Teksti: DI Ilari Pirhonen, DI Paavo Vähänen sekä DI Joonas Forsman, Sweco Finland Oy
Kuvat: Sweco Finland Oy
DI Ilari Pirhonen
Suunnittelu- ja teknologiapäällikkö, Sweco Finland Oy
Voimalaitokset, hallirakentaminen ja muut teollisuuden teräsrakenteet. Parametrisen suunnittelun pioneerityötä rakennesuunnittelun saralla vuodesta 2016.
DI Paavo Vähänen
Computational Designer, Sweco Finland Oy
Uudisrakenteet, julkiset rakennukset, asuntorakentaminen. Parametrisen suunnittelun sovellutuksia ja jalkauttamista vuodesta 2018.
DI Joonas Forsman
Ryhmäpäällikkö, Sweco Finland Oy
Digitaaliset ratkaisut ja erityissuunnittelu, vaativa rakennelaskenta, suunnittelun automatisointi
Parametrinen suunnittelu on osa nykyaikaisen suunnittelutoimiston työkalupakkia. Se mahdollistaa tehokkaan suunnitteluratkaisujen vertailun. Automatisoinnin avulla on mahdollista saavuttaa alalla todellinen tuottavuusloikka.
Ohjelmoinnin yhdistäminen perinteiseen suunnitteluprosessiin avaa mahdollisuuksia suunnitella tehokkaasti geometrisesti monimuotoisia rakenteita ja automatisoida rutiinitehtäviä. Se mahdollistaa usean vaihtoehtoisen suunnitteluratkaisun tuottamisen ja niiden vertailun tehokkaasti. Rakennuksesta voidaan hakea paras mahdollinen ratkaisu niin kustannusten kuin hiilipäästöjen suhteen. Esimerkkinä mainittakoon Runkomoottori-niminen projektikäytössä oleva algoritmi. Kyseessä on eräänlainen parametrinen 3d-mallitulostin, joka muuntaa 2D-runkokaaviot 3D-tietomalleiksi ja FEM-laskentamalleiksi. Runkokaavioiden lisäksi lähtötietoparametreina ovat mm. kerroskorkeus ja hyötykuorma. Kuvassa 1. on esitetty Runkomoottorin lähtötietona toimiva runkokaavio ja Runkomoottorin tuottamia malleja.
Kuva 1. Parametrisella Runkomoottorilla 2D-lähtötiedosta tuotettu geometriamalli (Rhinoceros), tietomalli (Tekla), ja FEM-laskentamalli (RFEM).
Keskeiset termit haltuun
Suunnittelun ja ohjelmoinnin yhdistämisestä puhutaan useilla termeillä, jotka tarkoittavat periaatteessa samaa asiaa hieman eri painotuksella. Parametrinen suunnittelu -termi korostaa mahdollisuutta tuottaa useita vaihtoehtoisia suunnitteluratkaisuja parametreja varioimalla. Toinen yhtä yleinen termi on algoritmiavusteinen suunnittelu, jota käytetään useimmiten kuvaamaan kertaluontoisen suunnittelutehtävän (esim. kaareva kattorakenne) ratkaisemista algoritmeja käyttämällä. Englanninkielinen termi Computational Design on merkitykseltään laajin, ja sisältää edellä mainitut. Computational Designer on vähitellen yleistynyt aihepiiriin syventyvien suunnittelijoiden tehtävänimikkeenä.
Computational Designer toimii projektitiimissä parametristen suunnittelu- ja mallinnusmenetelmien pääkäyttäjänä. Hän on projektin erikoisosaaja, joka yhdistää ohjelmointitaidon ja rakennesuunnittelun osaamisensa automatisoimalla suunnitteluprosessin vaiheita ja tiedonsiirtoa suunnitteluohjelmien välillä, mikä mahdollistaa tehokkaamman projektitoiminnan. Hänen tehtävänään on siis tunnistaa projektissa tehtävät, johon algoritmeja voidaan hyödyntää ja vastaa algoritmien kehityksestä ja jalkautuksesta. Rooli on tärkeimmillään projektin alkuvaiheessa, sillä suunnitteluprosessin kulkua ja menetelmiä on hankala vaihtaa kesken projektin. Computational Designer keskustelee asiakkaan kanssa lähtötiedoista, jotta ne saadaan harmonisessa ja ohjelmallisesti käsiteltävässä muodossa.
Matalan kynnyksen ohjelmointia
Parametrinen suunnittelu muistuttaa ohjelmistokehitysprojektia. Se vaatii tekijältään kykyä pilkkoa tehtävä riittävän pieniin aliongelmiin ja ohjelmoida se tehtäväsarjaksi – algoritmiksi. Apuna on visuaalisen ohjelmoinnin alusta, jossa valikosta vedetään näytölle valmiita ohjelmapätkiä, komponentteja, jotka yhdistetään kaaviomaisesti.
Tämä ei edellytä tekstipohjaisten ohjelmointikielien osaamista, ja ohjelmoinnissa pääsee alkuun matalalla kynnyksellä. Tekijänä voi olla suunnittelutehtävään erikoistunut ammattilainen, jolloin tehtävän ratkaisuun ei tarvita ohjelmistokehityksen ammattilaista. Automatisoitu ratkaisu syntyy edullisesti ja nopeasti ilman välikäsiä.
Rakennusalalla tunnetuin visuaalisen ohjelmoinnin alusta on Rhinoceros3d-CAD-ohjelmaan sisältyvä Grasshopper. Autodeskilla vastaava tuote on nimeltään Dynamo, jota käytetään usein Revit-suunnitteluohjelmiston tukena. Kuvassa 2. on havainnollistettu, miltä Grasshopperilla kirjoitetun algoritmin periaate. Algoritmissa luodaan 500 mm pitkä jana pisteestä (0,0,0) x-akselin suuntaan. Alkupiste ja janan pituus ovat vapaasti syötettäviä parametreja.
Kuva 2. Periaatekuva algoritmista visuaalisen ohjelmoinnin alustalla (Grasshopper)
Visuaalisten ohjelmointialustojen hyödyntäminen rakennusalalla on lähtenyt liikkeelle arkkitehtisuunnittelusta ja haastavista geometrista muodoista noin 15 vuotta sitten. Grasshopperin ensimmäinen versio on julkaistu 2007. Grasshopperin käyttö rakennesuunnittelussa alkoi yleistyä 2016, kun Trimble julkaisi Tekla Live Link -nimisen Grasshopperin liitännäisohjelman. Tekla Live Link mahdollistaa Teklan omien toiminnallisuuksien käyttämäisen Grasshopperista käsin. Lähes kaiken tyyppisten rakenneosien ja liitosten mallintaminen Teklaan tämän linkin avulla on mahdollista. Vastaavia linkkejä on olemassa myös FEM-ohjelmille kuten RFEM ja Robot Structural Analysis.
Oleellinen osa prosessia on saada tieto liikkumaan suunnitteluohjelmista algoritmeihin ja algoritmeista suunnitteluohjelmiin. Mikäli Tekla Live Linkin kaltaista valmislinkkiä ei ole saatavilla, käytettävän ohjelmiston ohjelmointirajapinta (API) mahdollistaa linkin tekemisen itse.
Vaikutus aikatauluihin ja muutosten hallintaan
Pääsääntöisesti algoritmeja ja muuta automatiikkaa tulee rakentaa siten, että niitä voidaan hyödyntää projektista toiseen, jolloin saadaan kehitystyölle paras mahdollinen takaisinmaksu. Ideaalisessa tilanteessa, jossa useat projektin eri osapuolet käyttävät parametrista suunnittelua, suunnitteluvaiheet voidaan limittää ja mahdolliset muutokset lähtötietoihin ajetaan automatisoidun prosessin läpi minimaalisin kustannuksin.
Esimerkkinä aikataulusäästöstä mainittakoon Weckmannille tehty kehitysprojekti, jossa automatisoitiin kolmen teräshallityypin mitoitus ja mallinnus. Automaatio säästää suunnittelutyötä hallista riippuen 50-100 tuntia. Kuvassa 4. on esitetty tyypillinen ristikkohalli ja algoritmin tuottamia yksityiskohtia.
Kuva 3. Parametrisella suunnittelulla automaattisesti tuotettu teräshallin detaljoitu Tekla-malli.
Millaisiin projekteihin parametrinen suunnittelu soveltuu parhaiten?
- On erotettavissa kaksi pääsääntöä:
- Geometrinen monimuotoisuus. Kaarevat muodot, joiden seuraaminen käsin mallintamalla on hidasta. Tällaisissa projekteissa on myös paljon uniikkeja osia.
- Toistuvuus. Kun saman säännöstön mukainen rakenne tai tehtävä toistuu riittävän monta kertaa, sen suunnittelua varten kannattaa kehittää parametrisesti ohjattu automatiikka. Toistuvia tehtäviä löytyy lähes kaiken tyyppistä rakennuksista.
Keskeisimpiä parametrisella suunnittelulla saavutettavia hyötyjä ovat:
- Mahdollistaa haastavien geometristen muotojen mallintamisen hallitusti, kustannustehokkaasti ja muuntojoustavasti
- Mahdollistaa useiden erilaisten rakennevaihtoehtojen tuottamisen ja vertailemisen kustannustehokkaasti. Ratkaisu voidaan optimoida lähtötietoparametrien suhteen, olipa tavoitteena optimoida kustannukset tai hiilipäästöt.
- Ajansäästö rutiinitehtävät automatisoimalla
- Parantaa laatua yhdenmukaistamalla suunnittelun lopputulosta ja vähentämällä inhimillisen virheen todennäköisyyttä.
Menestystarinoita projekteista
Olympiastadionin katosrakenteet (kuvat 4. ja 5.) on yksi merkittävimmistä kotimaan kohteista, joissa parametrisella suunnittelulla on oleellinen rooli rakennesuunnittelun mahdollistajana. Teräsrakenteet mallinnettiin projisoimalla ristikot arkkitehdin pintamallin sisään. Ristikkolinjan pinnanmuotoa kuvaavat käyrät yksinkertaistettiin vakiosäteisiin segmentteihin, jolloin niiden valmistusta saatiin yksinkertaistettua säilyttäen alkuperäinen muoto 99 % tarkkuudella.
Sillat ovat keskeisiä parametrisen suunnittelun käyttökohteita. Kuvat 6, 7 ja 8 ovat S2 Pylvässalin sillat -projektista, jossa mallinnettiin parametrisesti koristekaide ja kaistojen välinen lasikatos. Koristekaiteen polviliitoksen sijainti seuraa arkkitehdin määrittämää murtoviivaa ja lasikatoksen kehät lappeiden vaihtelevia kaatosuuntia. Jokainen kaidetolppa ja lasikatoksen kehä on uniikki.
Myös siltojen betonirakenteiden ja raudoituksen mallintamisessa parametrinen suunnittelu on laajasti käytössä, sillä silta seuraa useimmiten kaarevaa linjaa, jonka seuraaminen algoritmilla käy huomattavasti helpommin kuin manuaalisesti mallintamalla. Kuvassa 9. on Tekla Global BIM Awards 2020 voittaja Randselvan silta Norjassa. Tietomallin sisällöstä 80 % on tuotettu parametrisesti mallintamalla. Malli sisältää 240 uniikkia jälkijännityskaapelia ja 4,2 miljoonaa kiloa raudoituksia, jotka on mallinnettu 210 päivässä.
Kuva 4. Olympiastadionin katosrakenteiden Teräsrunko Tekla Structures -ohjelmassa.
Kuva 5. S2 Pylvässalin sillat (Kuopio), lasikatos
Kuva 6. S2 Pylvässalin sillat (Kuopio), koristekaide
Mielikuvitus tulevaisuuden ratkaisujen rajana
Digitaalinen kehitys on edennyt rakennusten suunnittelussa päätähuimaavaa vauhtia, ja tietokoneaika kehityskulussa vain lyhyt silmänräpäys. 2D-CAD-suunnittelusta on jo siirrytty suurimmaksi osaksi tietomallipohjaiseen työskentelyyn, joka lienee pitkäikäinen ratkaisu. Algoritmit ja tekoäly ovat keinoja tuottaa malliin sisältöä manuaalisen työskentelyn rinnalla, sillä kaikkiin tehtäviin ei ole mahdollista kehittää automatisoitua ratkaisua.
Tulevaisuudessa automatisointi etenee myös rakennusten ja niiden osien tuotannossa. Tämä laskee pienten tuotantosarjojen hintaa suhteessa suuriin. Kun kone tuottaa rakennusosia automatisoidusti ja digitaalisella lähtötiedolla, ei ole kustannusten kannalta suurta merkitystä tuotetaanko 1000 samanlaista vai 1000 uniikkia osaa. Parametrinen suunnittelu yhdistettynä automatisoituun tuotantoon poistaa kustannusrajoitteita monimuotoisten ja kaarevien rakenteiden toteutukselta. Tulemme näkemään lisääntyvässä määrin mielikuvituksellisia ratkaisuja.
Teknologiat visuaalisen ohjelmoinnin alustojen ympärillä kehittyvät alati. Eräs tärkeä ominaisuus on algoritmin ajo ulkoisella käyttöliittymällä. Shape Diverin kaltaiset palvelut mahdollistavat algoritmin lataamisen pilveen, josta sitä käytetään selainpohjaisella käyttöliittymällä. Trimble puolestaan on kehittänyt teknologian, jossa algoritmin käyttöliittymä voidaan rakentaa Tekla Structures -ohjelman sisälle, ja Grasshopper ajaa algoritmin taustalla. Käyttöliittymiin panostaminen tukee algoritmien jalkauttamista laajemmalle käyttäjäkunnalle. Käyttäjäkunnan kasvaessa tarvitaan myös suunnittelualojen reaaliaikaisen yhteistyön mahdollistavia alustoja. Työn alla on lisäksi sovellutuksia muun muassa piirustustuotannon tehostamiseen.
Suunnittelutehtäviä automatisoimalla voidaan saada aikaan aito tuottavuusloikka ja tuottaa entistä parempia optimoituja ratkaisuja projektin tarpeisiin. Parametrinen suunnittelu on oleellinen osa nykyaikaisen suunnittelutoimiston työkalupakkia.
