Optymalizacja topologiczna dla wydajniejszego procesu projektowania
Od kilku lat wśród architektów rośnie zainteresowanie optymalizacją topologiczną stanowiącą sposób na tworzenie estetycznych i wydajnych konstrukcji z użyciem narzędzi obliczeniowych. Zacieśniając współpracę architektów i inżynierów budowlanych na etapie projektu koncepcyjnego, optymalizacja topologiczna otwiera przed nami szereg możliwości zwiększających wydajność procesu projektowania. Z jednej strony architekt znajduje natchnienie w optymalnych formach, które często przypominają obiekty występujące w naturze. Z drugiej zaś strony inżynier umieszcza tę wizję w restrykcyjnych ramach, aby w optymalny sposób wykorzystać zasoby i zapewnić fizyczną wykonalność konstrukcji. Biorąc pod uwagę najnowsze osiągnięcia technologiczne, możemy sobie wyobrazić proces projektowania oparty wyłącznie na technologii cyfrowej, który zaczyna się od wyboru optymalnej konstrukcji za pomocą technik obliczeniowych, a kończy zautomatyzowaną produkcją. Jednak realizacja tej wizji wymaga dalszego rozwoju procedur optymalizacji topologicznej, aby zapewnić precyzyjne odzwierciedlenie realistycznych modeli mechanicznych, włączając w to zachowanie materiałów sprężystych i takie efekty wyższego rzędu jak wyboczenie. Osiągnięcie tego celu było misją naukowców uczestniczących w finansowanej przez UE inicjatywie TOP-CIVIL. „Aby wspomniane narzędzie obliczeniowe było atrakcyjne dla praktykujących architektów, musi dostarczać precyzyjnych wyników w krótkim czasie, najlepiej z wykorzystaniem interaktywnego interfejsu – aplikacji, którą architekci mogliby się «pobawić»” – mówi koordynator projektu TOP-CIVIL, Oded Amir. „Tym samym głównym wyzwaniem, któremu musieliśmy stawić czoła, było opracowanie interaktywnych funkcji przy jednoczesnym uwzględnieniu dość skomplikowanych modeli mechanicznych”. Czterostopniowy proces Celem uczonych biorących udział w inicjatywie TOP-CIVIL było ujęcie optymalizacji topologicznej w ramy narzędzia do projektowania cyfrowego przeznaczonego dla inżynierów budowlanych i architektów. Badania obejmowały cztery moduły. Pierwsze dwa koncentrowały się na zwiększeniu wydajności tych procedur trójwymiarowej optymalizacji topologicznej, które można wdrożyć do oprogramowania CAD i uruchomić na standardowym komputerze osobistym. „Rozpoczęliśmy pracę od integracji uwarunkowania wielosiatkowego z iteracyjnymi procedurami uwarunkowanego gradientu sprzężonego (MGCG) służącymi do rozwiązywania równań stanu w obrębie problemów trójwymiarowej optymalizacji topologicznej” – wyjaśnia Amir. W drugiej fazie badań naukowcy jeszcze bardziej ograniczyli czas potrzebny na wykonanie obliczeń, zastępując wzór minimalnej zgodności wzorem minimalnej wielkości oraz wykorzystując zalety sztywnego uwarunkowania w ramach procedury opartej na ponownej analizie. „Pierwsze dwie fazy projektu zaowocowały opracowaniem procedur trójwymiarowej optymalizacji topologicznej, które są w stanie rozwiązywać problemy obejmujące setki tysięcy elementów skończonych w kilka minut, wykorzystując przy tym tylko jeden procesor” – twierdzi Amir. „Utorowało to drogę do skutecznego ich wdrożenia w postaci wtyczek dla oprogramowania CAD, co było ogólnym celem projektu”. Ostatnie dwa moduły koncentrowały się na uwzględnieniu realistycznych modeli mechanicznych. „W trzeciej części projektu przygotowano skuteczną metodę optymalizacji topologicznej struktur szkieletowych (kratownic i ram), która uwzględnia wszystkie okoliczności wyboczenia” – wyjaśnia Amir. „Z kolei w jego czwartej części skupiliśmy się na optymalizacji konstrukcji żelbetowych i strunobetonowych”. Zestaw procedur obliczeniowych Zdaniem Amira, inicjatywa TOP-CIVL oddała do dyspozycji architektów i inżynierów niezwykle przydatny zestaw procedur obliczeniowych. „Korzystając z opracowanych metod opartych na optymalizacji, praktycy mogą nie tylko ograniczyć zużycie materiału w branży budowlanej, lecz także zacieśnić współpracę pomiędzy architektami a inżynierami na wczesnym etapie projektu” – podsumowuje.
Słowa kluczowe
TOP-CIVIL, CAD, architektura, inżynieria budowlana
