Parametrické projektování jako cesta k bezvýkresové stavbě

V éře digitalizace by měl každý obor využívat technologické inovace, vylepšovat své postupy a posouvat se vpřed. To samozřejmě platí i v případě návrhů mostních konstrukcí. V AFRY odmítáme stagnovat v metodách minulosti, zvlášť když moderní technologie mohou projektantům činnost výrazně usnadnit a umožnit fokus na skutečné odborné výzvy.

Před několika lety jsme začali hledat metody, jak zjednodušit naši práci a zároveň zvýšit efektivitu, rychlost a kvalitu našich návrhů. Řešení jsme našli v parametrickém projektování. V loňském článku jsme ukázali využití parametrického projektování pro menší stavební objekt. Návrh vyhrál v česko-slovenském kole Tekla BIM Awards 2022 v kategorii projektů menšího rozsahu. Letos jsme uplatnili stejný přístup, ale na větší stavbu. Potvrdili jsme si tak, že náš postup je funkční a univerzálně aplikovatelný i pro projektování zásadních velkých staveb. Vítězství v česko-slovenském kole Tekla BIM Awards jsme zopakovali, letos již v hlavní kategorii „Infrastrukturní projekty“.

V tomto článku se na příkladu tohoto vítězného projektu – aktuálně stavěného mostu SO204 na české dálnici D3 – podrobně věnujeme tvorbě parametrického modelu, včetně generování 3D výztuže a automatického vytváření 2D výkresů. Jdeme ale ještě dál. Naše úsilí směřujeme k budoucí úplné eliminaci 2D dokumentace a podpoře rozšíření tzv. bezvýkresové stavby v České republice. I tento koncept v dnešním textu rozebíráme.

O stavbě

Most se nachází na úseku dálnice D3, která spojuje Třebonín s Kaplicí. Jedná se o úsek dálnice, který bude napojovat dálniční síť České republiky na rakouskou. Toto dálniční spojení dovolí rychlé a komfortní cestování všem, kteří překračují hranice mezi těmito dvěma zeměmi.

Most je navržen jako spojitý pětipolový nosník o rozpětí polí 20,0+28,0+28,0+28,0+20,0. Nosná konstrukce levého i pravého mostu je navržena jako dvoutrám z předpjatého betonu. Příčný řez mostu je navržen jako dvoutrámová konstrukce o výšce 1,4 m a šířce 13,9 m. Most slouží jako propojení pro dálnici, přičemž pro každý směr dálnice je vyhrazena samostatná konstrukce mostu. Celková šířka obou konstrukcí dohromady je 29,1 m.

Nosnou konstrukci podpírají dvojice pilířů v každé ose uložení. Pilíře jsou s nosnou konstrukcí spojeny pomocí vrubových kloubů. Oba pilíře mají společný základ, do kterého jsou vetknuty. Most je založen na pilotách, které mají průměr 1,2 m. Na každém konci mostu jsou opěry, které jsou společné pro obě nosné konstrukce a s nosnou konstrukcí jsou spojené pomocí dvojice ložisek.

Most si můžete detailně prohlédnout přímo v interaktivním modelu stavby prostřednictvím CDE Trimble Connect.

Parametrický 3D model

Projektování mostu začíná importováním nivelety (3D křivky) a koridorů z formátu LandXML (http://www.landxml.org/). Poté, co máme načtené vstupní informace, přistupujeme k fázi projektování samotného mostu. Začínáme tím, že na niveletě určíme konkrétní pozice, kde bude most umístěn. To provádíme pomocí zadání staničení os jednotlivých podpor. Tyto staničení nám slouží jako klíčové body, které určují hlavní umístění mostní konstrukce vzhledem k okolnímu terénu a komunikaci.

Dalším krokem je vytvoření příčného řezu. Pro tento účel využíváme jednu z komponent dostupných v naší rozsáhlé knihovně v programu Grasshopper. K této komponentě následně přidáváme vstupy, které definují rozměry, sklon a další vlastnosti příčného řezu. Po aktivaci komponenty se vygenerují křivky ve formě polyline. Tyto jednotlivé křivky postupně umisťujeme na danou niveletu a fixujeme je do požadované pozice pomocí staničení. Následně spojíme tyto křivky prostřednictvím operace protažení po křivce, čímž vytvoříme těleso nosné konstrukce.

Základy mostních pilířů jsou orientovány a umisťovány na připravené osy uložení. Každý základ je definován svou délkou, šířkou a výškou. Rozměry těchto základů mohou být buď individuálně určeny pro každý z nich samostatně, nebo mohou být nastaveny pro všechny stejně.

Po úspěšném vytvoření základů se přesouváme k práci s mostními pilíři. Pilíře jsou orientovány na horní hranu základu. Na této hraně jsou definovány body, kam budou pilíře zasazeny, a to v souladu s jejich počtem a odstupy od hran základů. Pilíře jsou určeny půdorysnými rozměry a výška pilíře je dopočítávána na základě jeho pozice vůči nosné konstrukci.

Podobně jako jsou specifikovány základy pilířů, jsou stanoveny základy opěr. Každý základ je definován k připravené ose uložení. Na začátku je potřeba určit, jestli mostní křídla budou zavěšená, nebo budou spojena se základem. V prvním případě bude mít základ tvar kvádru. V tom druhém pak bude mít základ tvar „U“ a mostní křídla budou závislá na geometrii základu. Každopádně v případě změny lze komponenty pro jednotlivé základy zaměnit.

Zbývající části opěr jsou pevně spojeny s rozměry základů, z kterých jsou odvozeny jejich půdorysné dimenze. Navíc jsou úzce provázány s nosnou konstrukcí, k níž mají výškový vztah. Poslední prvek, který určuje rozměry opěr, je komunikace. Geometrie komunikace určuje celkovou výšku opěrné zídky a křídel. Tímto způsobem jsou všechny části opěr propojeny do celku, kde každý prvek závisí na správně definovaných parametrech.

Posledním důležitým prvkem mostní konstrukce jsou ložiska. Tato komponenta spojuje spodní část stavby s nosnou konstrukcí a toto propojení je pevně definováno. Ložiska jsou umístěna na nejvyšším bodě spodní stavby v místě osy uložení a nejvyšší bod ložiska je spojen s dolní hranou nosné konstrukce. Parametry ložisek jsou definovány rozměrem podložkového bloku a typu použitého ložiska. Samotné předpokládané rozměry ložiska jsou následně načteny z SQL databáze. Uživatel, tak zná orientační rozměry jen na základě zadání typu ložiska a jeho předpokládaného zatížení.

Vyztužení modelu

Model je vyztužen pomocí softwaru Tekla Structures s využitím knihovny Grasshopper - Tekla Live Link. Tato knihovna je plně kompatibilní s programem Grasshopper, což nám poskytuje možnost provádět integraci mezi oběma nástroji. Tato integrace nám umožňuje přenášet data a informace mezi programy Grasshopper a Tekla Structures tak, že jsme schopni pracovat s oběma programy ve vzájemné koordinaci. Díky knihovně Grasshopper – Tekla Live Link můžeme zajišťovat harmonický proces vyztužení modelu a vytváření nativních skupin prutů přímo v Tekla Structures.

Od prvního pokusu o propojení těchto softwarů uplynula značná doba, během které jsme postupně zdokonalovali proces armování v programu Grasshopper. Dnes můžeme s radostí konstatovat, že máme k dispozici vysoce účinnou knihovnu prvků, která nám umožňuje nejen definovat tvary konstrukce, ale i tvary armovacích prutů, které jsou definovány přímo z tvaru konstrukce. To ve výsledku znamená, že délky prutů se automaticky mění při úpravách konstrukce.

Navíc se nám podařilo vytvořit systém pro variabilní nastavení parametrů výztuže, který využívá tabulku v programu MS Excel. Tato tabulka je následně napojena do programu Grasshopper, kde je spojena s naší komponentou, která vytváří atributy pro komponenty knihovny Grasshopper – Tekla Live Link. Díky těmto inovacím jsme schopni pracovat s armováním rychleji a přesněji než kdy dříve, což značně zvyšuje kvalitu našich výsledků.

Tvorba výkresů

Protože jsou v současné době 2D výkresy stále nedílnou součástí naší práce, vytvořili jsme systém pro generování výkresů přímo z našeho modelu. Výkresy jsme rozdělili do dvou hlavních kategorií: první zahrnuje výkresy tvarů konstrukce a detailů, druhá se týká výkresů výztuže. Pro první část využíváme kombinaci programů Rhinoceros a Grasshopper, zatímco pro druhou část spoléháme na Tekla Structures.

Soustředili jsme se na automatizaci vytváření výkresů v první části procesu. Výkresy jsou generovány na základě řezných rovin, které průběžně protínají konstrukci a okolní prvky. Tento postup jsme dále automatizovali pomocí SW Grasshopper, kde řezné roviny a jednotlivé prvky slouží jako vstupy a výstupy jsou reprezentovány křivkami řezů. Tyto křivky jsou následně upravovány pomocí skriptů a propojeny s předem definovanou referenční hladinou pro další zpracování. Tento postup nám výrazně usnadňuje práci, zejména při změnách a úpravách výkresů, kdy je nezbytné zachovat konzistenci mezi 3D modelem a 2D dokumentací. Ruční zásahy zůstávají jen při dokončovacích pracích na výkresech, jde např. o kótování, popisky, šrafování a podobně. Tímto způsobem efektivně kombinujeme automatizaci s potřebou jemných finálních úprav výsledných výkresů.

I přes tuto potřebu ručních úprav výkresů při dokončovacích pracích aktivně pracujeme na hledání způsobů, jak tento krok zcela eliminovat. Naším cílem je nastavit skript tak, aby byl schopen automaticky provádět kótování výkresů. Jde o náročný úkol, který vyžaduje detailní řešení.

V tomto ohledu je naším klíčovým prvkem již existující komponenta pro generování příčného řezu. Ta nám umožňuje parametricky zadat příčný řez a zároveň automaticky upravit polohy kót na výkresu. Funkčnost této komponenty spočívá v tom, že na základě zadání řezu se automaticky vypočtou polohy kót podle geometrických parametrů řezu. Tímto způsobem je kótování integrováno do procesu tvorby výkresů, což zvyšuje efektivitu a přesnost výsledné 2D dokumentace.

Pracujeme také na dalších skriptech a postupech, které by nám umožnily automatizovat více aspektů dokončovacích prací a dále minimalizovat potřebu manuální intervence. Tím bychom dosáhli vyšší úrovně efektivity a současně zajistili konzistentní a precizní výsledky.

Odstranění „CAD monkey“ procesů

Výhody využívání 3D modelů jsou evidentní – 3D model poskytuje názorný pohled na objekt a odhaluje mnohem více detailů než tradiční 2D výkresy. 3D model může mnohdy zastoupit stovky i tisíce 2D výkresů. Avšak i přesto existují určité nevýhody 3D modelů, především v procesu jejich vytváření. Mnoho projektantů stále zůstává připoutáno k minulým postupům a nedokážou přijmout myšlenku, že nejprve by měli vytvořit 3D model, která je zkoordinovaný a až poté generovat 2D výkresy. Ve skutečnosti se často stává, že postupují právě opačně, což může vést k neefektivitě a chybovosti.

S ohledem na tyto faktory jsme vyvinuli pracovní postup, který se soustředí na jednotlivé fáze, jež vedou k požadovanému cíli. Prvním krokem tohoto workflow je vytvoření základních komponent pomocí programovacích jazyků Python nebo C#. Jde spíše o skriptování, kde si stačí osvojit základní příkazy pro vytváření bodů a křivek. Tyto prvky tvoří základní geometrii 3D modelů.

Vytvořené skripty mohou být následně spojeny do komponent a tyto komponenty se mohou propojit tak, abychom získali požadovanou konstrukci. Tímto způsobem můžeme konstrukci ovlivňovat pomocí zadání parametrů, a dosáhnout tak kontroly nad výsledným modelem.

Po dokončení nastavení a úprav konstrukce je možné model generovat do předem definovaných hladin a dále s ním pracovat.

Posledním krokem v procesu může být srovnání s reálnou stavbou. Skutečnost, že model pomohl vyřešit reálné problémy a usnadnil realizaci stavby, přináší projektantovi uspokojivý pocit. Tímto způsobem se snažíme přinést nový pohled na proces projektování a využití 3D modelů ve stavebnictví.

Bezvýkresová stavba – stavba na základě 3D modelů

Podle našeho názoru je parametrické projektování klíčovým směrem nejen pro návrh mostních konstrukcí, ale také pro širší spektrum stavebních objektů. Dává projektantům kontrolu nad objektem a umožňuje jim řešit problémy, které by se mohly v rámci 2D výkresů přehlédnout. Parametrické projektování zajišťuje interaktivní odezvu na změny a urychluje jejich zpracování oproti tradičním 2D výkresům.

Je tudíž smysluplné digitalizovat nejen proces projektování, nýbrž i samotnou realizaci staveb. Díky tomu, že 3D informační modely jsou vizuálně názorné a na rozdíl od tradičních 2D výkresů jsou mezinárodně srozumitelné, je popsaný pracovní postup (Rhinoceros > Grasshopper > Tekla Structures) klíčovým prvkem pro vytváření stavby bez nutnosti 2D výkresů. Tento moderní přístup přesouvá proces z papírových výkresů do digitálního modelování, což umožňuje efektivněji pracovat s interaktivními 3D modely.

Náš záměr směřuje k tomu, aby se do budoucna 2D dokumentace zcela eliminovala a místo ní vznikaly stavby založené na bezvýkresovém konceptu. Tento přístup umožňuje stavbě pracovat přímo s 3D modely, namísto závislosti na 2D výkresech. Navíc, tvorba 2D výkresů je pro projektanty v rámci BIM procesu náročnější a z našeho pohledu zbytečná. Jsme pevně přesvědčeni, že stačí vytvořit jednoduché a přehledné výkresy a schémata, protože všechny ostatní informace jsou již zahrnuty v negrafických datech 3D modelu daného objektu. S ohledem na principy a trendy BIM doporučujeme nenechávat vizuálně výstižné a mezinárodně srozumitelné 3D informační modely degradovat do strojově nepřehledných 2D výkresů.

V rámci našeho úsilí o implementaci konceptu bezvýkresové stavby v České republice, což zahrnuje vytváření staveb na základě 3D modelů místo klasických 2D výkresů, jsme schopni společně s realizátory připravit následující zdroje informací pro průběh stavby. To zahrnuje rozčlenění BIM modelů podle jednotlivých pracovních úkolů, zajištění distribuce a komunikace prostřednictvím CDE (Common Data Environment) Trimble Connect. Kromě toho jsme schopni vizualizovat BIM modely podle jednotlivých pracovních úkolů za použití rozšířené reality (Augmented Reality) na mobilních zařízeních obou hlavních platforem (Android a iOS) přímo na staveništi. Tímto způsobem poskytujeme vylepšený a moderní způsob řízení projektu, který zvyšuje efektivitu a zpřesňuje komunikaci mezi všemi zúčastněnými stranami.

Závěr

V dnešní digitální době má každý obor možnost optimalizovat a zefektivňovat své procesy a postoupit kupředu. To platí i pro oblast projektování mostních konstrukcí. Proto se snažíme zůstat inovativními a nesetrvávat v minulosti. Považujeme za neefektivní používat nedigitalizované metody v době, kdy jsme obklopeni technologiemi, které mohou projektantům ušetřit čas a umožnit jim plně se zaměřit na řešení skutečných odborných problémů v průběhu projektování.

Naším závazkem je neustále rozvíjet a zdokonalovat naše pracovní postupy, aby bylo možné zajistit lepší pracovní podmínky pro všechny, kteří jsou zapojeni do procesu parametrického projektování. V AFRY jsme odhodláni poskytovat podporu a vytvářet nástroje, které usnadní vytváření, sdílení a spolupráci na projektech v této dynamické oblasti.

V rámci tohoto článku máte také možnost si prohlédnout interaktivní model konkrétního mostu, včetně detailů výztuže přímo v prostředí CDE Trimble Connect. Tento model vám poskytne konkrétní pohled na to, jak parametrické projektování může transformovat způsob, jakým stavby vznikají a jak se s nimi pracuje. (odkaz)

Autoři článku: Michal Marvan, Ondřej Janota, Pavel Vlasák

Článek vyšel v angličtině v mezinárodním, recenzovaném, online časopise e-BrIm o Bridge Information Modelling, str. 8