na vykonanie ľubovoľného počtu konštrukčných úloh pri použití rovnakej topológie skriptovaného modelu. Okrem topológie modelu musí konštruktér pridať aj okrajové podmienky (podpory, kĺby, zaťaženie atď.), ktoré je možné všetky definovať v rámci vizuálneho skriptu. Užívatelia môžu napríklad vytvoriť automatickú slučku výpočtu v SCIA Engineer a využiť ju na optimalizáciu konštrukcie s tlačou výsledkov výpočtu a normových posudkov v každej iterácii. Je potrebné poznamenať, že pri práci so SCIA Engineer nie je možné niektoré nastavenia definovať v skriptovanom modeli. Napríklad nastavenie siete alebo výber vhodných výsledkov pre export. V týchto prípadoch môžu používatelia použiť šablóny projektu na preddefinovanie potrebných parametrov pred transformáciou skriptovaného modelu do výpočtového modelu.  

Náročné konštrukcie - letiská a štadióny

Jednou z hlavných aplikácií parametrického navrhovania sú typy konštrukcií, ktoré by bolo príliš zložité modelovať ručne. Štadióny, letiská, výškové budovy (alebo akékoľvek iné komplikované stavby) navrhnuté ambicióznymi architektmi majú jedno spoločné: zložité tvary, ktoré sú často príliš komplikované na to, aby ich bolo možné modelovať bežnými prostriedkami pri dodržaní daných časových termínov. Veľké architektonické kancelárie (napr. Zaha Hadid Architects) používajú parametrický prístup denne. Statici by sa mohli stať veľmi efektívnymi, keby sa naučili využívať parametrický model vytvorený architektmi na generovanie geometrie konštrukcie. Parametrické metódy navrhovania umožňujú statikom vytvárať výpočtové modely najnáročnejších projektov v priebehu niekoľkých minút namiesto týždňov či mesiacov. Tieto modely môžu obsahovať tisíce prútov, ale zmeny by mohli byť vykonané, prepočítané a posúdené relatívne ľahko.

Jedným z najnovších príkladov tohto prístupu je monumentálny štadión Al Janoub v Katare (obr. 2), kde statici zo spoločnosti AECOM použili na koncepciu a návrh konštrukcie práve parametrické metódy. Štadión bol postavený pre majstrovstvá sveta vo futbale v roku 2022. Pojme 40 000 divákov a bude slúžiť až do štvrťfinále turnaja. Potom bude prestavaný na kapacitu 20 000 miest a bude ho využívať športový klub Al Wakrah. Strecha má dve symetrické časti, z ktorých každá je zložená z troch škrupín. Horné poschodia štadióna boli navrhnuté tak, aby ich bolo možné po skončení turnaja odňať. Strešná konštrukcia, ktorá sa skladá zo 185 m dlhých oblúkov, prešla návrhom stavebnej etapizácie, posudkom požiarnej odolnosti a návrhom dosiek pre V-stĺpy podopierajúce primárne oblúky. 

Obr. 2 - Štadión Al Janoub v Katare [1] Vľavo: Model pre statickú analýzu v programe SCIA Engineer, ako bol predstavený v súťaži SCIA User 2020; vpravo: Architektonická vizualizácia

Výzvou bolo vytvoriť prelomový štadión, ktorý ponúkne zážitok svetovej úrovne. Rýchla tvorba prototypov v programe SCIA Engineer pomocou parametrického modelovania a interoperabilita s prostredím virtuálnej reality umožnila inžinierom testovať a vyhodnocovať rôzne riešenia tak, aby vznikol štadión spĺňajúci víziu architekta.

Prístup zvolený na vytvorenie parametrického modelu štadióna Al Janoub sa príliš nelíši od skôr uvedeného príkladu priestorového krovu (obr. 1.). Scenár bol však skutočne zložitejší a projektant musel mať dáta plne pod kontrolou. Obvykle sú takéto projekty rozdelené do niekoľkých častí, ktoré sú prepojené, ale modelované samostatnými čiastkovými skriptami. V záverečných krokoch sú všetky časti zlúčené do jedného dlhého zoznamu, ktorý je možné následne prepojiť s výpočtovým modelom.

Od parametrického ku generatívnemu designu

Novými oblasťami parametrického navrhovania sú témy optimalizácia topológie, hľadanie tvaru a generatívne navrhovanie. Vo všetkých týchto prípadoch konštruktér definuje hranice možného riešenia a pokročilé algoritmy potom iteratívne hľadajú optimálne riešenie. Pri generatívnom navrhovaní sa umelá inteligencia (AI) kombinuje s parametrickým navrhovaním, aby sa vybral najlepší tvar konštrukcie. Z pragmatických dôvodov nemá umelá inteligencia úplnú voľnosť pri hľadaní optimálneho tvaru; statik musí definovať okrajové podmienky, ktorými sa umelá inteligencia bude riadiť. Obvykle sú týmito podmienkami definované oblasti podpôr a obálka, do ktorej sa musí konštrukčný tvar „vojsť“. Generatívne návrhové algoritmy môžu často viesť k jedinečným výsledkom, pretože konštrukcie sú optimalizované pre svoje jedinečné podmienky. Je zaujímavé, že takto optimalizované štruktúry sa často podobajú tvarom, ktoré sa vyskytujú v prírode (obr. 3).

Konštrukčné tvary vytvorené generatívnym návrhom veľmi často pripomínajú stromy. Ak skúmame „nadstavbu“ stromu, je kmeň najsilnejší pri jeho základni, pretože v tomto mieste sú všetky sily a momenty spôsobené listami, vetvami a zaťažením vetrom najväčšie. Kmeň sa delí na veľké vetvy, ktoré sa ďalej delia na menšie a tenšie vetvy. Nakoniec optimálne tvarované listy na koncoch konárov pokryjú čo najväčšiu plochu, aby zachytili slnečné svetlo. Evolúcia ženie stromy k čo najväčšej efektivite a formy, ktoré sa vyvíjajú, priamo súvisia s podmienkami, v ktorých sa daný druh stromu vyskytuje. Rovnaké princípy je možné aplikovať na dizajn, architektúru a inžinierstvo. Podobnú efektivitu je možné pozorovať pri mostoch s dlhým rozpätím, kde sa využitie materiálu do značnej miery riadi konštrukčným návrhom. Efektivita bola v stavebnom inžinierstve vždy zásadnou otázkou.

Obr. 3 - Typický prípad generatívneho návrhu.

Generatívne navrhovanie možno samozrejme využiť aj v iných oblastiach ako pri navrhovaní prírodných tvarov a organických štruktúr. Možno ho využiť na nájdenie optimálneho usporiadania bytov vo viacpodlažnej budove alebo na optimalizáciu celých mestských oblastí tak, aby boli pre obyvateľov pohodlnejšie. Pridanie vrstvy umelej inteligencie alebo strojového učenia nad algoritmami parametrického navrhovania umožňuje inžinierovi porovnať obrovské množstvo potenciálnych konštrukčných riešení a prakticky vybrať najefektívnejšiu schému. Tento proces by nebolo reálne možné vykonať pomocou tradičných inžinierskych metód.

Parametrické návrhy mostov

Jedným zo zjavných odvetví, kde parametrické metódy mohli nájsť veľmi dobré uplatnenie, je navrhovanie mostov. Pri navrhovaní stále dlhších rozpätí musí byť konštrukčný systém veľmi účinný bez nadbytočnej hmotnosti konštrukcie. A to je v súlade s prístupom parametrického navrhovania. Výškové a pôdorysné zakrivenie mosta je často dané usporiadaním, profilom a priečnym rezom vozovky alebo železnice, ktorú most podopiera. Pokiaľ je zakrivenie mosta v pôdoryse alebo profile značné, stáva sa vytvorenie výpočtového modelu procesom, ktorý je zdĺhavý a náchylný k chybám. To platí najmä pre mostné konštrukcie skladajúce sa z mnohých prvkov (napr. priehradové, visuté alebo lanové). Parametrický návrh ponúka efektívnejšiu metódu na vytvorenie rovnakého výpočtového modelu v kratšom čase. Navyše existuje možnosť generovať výpočtový model priamo z modelu komunikácie, pokiaľ ten je tiež vytvorený parametricky.

Významnou výhodou parametrického návrhu mostov je navyše možnosť opätovného použitia existujúcich skriptov, čo je veľkou výhodou z hľadiska produktivity. Vzhľadom na to, že mosty sú vo všeobecnosti dosť podobné, môže opätovné použitie skriptov z predchádzajúcich projektov rovnakého typu mosta ušetriť významné množstvo času. Nezabudnime tiež, že dobré skripty sa opierajú o vyhovujúce návrhové podmienky, nie výhradne o presné čísla. Zavesený most na obrázku 4 nižšie sa nachádza v Českej republike. Po vytvorení parametrického modelu bol prevedený do výpočtového modelu v programe SCIA Engineer pomocou zásuvného modulu Grasshopper - Koala. Potom bola v SCIA Engineer dokončená konečno-prvková analýza a vykonané posudky oceľových prútov.

Obr. 4 - Lávka pre peších v Sázave modelovaná pomocou vizuálneho skriptovania bola zaradená do súťaže SCIA User 2020. [3]

Rôzne typy mostov je možné modelovať a navrhovať parametricky, ale spôsob predkladania dokumentácie úradom, zúčastneným stranám a stavebnému tímu by sa mohol zmeniť prepojením softvérových nástrojov BIM s parametrickým modelom. Spojenie týchto nástrojov umožňuje projektantom vytvárať modely bohaté na dáta, ktoré je možné využiť ako počas fázy výstavby, tak pri údržbe v rámci životného cyklu mosta.

Obr. 5 - Vizualizácia BIM modelu mosta Randselva, Nórsko. [4]

Existencia centrálneho modelu pomohla vyriešiť kolízie medzi výstužnými prútmi, predpínacími káblami a ďalšími vedeniami inštalovanými na moste. Tento proces minimalizoval potenciálne strety počas vlastnej výstavby, ktoré by inak spôsobili oneskorenie prác. Zdá sa, že krajinou, ktorá je v tomto vývoji najďalej, je Nórsko. Most Randselva bol navrhnutý v roku 2016 nórskou cestnou správou. Stavba bola založená na rozsiahlom modeli BIM. Model obsahoval informácie vrátane výstuže v každej fáze výstavby, zábradlia a povrchových úprav vozovky. Model BIM v podobe, v akej bol vytvorený, nórska cestná správa tiež archivovala ako komplexné informácie na účely údržby a prevádzky. V súčasnej dobe je totiž väčšina mostov v Nórsku predkladaná úradom a dodávateľom vo forme modelu BIM. Ďalšie krajiny budú nepochybne tento príklad nasledovať.

Záver

Parametrické navrhovanie určite zmení prístup inžinierov k zložitým konštrukčným projektom a ich riešeniu. V súčasnej dobe sa jeho sila najviac využíva pri navrhovaní divokých architektonických konštrukcií. Napriek tomu ponúka statikom rýchlu metódu vytvárania výpočtových modelov pre komplikované geometrie, ktorej ďalšou výhodou je schopnosť držať krok so zmenami projektu. Aj pre väčšinu mostných inžinierov predstavuje schodné riešenie, ako automatizovať proces navrhovania a zároveň potenciálne ušetriť ešte viac času lepším opakovaným využitím predchádzajúcej práce z dokončených projektov.   

Referencie

[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