10 - 2000

ArchiCAD — Structure CAD (SCAD)

Переход от архитектурного решения к расчетной схеме

Е. Зеливянский, В. Карпиловский, Э. Криксунов

Изополя перемещений

Работа с укрупненной моделью в препроцессоре SCAD

Перспективы развития

 

Создание расчетной схемы для прочностного анализа несущих конструкций зданий и сооружений — задача достаточно сложная. Поэтому так актуальна автоматизация перехода от архитектурного решения здания к расчетной модели. Использование в архитектурном проектировании специализированных программных систем позволяет задействовать при построении расчетных схем уже имеющиеся архитектурные модели объекта: организуется доступ к архитектурной информации, на основе которой автоматически строится расчетная схема.

Одним из самых популярных инструментов для архитектурного проектирования стала разработанная фирмой Graphisoft система ArchiCAD. Внутреннее представление данных содержит достаточно информации для построения расчетной модели, а наличие специальных инструментальных средств доступа к этим данным AC API (ArchiCAD Application Program Interface) облегчает разработку программ экспорта информации в программы прочностного анализа конструкций. Принятая в ArchiCAD классификация объектов в целом совпадает с их классификацией при выполнении расчетов и конструировании. Разделение на колонны, балки, стены, перекрытия и крыши позволяет достаточно точно представить их аналоги в расчетной модели.

Конечно, расчетная схема не является копией архитектурного решения, но основные размеры, привязки колонн и несущих стен, очертания перекрытий, положение проемов и отверстий в основном повторяют заданные архитектором. На основе данных архитектурного решения удается выполнить автоматизированное построение только укрупненной расчетной модели, фактически — описание геометрии несущих конструкций сооружения. Детальную же расчетную схему на базе этой модели должен создать инженер. Автоматическое построение детальной расчетной схемы (с генерацией, если используется метод конечных элементов, сетки таких элементов) на основе укрупненной возможно, но не полностью и лишь для очень небольшого числа простых объектов. Связано это с тем, что для расчетных схем помимо заимствованных из архитектурного проекта геометрических данных требуется задать условия опирания и примыкания, данные о физико-механических характеристиках материалов, а также сведения о нагрузках. Эта дополнительная информация необходима для выполнения прочностного расчета.

Импорт данных из системы ArchiCAD в SCAD разработан на основе AC API. В SCAD формируется файл проекта, содержащий описание укрупненной конструктивной модели здания. В процессе импорта выполняются операции преобразования дугообразных стен в многогранные, а также формирования в них проемов под окна и двери. Переход от архитектурного решения к расчетной схеме можно представить в виде следующей последовательности операций:

+ Построение (на основе внутреннего представления данных архитектурной системы) укрупненной конструктивной модели здания, состоящей из таких объектов, как колонны, балки, стены, перекрытия (плиты) и крыши.

, Удаление из конструктивной модели объектов, не включаемых в расчетную схему: перегородок, элементов ограждения, архитектурных деталей и т.п.

- Уточнение, если это необходимо, положения объектов в конструктивной модели и дополнение ее новыми элементами, не учтенными в архитектурном решении.

. Автоматическое или управляемое пользователем построение сетки конечных элементов. Одновременно назначаются жесткостные характеристики.

/ Задание условий опирания и примыкания элементов.

: Ввод нагрузок и специальных исходных данных.

Работа с укрупненной моделью расчетной схемы в SCAD (версия 7.29) реализована следующим образом:

  • в препроцессор подготовки данных системы введены специальные типы элементов — стена, перекрытие, крыша, колонна и балка, которые задаются в виде контуров. На каждом из них пользователь имеет возможность сгенерировать сетку конечных элементов;
  • создан специальный препроцессор «Форум» (формирование укрупненных моделей), где наряду с собственными средствами создания схем из перечисленных выше объектов предусмотрены работа с данными, поступающими из системы ArchiCAD, и автоматизированное построение сетки конечных элементов на всей расчетной схеме.

Изополя перемещений

В проекте Office Building построение сетки конечных элементов для стен выполнено путем деления контуров на прямоугольные участки с последующим дроблением их на прямоугольные элементы. Сетка перекрытий сформирована посредством автоматической триангуляции.

Расчетная схема характеризуется следующими параметрами: количество узлов — 5404, количество элементов — 6061, порядок системы уравнений — 31 000, ширина ленты после оптимизации — 1570, время решения задачи — 13 мин (процессор Pentium II, 350 МГц).

Теперь поговорим подробнее об особенностях реализации препроцессора «Форум» в режиме импорта данных из ArchiCAD.

Препроцессор реализует объектно-ориентированный подход при формировании многоуровневых моделей из объектов. Структура модели может включать объекты трех уровней — секции, блоки и элементы.

Секция — геометрически изолированная часть здания или сооружения, имеющая собственную систему координат и разбивочных осей, привязанную к началу общей системы координат здания. Состоит из блоков.

Блок — часть секции (как правило, в этом качестве выступает этаж). Начало системы координат блока привязано в местной системе координат секции. Состоит из элементов.

Элементы — это элементарные объекты: стена, перекрытие (плита), крыша, балка и колонна. Стены и перекрытия могут иметь проемы и отверстия, привязка которых выполняется в местной системе координат элементов.

В системе ArchiCAD различают два уровня объектов в классификации препроцессора «Форум»: этажи (блоки) и элементы. При импорте данных структура модели состоит именно из них.

Для удобства работы с объектами в препроцессоре предусмотрено автоматическое построение дерева проекта, куда записывается каждый новый объект. Структура дерева повторяет структуру модели, что позволяет включать (делать видимыми) или исключать из отображения модели любые объекты, а также удалять их или модифицировать, обращаясь к ним непосредственно из дерева. Выбор объекта в дереве одновременно вызывает его цветовую маркировку на отображении модели, что исключает случайные удаления или исправления. Все объекты сохраняют в дереве имена, присвоенные им при создании или в процессе импорта из ArchiCAD.

Средства корректировки геометрии объектов (стена, перекрытие, крыша) «Форума» весьма разнообразны. Они позволяют изменить форму объекта, исключить или добавить проемы и отверстия, изменить их положение, размеры, очертания. При наличии одинаковых этажей можно использовать функции копирования и переноса, что позволяет автоматически повторять на других этажах единожды внесенные изменения. При необходимости модель дополняется сеткой разбивочных осей.

На основе откорректированной модели может быть сформирован стандартный файл проекта комплекса SCAD или файл укрупненной модели. В первом случае выполняется автоматическое построение сетки конечных элементов с заданным шагом, а дальнейшая корректировка схемы и дополнение ее необходимыми данными осуществляются средствами препроцессора комплекса. При передаче в препроцессор файла укрупненной модели операции по формированию сетки конечных элементов выполняются под управлением пользователя.

в начало

в начало

Работа с укрупненной моделью в препроцессоре SCAD

Автоматическое формирование сетки конечных элементов не всегда позволяет получить рациональную расчетную схему. Использование для всех объектов схемы единого шага построения сетки часто приводит к неоправданно большим размерам модели, вследствие чего затрудняется контроль исходных данных и увеличивается время счета. Невелики в такой ситуации и возможности глубокого анализа результатов. Для анализа наиболее ответственных участков конструкции опытные расчетчики гибко используют возможности локального сгущения сетки, а на тех участках, для которых главным является, например, сбор нагрузок, применяют весьма крупные конечные элементы.

Для реализации такого дифференцированного подхода в препроцессоре предусмотрен режим преобразования плоскостных объектов (стена, перекрытие (плита) и крыша) в контурные элементы, которые могут иметь произвольную конфигурацию и включать в себя отверстия любой формы. В режиме генерации сетки конечных элементов для каждого контура может быть назначен свой шаг разбиения. При этом узлы, попавшие на границы смежных контуров, автоматически включаются в процесс формирования сетки. В препроцессоре предусмотрены и другие методы построения сеток. Например, контур может быть разделен на прямоугольные участки, каждый из которых дробится на прямоугольные элементы.

При формировании расчетной схемы проекта «Реконструкция» использовано автоматическое построение сетки конечных элементов с постоянным шагом (шаг сетки 0,7 м).

Расчетная схема характеризуется следующими параметрами: количество узлов — 11 492, количество элементов — 12 623, порядок системы уравнений — 57 457, ширина ленты после оптимизации — 1460, время решения задачи — 50 мин (процессор Pentium II, 350 МГц).

в начало

в начало

Перспективы развития

В первую версию программы импорта не вошли функции подрезки стен по линиям пересечения с крышами, автоматическое сведение этажей в случаях, когда расстояние между ними на укрупненной модели определяется толщиной перекрытия. Эти функции будут реализованы в следующих версиях программы. Открытыми остаются вопросы импорта многоугольных (полигональных) в плане стен, некоторых элементов библиотеки объектов (например, колонн и балок из прокатных профилей). Расширяются функции автоматической генерации сетки, включая специальные методы разбиения в местах опирания колонн на перекрытия и плиты.

Авторы выражают благодарность сотрудникам фирмы Graphisoft — г-же Judit Sliz, г-дам Attila Bardos и Gabor Jasz за внимание и квалифицированные консультации при разработке программы импорта.

«САПР и графика» 10'2000