Vyzkoušeli jsme řadu programů, které slibovaly vytvoření 3D modelů, ale žádný nedokázal zajistit jednoduchou opakovatelnost. Proces jsme vždy museli začínat od nuly. Cestu, kterou jsme hledali, jsme nakonec našli v parametrickém projektování. Vytváření parametrických modelů nám totiž zajistilo požadovanou opakovatelnost jednotlivých řešení, a tím zkvalitnilo proces zpracování projektů.

V tomto článku představujeme příklad použití parametrického projektování na jednopolovém přesypaném dálničním mostu, který je celý včetně 3D armovacích prutů vytvořený parametrickým projektováním pomocí programů Rhino, Grasshopper a Tekla Structures. Návrh zvítězil v česko-slovenském kole prestižní mezinárodní soutěže stavebních projektů Tekla BIM Awards 2022 v kategorii projekty menšího rozsahu.

O mostu SO202

Projektovaný most SO202 se nachází v km 32,788 na části dálnice D35 Sadová-Plotiště, která je plánována jako severní páteřní komunikace propojující Čechy a Moravu. Řidičům má zkvalitnit a zefektivnit cestování.

Obrázek 1 - Umístění stavby v České republice

Jedná se o jednopolový rámový přesypaný most, který je hlubině založen na velkoprůměrových pilotách. Převádí dálnici D35 přes potok Melounku.  Součástí předmětného úseku jsou další tři mostní objekty obdobného konstrukčního řešení.

Proč jsme zvolili parametrické projektování

Parametrické 3D projektování se pro své nesporné výhody, které popisujeme níže, stalo nedílnou součástí naší práce. Pomáhá nám při zpracování různorodých projektů řešit aspekty, které by za použití standardních 2D výkresů zanikly. Protože je řešení ve 3D výrazně názornější, je také obecně upřednostňováno i zadavatelem. Komunikace a spolupráce s projektovým týmem investora je v případě trojrozměrného zobrazení prostě jednoznačnější.

Workflow, které jsme si osvojili, se skládá z programu Rhino, pluginu Grasshopper a programu Tekla Structures. Díky otevřenému API programu Rhino jsme schopni pomocí programovacích jazyků Python a C# doprogramovat sdílenou knihovnu vlastních komponentů, které nám zajišťují opakovatelnost jednotlivých řešení a udržují kvalitu práce. Toto workflow jsme použili i v případě mostu SO202 a uplatňujeme jej pravidelně v rámci dalších projektů.

Obrázek 2 – Výsek ze schématu použitého workflow

Tvorba modelu

Celý proces začíná importem nivetely a koridorů z formátu LandXML (http://www.landxml.org/). Následně na niveletu do dané pozice začneme projektovat most pomocí zadání staničení os jednotlivých podpor, které nám určují hlavní umístění mostu vzhledem ke komunikaci.

Obrázek 3 - Osy podpor a staničení vztažené k nivelitě

Proces dále pokračuje postupným parametrickým zadáním celé konstrukce. Konstrukce může být zadána buď sérií příkazů pomocí nativních komponentů programu Grasshopper nebo užitím našich vlastních komponent, viz výše. Knihovna komponent vytvořených pro naše specifické potřeby postup tvorby modelu zásadně ulehčí a zpřehlední skript v programu Grasshopper.

Obrázek 4. - Výsek sekvence příkazů v programu Grasshopper

Obrázek 5 - Příklad vytvoření komponentu pomocí programovacího jazyka Python

Výsledkem je parametrický 3D model mostu. Díky parametrickému zadání můžeme za velmi krátký čas naprojektovat a zkoordinovat další stejné mosty, které se liší jen v hodnotách daných parametrů (šířka, výška, délka křídel atd.).

Obrázek 6a - Ukázka změny parametrů a reakce 3D modelu v reálném čase

Obrázek 6b - Ukázka změny parametrů a reakce 3D modelu v reálném čase

Vyztužení modelu

K vyztužení modelu jsme použili software Tekla Structures a jeho propojení s programem Grasshopper. Základem celého procesu byl krok, v kterém jsme k jednotlivým hranám parametrického mostu vytvořili pomocí programovacího jazyka Python tvary a ukládky prutů. Poté jsme jednotlivé skupiny výztuže provázali s programem Tekla Structures a za pomoci komponentů Grasshopper-Tekla Live Link vytvořili jednotlivé nativní skupiny prutů v programu Tekla Structures.

Obrázek 7- Vytvoření skupiny prutů pomocí live-link komponentu

Zmíněný proces má zásadní a jedinečnou výhodu v tom, že při změně tvaru konstrukce reaguje na změnu také tvar výztuže. Tímto způsobem jsme schopni efektivně upravit (přemodelovat) celý most za zlomek času oproti tomu, jak dlouho by trvala změna modelu a armování běžným neautomatizovaným postupem. Výsledkem námi aplikovaného workflow je tak plně parametrický model mostu, a to jak jeho tvaru, tak i jeho výztuže, což je unikátní.

Obrázek 8 - vyztužené křídlo

Obrázek 9 - Vyztužená konstrukce mostu

Vytváření 2D výkresů přímo z modelu

Jelikož naším výstupem mají být stále 2D výkresy, nikoliv 3D model, začali jsme se zabývat vytvářením 2D výkresů přímo v parametrickém modelu (automatizací výkresů). Jde o proces, kdy relevantní část konstrukce řízneme řezací rovinou, ve které se má nacházet daný výkres. Tímto postupem vzniknou jednotlivé křivky, které jsou základem pro výkresy. Křivkám můžeme pomocí programu Grasshoper nastavit, do jakých hladin v programu Rhino patří a následně v dané hladině aplikovat funkci „upéct“) a výkres dále opatřit kótami a zfinalizovat tak, jak si daný projektant přeje.

Obrázek 10a - Zobrazení podélného řezu na konstrukci mostu

Obrázek 10b - Zobrazení podélného řezu na konstrukci mostu

Nevýhoda „upečení“ takto vzniklých základů výkresů spočívá ve ztrátě parametričnosti, a tedy vazbě k modelu. Po „upečení“ již nejsou jednotlivé křivky nadále schopny reagovat na změnu tvaru mostu. V programu Grasshopper ale zůstává skript, který dokáže v případě změny tvaru objektu vytvořit nové křivky, jež lze použít k vytvoření nového výkresu.

Obrázek 11 - Výkres dokončeného podélného řezu bez rámečku

Parametrické projektování jako základ pro bezvýkresovou stavbu

Parametrické projektování je podle našeho mínění budoucností nejen pro navrhování konstrukcí mostů, ale je to cesta i pro další typy stavebních objektů. Je to řešení, které dává projektantovi kontrolu nad daným objektem a pomáhá mu vyřešit problémy, které v případě využití pouhých 2D výkresů lehce zaniknou. Díky parametrickému projektování je také reakce modelu na jednotlivé změny názorná a zpracování je rychlejší než u jednotlivých 2D výkresů.

Má proto smysl digitalizovat nejen projektování, ale i realizaci stavby. Vzhledem k tomu, že 3D informační modely jsou názorné, a na rozdíl od 2D výkresové dokumentace “mezinárodní”, je výše popsané worklfow (Rhino > Grasshopper > Tekla Structures) základem pro bezvýkresovou stavbu.

Naším cílem je do budoucna 2D dokumentaci celkově eliminovat a vytvářet právě bezvýkresové stavby. Stavba v takovém případě pracuje přímo s modely, a nikoli s 2D výkresy. Příprava výkresů je navíc pro projektanta při zpracování projektu v BIM pracnější a z našeho pohledu i zbytečná. Jsme toho názoru, že postačuje vytvořit pouze jednoduché přehledné výkresy a schémata, protože ostatní informace jsou součástí negrafických údajů 3D modelu objektu. Doporučujeme tedy v souladu s duchem a trendy BIM nedegradovat názorný, mezinárodní informační model na strojově nezpracovatelné 2D výkresy.

Projekt (stavba) bez výkresů je proces, který je vytvořen pouze na základě souborů IFC. Znamená to, že existují pouze informace z 3D modelu, které jsou zároveň dostatečné a připravené k použití na staveništi. Samozřejmě stále existuje i potřeba obecných 2D výkresů nebo informací vyžádaných klientem, ty jsou ale přiřazeny pouze konkrétním objektům v modelu. Pokud existují rozdíly mezi 2D a 3D verzí, skutečná hodnota pochází vždy pouze z modelu.

(Více se o bezvýkresové stavbě a o tom, jak v takovém případě probíhá komunikace se stavbou, dozvíte např. v jednom z prvních článků na toto téma autora Wiktora Rybuse: https://www.e-zigurat.com/blog/en/randselva-bridge-without-drawings/)

Závěr

Dnešní digitální doba umožňuje všem oborům optimalizovat, zefektivňovat a posunovat se dál. Projektování mostních konstrukcí není výjimkou. Proto se snažíme inovovat a nepokračovat v zajetých kolejích z minulosti. Aplikovat původní nedigitalizované procesy v informační době považujeme za neefektivní plýtvání časem projektantů, protože zdržují a odvádějí pozornost od řešení skutečných odborných problémů vznikajících v průběhu zpracování projektu.

Budeme se i nadále snažit rozvíjet a zdokonalovat naše workflow zpracování projektu, a tím zlepšovat pracovní podmínky pro projektování všech, kdo o parametrické projektování projeví zájem.

Součástí tohoto článku je i možnost prohlédnout si interaktivní model předmětného mostu včetně výztuže v prostředí CDE Trimble Connect (zde: http://tiny.cc/Model04) a video s ukázkou parametrické tvorby modelu (zde: https://www.youtube.com/watch?v=Ud9LVlHODOc)

Autoři článku: Michal Marvan, Ondřej Janota, Pavel Vlasák

Článek vyšel v angličtině v mezinárodním, recenzovaném, online časopise e-BrIm o Bridge Information Modelling, str. 22 (https://e-brim.com/wp-content/uploads/e-BrIM-October2022.pdf)