Учредитель журнала

Автоматизация армирования купольных домов

УДК 624.26:69.05.04:004.9

DOI 10.52815/0204-3653_2023_5194_
EDN: JUOHOY

Кибикин Никита
Магистрант, кафедра информационных систем технологий и автоматизации в строительстве, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
e-mail: i@kibikin.ru

Шилова Любовь
Доцент, к. т. н, кафедра информационных систем технологий и автоматизации в строительстве, НИИ строительных материалов и технологий, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Введение

Купольные дома не так давно приобрели популярность на территории бывшего Советского Союза, хотя западные страны применяют эту технологию строительства десятилетиями. Сферические дома достаточно оригинальны и эргономичны, поэтому подходят как для временного, так и для постоянного проживания. Такой дом может создать максимально комфортные условия для жизни.
Вместе с тем использование купола возможно не только для жилых зданий, но и при строительстве складов, хранилищ, ферм, гаражей, спортивных залов, аквапарков, стадионов, кинотеатров, школ, заводов, фабрик, планетариев, цирков.
Купольный дом представляет собой технологически сложную конструкцию, в процессе возведения которого возникает ряд трудностей. Наиболее важной из них является вопрос обеспечения нормативной прочности конструкции, которая подвергаются изгибу, растяжению или кручению. Указанные факторы оказывают негативное влияние на прочность неукрепленных конструкций. Для повышения прочностных характеристик сооружения, материал укрепляют с помощью армирования.
Цель данной работы сводится к разработке подхода по автоматизации процесса построения сетки армирования для купольных домов для сокращения сроков подготовки проектной документации.

Анализ теории и практики армирования купольных домов

Возможность применения природных материалов, таких как дерево или камень, а также новых строительных технологий (аддитивного строительного производства или 3D печати бетоном), привела к повышению популярности реализации проектов купольных домов. Купольный каркас имеет ряд преимуществ и может использоваться в различных целях [1, 2]:

  1. Максимальный внутренний объем по отношению к одинаковой полезной площади дома прямоугольной формы.
  2. Кoрoткие срoки строительства.
  3. Сокращение расхода строительных материалов (по экспертным оценкам для возведения купольного дома необходимо на 40–50% меньше материала по сравнению с домом прямоугольной формы) [1].
  4. Отсутствие опасных зон внутри здания за счет равномерного распределения нагрузок по всей площади купола дома (при учете снеговых нагрузок).
  5. Низкие теплопотери по сравнению с домом прямоугольной формы.
  6. Уникальный внешний вид.
  7. Снижение финансовых затрат за счет отсутствия необходимости привлечения сложных машин и механизмов, большого количества рабочих при возведении здания.
  8. Аэродинамика куполов.
  9. Сферические формы зданий усиливают свет в отличие от прямоугольных, которые его поглощают.

Вместе с тем «возведение купольного здания непростой процесс, поскольку купольные дома имеют свои особенности в зависимости от типа здания или формы купола, а также технологии строительства и используемых материалов» [1].
При этом в качестве основы могут быть использованы различные виды куполов.
Сборный купольный дом или геодезический купол используется для разбивки пространства на секции, причем прочность конструкции зависит от того, как часто сделана разбивка [1]. Такая конструкция считается устойчивой из-за сетчатого распределения нагрузки и может быть расположена на различных видах грунта, в то же время можно сделать различное количество входов, убрав несколько перемычек, и окон в крыше или стенах для реализации индивидуальных дизайнерских решений.
Однако есть и недостатки, например, окна можно сделать только одной – треугольной формы, а многие специфические компоненты нужно изготавливать только под заказ для конкретного объекта.
Каркас стратодезического купола монтируют из отдельных секций трапецеидальной формы, где вертикальные элементы каркаса соединяются при помощи металлических «замков». Технология, как правило, применяется при возведении деревянных домов, т. к. недостатком такой конструкции является меньшая по сравнению с геодезическим куполом устойчивость.
Пример сборного купольного дома представлен на рис. 1а, на рис. 1б – пример напечатанного дома.

Рис. 1. Примеры купольных домов
Источник: https://novate.ru/blogs/220521/59002/

Вместе с тем «с точки зрения статической работы оболочки под нагрузкой наиболее выгодно безмоментное напряженное состояние, условиям существования которого являются: плавность изменения толщины оболочки, радиуса кривизны ее меридиана и направления касательной к нему, упругие свой­ства материалов, а также плавность изменения нагрузки, действующей на оболочку. Перемещение краев оболочки как радиальное, так и угловое должно быть свободным. Краевые меридиональные усилия необходимо направлять по касательной к меридиану. В этом случае края оболочки будут находиться в условиях статической определимости. При нарушении названных условий решение задачи о расчете оболочки может быть получено путем суммирования напряжений безмоментного состояния с напряжениями, определяемыми с помощью моментной теории. Основной метод расчета оболочек по безмоментной теории основан на том, что оболочка работает как тонкая мембрана и поэтому подвержена только нормальным силам, действующим внутри поверхности. На практике это положение можно принять в отношении всего купола оболочки, кроме участков, прилегающих к бортовым элементам» [3].

Использование технологий информационного моделирования при армировании элементов строительных конструкций

Технология информационного моделирования (ТИМ) – это концепция, которая охватывает все этапы жизненного цикла здания или сооружения, в зарубежной литературе используется термин Building information modelling (BIM).
Сегодня технологии информационного моделирования активно используются в строительной отрасли и являются неотъемлемой частью ее цифровой трансформации. Вместе с тем ТИМ в основном используется для проектирования зданий, т. е. на этапе подготовки к строительству, на котором разрабатывается 3D-модель здания и определяется ход всего строительного проекта.
Использование ТИМ предполагает полный комплексный подход на всех уровнях строительного процесса и соответственно на всех этапах жизненного цикла объекта строительства. К преимуществам можно отнести [4]:

  • сокращение сроков подготовки проектной документации;
  • снижение вероятности возникновения ошибок и коллизий;
  • обеспечение наглядности расчетов строительных конструкций;
  • возможность управления данными;
  • снижение финансовых затрат;
  • проверка соответствия параметров и эксплуатационных характеристик возведенного здания требованиям заказчика.

В то же время, ТИМ дает возможность представлять здание в виде единого объекта, в котором все элементы связаны и взаимозависимы [5]. При этом все данные должны вноситься согласно установленным стандартам, поскольку если какой‑то элемент системы изменится, изменятся и все связанные с ним данные.
ТИМ позволяет объединить в одном проекте данные по архитектуре, инженерным и экономическим решениям, что помогает не только избежать ошибки и коллизии, но также повысить эффективность проекта.
При этом идея создания информационной модели появилась еще в 70‑х гг. прошлого века, а термин «строительная модель» впервые использован С. Раффлом в 1985 г. Понятия же «информационная модель зданий» описано впервые в статье Г. Ааса Ван Недервина и Ф. П Толмана «Модельные множественные обзоры на зданиях».
Однако привычный смысл данного термина появился только в 2002 г. Он начал использоваться для обозначения цифрового представления строительного объекта. Очевидно, что использование ТИМ значительно изменило способы и методы взаимодействия между архитекторами, проектировщиками и инженерами, а внедрение ТИМ в области армирования железобетонных конструкций позволит существенно сократить сроки работы над проектом.
Вместе с тем, на мировом рынке представлен широкий спектр программного обеспечения, которое используется в процессе создания информационных моделей объектов капитального строительства и выполняет аналогичные задачи, но имеет различия в процессе реализации проекта.
Так, программный продукт ArchiCAD использует концепцию BIM («Building Information Modeling»). При этом связка Grasshopper предполагает динамические ссылки для использования параметрической геометрии, чтобы управлять вручную конфигурацией BIM элементов в ArchiCA D. Система преобразует геометрию Rhino/Grasshopper прямо в BIM элементы GDL, сохраняя контроль над автоматизированным проектированием через Grasshopper [6–8].
К началу 2000‑х гг. у архитекторов появилось новое поколение цифровых инструментов – сред, позволяющих создавать собственные инструменты и алгоритмы из набора простых функций, компонентов или библиотек. Как раз к такой среде относится Grasshopper – плагин для Rhino, которые представляют собой инструменты нодового, или визуального, программирования.
Через активное подключение скрипты/правки Grasshopper могут быть просмотрены в окне Rhino, а затем импортироваться непосредственно в предопределенный 2D или 3D элемент ArchiCA D. При редактировании скриптов или значений Grasshopper BIM модель и связанные с ней компоненты будут автоматически обновлены в ArchiCA D.
Кроме того, можно отправить изменения геометрии, сделанные в ArchiCAD, обратно в Rhino/Grasshopper, которые тоже автоматически обновятся. Однако, если необходимо получить доступ к любой из функций BIM редактирования в ArchiCAD, используя связки Grasshopper, геометрия должна быть отделена.
Однако, это сложное, на первый взгляд, решение экономит значительное времени, которое пришлось бы потратить на разработку встроенной поддержки. При этом более глубокая интеграция может быть осуществима без прямого участия Rhino.
Поскольку скрипты Grasshopper не хранятся в базе данных ARCHICAD BIM, появляется необходимость управлять и работать с различными файлами, созданными в разных приложениях. Rhino также является мощным инструментом для промышленного моделирования и может создавать слишком «тяжелую» для AEC геометрию, ArchiCAD разбивает ее на отдельные BIM-элементы.

Разработка скрипта для армирования конструкций купольных домов

Алгоритм армирования конструкции подразумевает под собой несколько блоков (этапов) работы, включая перенос геометрии стены из информационной модели ArchiCAD в среду Rhino (1), преобразование геометрии в подходящий формат (2), отсечение ненужных граней от полученной геометрии (3), выделение граней необходимых для получения сетки (4), создание профиля для используемой арматуры (5), выдавливание профиля по сетке армирования (6), перенос полученной арматурной сетки в ArchiCAD (7).
Рассмотрим формирование скрипта в соответствии с алгоритмом, описанным ранее.
На этапе (1) осуществляется перенос геометрии стены здания из информационной модели ArchiCAD в среду Rhino. Для переноса геометрии стены из информационной модели Arhicad в среду Rhino используется нод ArchiCAD Wall. Пользователю необходимо выбрать из проекта, созданного в ArchiCAD, стену купольного дома, которую необходимо армировать. Может быть выбрана одна или несколько стен. На рис. 2 показаны стены, перенесённые в среду Rhino.

Рис. 2. Геометрия стены в Rhino

Далее необходимо «разобрать» стены на составляющие. С помощью нода Deconstruct Wall получаем на выходе опорную линию, геометрию и свой­ства стены. Для следующего этапа нам понадобится геометрия стены. На рис. 3 представлена часть скрипта, отвечающая за этот этап.
На этапе (2) необходимо провести преобразование геометрии в подходящий формат с использованием нода Mesh Brep.

Рис. 3. Передача стены из ArchiCAD в Rhino

BREP (Boundary REPresentation) – аббревиатура, обозначающая объекты, представленные ограничивающими поверхностями. При этом, тип объекта неважен.
Поскольку на предыдущем этапе была получена геометрия стены BREP, для дальнейшей работы необходимо преобразовать её в mesh геометрию. Полигональная сетка (mesh) – это совокупность вершин, ребер и граней, которые определяют форму многоугольника в трехмерной компьютерной графике или трехмерном моделировании на основе объемного моделирования. Преобразование нужно для дальнейшей детальной настройки геометрии. На рис. 4 показана полученная после преобразования геометрия.

Рис. 4. Передача стены из ArchiCAD в Rhino

Далее используются ноды Settings (custom), Boolean Toggle, Number Slider. Нод Settings (custom) представляет пользовательские настройки сетки. Вход Simple Planes при установке True плоские грани будут иметь сетку с минимальным количеством треугольников. Поскольку для построения сетки армирования нужны прямоугольные секции, настраиваем геометрию на минимальное количество треугольников. Так же настраиваем минимальное и максимальное количество квадратов в исходной сетке на одну грань. На рис. 5 представлена часть скрипта, отвечающая за этот этап.

Рис. 5. Преобразование геометрии Brep в Mesh

Отсечение ненужных граней от полученной геометрии происходит на этапе (3). Для отсечение ненужных граней от полученной геометрии используется нод Deconstruct Mesh, который позволяет «разобрать» сетку на комплектующие: вершины, поверхности, цвет и нормали. На рис. 6 представлено множество вершин геометрии стены.

Рис. 6. Множество вершин геометрии стены

Нод Match Text находит определённый текст в списке данных, в данном случае, список данных представлен списком поверхностей, из которых состоит геометрия стены. При нахождении в этом списке треугольной поверхности он заполняет свой список, в котором на месте всех треугольных поверхностей будет стоять True. Далее этот список передаётся на следующий нод Cull Faces, который удаляет поверхности по предыдущему списку, не оставляя треугольных поверхностей в полигональной сетке. На рис. 7а представлена часть скрипта, отвечающая за этот этап.
Для выделения граней необходимых для получения сетки используются ноды Mesh Edges, Curve (этап 4). Нод Mesh Edges предоставляет грани сетки, а нод Curve преобразует их в кривую. На рис. 7б представлена часть скрипта, отвечающая за этот этап. На рис. 8 показаны выделенные грани.

Рис. 7. Части скрипта для этапов 4 и 5

Таким образом, получилась сетка, к которой необходимо применить профиль арматуры (5). Для создания профиля арматуры используются ноды ggProfileC подключаемого модуля BullAnt, Panel, Number Slider.

Рис. 8. Грани из геометрии

BullAnt – это подключаемый модуль Rhino3d/Grasshopper, предназначенный в первую очередь для архитекторов и инженеров, включающий инструменты вычислительного проектирования для улучшения и расширения Rhino/Grasshopper. Этот нод создаёт профиль круглого сечения.
На рис. 9а представлена часть скрипта, отвечающая за этот этап, а на рис. 9б представлена часть скрипта, отвечающая за выдавливание профиля по полученным граням.

Рис. 9. Части скрипта для этапов 5 и 6

Для выдавливания профиля по сетке армирования (этап 6) используются ноды ggSweepProfile подключаемого модуля BullAnt, Number Slider. Профиль вытягивания ggSweepProfile на кривой позволяет создать представление элемента конструкции в виде вытянутой поверхности вдоль кривой.
Далее необходимо обеспечить перенос полученной арматурной сетки в ArchiCAD (этап 7) с использованием нодов Settings (Speed), Mesh Brep.
Прежде чем перенести полученную геометрию, необходимо снова её преобразовать. Нод Morph Solid принимает на вход только Mesh геометрию, которую можно реализовать с использованием нода Mesh Brep и преобразовать Brep геометрию в Mesh геометрию. Нод Settings (Speed) позволит сделать детализацию стержней менее проработанной, на рис. 10а представлена часть скрипта, отвечающая за преобразование, а на рис. 10б – часть скрипта, отвечающая за перенос результата в ArchiCA D.

Рис. 10. Части скрипта для этапов 7 и 8

Далее используются ноды Morph Settings, Morph Solid, Boolean Toggle, Building Material.
Morph Settings определяет свой­ства Morph в ArchiCA D. В данный нод подключаем нод Building Material, который определяет из какого материала будет состоять Morph. Нод Morph Solid будет переносит полученную с предыдущего этапа геометрию сетки в виде Morph в ArchiCA D.
Полученный скрипт необходимо протестировать.

Построение информационной модели купольного дома для апробации разработанного скрипта

Тестовое здание разработано в программе ArchiCA D. Для построения купольного дома использовался инструмент «стена» со сложным профилем. На рис. 11 представлен профиль стены. Для тестирования используются несущие конструкции (рис. 12).

Рис. 11. Сложный профиль стены дома
Рис. 12. Тестовая модель несущих конструкций здания

Для применения скрипта к модели необходимо включить Live Connection. Далее выбираем стены, которые необходимо армировать. Стоит заметить, что, используя возможности Grasshopper, выбрать можно несколько стен. Результат работы скрипта представлен на рис. 13а, а на рис. 13б представлен результат работы скрипта в разрезе.

Рис. 13. Результаты работы скрипта

Выводы

Идеология информационного моделирования – это концепция, охватывающая весь жизненный цикл здания или сооружения, для реализации которой используется различное программное обеспечение, поддерживающее технологию информационного моделирования. Сегодня нет единого инструмента позволяющего обеспечить все возможности концепции информационного моделирования и на разных этапах жизненного цикла объекта капитального строительства используются различные решения.
Вместе с тем каждое программное обеспечение имеет свои недостатки и свои преимущества, поэтому конструкторы ищут новые способы создания арматурных каркасов.
Одним из способов создания таких алгоритмов (скриптов) является визуальное программирование в среде Grasshopper для Rhino.
Инструменты взаимодействия Rhino-­Grasshopper-­ARCHICAD – это набор расширений, который позволяет осуществлять двунаправленный обмен геометрией на этапе эскизного проектирования и дает возможность преобразовывать базовые геометрические формы в полноценные BIM-элементы, поддерживающие алгоритмическое редактирование.
При этом пока не существует идеального программного продукта для армирования конструкций, создание скриптов для этой цели является актуальной задачей.