CC BY
39
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДСТВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ
ОПТИМИЗАЦИИ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ
В.И. Ляшенко, магистрант
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2021-4-1-50-55
Аннотация. средства параметрического моделирования еще не нашли широкого применения в процессах проектирования зданий, поэтому в данной статье рассматривается возможность внедрения средств параметрического моделирования совместно с инструментами решения оптимизационных задач с помощью эволюционных алгоритмов на примере связки визуального редактора Grasshopper 3D и системы автоматизированного проектирования SAP2000. Результатом исследования является работоспособный алгоритм, при помощи которого возможно предварительно найти наиболее оптимальную расчетную схему металлического каркаса здания.
Ключевые слова: Grasshopper, Параметрическое моделирование, Алгоритм, Металлоемкость, Статический расчет.
В процессе проведения научно-исследовательской работы рассматривается возможность внедрения в процесс проектирования визуального редактора программирования Grasshopper 3D как средства параметрического моделирования, а также средства оптимизации предварительного расчета несущих конструкций, позволяющего значительно сократить время и затраты труда на предварительный расчет металлоёмкости сооружения.
Графический редактор программных алгоритмов Grasshopper 3D, интегрированный в среду моделирования Rhinoceros 3D, позволяет организовать точный параметрический контроль за моделью. Для построения геометрии компоненты пере-
таскиваются на холст. Grasshopper основан на графах, которые отображают поток отношений от параметров через определенные пользователем функции, приводящие к генерации геометрии. Изменение параметров приводит к тому, что изменения распространяются по всем функциям, а геометрия перерисовывается. Построение алгоритма осуществляется с использованием «Деревьев данных», состоящих из отдельных элементов - «нодов», каждый из которых несёт в себе определенную операцию
Рассматриваемая в данной работе конструкция - Стальной каркас многоэтажного, квадратного в плане, здания.
Рис. 1. Вид одного из вариантов рассматриваемого каркаса в среде Grasshopper 3D
Модель данной конструкции является параметрической, где в роли входящих данных выступают следующие параметры (рис. 3):
- площадь этажа;
- высота этажа;
- количество этажей,
- размерность сетки осей;
- количество пролетов второстепенных балок;
- величины нагрузок на конструкцию (вес перекрытия, снеговая и ветровая нагрузки).
Рис. 3. Входные параметры алгоритма, моделирующего каркас в интерфейсе
Grasshopper 3D
В основу алгоритма, моделирующего здание, была принята точка - основной и простейший элемент моделирования. Конечная модель - это множество точек, со-
единённых прямыми или кривыми линиями. Расстояния между этими точками па-раметризированы и зависят от входящих
данных. Основные операции, использованные при создании алгоритма (рис. 4-7):
- «Point» (Pt) - создание точки с определёнными координатами;
- «ggSAPCreateOrFindPoint»(ggPoint) -преобразование точек из графического редактора Grasshopper 3D в узлы среды SAP2000;
- «ggSAPPointRestraint»(ggPR) - задание связей в опорных узлах;
- «ggSAPPointAtts»(ggPA) - задание переданных параметров узлу;
- «Srf4Pt» - создание плоскости по 4 крайним точкам;
- «Grid» - разделение заданной плоскости на u и v частей по координатам x и yсоответственно;
- «pDecon» - получение координат x,y,z из заданных точек;
- «Equals» - создание списка соответствия значений списка по переданному значению для определения крайних узлов;
- «Cull» - фильтрация переданных данных согласно переданному фильтру;
- «Move» - копирование элемента (в нашем случае, точки) на определённое расстояние в определённом направлении;
Рис. 4. Общий вид алгоритма, моделирующего основные точки каркаса
Рис. 5. Общий вид алгоритма, моделирующего узлы колонн согласно
количеству этажей
Рис. 6. Общий вид алгоритма, моделирующего узлы главных согласно количеству этажей
Рис. 7. Общий вид алгоритма, моделирующего начальные и конечные узлы второстепенных балок
Для оптимизации алгоритма подсчета, а также для его упрощения в связи с тем, что подсчет металлозатрат осуществляется предварительно, были введены некоторые допущения:
- расчет производится только на вертикальные нагрузки от собственного веса, перекрытия, снега и ветра;
- параметризация стали не произодится, принята сталь С355;
- в алгоритм не включен расчет связей.
Реализация подсчета металлоемкости и
нахождения оптимальной расчетной схе-
< R
Далее происходит передача расчетной схемы в SAP2000, ее расчет и подбор сечений (рис. 9), запись значения металло-
мы осуществлена при помощи плагина эволюционного программирования
"Wallacei X", которому в качестве изменяемых параметров передается размерность сетки осей и количество пролетов второстепенной балки, а в качестве оптимизированного параметра - металлоемкость конструкции, посчитанная на м2 при помощи собственного скрипта, написанного на языке программирования Python (рис. 8).
1
г
) >
емкости в среде Wallacei X для различных сочетаний исходных параметров (рис. 10).
Рис. 8. Общий вид скрипта, задействующего эволюционный алгоритм
Рис. 9. Расчетная схема с подобранными сечениями в среде SAP2000
Рис. 10. Результат работы эволюционного алгоритма
Анализ результатов работы эволюционного алгоритма можно представлен в более читаемом виде - диаграмме (рис. 11).
Рис. 11. Диаграмма зависимости металлоемкости от размерности сетки осей и количества
пролетов второстепенной балки
Таким образом, результатом исследования является полностью работоспособный алгоритм параметрического подбора оптимальной расчетной схемы квадратного в плане здания с использованием эволюци-
онного алгоритма, что позволяет значительно сократить время и затраты труда на предварительный расчет металлоёмкости сооружения.
Библиографический список
1. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции / Минрегион России. - М.: ГУП ЦПП 2017. - 172 с
2. David Bachman. Grasshopper: Visual Scripting for Rhinoceros 3D. - NY.: Industrial Press, 2017. - 288 c.
3. Вержбицкий В.М. Основы численных методов: учебник для вузов. - М.: Высш.шк., 2015. - 840 с.
USE OF PARAMETRIC SIMULATION TOOLS TO OPTIMIZE STEEL FRAMES V. I. Lyashenko, Graduate Student
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Russia, St. Petersburg)
Abstract. Parametric modeling tools have not yet found wide application in building design processes, therefore, this article discusses the possibility of introducing parametric modeling tools together with tools for solving optimization problems using evolutionary algorithms using the example of the link between the Grasshopper 3D visual editor and the SAP2000 computer-aided design system. The result of the study is a workable algorithm, with the help of which it is possible to preliminarily find the most optimal design scheme for the metal frame of the building.
Keywords: Grasshopper, Parametric Modeling, Algorithm, Metal Consumption, Static Calculation.
