De kloof overbruggen: Computational Design gebruiken om te voldoen aan de hedendaagse infrastructuurvereisten

In de race om onze falende infrastructuur te repareren, kunnen BIM en computationeel ontwerp ons helpen sneller, beter en goedkoper te bouwen

– Mac Little, Computational BIM Lead en Anton Dy Buncio, COO, VIATechnik

De transportinfrastructuur van de VS nadert in een alarmerend tempo een mislukking – de Infrastructure Report Card 2017, uitgegeven door de American Society of Civil Engineers (ASCE), beoordeelde de verschillende vormen van transportinfrastructuur met een D +. Zelfs als we het toepassingsgebied beperken tot alleen bruggen, schat de American Road and Transportation Builders Association dat 7,6% van de bruggenzo'n 47.000 bruggen in de VS die ongeveer 178 miljoen dagelijkse overtochten verwerken – structureel gebrekkig zijn en grote reparaties nodig hebben. Bij ons momenteel afnemende reparatietempo zou het 80 jaar duren om deze problemen op te lossen, om nog maar te zwijgen van de extra 188.000 bruggen die kleinere reparaties nodig hebben. Dit is een onaanvaardbare tijdlijn. Bij VIATechnik hebben we ons gericht op het gebruik van computationele BIM-workflows om dit probleem aan te pakken. Met Grasshopper, Rhino 3D en Tekla Structures combineren we structurele engineering en computationeel ontwerp om de manier waarop we bruggen ontwerpen en bouwen te verstoren. Wij zijn van mening dat deze workflow de middelen en kosten die nodig zijn om onze falende infrastructuur te vervangen, aanzienlijk kan verminderen.

Typische workflow voor brugontwerp en detaillering

Stalen wapeningStalen wapening
Steel Rebar Bridge Foto: Pexels

Op enkele uitzonderingen na wordt een standaard snelwegbrug gebouwd in geprefabriceerde betonnen secties die met een kraan op hun plaats worden gehesen. Dit omvat de bovenbouw van pijlers en liggers die het wegdek ondersteunen. Elk van deze stukken moet zorgvuldig worden ontworpen volgens bepaalde structurele en omgevingsvereisten, waardoor complexe wapeningsontwerpen ontstaan die moeten worden herzien en getest tijdens de ontwerp- en winkeltekeningfase. Tegenwoordig wordt dit meestal uitgevoerd met 2D-software zoals AutoCAD of Microstation. Een brugontwerp wordt opgedeeld in geprefabriceerde secties en vervolgens in typische en atypische details die afzonderlijk worden opgesteld en in een set digitale bladen worden geplaatst. Een model op basis van deze tekeningen kan worden gemaakt en geanalyseerd op capaciteit in een 3D-modelleringsplatform, maar alle wijzigingen of bevindingen moeten worden vastgelegd en teruggevoerd naar het afzonderlijke platform voor het maken van tekeningen. Introduceer elke hoeveelheid complexiteit in de bruggeometrie en de atypische details overtreffen snel de typische en de werklast neemt exponentieel toe. Geen van deze programma's houdt rekening met maakbaarheid of botsende wapening; het zijn meestal louter documentatiehulpmiddelen of structurele analyse. En ze worden gebruikt bij belangrijke projecten. We zien routinematig $ 50 miljoen bruggen met complexe geometrie benaderd met weinig meer technologische innovatie dan een met de hand opgestelde set blauwdrukken.

Deze workflow is bijna volledig handmatig, en zelfs als we veronderstellen dat er in 3D-software zoals Civil 3D wordt geprobeerd delen uit te voeren, kan aanpassing aan veranderingen een proces van weken duren. Een verandering in de algehele bruggeometrie betekent immers dat elke sectie dienovereenkomstig moet worden aangepast. Dit omvat coördinatie tussen meerdere digitale bestanden en gegevens binnen die bestanden. Zelfs als u precies weet wat u moet doen en geen fouten maakt, is de enorme hoeveelheid tijd die dit kost verbazingwekkend. Bovendien kunnen uitzonderlijk complexe brugontwerpen problemen opleveren vanuit een puur geometrisch oogpunt – meerdere lagen van gebogen geometrie zijn aanvankelijk moeilijker te analyseren en in 2D te tekenen en daarom moeilijker te wijzigen. Dit kan vanaf het begin tot gecompromitteerde ontwerpen leiden, aangezien complexere – maar efficiëntere – ontwerpen worden vermeden ten gunste van opties die gemakkelijker in 2D-grenzen passen.

BIM en Computational Design Workflow

Doorsnedeaanzicht van longitudinale brugwapeningDoorsnedeaanzicht van longitudinale brugwapening
Doorsnedeaanzicht van longitudinale brugwapening en membranen gemaakt in Tekla, brugspanners gemodelleerd in Revit Foto: VIATechnik

Maar wat als er een manier was om het hele proces van modellering en winkeltekeningproductie te automatiseren, ongeacht de bruggeometrie? Onze klant benaderde ons met een brugontwerp dat moeilijk nauwkeurig te modelleren bleek in onze 3D-software vanwege de complexe kromming van de tussenliggende diafragma's. Met behulp van een combinatie van Excel, Grasshopper Parametrics, Rhino 3D en Tekla Structures heeft ons team een live-linked model gemaakt dat alleen de echte hoogtepunten van het wegdek gebruikt om een complete bruggeometrie te genereren.

Tekla-modelTekla-model
Axonometrische weergave van brugwapening en membranen in de lengterichting gemaakt in Tekla, brugspanners gemodelleerd in Revit Foto: VIATechnik

Deze hoogtepunten worden ingevoerd in Excel, dat wordt ingevoerd in een aangepast Grasshopper-algoritme dat een conceptueel massamodel genereert, compleet met structurele liggers en pijlers. Met de Grasshopper-Tekla Structures live-link- plug-in kan Grasshopper de geometrie native in Tekla aansturen, waardoor het niet meer nodig is om helemaal opnieuw te modelleren. Het model kan vervolgens worden gevuld met wapeningsstaven tot een extreem hoog detailniveau, die allemaal automatisch worden genummerd en in tekeningen worden uitgevoerd voor fabricage.

BrugwapeningBrugwapening
Axonometrische weergave van brugwapening in lengte- en dwarsrichting gemaakt in Tekla, brugspanners gemodelleerd in Revit Foto: VIATechnik

Met deze workflow werden veranderingen in drastisch kortere tijdsbestekken verwerkt dan traditionele middelen. Het hele proces, van hoogteaanpassingen tot bijgewerkte winkeltekeningen, is een kwestie van dagen. Er is minder toegewijd modelpersoneel voor nodig, waardoor middelen voor andere projecten vrijkomen. Dit vermindert de kans op menselijke fouten aanzienlijk, waardoor de tijd die wordt besteed aan het corrigeren van fouten in tekeningensets en in het veld wordt verminderd. Verder vergroot dit de mogelijkheid van strakkere en nauwkeurigere bouwschema's, waardoor tijd, kapitaal en arbeid wordt bespaard, terwijl de snelheid waarmee projecten kunnen worden voltooid, wordt verhoogd.

3D-weergaven van brugwapening, membranen en verschillende secties gemaakt in Tekla, brugspanners gemodelleerd in Revit Foto: VIATechnik

De toekomst van infrastructuur

Sinds de introductie van de ASCE Infrastructure Report Card is er maar één keer een voldoende gegeven: een C in 1988, het eerste jaar van het rapport. Onze huidige manier van werken werkt helemaal niet . Op het spel staat ongeveer $ 4 biljoen in het bbp en naar schatting 2 miljoen banen verloren in 2025 als de investeringskloof in infrastructuur niet wordt gedicht. Maar het is niet alleen een kwestie van middelen – het is een kwestie van strategie. Nieuwe workflows zoals die we met onze klanten pushen, kunnen onze snelheid van infrastructuurherstel exponentieel verhogen. Het wordt tijd dat we regeringen voorlichten over de mogelijkheden van BIM, computerontwerp en automatisering, zodat ze beleid kunnen opstellen dat de ontwrichting van traditionele middelen en methoden vereist. VIATechnik begint dit al te zien in plaatsen als New York en Arizona – teams moeten nu projecten opleveren via VDC-methoden. De toekomst van onze infrastructuur hangt af van de juiste implementatie van een nieuwe manier van denken, en met deze combinatie van industriële innovatie en onderwijs kunnen we de infrastructuur van ons land van een D + naar minstens een B + krijgen.

Via: AEC