Оптимальный подкласс геодезических оболочек в общем технологическом цикле проектирования и расчета покрытий строительных объектов

Оптимальный подкласс геодезических оболочек в общем технологическом цикле проектирования и расчета покрытий строительных объектов

А.Н.Супрун, А.Я.Лахов

В работе вводится подкласс OGS геодезических оболочек со следующими свойствами: каждый элемент в OGS представлен в электронном виде, геодезическая разбивка выполнена на полной сфере, геометрия разбивки отвечает требованиям некоторой определённой компьютерной программы прочностного расчета.

Ключевые слова: геодезические купола, оптимальный подкласс геодезических оболочек, база данных параметрических объектов геодезических куполов, трансляция геометрических моделей ArchiCAD-Patran, расчёт геодезических куполов.

Optimum Subclass of Geodesic Shells in the General

Work Cycle of Designing and Analysis of Building Objects

Shells. By A.N.Suprun, A.Ya.Lakhov

In this paper a subclass of OGS of geodesic shells is introduced. This subclass has the following properties: each element in the OGS is presented in electronic form, the geodesic breakdown is performed on a full sphere and the breakdown geometry meets the requirements of some specific computer strength analysis program.

Keywords: geodesic domes, the optimum subclass o geodesic shells, the database of parametric objects of geodesic domes, translation of geometric models ArchiCAD-Patran, analysis of geodesic domes.

Геодезические оболочки - класс пространственных конструкций, формообразование которых основывается на разбиении поверхности сферы геодезическими линиями, - были предложены Р.Б. Фуллером (США) [1] и М.С. Туполевым (СССР) [2]. Этот вид покрытий строительных объектов заинтересовал проектировщиков в связи с эстетической привлекательностью, достигаемой только пластикой разбивки, и весьма ограниченным числом типоразмеров в случае выполнения конструкции из сборных элементов. Результаты исследования проблемы геодезических разбивок опубликованы в многочисленных научных статьях и монографиях [3-11].

В настоящее время большой интерес представляет построение оптимальных, в смысле минимума типоразмеров, конструкций геодезических оболочек [8-10]. Следует заметить, что не менее значимой для строительства является проблема оптимальности с использованием других критериев. Например, проектирование объектов, оптимальных относительно затрат времени в общем технологическом цикле проектирования и расчёта на прочность.

Действительно, основными недостатками применения геодезических оболочек остаётся, во-первых, большая трудоёмкость геометрических расчётов при разрезке сферы на элементы и, во-вторых, необходимость построения геометрической части расчётной схемы обычно заново в соответствии с требованиями вычислительной программы, которая предназначена для выполнения расчётов покрытия зданий на прочность и устойчивость. Следует заметить, что первый недостаток успешно преодолевается применением специализированных графических программных средств.

В области архитектурно-строительного проектирования - это международные CAD-системы (AutoCAD, ArchiCAD, AutoDesk Revit и др.) и отечественные CAD системы (КОМПАС, bCAD, T-FLEX CAD). В области прочностных расчётов - это международные CAE-системы (Ansys, Nastran, SoLidWorks и др.) и отечественные CAE-системы (АРМ Civil Engineering, nanoCAD Механика, T-FLEX Анализ). Однако CAD системы не ориентированы на удовлетворение требований CAE-систем. Главный недостаток отдельного решения проблемы проектирования и расчёта на прочность - несовместимость геометрических моделей CAD- и CAE-систем.

Обмен данными между CAD- и CAE-системами может быть выполнен с использованием прямой или непрямой трансляции на основе нейтральных форматов [12; 13]. Развитие САПР этого типа позволило перейти к расчёту модели всего строительного объекта в целом.

С середины 1990-х - начала 2000-х годов выполнялось применение интегральных «проектно-расчётных» программных средств (Visual Analysis, Cadre Pro, Robot), в которых проблемы обмена данными решались внутри ПС. Однако этот подход имел другие недостатки: CAD-программа, разработанная как расширение CAE-программы, не достигала по уровню интерфейса специализированных CAD-программ, CAE-программа, разработанная как расширение CAD-программы, имела ограниченные возможности при выполнения расчётов. Кроме того, ПС данного типа обеспечивали проектирование и расчёт только отдельных элементов конструкций объектов.

С начала 2000 годов в области автоматизации проектирования и расчёта строительных объектов наметился переход к реализации концепции BIM (информационной модели здания) [14; 15], которая характеризуется включением в BIM-модель всех подсистем здания при использовании библиотек параметрических объектов. Подобные CAD-CAE-системы могут быть интегральными (Building design suite фирмы AutoDesk) или модульными (GeoTran - ArchiCAD+Patran/Nastran). В на-

стоящее время в ННГАСУ разрабатывается CAD-CAE система модульного типа (названная GeoTran), позволяющая на специальном подклассе (OGS - optimum geodesic subclass) геодезических оболочек выполнять оптимальное по трудоёмкости проектирование и расчёт на прочность строительных объектов. Подкласс OGS геодезических оболочек - это помещённые в библиотеку GeoDome сферические оболочки с геодезической разбивкой на элементы. Оболочки класса OGS не должны содержать следующие противоречия геометрического типа: совпадения элементов, частичное совмещение элементов, пропуски элементов. Анализ показал, что не все известные алгоритмы разбивок исключают указанные противоречия.

Система GeoTran включает подсистемы проектирования на основе ArchiCAD и расчёта на прочность на основе MSC Software Patran/Nastran. В качестве обеспечивающих подсистем используются библиотека параметрических объектов геодезических оболочек GeoDome, библиотека трансляторов ArchiCAD-Patran, библиотека моделирования внешних воздействий на языке PCL, библиотека моделей разрушений на языке Visual C++.

База данных (БД) библиотечных объектов ArchiCAD геодезических куполов расширяет возможности ArchiCAD. Библиотечные объекты, реализующие одноконтурные и двухконтурные геодезические купола, написаны на языке GDL. Они позволяют формировать геометрические модели геодезических куполов. БД GeoDome реализована в виде библиотеки ArchiCAD. Эта библиотека представляет собой набор папок и внешних файлов, которые можно использовать в проектах. Для библиотеки GeoDome создан файл библиотечного контейнера LibraryGeoD.lcf. Библиотечные контейнеры содержат целые библиотеки с их структурой. БД GeoDome имеет открытую архитектуру, то есть допускает дополнение новыми классами геодезических оболочек. Возможные варианты новых классов могут быть основаны на логической классификации геодезических оболочек [16].

Задача обмена данными о геометрических моделях геодезических куполов между CAD-системой ArchiCAD и CAE-системой Patran/Nastran была решена с использованием прямой трансляции. ArchiCAD может сохранять геометрические модели в различных 3D-форматах и CAD-форматах. Препроцессор расчёта Patran может читать геометрические модели в форматах, не совпадающих с форматами ArchiCAD. То есть выполнение обмена данными штатными средствами не представляется возможным. Однако в Patran есть возможность создавать гео-

CAD

ArchiCAD

Библиотека Библиотека

GeoDome - GeoDome -

реализован- новые классы

ные классы

Библиог с i;a

Тгз nslat ОГ5

CAE

PatTan Nastran Dytran

Библио- Библио-

тека п/п тека п/п

нагрузок разруше-

нии

Рис. 1. Структурная схема системы GeoTran

метрические модели программным способом, используя файлы сессии в виде последовательностей операций конструирования. С использованием данной возможности на языке программирования Visual Basic были написаны специализированные трансляторы OBJ-SES [17; 18] отдельно для одноконтурных и двухконтурных геодезических оболочек.

Подсистема расчёта позволила решить задачи расчёта геодезических оболочек на различные воздействия. Например, взрывное воздействие на деформируемые, а также на разрушаемые геодезические купола.

Разработанная система проектирования и расчёта геодезических куполов GeoTran [19] основана на использовании существующих мощных CAD- и CAE-системах, предлагающих широкие возможности для архитектурного проектирования и расчёта на прочность и устойчивость методом конечных элементов. GeoTran основана на расчётной модели оптимального подкласса геодезических оболочек. Система GeoTran предоставляет возможности дальнейшего развития за счёт разработки новых классов оболочек.

Литература

1. Fuller, R.B. Geodesic dome / R. В. Fuller // Perspecta. -1952. - № 1. - Р. 30-33.

2. Туполев, М.С. Новый тип крытого тока / М.С. Туполев // Колхоз. пр-во. - 1951. - № 6. - С. 5-6.

3. Попов, А.А. Проект купольного павильона пролётом 160 м / А.А. Попов // Труды Московского архитектурного института (1959-1961 г.г.). -М., 1961. - Вып.1.

4. Павлов, Г.Н. Композиционное формообразование кристаллических куполов и оболочек / Г.Н. Павлов // Архитектура СССР. - 1977. - № 2. - C. 30-41.

5. Павлов, Г.Н. Автоматизация архитектурного проектирования геодезических куполов и оболочек: монография / Г.Н. Павлов, А.Н. Супрун; Нижегор. гос. архитекур.-строит. ун-т. - Н.Новгород: ННГАСУ, 2006, -162 с.

6. Pavlov, G.N. Methods of virtual architectural designing of geodesic domes and multi-petal shells. // Space Structures 5. Thomas Telford. - London, 2002. - Vol. 1. - P. 673-681.

7. Pavlov, G.N. Geodesic domes bounded by symmetrical mainly hexagonal elements / G.N. Pavlov // International journal of space structures. 1994, Vol. 9, # 19, P. 53-66.

8. Современные конструкторско-технологические решения сферической оболочки / В.И. Травуш, В.Д. Антошкин, В.Т. Ерофеев, С.С. Гудошников // Строительство и реконструкция.

- 2012. - № 6 (44). - С. 45-55.

9. Конструктивно-технологические возможности сборных сферических оболочек / В.И. Травуш, В.Д. Антошкин, В.Т. Ерофеев, С.С. Гудошников // Строительство и реконструкция.

- 2013. - № 6 (50). - С. 36-48.

10. Исследование конструктивно-технологических возможностей сборных сферических оболочек // В.И. Травуш, В.Д. Антошкин, И.В. Ерофеева, С.С. Гудошников // Региональная архитектура и строительство. - 2014. - № 2. - С. 89-101.

118

3 2017

11. Супрун, А.Н. Автоматизированное проектирование и расчёт на прочность одноконтурных геодезических оболочек из плоских элементов / А.Н Супрун, Л. М. Дыскин, А.Ю. Платов, А.Я. Лахов // Вестник МГСУ. - 2012. - № 8. - С. 226-233.

12. Housmand, M. Introducing a road-map to implement the universal manufacturing platform using the methodology of axiomatic design / M. Housmand, A. Mokhar // Proceeding of ICAD 2009 The Fifth Int. Conference on Axiomatic Design. Campus de Caprica. - March 25-27, 2009. ICAD 2009 - 06. - P. 1-8.

13. A Review and Comparison of IGES and STEP / S. Marjudi, M.F.M. Amran, K.A. Abdallah, S. Widyarto, N.A.A. Majid, R. Saliman // World Academy of Science, Engineering and Technology, 62. - 2010. - P. 1013-1017.

14. Талапов, В.В. Основы BIM: введение в информационное моделирование зданий / В.В. Талапов. - М: ДМК Пресс, 2011. - 392 с.

15. Технология BIM для архитекторов. Autodesk Revit Architecture 2010. Официальный учебный курс (+ CD-ROM) / Редактор: Д. Мовчан. - М.: ДМК Пресс, 2010 - 608 с.

16. Lakhov, A.Ya. Logical classification of geodesic shells and domes / A.Ya. Lakhov // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2017, Т. 12. - № 5. - C. 1547-1553.

17. Лахов, А.Я. Трансляция геометрических моделей одноконтурных геодезических оболочек / А.Я. Лахов // Приволжский научный журнал. - 2012. - № 3. - С. 89-93.

18. Лахов, А.Я. Транслятор геометрических моделей двухконтурных геодезических оболочек ArchiCAD - Patran / А.Я. Лахов // КОГРАФ 2013: материалы научно-технической конференции. - Н. Новгород, 2013. - С. 161-165.

19. Лахов, А.Я. Система проектирования и расчёта геодезических куполов с открытой архитектурой: монография/ А.Я. Лахов. - Воронеж: Научная книга, 2015. - 160 с.

Literatura

2. Tupolev M.S. Novyj tip krytogo toka / M.S. Tupolev // Kolhoz. pr-vo. - 1951. - № 6. - S. 5-6.

3. Popov A. A. Proekt kupol'nogo pavil'ona proletom 160 m / A.A. Popov // Trudy Moskovskogo arhitekturnogo instituta (1959-1961 g.g.). -M., 1961. - Vyp.1.

4. Pavlov G.N. Kompozitsionnoe formoobrazovanie kristallicheskih kupolov i obolochek / G.N. Pavlov // Arhitektura SSSR. - 1977. - № 2. - C. 30-41.

5. Pavlov G.N. Avtomatizatsiya arhitekturnogo proektirovaniya geodezicheskih kupolov i obolochek: monografiya / G.N. Pavlov, A.N. Suprun; Nizhegor. gos. arhitekur.-stroit. un-t - N.Novgorod: NNGASU, 2006, -162 s.

8. Sovremennye konstruktorsko-tehnologicheskie resheniya sfericheskoj obolochki. / V.I. Travush, V.D. Antoshkin, V.T. Erofeev, S.S. Gudoshnikov //Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. -2012. - № 6 (44). - S. 45-55.

9. Konstruktivno-tehnologicheskie vozmozhnosti sbornyh sfericheskih obolochek / V.I. Travush, V.D. Antoshkin, V.T. Erofeev, S.S. Gudoshnikov // Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. Orel, Gosuniversitet - NPK, 2013, № 6 (50). - S. 36-48.

10. Issledovanie konstruktivno-tehnologicheskih vozmozhnostej sbornyh sfericheskih obolochek // V.I. Travush, V.D. Antoshkin, I.V. Erofeeva, S.S. Gudoshnikov // Stroitel'nye konstruktsii, zdaniya i sooruzheniya. - 2014. - № 2. - S. 89-101.

11. Suprun A.N. Avtomatizirovannoe proektirovanie i raschet na prochnost' odnokonturnyh geodezicheskih obolochek iz ploskih elementov / A.N Suprun, L. M. Dyskin, A.Yu. Platov, A.Ya. Lahov // Vestnik MGSU. - 2012. - № 8. - S. 226-233.

14. Talapov V.V. Osnovy BIM: vvedenie v informatsionnoe modelirovanie zdanij / V.V. Talapov. - M: DMK Press, 2011. - 392 s.

15. Tehnologiya BIM dlya arhitektorov. Autodesk Revit Architecture 2010. Ofitsial'nyj uchebnyj kurs (+ SD-ROM) / Redaktor: D. Movchan. - M.: DMK Press, 2010 - 608 s.

17. Lahov A.Ya. Translyatsiya geometricheskih modelej odnokonturnyh geodezicheskih obolochek / A.Ya. Lahov // Privolzhskij nauchnyj zhurnal. - 2012. - № 3. - S. 89-93.

18. Lahov A.Ya. Translyator geometricheskih modelej dvuhkonturnyh geodezicheskih obolochek ArchiCAD - Patran / A.Ya. Lahov // KOGRAF 2013: materialy nauchno-tehnicheskoj konferentsii. - N. Novgorod, 2013. - S. 161-165.

19. Lahov A.Yа. Sistema proektirovaniya i rascheta geodezicheskih kupolov s otkrytoj arhitekturoj: monografiya/ A.Ya. Lahov. - Voronezh: Nauchnaya kniga, 2015. - 160 s.