Parameterstyrd modellering av en
vägskyltsportal
Parametric design of road sign portal
Examensarbete, 15 hp, Byggingenjör, Byggteknik VT 2019
Mohammod Kadar Omar Ali
Anel Elezovic
iii
Förord
Examensarbete utgör det avslutande momentet i Byggingenjörsprogrammet med inriktning Byggteknik på Malmö Universitet. Arbetet som omfattar 15 högskolepoäng, genomfördes under våren 2019 och pågick under tio veckor.
Vi vill med detta rikta ett stort tack till våra familjemedlemmar som har haft en stor förståelse för tiden som vi har behövt lägga på arbetet och alla dagar och kvällar som vi har behövt avsätta. Vi vill även tacka Sweco Structures och Wilhelm Jakobsson för förtroendet att få möjligheten att skriva vårt examensarbete tillsammans med er. Tack till Jesper Ahlquist som har varit vår handledare under dessa veckor och funnits tillhands med råd och lösningar på våra problem.
Vi tackar även Kristian Stålne som var vår handledare på skolan.
Juni 2019, Malmö
Mohammod Kadar Omar Ali
iv
Sammanfattning
För att företag ska kunna vara konkurrenskraftiga på marknaden gäller det att öka produktiviteten och sänka sina kostnader genom tidsbesparing. Att automatisera sin projekteringsfas med hjälp av parameterstyrd design är ett sätt att uppnå målet. I denna studie tillämpas visuell programmering som en del av parameterstyrd design. Programmeringen utfördes med hjälp av Rhinoceros 3D och pluginprogrammet Grasshopper. Arbetssättet är särskilt lämpligt för repetitiva standarduppgifter där endast få parametrar ändras. I dagsläget har Sweco behov att effektivisera sin projekteringsfas gällande vägskyltsportaler som är byggda i form av ett fackverkssystem. Syftet var att ta fram ett skript i Grasshopper som generar en parametestyrd vägskyltsportal modell i Rhinoceros samt att lyfta upp fördelar och utmaningar med implementering och användning av parameterstyrd design.
För att besvara frågorna och komma fram till resultatet har tillvägagångsättet delats upp i en teoretisk och en praktisk del. Genom litteraturstudier av tidigare examensarbete och forskningsrapporter, hemsidor, material från Sweco samt kurslitteratur har man skaffat en bättre förståelse kring ämnet. Vidare har det använts videolektioner och handledning på Youtube där man genom ”trial and error” metoden kom fram till resultat.
Genom att integrera en kurva i Rhinoceros 3D med ett skript i Grasshopper kunde man ta fram en parameterstyrd modell av en vägskyltsportal. Den mest uppenbara fördelen med parameterstyd design är tidsbesparing. Parameterstyd design har enorm potential att spara tid och pengar genom förmågan att automatisera förändringar i en byggnadsmodell. Ett välutvecklat och lätthanterligt skript i Grasshopper leder till en förkortad projekteringstid och ökad lönsamhet för företag. Utifrån intervjuerna och utlåtanden som gjordes så framgick det att en av de större utmaningarna med parameterstyrd design är de tekniska bitarna med överbryggning mellan olika programvaror.
Parameterstyrd design som växer i takt med teknikens utveckling implementeras av företag i tidiga skeden för att generera nytta i längden. Arbetssättet är speciellt lämpligt vid upprepande standaruppdrag samt i projekt där det gäller att leverera mervärde till sina kunder.
v
Abstract
To Automate a design phase using parametric design is a way of achieving the goal. As part of parametric regulated design including visual programming with Rhinoceros 3D and the gadget Grasshopper. The working method is particularly suitable for repetitive standard tasks where few parameters are changed. In the current situation, Sweco needs to streamline its design phase on road sign portals. The aim is to develop a script in Grasshopper that generates a parametric regulated road sign portal model in Rhinoceros and to raise the benefits and challenges of implementation and use of parametric design.
To answer the questions, the outlines has been divided into a theoretical and a practical part. Through literature studies of previous degree projects and course literature, a better understanding of the subject has been acquired. Furthermore, video lessons and tutorials have been used on YouTube with the "Trial and error" method.
By integrating a curve into Rhinoceros 3D with a script in Grasshopper one could develop a parametric regulated model of a road sign portal. The most obvious advantage of parametric design is cost savings. The study also showed that the major challenges are the technical elements such as bridging between different software products and maintaining and updating scripts in line with the development of the technology.
vi
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.1.1 Användning av parametrisk modellering i andra sektorer ... 1
1.1.2 Användning av parametrisk modellering inom byggsektorn ... 2
1.1.3 Tidigare examensarbeten inom parametrisk modellering ... 5
1.2 Problemformulering ... 6
1.3 Swecos ambitioner med vägskyltsportalsdimensionering ... 6
1.4 Nulägesbeskrivning ... 6
1.4.1 Sweco ... 6
1.4.2 Parametrisk modellering på Sweco ... 7
1.5 Syfte ... 7 1.6 Frågeställningar ... 8 1.7 Avgränsning ... 8 2 Teori ... 9 2.1 Vägskyltsportal ... 9 2.2 Fackverk ... 9 2.3 Automatiserad projektering ... 10 2.3.1 Parameterstyrd design ... 10 2.3.2 Plugins ...11
2.4 Programvaror och BIM ...11
2.4.1 Building information model ...11
2.4.2 Building information modelling ...11
2.4.3 Tekla ...11
2.4.4 Tekla Structures ...12
2.4.5 Tekla Structures och andra programvaror ...12
2.4.6 Rhinoceros 3D ...13
2.4.7 Grasshopper ...13
2.4.8 Karamba 3D ...14
2.4.9 RFEM ...14
2.4.10 Integrering mellan Tekla och Grasshopper ...14
3 Metod ... 15 3.1 Teoretiskt avsnitt ... 15 3.2 Genomförande ... 16 3.2.1 Förarbete ... 16 3.2.2 Modellering ... 18 4 Resultat ... 22
4.1 Modell och Skript ... 22
4.2 Fördelar och utmaningar ... 23
4.3 Framtidsvision och potential inom parametrisk modellering på Sweco ... 25
5 Analys ... 26
6 Diskussion... 26
7 Slutsats ... 28
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Effektiva och snabba lösningar är något som eftersträvas i byggbranschen. Anledning till detta är att företag ska kunna vara konkurrenskraftiga på marknaden och öka produktiviteten samt sänka sina kostnader genom tidsbesparing. Ett sätt att uppnå dessa mål är om företag effektiviserar sin projekteringsfas med parameterstyrd design som är en del av automatiserad projektering. Istället för att en konsult ska lägga sin tid på repetitiva beräknings- och modelleringssteg i projekteringsfasen så kan istället ett system eller en mjukvara utföra en del eller alla faser av projekteringen automatiskt. Därmed finns potentialen att spara värdefull tid för konsulterna. (Ahlquist, 2019)
Automatisering tillämpas på flera olika aktivitetsområden dagligen och är ett återkommande ämne i alla branscher. Inom exempelvis kommunikationsväsendet har automatiseringen betytt mycket för säkerhet, snabbhet och ekonomi. Vid tågtrafik har automatiska signal- och övervakningssystem minskat personalbehovet betydligt och ökat säkerheten. Ett flygplan kan i dag till exempel styras helt med hjälp av automatiska system (Nationalencyklopedin, 2019). När det gäller byggbranschen har man på senare tid effektiviserat projekteringsfasen med hjälp av skript som skapar parameterstyrda modeller för att göra eventuella tidsbesparingar (Abed & Hosseinzade, 2017). Dessa skript ska efter inmatning av nödvändiga inputdata automatiskt modellera en parameterstyrd BIM-modell i olika program för visuell programmering. Med parameterstyrd design kommer modellens objekt att ha en stor samling av data kopplad till sig. Objektets egenskaper kan därmed ändras genom att justera inputdata. Parameterstyrd design möjliggör även att inputdata relativt enkelt kan nås, extraheras samt styras av externa program. (Ahlner & Dahl, 2018)
1.1.1 Användning av parametrisk modellering i andra sektorer
Parametrisk modellering har tillämpats i flera olika branscher där man försökt effektivisera designskedet. Ett exempel är skobranschen där man letade efter en effektivare metod för att kunna anpassa sig till användarnas behov av flexibla och anpassade former av skor. I rapporten
Parametric Design Method Based on Grasshopper and Shoe Last Bottom Pattern Moulding Characteristics studerades de karaktäristiska formegenskaperna för bottendelen av skor för
varje parameter och relaterad algoritm. (Yujing , et al., 2017) Baserad på vikten av formkontroll så graderades funktionsparametrar där man använde sig av pluginprogrammet Grasshopper tillhörande modelleringsprogrammet Rhinoceros. Grasshopper användes för att generera det automatiska formskapandet av skors botten och för att bilda en professionell och genomförbar design. Över tid så jämfördes förbrukningen mellan den traditionella tillverkningsmetoden och den parametriska modelleringen och med hjälp av observationerna som gjordes under jämförelsen kunde designen och produktionseffektiviteten förbättras.
Ett annat område där parametrisk modellering är vanligt förekommande är inom maskinteknik och utformningen av turbinblad. Metoden som presenterades i artikeln Wind turbine blades
parametric design using Grasshopper möjliggjorde en definiering av den externa
bladgeometrin, den interna bladstrukturen och skjuvbanorna. (Charalampous, et al., 2015) Tillvägagångssättet för definieringen av geometrin var parametrisk där variationer av vindturbinsblad kunde produceras. Bladets yttre ytor konstruerades efter specificerade funktioner i Grasshopper medan den resulterande 3D ytan producerades genom Lofting som är
2
en funktion i Grasshopper och som presenteras i avsnittet ”Programvaror”. Den interna strukturen av rotorbladet byggdes genom användning av olika parametrar för olika bladdelar. På det sättet konstruerades den interna strukturen i olika blad regioner. Den utvecklade algoritmen producerade så småningom sammansatta solida blad som i sin tur kunde importeras och analyseras genom standardutbyteskontroll. Bladdesignens process tillsammans med provkonstruktioner genererade beräkningsnät och analysresultat som demonstrerade den föreslagna metodens förmåga att skapa parametriska variationer av turbinblad.
1.1.2 Användning av parametrisk modellering inom byggsektorn
Tillämpning av parametrisk design och integrering av automatiska processer är vanligt förekommande även inom byggindustrin. I artikeln Simplifying complex problems: use of
parametric tools to design and build complex wood structures av Konstantionos Voulpiotis
framkommer det att i Honolulu förenklade man ett komplext konstruktionsproblem genom att använda sig av parametriska verktyg för att projektera och bygga ett komplext trätak (se Figur 1). Denna sorts arkitektur använde trä på ett okonventionellt sätt och krävde innovation i alla skeden av projektet. Dynamisk avlastning användes för att definiera den arkitektoniska ytan där Grasshopper genererade en helt anpassningsbar 3D-modell och FEM-analys. Att kunna skapa en form efter arkitektens krav om en dubbelt böjd yta och som samtidigt tog hänsyn till materiella begränsningar var en betydande utmaning. Det estetiska målet var dryga 3 meters höjdskillnad mellan höga och låga punkter på takytan. Snabba höjdövergångar skapade områden med stor krökning vilket kunde dela upp regeln. Därför krävdes en mer rationell inställning för att definiera höga och låga punkter samt bilda en slät yta. Målet uppnåddes med hjälp av en dynamisk avslappnings algoritm med pluginprogrammet Kangaroo.
Figur 1: Färdiga projektet av taket (Konstantinos , 2018)
Den parametriskt definierade 3D-modellen gjorde konstruktionsutformningen av denna komplexa struktur enklare. Med hjälp av arbetssättet utfördes strukturell analys av taket, bestämning av laster, definiering av uppsättningar i minsta avsnittsstorlekar och minsta radier, maximala spännvidder, anslutningstyper samt fästelement. Under 3D-processen användes de ovan nämnda strukturella begränsningarna i form av parametrar vilket lede till att strukturen kunde modelleras samtidigt som delarna säkerställdes vara rätt dimensionerade och anslutna. Användningen av parametriska verktyg möjliggjorde ett samverkande arbetssätt där arkitekt-, ingenjörs-, tillverknings- och installationsansvariga arbetade med samma 3D-modell. I den
3
parametriska världen finns det alltid mer än ett sätt att lösa problem på därför var innovationen viktigt för att skapa förenklingar i design och modelleringsprocessen samt för att göra projektet genomförbart. (Konstantinos , 2018)
Enligt Phillips (2019) är parameterstyrd design ett arbetssätt som har nyttjats inom konstruktion och arkitektur under lång tid. Allt från gamla pyramider till dagens moderna byggnadsverk har man konstruerat byggnader i förhållande till förändrade krafter, klimat, teknik samt användning. Ett parameterstyrt arbetssätt fanns långt innan datorer var skapade och tillämpades bland annat av Gaudí på flera katedraler i Barcelona. Dock så blev detta ett väldigt värdefullt verktyg i takt med datorns framfart som har gjort det möjligt för arkitekter och konstruktörer att utforma och konstruera innovativa byggnader utifrån mer krävande arkitektoniska och konstruktionsmässiga förutsättningar.
Den första arkitektbyrån som implementerade parameterstyrd design var Frank O. Gehry & Partners. Med hjälp av parameterstyrd design framställde arkitekterna Guggenheimmuseet i Bilbao (se Figur 2) som ännu idag uppmärksammas för sin originella arkitektur (Askew, 2012). Byggnaden är uppbyggd av en serie komponerade volymelement, inklädda i glas, kalksten och reflekterande titanplattor som ger hela byggnaden en mäktig strålglans under dagtid (Olsson, u.d.). Metoden visade sig vara framgångsrik och byggnaden stod färdig innan den utsatta tiden och med mindre budget än väntat (Askew, 2012). Idag är byggnaden ett populärt turistmål och har bidragit till en ekonomisk uppgång i staden (Ekdahl, 2018).
En annan byggnad känd för sin unika arkitektur är Pekings nationalstadion som även kallas för Fågelboet och byggdes till sommar OS 2008 (se Figur 3). Byggnaden ritades av schweiziska arkitekterna Herzog, de Meuron samt den kinesiska arkitekten Li Xinggang som använde parameterstyrd design för att skapa en estetiskt tilltalande, multifunktionell och hållbar struktur (Yeasmin, 2014). I detta projekt användes parameterstyrda modelleringsprogram för att kunna
4
utveckla en skålgeometri framtagen för friidrottsarrangemang men som även skulle fungera för fotbollsarrangemang efter de olympiska spelens slut. Genom att använda kraftfulla mjukvaror kunde arkitekterna snabbt ta fram stadions initiala form med definierade parametrar såsom geometriska begränsningar, begränsningar av byggmaterial samt miljökriterier. Under hela projektet producerade arkitektteamet 33 versioner av olika designer för att finjustera skålen (Designingbuildings, 2019). Geometrin av stålet manipulerades genom datorstödda verktyg så att man kunde producera oändliga möjligheter för att ta fram en skålgeometri utan att helt ändra strukturen. På detta sätt lyckades man styra och modifiera modellen efter arkitekternas behov (Yeasmin, 2014).
Figur 3: Nationalstadion i Beijing (Archdaily, 2016)
Med hjälp av modelleringsverktyget Rhinoceros och pluginprogrammet Grasshopper utvecklades geometrin i Shanghai Tower (se Figur 4). Användningen av parameterstyrd design gjordes av flera skäl. Metoden möjliggjorde att förhållandet mellan form av byggnaden och vindbelastning kunde bestämmas. Med tanke på byggnadens 7 000 unika former skulle fasaden ha varit en utmanande uppgift att ta fram med enbart traditionella designverktyg. Med programvaror för parameterstyrning kunde arkitekten Arhtur Gensler och resten av teamet istället skapa ett system som lyckades balanserar byggnadens konstruktion med prestanda, underhåll och design. (Archdaily, 2016)
En pionjär i användningen av parameterstyrd design är även Zaha Hadid Architects som i många av sina projekt använde parameterstyrd design (Socialecologies, 2016). En av byråns mest kända byggnader som utfördes med hjälp av dessa modelleringsverktyg är The Morpheus Hotel i Kina. Byggnaden har ett komplicerat fasadsystem som är uppbyggt av stålbalkar med en stållåda av aluminium runt om sig. Att få ihop byggnadens form och konstruktion var en
5
utmanande uppgift där det totalt uppgick till 3522 olika modeller i Rhinoceros samt 463 script i Grasshopper. (Lindström, 2017)
Figur 4: Shanghai Tower (Zhangjunming, u.å.)
1.1.3 Tidigare examensarbeten inom parametrisk modellering
Ett företag som varit i framkant med användning och utveckling av parametrisk modellering är WSP som är en förkortning av Williams Sale Partnership. Utvecklingen och användningen har skett på företagets Bro och Vattenbyggnad avdelning i samarbete med studenter som skrivit sina examensarbeten där man behandlar möjligheterna med automatiserad projektering av enklare brokonstruktioner. Arbetena har genomförts med Rhinoceros 3D och Grasshopper för att skapa skript, modeller och beräkningar. Med hjälp av dessa arbeten så har man kunnat identifiera och belysa de fördelar och utmaningar som finns med parametrisk modellering. Under avsnittet Metod redogörs vilka examensarbeten som har använts för detta arbetet och hur dessa har tillämpats.
6
1.2 Problemformulering
Då vägskyltsportaler sällan har samma parametrar i form av längd, bredd, vindlast samt dimension och placering så krävs det att man för varje enskilt projekt måste göra om alla beräkningssteg. Dessa beräkningar är ett tidskrävande rutinarbete med standardlösningar och bör därför effektiviseras för att göra en tidsbesparing och för att fokus ska kunna läggas på mer komplexa uppdrag. Konsultföretag som dessutom har en stor variation av uppdrag får det svårt att konkurrera mot specialistföretag som är duktiga inom ett visst område. Dessa specialistföretag ligger före i projekteringsfasen och kan komma med kostnadseffektivare lösningar. Eftersom konkurrensen är hård behövs det attraktiva och produktiva lösningar för att hålla nere projekteringskostnaderna. Med parameterstyrd design kan ett företag effektivisera sin projekteringsfas och på det sättet bli mer konkurrenskraftiga på marknaden. Möjligheten att kunna analysera hur olika lösningar svarar på de parametrar som är viktiga för ett specifikt projekt kommer att gå snabbare och bli effektivare. Dessutom kommer parameterstyrd design även att möjliggöra förändringar i senare skede utan att objekten behöver modelleras om vilket kommer att leda till ett mer kostnadseffektivt flöde. (Ahlquist, 2019)
1.3 Swecos ambitioner med vägskyltsportalsdimensionering
Att kunna automatisera mindre projekteringsarbeten och på det sättet uppnå en tidsbesparing har varit en ambition ifrån Swecos sida. Möjligheten att bygga upp en modell i Grasshopper som med modifieringar ska kunna generera en beräkningsrapport som är likvärdig en konstruktörs handberäkningar är vad man strävar mot. I den här kedjan av processer är första steget att ta fram en modell i Grasshopper som representerar en vägskyltsportal, denna modell ska visualisera de olika stängerna som ska ge stående pelare och en över ram av typen fackverk. Denna modell ska kunna styras och förändras i spännvidd, rördimension och antal segment som finns i konstruktionen.
Tanken är sedan att koppla på Karamba 3D som är en plugin till Grasshopper för att generera en beräkningsrapport utifrån lasterna som man placerar. För att kunna jämföra resultatet erhålls en färdig modell av en vägskyltsportal i programmet RFEM av Sweco. En första jämförelse görs mellan beräkningsrapporten som genereras i RFEM och beräkningsrapporten som erhålls från Karamba 3D. För att kunna jämföra resultaten erfordras det att man har identiska ingångsvärden gällande dimension och förekommande laster på konstruktionen. Som ett tredje steg och ytterligare kontroll utförs en handberäkning, på så sätt så ska man kunna se precisionen i Grasshoppermodellen och vilka avvikelser som förekommer (Ahlquist, 2019).
1.4 Nulägesbeskrivning
1.4.1 Sweco
Sweco är ett svenskt konsultföretag med specialisering inom sektorerna teknik, miljö och arkitektur (Dagens industri, 2019). Företaget ha ett brett utbud av tjänster inom arkitektur, byggkonstruktion, installation, infrastruktur, vatten & miljö, projektledning, energisystem, IT för samhällsutveckling och industri (Sweco, 2019). Sweco innehar verksamhet på global nivå med störst verksamhet inom Norden och Baltikum (Dagens industri, 2019). Med 15 000 medarbetare i Europa och en omsättning på ca 16.9 miljarder SEK är Sweco bland de ledande konsultföretagen inom teknik och arkitektur på den europeiska marknaden. Sweco har kontor på cirka 50 orter i Sverige med huvudkontoret i Stockholm (Sweco, 2019).
7 1.4.2 Parametrisk modellering på Sweco
Erfarenheterna gällande parametrisk modellering med Grasshopper är begränsade på Sweco. Anledningarna beror delvis på inlärningstiden som Grasshopper erfordrar, det blir svårt för konsulter att sätta sig in i ett program där man arbetar med visuell programmering och kodning om man inte har någon tidigare erfarenhet av detta. I dagsläget är det konstruktörer och framförallt arkitekter med eget intresse som utforskar möjligheterna med att tillämpa Grasshopper på konstruktioner som har komplexa geometrier. Parametrisk modellering kräver att konstruktioner som ska automatiseras har en eller flera repetitiva delar för att arbetet med automatisering ska vara lukrativt (Ahlquist, 2019).
På Sweco har man nyligen satt ihop en grupp konstruktörer som ska arbeta mer ingående med detta och tanken är då att man i framtiden ska kunna ta fram manualer och fortbildningar som kan nyttjas av alla konsulter på Sweco. Man kommer även att arbeta med att skapa olika skript som kommer att möjliggöra att man snabbt kan ta fram en modell som genererar olika lösningar med avseende på parametrar som bland annat materialvikt, hållfasthet, och stålkvalitet. Parametrisk modellering är något som Sweco värdesätter potentialen hos och där man ständigt följer utvecklingen med stort intresse (Ahlquist, 2019).
Ett av projekten som Sweco har tillämpat parametrisk modellering på är nationalmuseet i Stockholm. Museet som invigdes 1866 klarade inte längre dagens krav på säkerhet och behövde renoveras då kraven för att låna in konst men också för att bevara den egna ökat. Swecos hade även i uppdrag att utöka de publika ytorna med 2300 kvm och att installera ett nytt klimatsystem. I uppdraget ingick också en önskan om att förbättra akustiken i de två innergårdarna. Man löste detta genom att konstruera ett nytt glastak som hade en form som hjälper att ta itu ljudet och sprida det åt olika håll (se Figur 5). Detta moment utfördes med hjälp av parametrisk modellering då glastakets konstruktion hade en komplex utformning.
Figur 5: Placering av glastaket till nationalmuseet i Stockholm (Sweco, u.å.)
1.5 Syfte
Syftet med denna studie är att effektivisera projekteringsfasen av vägskyltsportaler genom att automatisera en modellframtagning i programmen Rhinoceros 3D och Grasshopper. Målet är
8
att programmera ett skript för modellering av en vägskyltsportal efter användarens angivna geometriska förutsättningar. Tanken är att detta ska underlätta för konsulter som effektivt ska kunna modellera och ta fram beräkningsraporter i projekteringsskedet. Vidare är förhoppningen att i framtiden kunna använda sig av det automatiserade skriptet i den utsträckning att tiden som besparas medför att man kan lämna anbud på fler uppdrag. Det ska även belysas och lyftas upp huvudsakliga fördelar och utmaningar med parameterstyrd design i dagsläget.
1.6 Frågeställningar
Frågeställningen som utgör ramen för denna studie är:
• Är det möjligt att ta fram ett skript i Grasshopper som genererar en vägskyltsportals modell i Rhinoceros 3D som ett första steg i en automatiserad projektering?
• Vilka fördelar och utmaningar medföljer med parameterstyrd design samt vilken potential finns inom parametrisk modellering på Sweco?
1.7 Avgränsning
Ett skript kommer att skapas genom visuell programmering i Rhinoceros 3D och dess plugin Grasshopper och kommer att behandla uppbyggnaden av en vägskyltsportal av fackverk. I modelleringen kommer fundamentet inte att tas hänsyn till.
Då modelleringen och framställningen av vägskyltsportalen är komplext kommer arbetet att avgränsa sig till att endast ta fram en färdig modell i Rhinoceros som kan användas för att integrera Karamba 3D och Tekla Structures.
Integreringen av Karamba 3D som skulle användas för att generera laster och sedermera en beräkningsrapport som skulle jämföras med en beräkningsrapport ifrån FEM programmet RFEM kommer inte att behandlas i detta arbete. Ytterligare delar som har uteslutits är integreringen mellan Grasshopper och Tekla Structures. Genom Tekla Live Link så kan användaren göra förändringar i Grasshoppermodellen som interagerar och visualiseras direkt i Tekla och där man sedan kan använda sig av Teklas möjligheter i form av olika stålrörskomponenter. Detta kommer inte heller att vara med i arbetet.
Författarna kommer dock att redogöra för samtliga delar i teoriavsnittet där det introduceras både programvaror som kommer att användas i modelleringen men även de programvaror som kan användas i vidare studier av detta arbete. Förhoppningen är att denna redogörelse ska ge läsarna en förståelse för hur Rhinoceros 3D och Grasshopper fungerar men också en teoretisk grund för hur den vidare studier i detta område kan se ut.
9
2 Teori
2.1 Vägskyltsportal
En vägskyltsportal är en konstruktion bestående av fundament, infästningar, stolpar, beslag och skyltprofiler (se Figur 6) (Trafikverket, 1994). Portalerna är tillverkade i fackverk av massiva rundstänger med kvalitetsstål enligt svensk standard med diameter från 20 till 40 mm (Ahlquist, 2019). Vägskyltsportaler ska bära tunga skyltar, trafikljus och kameror, dessutom ska de klara av både regn och kraftiga vindar. Därför krävs det konstruktioner som är noggrant dimensionerade för de laster som kommer att uppkomma. Med hjälp av fackverkssystem kan man åstadkomma den flexibla konstruktionen som är mycket stark i förhållande till sin tyngd och kan byggas i långa spann. Konstruktionen stöds av vertikala sektioner och kan även utrustas med komponenter som är nödvändiga för projektet (Scanmast, 2018). Tack vare den öppna konstruktionen med homogent material elimineras även den potentiella risken för korrosion från insidan och utåt som kan uppstå i konstruktioner av rör. Varje vägskyltsportal anpassas individuellt till den rådande kombinationen av vindlaster, dimensioneringskrav, portalgeometri som benhöjd och spännvidd samt markförhållanden (Saferoad, u.d.). Portalerna dimensioneras enligt gällande standarder och normer. Utifrån dimensionerna på stängerna i fackverket så finns det två typer av fundament i betong. Dessa har kvadratiska tvärsnitt på 380 respektive 450 mm (Ahlquist, 2019).
Figur 6: Vägskyltsportal i RFEM, tilldelad av Sweco
2.2 Fackverk
Ett fackverk är ett konstruktionssystem där en eller flera triangelformade enheter byggda av ett antal stänger förenas i ledade knutpunkter till en bärande konstruktion. Dessa triangelformade enheter kan antingen bilda ett fackverkssystem av två-eller tredimensionell struktur. Plana eller
10
tvådimensionella fackverk kan ta upp krafter i fackverkets plan medan rymdfackverk eller tredimensionella fackverk kan ta upp krafter i flera riktningar. Ett fackverk byggs upp av stänger vilka påverkas av normalkrafter, antingen drag- eller tryckkrafter (Dahlblom & Olsson, 2015). De yttre stängerna av ett fackverk kallas för ramstänger och består av en överarm och en underarm. Det finns även livstänger som kopplar ihop ramstängerna i fackverket (se Figur 7) (Hedström, 2017). Ett fackverkssystem fungerar på det sättet att det inre momentet upptas av ett kraftpar i flänsarna och att tvärkrafterna tas upp av livstängerna. Beroende på placeringen utsätts livstängerna för tryck- eller dragkrafter. Därför är det viktigt med en genomtänkt placering för stängerna så att de korta utsätts för tryckkraft och de längre för dragkraft. Längden har stor betydelse då lastkapaciteten för tryckta stänger måste reduceras på grund av risken för knäckning. I ett horisontellt fackverkssystem belastat med en yttre nedåtriktad last får man tryckkrafter i överarmen och dragkrafter i underarmen (Träguiden, 2017). Knutpunkter är de punkter där stängerna möts medan samtliga stänger där krafterna förefaller igenom kallas för systemlinjer (Hedström, 2017). Enligt Hedström (2017) sammanfaller systemlinjerna med tyngdpunkterna i stängerna som behöver vara förenliga med tvärsnittets tyngdpunkt för att på ett effektivt sätt överföra laster. Detta innebär att lasterna överförs ner till marken längs kortast möjliga väg samt att förflyttning av last i sidled undviks eller begränsas. Att lyckas med målet att samla samtliga tyngdpunktslinjer i samma punkt och plan blir svårt i praktiken, vilket gör att det bildas excentriska laster och i sin tur skapar moment.
2.3 Automatiserad projektering
2.3.1 Parameterstyrd design
Parameterstyrd design har funnits länge inom 3D-modellering och avser ett arbetssätt där man framställer ett objekts geometri baserat på parametrar som är knutna till objektets egenskaper. Ett konkret exempel skulle vara ett rätblock som styrs av parametrarna höjd, längd och bredd. Genom att justera parametrarna kan man framställa alla tänkbara rätblock. Detta arbetssätt med parametrar kan man tillämpa på mer komplexa geometrier i en konstruktion (Furenhed, 2018). Med en parametrisk metod använder man parametrar för att definiera en konstruktions funktioner och relationen mellan funktionerna. Om man ändrar en parameter till en funktion kommer konstruktionen att förändras. Enligt PDSvision som är en leverantör av IT-lösningar och tjänster är parameterstyrd design väldigt användbar för att skapa exakta, återanvändbara och tillförlitliga designmodeller. På detta sätt kan man låta konstruktören och arkitekten skapa mer komplexa objekt utan att användarvänligheten och arbetsbördan offras (Furenhed, 2018).
11 2.3.2 Plugins
BIM-programvaror såsom Autodesk Revit, Nemetschek Allplan, Bentley Microstation och Tekla Structures stöder parameterstyrd design och möjliggör skapandet av dynamiskt framställda BIM-objekt. Nackdelen med den inbyggda funktionaliteten gällande parametriska objekt är att det kan vara svårt att anpassa det parametriska objektet efter specifika behov som finns i ett projekt. Lösningen på problemet är olika pluginprogram som finns på marknaden. Användning av plugins eller insticksprogram utökar en programvaras grundfunktionalitet med hjälp av en programkod och på så sätt får man möjligheten att styra den parametriska modelleringen in i minsta detalj. Ett konkret exempel på en sådan detalj är att läsa in parametrarna som definierar hela eller delar av ett BIM-objekt från en extern datafil (Furenhed, 2018).
2.4 Programvaror och BIM
I detta avsnitt introduceras programvarorna som i huvudsak kommer att tillämpas under arbetet vilket är RFEM, Rhinoceros 3D, Tekla och Grasshopper. Det kommer även att redogörs för programvarorna som är relevanta för arbetet och som kommer att erfordras för att integrera modellen med en beräkningsrapport som beskriver vilka laster som konstruktionen utsätts för. Detta görs för att ge läsaren en möjlighet att se hela processen och även underlätta för eventuell vidare forskning inom området.
2.4.1 Building information model
Innan 3D-modellering gestaltade man objekt i en tvådimensionell plan som utgjorde ett koordinatsystem utan dimensionen djup eller höjd. En BIM-modell upprättas i 3D och möjliggör observationer från olika vinklar i förhållande till en 2D-modell. I 3D-modeller erhåller man ett objekt i rummet med samtliga vyer jämfört med en tvådimensionell modell där endast objektets formgivande förutsättningar kan utläsas (Autodesk, 2019).
2.4.2 Building information modelling
Under lång tid arbetade man med att ta fram ritningar ur ett 2D-perspektiv. Den traditionella framställningen av olika plan, fasad och sektionsritningar som inte hade någon koppling med varandra förrän det var dags att bygga objektet har idag ersatts med intelligent objekt och komponenthantering (Autodesk, 2019). I dagens 3D-modeller hanteras förändringar i projekt på ett sådant sätt att om en förändring skulle uppstå så kommer detta ge utslag i resterande delar som har en relation med den förändrade delen. I projekt där många aktörer är involverade underlättar en 3D-modell både informationsdelningen till projektdeltagarna som kan revidera men också att förkorta tiden mellan fråga och svar som effektiviserar samarbetet mellan aktörerna i projektet (Autodesk, 2019).
2.4.3 Tekla
Tekla grundades år 1966 och är ett mjukvaruföretag som är specialiserade på 3D-modellering. Tekla som blev en del av Trimble Group 2011 startades av en grupp ingenjörsföretag i Finland. Företaget som då hette Teknillinen Laskenta Oy som betyder teknisk databehandling förkortade sedan namnet till Tekla år 1980. Företaget har trots uppköpet av Trimble som är baserade i California, fortfarande sitt huvudkontor i Helsingfors (Tekla, 2019).
12 2.4.4 Tekla Structures
Tekla Structures är ett BIM program som kan modellera objekt som inkorporerar olika sorters byggmaterial som stål, betong, trä och glas. Tekla möjliggör det för konstruktörer och projektörer att skapa konstruktioner och tillhörande komponenter med hjälp av 3D-modellering. Utöver det så kan man även generera 2D-ritningar och erhålla information om objektet (Trimble, 2019). Tekla Structures används inom byggindustrin för framförallt stål och betongkonstruktioner, här kan man hantera både Prefab och platsgjutna betongelement. Programmet möjliggör skapande och hantering av 3D objekt i olika material och miljöer. Modeller tillhandahåller information som sedan kan användas vid projektets utformning, produktion och byggledning. Tekla Structures som har över 30 olika geografiska miljöer att välja mellan har ett användargränssnitt som stödjer 14 olika språk, detta skapar en stor utbredning i användningen av programmet över hela världen (Trimble, 2019).
2.4.5 Tekla Structures och andra programvaror
För att möjliggöra för fler aktörer att samverka och kommunicera under ett projekt har Tekla gjort att programmet kan användas med externa programvaror. Tekla Open API TM som står för Application Programming Interface hanterar tredjepartsapplikationer till Tekla Structures. Detta skapar förutsättningar för att automatisera och modellera i 3D. Tekla Open APITM tillåter hantering av olika filformat som IFC, CIS/2 och SDNF och även samkörning av olika system. Genom länkade funktioner har andra BIMprogram möjlighet till interoperabilitet med Tekla Structures, detta innebär att Tekla och de andra BIMprogrammen har förmågan att kommunicera och ansluta sig till varandra. (Tekla, 2019)
Open BIM som är ett universellt förhållningssätt till samverkande design, förverkligande och drift av byggnader bygger på öppna standarder och arbetsflöden. Detta handlar om arbetsflödeskompabilitet och skapar en projektmiljö som involverar projektdeltagarna. Genom att deltagarna kan arbeta smidigt tillsammans oberoende av vilket verktyg de använder så ger detta förutsättningar för projektdeltagarna att vara välinformerade och uppdaterade om hur projektet ligger till (se Figur 8). Detta underlättar förståelsen och förverkligandet av designprocessen (Tekla, 2019).
13 2.4.6 Rhinoceros 3D
Rhinoceros 3D eller Rhino 3D som programmet också kallas är baserat på NURBS matematiska modell som genererar fria ytor och precisa kurvor. NURBS står för Non Uniform Rational Basis Spine och är utformade ytor och kurvor som ger banor och övergångar som är mjuka mellan fasta punkter (Rhinoceros, 2019). Programmet används av ingenjörer och arkitekter för skapande av tekniska ritningar, 3D-tryckning och tillverkning. Rhino möjliggör även skapande av ytor och fasta objekt som kan modifiera, rendera, analysera och översätta NURBS kurvor. Rhinoceros 3D har blivit användbart tack vare dess funktioner och gränssnitt. En illustration av gränssnittet ges nedan (se Figur 9) (Rhinoceros, 2019).
Figur 9: Illustration av Rhinoceros gränssnitt
Möjligheten finns även att integrera filer med andra format som exempelvis DWG då programmet är ett CAD-applikationsprogram. Tillverkarna för Rhino har utvecklat ett visuellt programmeringstillägg som heter Grasshoppers och fungerar som en plug-in (Rhinoceros, 2019).
2.4.7 Grasshopper
Grasshopper är ett verktyg som är inbyggt i Rhinoceros 3D som ett tillägg i programvaran. Programmet har ett visuellt programmeringsspråk och används för att skapa relationer som är parameterstyrda och generativa processer som visas i Rhinoceros. I Grasshopper så är det inte enbart visuell programmering då möjligheten att manuellt mata in programkoder finns. Den information som koderna har styr då alla funktioner i modellen i Rhinoceros (Grasshopper, 2019). Själva programmet utgörs av komponenter som består av input och outputdata, kopplingarna sker via trådar där varje tråd endast kan koppla en input och en output. Visningsmenyn består av beskrivande objekt som innehåller definierade komponenter (Grasshopper, 2019).
14 2.4.8 Karamba 3D
Karamba 3D som utvecklats av Clemens Presinger i samarbete med Bollinger-Grohman-Schneider ZT GmbH är ett tilläggsprogram till Grasshopper. Programmet definierar material, element, stöd, laster och tvärsnitt via olika moduler i Karamba. Karamba skiljer sig ifrån andra FEM-program på så sätt att det använder sig av parameterstyrd, visuell programmering som i Grasshopper. Detta möjliggör en tidsbesparing eftersom förändringar inte kräver en omdefiniering av FEM-analysen då detta sker automatiskt (Karamba 3d, 2019).
2.4.9 RFEM
RFEM står för Random Finite Element Method och är ett 3D analys- och modelleringsprogram som ända sedan 1987 har utvecklats av Dlubal software. Programmet kan användas för analyser av konstruktioner och modeller i bland annat stål, betong, trä och glas. RFEM möjliggör flera gränssnitt för informationsutbyte inom BIM processen. Relevant data hanteras digitalt i modellen som sedan används under hela projekteringen. Förutom direkta gränssnitt till AutoCAD, Revit Structures och Tekla Structures finns det även gränssnitt för IFC klasser, IFC står för Industry Foundation Classes och är ett neutralt och öppet filformat som gör det möjligt att byta information mellan CAD-program och andra mjukvaror (Dlubal, 2019).
2.4.10 Integrering mellan Tekla och Grasshopper
Tekla Live Link är ett tilläggsprogram till Grasshopper som är utvecklat av Trimble och skapar en direktkontakt mellan Grasshopper och Tekla. Länken möjliggör modellering i Tekla Structures genom användning av Rhino/Grasshopper. Länken är en mängd komponenter som skapar och samspelar med objekt direkt i Tekla Structures (se Figur 10). Enligt Trimble blir Tekla Live Link användbart men är fortfarande i en BETA version vilket innebär att den inte är färdig ännu (Trimble, 2019).
15
3 Metod
Metoden i denna rapport består av två delar, en teoretisk del och en praktisk del. Den teoretiska delen omfattar en redovisning om hur inlärningsprocess samt faktainsamlingen har gått till medan den praktiska delen ger läsaren en inblick i hur programmeringen av modellen har gått tillväga.
3.1 Teoretiskt avsnitt
För att kunna skapa en djupare förståelse för vägskyltsportaler och deras uppbyggnad påbörjades arbetet med en litteraturstudie om vägskyltsportalers konstruktion samt en litteraturstudie i mekanik som behandlade fackverkssystem. Vägskyltsportaler som består av stänger är uppbyggda i ett fackverkssystem, detta fordrade att uppbyggnaden av fackverk studerades och framförallt hur detta tillämpades för vägskyltsportaler. En sammanställning av litteraturen gjordes där relevant material valdes ut. Introduktion till Strukturmekaniken av Susane Heyden med flera samt Strukturmekanik: modellering och analys av ramar och fackverk av Ola Dahlbom och Karl-Gunnar Olsson är två av böckerna som var till stor hjälp och som användes under arbetet. Vidare har det även använts tidigare examensarbeten inom parameterstyrd design. Eftersom dessa arbeten var väldigt lika vårt när det kom till nivå, omfattning och vilket ämnesfält så kändes det väldigt nyttigt att läsa igenom dem för att erhålla en viss erfarenhetsåterföring. Detta gav oss även en uppfattning om alternativa metoder och tillvägagångssätt samt vilka vanliga problem som man kan stöta på. Examensarbeten som
Automatiserad projektering av Markus Lythell och Wesam T. S. Jarjes (Lythell & Jarjes, 2018), Automatiserad projektering av gång-och cykelbro av Nils Fintling och Johan Ling (Fintling &
Ling, 2018) samt Parameterstyrd projektering av broar av Mohamad Samir Abed och Azita Hosseinzade (Abed & Hosseinzade, 2017) har varit av stor betydelse för att erhålla en djupare förståelse i ämnet. För att belysa ämnet, parameterstyd design, utifrån ett mer vetenskapligt perspektiv användes forskningsrapporter.
Efter att ha studerat parametrisk modellering så utfördes en intervju med Jesper Ahlqvist, vår externa handledare på Sweco. Frågorna som ställdes berörde användningen och tillämpningen av parametrisk modellering och hur detta intensifierats de senaste åren. Det togs även del av en intervju med Robert Granstam och Alexander Stark som genomfördes av Julia Berglund som gav en bättre förståelse för användningen samt fördelar och utmaningarna med parametrisk modellering. Handledare på Sweco bistod även med material i form av tidigare dimensioneringar av en vägskyltsportal samt ett Excel dokument med beräkningar av olika laster för en specifik vägskyltsportal. Dessutom har anställda på företaget varit en viktig informationskälla för att förstå principen kring vägskyltsportalers uppbyggnad och har bidragit med givande tips under arbetets gång.
Komplexiteten bakom visuell programmering och de parameterstyrda relationerna som skapas krävde också förkunskaper. För att förstå logiken bakom visuell programmering och de parametriska relationerna har fortsatta litteraturstudier inom visuell programmering varit viktiga. Detta gav en bättre uppfattning och en klarare bild över vilka begränsningar och möjligheter det finns med parameterstyrning. Information och inlärning om programvarorna Grasshopper och Rhinoceros har dels hämtats ifrån färdiga manualer dels instruktionsfilmer på
16
internet med YouTube som främsta källa. Enklare exempel i form av videolektioner på Youtube studerades för att få en ökad förståelse kring hur programmen fungerade. Mest givande för inlärningen av programmen och arbetets genomförande var lektioner på YouTube av Nick Senske, Brian Olttroge samt Wissam Wahbeh som i ett antal serier behandlade och förklarade parameterstyrd design av fackverk i olika typer av konstruktioner. Genom att studera dessa videolektioner och använda manualer kombinerat med programvaran växte även idéer om olika lösningar fram till problem som fanns. Under arbetets gång har flera delar av programmeringen omarbetats ett antal gånger för att kunna skapa ett smartare och smidigare skript som underlättar slutanvändandet i så stor utsträckning som möjligt. Det användes även användarforum för Grasshopper för att hitta lösningar på eventuella problem som uppkom.
Under arbetes gång har även återkommande samtal förts med både extern handledare på företaget och handledaren på skolan för avstämningar med avsikten att ge alla parter en inblick till framstegen samt utmaningarna i projektet. Vidare har det genom diskussioner med medarbetare på Sweco kunnat identifieras en rad parametrar som sedan beaktats i modelleringen och som används i standardiseringssammanhang.
3.2 Genomförande
Förarbetet redogör det praktiska arbetet och övningen som har utförts för att kunna förstå och bemästra modelleringen. De olika övningarna som utfördes gick igenom de grundläggande funktionerna i Grasshopper och hur detta illustrerar sig i Rhinoceros. Grasshopper som handlar om visuell programmering kan hanteras på olika sätt där man både kan utgå ifrån punkter och bygga upp en konstruktion eller arbeta med Curves för att skapa olika figurer som kan användas och som sedan kan tillämpas på olika former som ritas i Rhinoceros.
Under framställningen av skriptet har olika upplägg och funktioner testats för att erhålla ett tillfredställande resultat i de olika delmomenten. Det har dock visats sig att i vissa fall så har en lösning på ett problem försvårat en vidareutveckling av skriptet. Detta har lett till att man vid flertal tillfällen tvingats koda om för att kunna fortsätta med arbetet.
Då arbetet utfördes i samarbete med Sweco där vi också tillhandahållit material och redskap i form av beräkningsrapporter och färdiga modeller för att kunna utföra denna modellering så har vi efter samtal med handledare kommit fram till att redogöra för och publicera hela skriptet i rapporten. Förhoppningen är att arbetet ska ligga till grund för fortsatta studier där man inte ska behöva göra om allt förarbete igen utan fortsätta där vi slutar.
3.2.1 Förarbete
Förarbete började med inlärning av att arbeta med punkter och utifrån dessa skapa linjer och figurer. Funktionen Point i Grasshopper gör så att man kan sätta en eller flera punkter som visas i Rhinoceros, dessa kan göras fritt eller utifrån koordinater som man själv väljer. För att förflytta punkter så anropas Move som möjliggör förflyttning av punkter och linjer, denna funktion söker en riktning i motion (se Figur 11–12) som med hjälp av vektorkommandot kan ange vilken riktning man vill förflytta sig. För att bilda en linje mellan ursprungspunkten och den förflyttade punkten anropas Line funktionen.
17
Avståndet mellan punkterna kan kontrolleras med hjälp av funktionen Number slider. Denna innefattar ett sifferomfång som man själv ställer in och som möjliggör en förflyttning inom dessa med önskat angivet intervall.
Figur 11–12: Övning i Rhinoceros med tillhörande koder i Grasshopper
Ett annat sätt att arbeta på är med Curves som innebär att man utgår ifrån olika symmetriska figurer och modifierar dessa för att ta fram en önskad konstruktion. I detta fall anropas cirkelkommande som med hjälp av Move och Scale kan förflyttas i vald riktning, Scale skapar en avbildning i centrum av cirkeln som har ett skal förhållande till ursprungscirkeln. För att knyta samman cirkeln och dess förflyttade avbildningar så anropar man Loft som skapar en
Surface mellan flera Curves (se Figur 13–15).
Figur 13–14: Övning med former i Rhinoceros
Figur 13–15: Tillhörande koder i Grasshopper för övning med former
18 3.2.2 Modellering
Skriptet skulle utgå ifrån en ritad ram i Rhino (se Figur 16) och det började med att en uppdelning av ramen gjordes för att kunna hantera mindre segment. Dessa segment hanterades med hjälp av funktionen List item som tolkar element med fria former och figurer. Med hjälp av Expression verktyget så kan skriptet utvärdera ett uttryck för exempelvis önskad förflyttning eller fästpunkter. Efter användningen av Expression för de stående pelarna och över ramen kunde man sätta ihop ramen med hjälp av kommandot Merge.
Figur 16: Ritad ram i Rhinoceros
I nästa skede visualiserades stålramens olika segment med vald form. I detta fall handlade det om rektanglar som anropades med hjälp av kommandot Rectangle. För att kunna identifiera dessa rektanglar används funktionen Perp frames. Denna genererade ett antal vertikala rymder som är rektangelformade (se Figur 17).
19
Figur 17: Utformade rektangelelement i ramverk
Explode som är en funktion som delar upp ett objekt till mindre sektioner tillämpades för att
definiera hörnpunkter i ramverkets olika segment (se Figur 18). Nu handlade det om att koppla rätt punkter i ramverket för att erhålla korrekt placering för de diagonala stängerna. Med hjälp av funktionen Cull pattern som styrs av en panel med information kan ett system implementeras där man talar om för skriptet vilka hörn som ska markeras. Detta utfördes med hjälp av koordinater.
20
Punkterna hade nu identifierats och även vilka hörn som skriptet skulle dra linjer mellan. För att dra dessa linjer användes funktionen Poly line. Eftersom det både fanns snedstänger som skulle dras mellan noderna och genomgående stänger som skulle gå längs med ramen erfordrades då två Poly lines ikoner för de olika linjerna (se Figur 19–20).
Figur 19–20: Bindande noderna för snedstänger och de genomgående stängerna
Låter man skriptet jobba så kommer dessa Poly lines tillsammans utgöra nedanstående figur (se Figur 21). Anledningen till att färgen skiljer sig i konstruktionen är för att fram tills nu har det isolerats olika steg i modelleringsprocessen för att kunna ge en visuell bild över framstegen.
21
För att illustrera hur konstruktionen skulle se ut med rör istället för linjer så anropades funktionen Pipe som med hjälp av en Number slider kunde hantera rörtjockleken. Dessa rör kopplades endast på för att ge en bild av hur en färdig konstruktion skulle se ut (se Figur 22). I ett nästa steg var tanken att utifrån lastvärden som erhålls ur pluginprogrammet Karamba 3D erhålla specifika rörtyper och dimensioner för konstruktionen.
22
4 Resultat
Resultatet av arbetet kommer att presenteras i form av en färdig modell med det tillhörande skriptet. Det kommer även redogöras för en del av de fördelar och utmaningar som kan tillkomma med parameterstyrd design. Under metodavsnittet gjordes en översiktlig förklaring över vilka kommandon som användes och vilken funktion dessa hade för att ge läsarna möjligheten att kunna följa dessa steg.
4.1 Modell och Skript
Studien visar att det går att ta fram ett skript för en parameterstyrd vägskyltsportal genom att integrera en kurva i Rhinoceros 3D med script i Grasshopper. Nedanför presenteras den färdiga modellen av vägskyltsportalen i Rhinoceros med tillhörande skript som har gjorts i Grasshopper (se Figur 23–25).
23
Figur 24: Färdigt skript av vägskyltsportal i Grasshopper (del 1)
Figur 25: Färdigt skript av vägskyltsportal i Grasshopper (del 2)
4.2 Fördelar och utmaningar
De huvudsakliga fördelarna med parameterstyrd design är att man kan snabbt och effektivt framställa och utvärdera ett stort antal lösningar genom att ändra värdena på de ingående parametrarna som är bestämda i ett projekt. Man kan även generera flera olika förslag och jämföra dessa med varandra utifrån de ställda kraven som väljs i projekt (Ahlquist, 2019). Exempelvis kan en byggnads fasad stödjas av en konstruktionsram. Om fasaden skulle öka i storlek eller form kan Grasshopper användas för att säkerställa att även ramens konstruktionselement ökar i storlek och form proportionerligt fasaden. Skript som dessa sparar arkitektens och konstruktörens arbetsinsats och leder till att manuella ändringar utesluts samtidigt som projektets effektivitet ökar. Dessutom ger arbetssättet stora utrymmen och möjligheter för både arkitekter och konsturkörer i projekt att göra mycket komplicerade former samt utnyttja ytorna på ett optimalt sätt (Berglund, 2018). Genom att använda parameterstyrd
24
design blir det möjligt att testa och snabbt få svar på frågor som förmodligen skulle ha missats eller inte hunnits med (Ahlquist, 2019).
Parameterstyrd design möjliggör även snabba och utförliga analyser för att beskriva en plats möjligheter och förutsättningar. Allt som är mätbart kan analyseras vilket skapar obegränsade möjligheter för arkitekter och konstruktörer. Arbetssättet kan med en stor fördel användas i både större och mindre projekt samt i olika skeden i projekt. Det finns även stora fördelar och möjligheter med parameterstyrd design för alla discipliner i byggsektorn och arbetssättet går även att tillämpa i andra branscher (Berglund, 2018). Den mest fascinerande egenskapen hos parameterstyrd design är att det är en teknik som kan användas inom vilket designområde som helst. Parametrisk modellering används även i strukturell analys för att bearbeta komplexa geometriska regler, såsom att bestämma panelutformningen av krökformade kroppar och skapa regler för tillverkning. Byggnader av parametrisk karaktär är redan brett utspridda över hela världen och det har även kommit förslag för parametriska städer (Designingbuildings, 2019). Användning av parameterstyrd design gynnar även byggbranschen utifrån ett hållbarhetsperspektiv. Man kan optimera utformningen som tar hänsyn till omkringliggande byggnader men även klimatet vilket skapar en hållbar arkitektur (Smartbuilt, 2018). Genom att effektivt analysera en plats kan man optimera användningen av dess möjligheter och förutsättningar för att underlätta för ett hållbart byggande. Exempelvis kan parametriska analyser visa hur förnyelsebara energikällor som sol och vind kan integreras i utformningen av en konstruktion och hur effekten av dessa kan optimeras. Dessutom kan man genom optimeringar av strukturer se till att mängden material minimeras. Automatisering av repetitiva och monotona uppgifter leder till att mer tid kan läggas på andra delar i projekteringsfasen (Berglund, 2018).
En av de mest uppenbara fördelarna med parameterstyd design är kostnadsbesparingar. Parameterstyd design kan leda till att företag sparar tid och pengar genom förmågan att automatisera förändringar i en byggnadsmodell. Att använda sig av parameterstyrd design som arbetssätt i sina projekt har visat sig vara den tekniska utvecklingen som genererat mest kostnadsbesparingar (Lythell & Jarjes, 2018). Parameterstyrd design möjliggör även förändringar i senare skede utan att ett objekt behöver modelleras om vilket bidrar till ett mer kostnadseffektivt flöde. Stora möjligheter med parameterstyd design finns även inom stadsbyggnaden, speciellt inom detaljplanering och bygglov där man får möjlighet att skapa bättre beslutsunderlag med bättre och säkrare grunddata (Smartbuilt, 2018). Man kan effektivisera allt från en liten detalj till att optimera och utforma stadsplaner. Arbetssättet effektiviserar även byggnadsprocesser vilket sänker processkostnader (Berglund, 2018).
Parameterstyrd design har tillämpats med framgångar i flera studier. I de tidigare examensarbeten har man lyckats med hjälp av arbetssättet automatisera flera processer i projekteringsfasen. I studien av Ltyhell & Jarjes (2018) Automatiserad projektering har man lyckats ta fram ett skript som efter inmatningen av parametrar genererar fram en färdigarmerad stödmursmodell med tillhörande beräkningsrapport. Studien av Fintling & Ling (2018)
Automatiserad projektering av gång-och cykelbro har visat att det är fullt möjligt att
programmera ett skript som genererar en bromodell i programmet Tekla med medföljande beräkningsrapport. Även studien av Hosseinzade & Abed (2017) Parameterstyrd projektering
av broar visar att ett skript skapad i Grasshopper genererar fram parametriskbaserade
bromodeller i Tekla. Detta arbetssätt har visat sig vara lämpligt att tillämpa både i betong-och stålkonstruktioner och kan med stora fördelar användas av företag för eventuell tidsbesparing.
25
Som de stora utmaningarna med parameterstyrd design lyfts de tekniska delarna upp såsom överbryggning mellan olika programvaror samt samarbete mellan olika discipliner på företag. I alla programmeringsspråk finns det olika sätt att skriva en kod vilket också gäller i visuell programmering och leder till att det kan vara svårt att hitta standardiserade lösningar. Det är även viktigt att påpeka att parametriska modeller tar mer tid att hantera när oväntade designkomplikationer uppstår jämfört med traditionell modellering eftersom man behöver studera skriptet och lokalisera problemet i relationerna mellan funktionerna (Berglund, 2018). En annan utmaning är att ändra byggbranschens inställning och förståelse för möjligheterna med parametriska verktyg samt övergången från timarvode till ett värdebaserat fast pris. Med detta arbetssätt skapar man ett mervärde för kunden och därför fungerar inte det traditionella timarvodet utan här måste man som konsult titta på en värdebaserad fast kostnad. Det gäller även att få kunder och beställare att förstå och inse möjligheterna med parameterstyrd design. Arbetssättet kan kräva en större tidsåtgång i ett tidigt skede men den leder till att man senare i processen sparar den tid som skulle ha lagts vid eventuella förändringar, dessutom får man även en större flexibilitet i sina projekt (Berglund, 2018).
I examensarbetet Automatiserad projektering av Lythell & Jarjes (2018) framförs även andra utmaningar med parameterstyrd design. En av utmaningarna är hur nyexaminerade kommer att erhålla projekterings- och beräkningserfarenhet. I början arbetar nyexaminerade vanligtvis med enklare beräkningar och projekteringar av mindre komplexa standardkonstruktioner. Risken finns att med detta arbetssätt effektivisera bort dessa typer av arbetsuppgifter och därför bör upplärningsmetodiken anpassas därefter. Det gäller även att konstruktörer behåller ett kritiskt tänkande och de stränga granskningsprocesserna som finns i dagsläget eftersom det fortfarande är konstruktören som bär ansvaret för att konstruktionen är dimensionerad och projekterat enligt alla lagkrav. Eftersom tekniken utvecklas konstant och mjukvaror uppdateras kontinuerligt blir företag i behov av personal som kan underhålla och uppdatera dessa modeller och skript i takt med utvecklingen, annars finns risk att koderna inte kommer att fungera på ett korrekt sätt.
4.3 Framtidsvision och potential inom parametrisk modellering på
Sweco
I en intervju med Robert Granstam och Alexander Stark, två arkitekter från Sweco, kommer det fram vilken potential som finns med parameterstyrd design inom Swecos marknadssegment såsom bygg och fastighet, energi och industri samt infrastruktur. Enligt Robert och Alexander kan lönsamheten ökas betydligt med parametriska verktyg och det finns tydliga bevis om man jämför tidigare projekt med dagens parameterstyrda. Dessutom kan företaget genom en snabb framställning av flera olika lösningar på ett designproblem ta fram, analysera och utvärdera olika aspekter, vilket sparar tid i jämförelse mot att modellera varje lösning individuellt och sedan utvärdera dessa med traditionella CAD-verktyg. Med hjälp av parametriskt verktyg blir det möjligt för Sweco att i framtida projekt ha flera parametrar som har inverkan på designen än vad som vanligtvis är möjligt och på detta sätt hitta den bästa möjliga utformningen av en byggnad utifrån de styrande parametrar samt hitta lösningar som inte annars skulle kunna gå att uppmärksamma. Vidare framkommer det i intervjun att parameterstyrd design ger tydliga indikationer på hur en specifik utformning ändrar och anpassar sig under olika omständigheter vilket leder till att olika lösningar kan utvärderas utifrån de fördefinierade parametrarna i projektet. Detta arbetssätt skulle ge Sweco möjligheten att redan tidigt i designprocessen upptäcka om projektteamet valt rätt riktning. Eventuella brister som upptäcks tidigt i projektet
26
möjliggör förändringar som är enklare att åtgärda och ökar kostnadseffektiviteten (Granstam & Stark, 2018).
5 Analys
Genom att integrera en kurva i Rhinoceros 3D med script i Grasshopper får man fram en vägskyltsportal utifrån beställarens önskade geometri och mått. Det har även konstaterats att det finns fördelar med parameterstyrd design men att det även finns utmaningar som bör beaktas. Förutom de uppenbarliga kostnadsbesparingarna så skapar man även effektivitet och förbättrar noggrannheten med parameterstyrd design. Det blir även möjligt att skapa genvägar till andra projekt vilket kan leda till tidsbesparingar. Möjligheten att återanvända gamla skript gör att man slipper göra om samma arbete utan anpassar endast de gamla skripten efter nya förutsättningar (Berglund, 2018).Snabba analyser och visualisering vid eventuella förändringar i projekt är något som uppskattas av arkitekter och konstruktörer och minskar deras arbetsbörda. Metoden ger även stora utrymmen och möjligheter för både arkitekter och konsturkörer i projekt att göra mer komplicerade former samt utnyttja ytor på ett optimalt sätt. I intervjun med Robert Granstam och Alexander Stark, arkitekterna på Sweco, framgår att parameterstyrd design är en viktig del av den hållbara stadsplaneringen och att parametriska analyser kan man visa hur förnyelsebara energikällor som till exempel sol och vind kan integreras i en konstruktion.
Studien har även visat att parameterstyrd design är en viktig del av den hållbara stadsplaneringen och att parametriska analyser kan visa hur förnyelsebara energikällor som till exempel sol och vind kan integreras i en konstruktion. Implementering av parameterstyd design skapar ett mer hållbart samhälle där byggnaders och städers utformning är optimerade för platsens förutsättningar. Arbetssättet effektiviserar även byggnadsprocessen som leder till sänkta processkostnader vilket skonar miljön utifrån materialspill (Aksamija, 2018).
Med en ny teknik och metod kommer även utmaningar som bör beaktas. Under diskussion med vår handledare Jesper Ahlquist kom det fram att den största utmaningen med arbetssättet är byggbranschens inställning. Parameterstyrd design skapar mervärde till kunder och därför ska det beaktas på ett speciellt sätt. En viktig del i detta blir anpassningen av ersättningen från det traditionella arvodet till ett mer värdebaserad fast pris. Det kvarstår även tekniska utmaningar som överbryggningen mellan olika programvaror samt samarbete mellan olika discipliner i organisationer. Företag ska även hålla sina skript och modeller uppdaterade hela tiden eftersom både tekniken och mjukvarorna utvecklas och uppdateras kontinuerligt.
6 Diskussion
Att automatisera en process eller en del av processen är något som alla företag mer eller mindre strävar efter. I takt med dagens utveckling har många branscher automatiserat flera av sina processer för att minska tidsåtgången samt kostnaderna och byggbranschen är inget undantag. Som en del av automatisering har man i byggbranschen börjat använda sig av parameterstyrd design i sina projekt vilket är ett viktigt steg i utvecklingen av projekteringsfasen. En sådan utveckling av projekteringsfasen kan leda till att företag generar mer vinst och göra de mer konkurrenskraftiga på marknaden.
27
Parameterstyrd design är ett arbetssätt som har funnits länge inom modelleringen och målet är att man genererar en konstruktions geometri baserat på ingående parametrar som är kopplade till konstruktionen. Tanken med parameterstyrd design är att ta fram modeller med skript där förändringar av modellen kan hanteras snabbt och smidigt. På detta sätta kan man snabbt analysera och utvärdera nya lösningar utifrån aktuella förutsättningar. I repetitiva och monotona standarduppdrag såsom framställning av vägskyltsportaler är denna metod ytterst lämplig. Tidsbesparingen som Sweco åstadkommer med parameterstyrd design kommer att istället läggas på andra uppdrag och man kommer till och med kunna erbjuda bättre offerter till sina kunder som eventuellt leder till en större marknadsandel för Sweco gällande vägskyltsportaler. Vidare utveckling av detta arbetssätt kan ske i ett flertal olika riktningar. En av möjligheterna är att Sweco skapar liknande arbetsprocesser för andra förekommande standardkonstruktioner som skulle leda till en generellt ökad konkurrenskraftighet och lönsamhet.
Under projektets genomförande har det stötts på olika sorters problem. Vissa problem har varit relativt enkla att lösa medan andra har varit mer komplexa. Problem som det har stötts på gäller främst de tekniska bitarna vid framställningen av skriptet. Vid sådana problemlösningar är det viktigt att prova olika möjligheter och förslag för att komma till rätt resultat. En stor del av tiden under studien gick åt att förstå funktionerna i Grasshopper och Rhinoceros för att därefter kunna tillämpa dessa funktioner på ett korrekt och effektivt sätt. Att bygga ett fackverk i 2D gick relativt enkelt däremot så var övergången från en 2D-modell till en 3D- modell betydligt mer krävande. Processen att få en konstruktion i 3D fackverkssystem med två stolpar och en överbyggnad som samspelar med varandra utifrån angivna mått var en utmaning, speciellt eftersom man skulle koppla ihop snedstängerna med varandra. Vidare gällde det även att resultatet blir så enkelt som möjligt. I detta fall skulle skriptet vara lätthanterlig för användaren och då var det viktigt att utvärdera alla möjligheter samt plocka bort vissa onödiga steg. Det är viktigt att påpeka att själva skriptet bara är vårt sätt att lösa problemet och att det högst troligen även finns andra lösningar som kan vara mer lättnahanterliga för användaren.
I projekt där man saknar nödvändiga förkunskaper för att lösa problem är det väldigt viktig att ta hänsyn till inlärningsprocessen. Inlärningsprocessen blir avgörande för hur mycket och hur snabbt ett arbete kommer att utföras. Programmet Grasshopper och parameterstyrd design kräver en inlärningsprocess som baseras på metoden ”trial and error”. Det vill säga att man provar sig fram till en lösning och på vägen dit eliminerar man felaktiga och ineffektiva funktioner. Ingenjörer med programmeringsbakgrund har enklare att sätta sig in i detta arbetssätt än vanliga ingenjörer. Flera av konstruktörerna som jobbar med Grasshopper idag har en programmeringsbakgrund och det är därför lite svårt att uppskatta inlärningstiden. På grund av denna aspekt så var det orealistisk att man skulle klara av att utföra alla steg i en automatiserad projekteringsprocess, trots att dessa ambitioner fanns från början. En kurs i visuell programmering med fokus på Rhinoceros och Grasshopper hade naturligtvis varit till stor nytta då man enklare hade kunnat orientera sin inlärningsprocess och sparat tid på att hitta givande och värdefulla övningsklipp på nätet. Detta hade förmodligen förkortat inlärningsperioden avsevärt och eventuellt lett till att man kanske hade hunnit komma ett steg längre i den automatiserade processen.
Studerar man liknade rapporter med automatiserad projektering av en konstruktion ser man att det är möjligt att framställa ett skript av en modell och integrera detta med ett FEM beräkningsprogram och Tekla Structures. Det som avviker i förarbetet mellan de olika rapporterna är vilken utbildning som ges av handläggande företag. Vissa författare får en förutbildning i programvarorna som utgår ifrån manualer och videoklipp som tagits fram av
