Hungexpo Project, Arrival Hall - μια πραγματική μελέτη με προηγμένη παραμετρική σχεδίαση τεχνολογίας BIM

Εισαγωγή
Η έκθεση Hungexpo Budapest βρίσκεται στη μέση μιας τεράστιας αναδιαμόρφωσης. Αυτό το έργο περιλαμβάνει το νέο κτίριο Arrival Hall όπως αναφέρεται, ένα εντυπωσιακό κτίριο σε σχήμα έλικα. Ένα κτίριο με τέτοια γεωμετρική πολυπλοκότητα απαιτεί προηγμένες μεθόδους σχεδιασμού και συνεργασία πολλαπλών εφαρμογών λογισμικού. Σε αυτό το άρθρο, στοχεύουμε να δώσουμε πληροφορίες και μια συνοπτική εικόνα για την τεχνολογία ανοιχτού περιβάλλοντος BIM και τις παραμετρικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν στη διαδικασία σχεδιασμού.
​Η εταιρεία BIM Design Ltd είχε το βασικό ρόλο στο σχεδιασμό του μοντέλου ως προς το αρχιτεκτονικό μέρος, αλλά στο άρθρο αυτό θα επικεντρωθούμε μόνο στο τμήμα της στατικής μελέτης του μεταλλικού σκελετού του κτιρίου Arrival Hall, στη βελτιστοποίηση της κατασκευής με βάση τα αποτελέσματα της ανάλυσης και στις κατασκευαστικές λεπτομέρειες.

Ο σχεδιασμός πραγματοποιήθηκε στο Rhino και στο Grasshopper και η γεωμετρία της κεντρικής ιδέας αναφέρεται συνοπτικά παρακάτω. Το Consteel χρησιμοποιήθηκε για τη στατική μελέτη καθώς με τη σύνδεση του με το Grasshopper & άλλα plugins του Rhino, έδινε τη δυνατότητα στο μελετητή να ενημερώνει σε πραγματικό χρόνο τα μοντέλα που προέρχονταν από την αρχιτεκτονική μελέτη. Όλες οι αλλαγές στη γεωμετρία του αρχιτεκτονικού μοντέλου ενημέρωναν γρήγορα όλα τα σχέδια και αυτό έδωσε σημαντικά πλεονεκτήματα στους μελετητές, καθώς επίτρεψε γρήγορες, λεπτομερείς και πολύπλευρες έρευνες μέσω των οποίων έγινε η βελτιστοποίηση στην κατασκευή.

Γεωμετρική Πολυπλοκότητα
Η εξωτερική πλευρά του κτιρίου είναι 120° περιστροφικά συμμετρική σε κάτοψη σχηματίζοντας 3 πανομοιότυπα φτερά, με αποτέλεσμα να έχει το σχήμα ενός έλικα. Η επιφάνεια της οροφής τοποθετείται σαν μία τέλεια σφαίρα. Αυτή η σφαίρα έχει μια κυκλική οπή στο κέντρο και κόβεται με περίμετρο σχήματος έλικα στο εξωτερικό. Η κύρια πρόσοψη αποτελείται από 3 κυματιστές ρίγες με ξεχωριστές άκρες. Αυτές οι άκρες είναι οριζόντιες στα χαμηλότερα επίπεδα και συνεχίζουν στο χώρο μέχρι την άκρη της οροφής, αλλά όλες είναι συνηθισμένες καμπύλες με συνεχώς μεταβαλλόμενη καμπυλότητα.

Η κατασκευή μπορεί να χωριστεί σε 3 μέρη: τη δομή της πρόσοψης, τη δομή της οροφής και τα δευτερεύοντα τοιχώματα για τις τεγίδες. Η πρόσοψη αποτελείται από ένα χαλύβδινο σκελετό με δικτυώματα πολλαπλών επιπέδων με τριγωνικές μονάδες πλάτους περίπου 4-5 m. Όλα τα στοιχεία από χάλυβα είναι καμπύλα τμήματα. Τα οριζόντια στοιχεία ακολουθούν την καμπυλότητα της επιφάνειας της πρόσοψης και τα κεκλιμένα υποστυλώματα (διαγώνιες) είναι ευθύγραμμα. Η οροφή είναι κατασκευασμένη από ακτινικά και περιφερειακά στοιχεία με διαγώνιο στήριγμα. Τα ακτινικά στοιχεία είναι καμπυλωμένα προς την επιφάνεια της σφαίρας και τα περιφερειακά στοιχεία μεταξύ τους είναι ευθείες δοκοί. Τα τοιχώματα στέκονται σε ένα καθορισμένο κατακόρυφο επίπεδο εναρμονισμένο με την εξωτερική διάταξη της επένδυσης.

​Η ιδιαιτερότητα του κτηρίου, δηλαδή η περιστροφική συμμετρία των 120°, εφαρμόζεται στο μεγαλύτερο μέρος της μεταλλικής κατασκευής. Αυτή η ιδιότητα, χρησιμοποιήθηκε σωστά, και έτσι μειώθηκε ο αριθμός των μοναδικών στατικών τμημάτων στο ένα τρίτο. Ένα βασικό στοιχείο στο σχεδιασμό ήταν ότι, η λαμβανόμενη γεωμετρία από το αρχιτεκτονικό μοντέλο διορθώθηκε για να ικανοποιήσει αυτήν την ιδιότητα, με αποτέλεσμα να υπάρχει μία τέλεια συμμετρική γεωμετρία περιστροφής στο κλάσμα ενός μm.

Τμήματα και Τυποποίηση
Όλα τα κατασκευαστικά στοιχεία έπρεπε να χωριστούν σε κάποιο μέγεθος για να παραδοθούν στο εργοτάξιο. Το κύριο μέγεθος της πρόσοψης της κατασκευής ήταν ένα τρίγωνο 4 μέτρων, το οποίο δυστυχώς δεν ήταν το πιο κατάλληλο για να τυποποιηθεί και να μεταφερθεί οδικώς στο έργο. Για το σκοπό αυτό διερευνήθηκαν τρεις διαφορετικές στρατηγικές διαχωρισμού των τμημάτων χρησιμοποιώντας παραμετρική ομαδοποίηση στοιχείων. Αυτές οι ιδέες κάλυψαν λύσεις από τα μικρότερα τμήματα (συνδέσεων και δοκών) έως καμπύλα δικτυώματα των 5 m εως 20 m. Και οι 3 περιπτώσεις αναλύθηκαν σε συνεργασία με τον κατασκευαστή και τον ανυψωτή, με αποτέλεσμα να προκύψει ένα μείγμα συνδέσεων και δοκών, και μικρότερα δικτυώματα να επιλέγονται για τον λεπτομερή σχεδιασμό με δοκάρια ύψους 2m κατ' ανώτατο όριο στις εισόδους.

Η δομή της οροφής μελετήθηκε με τον ίδιο τρόπο, αλλά το αποτέλεσμα ήταν όλα τα στοιχεία να μειωθούν σε δοκούς χωρίς να σχηματίσουν δικτυώματα.
Σημειώνεται ότι αυτές οι παραμετρικές έρευνες απαιτούν μέτρια προσπάθεια σχεδιασμού σε ένα πρώιμο στάδιο του έργου, αλλά επηρεάζουν σημαντικά το κόστος και τον χρόνο στις προμήθειες, την κατασκευή, την παράδοση, τις απαιτήσεις της τοποθεσίας, την ανέγερση και ούτω καθεξής. Για να κατανοηθούν καλύτερα όλα αυτά και για να παρουσιαστεί ο τρόπος με τον οποίο ελήφθησαν οι αποφάσεις γίνεται αναφορά στα παρακάτω μοντέλα.

Λαμβάνοντας υπόψη την τμηματική παράδοση στο έργο, ένας άλλος κρίσιμος στόχος ήταν ο εξορθολογισμός των συνηθισμένων καμπυλωτών τεγίδων, διατηρώντας παράλληλα τη δομή οπτικά ελκυστική. Οι καμπύλες χωρίστηκαν σε ευθύγραμμα τμήματα και σε επίπεδα τμήματα τόξου. Τα καμπύλα τμήματα κόπηκαν κάθετα προς την κεντρική γραμμή και η διαφορά γωνίας που προέκυπτε κοβόταν πάντα σε ευθύγραμμα τμήματα.
Ο κατασκευαστής απαιτούσε να μειώσει στο ελάχιστο τις επί τόπου συγκολλήσεις, επομένως επιλέχθηκαν οι κοχλιωτές συνδέσεις για τις περισσότερες από τις συνδέσεις που γίνονταν επί τόπου. Οι κοχλιωτές συνδέσεις τυποποιήθηκαν για κάθε διατομή, ώστε να επιτρέπεται η συνεχής προ-παραγωγή πανομοιότυπων εξαρτημάτων από τους κατασκευαστές που είχαν αναλάβει τη συναρμολόγηση και τις συγκολλήσεις. Ως αποτέλεσμα, περισσότερα από 2000 υποσυστήματα σύνδεσης κατασκευάστηκαν με μόνο 7 διαφορετικούς τύπους σύνδεσης.
Η τυποποίηση των δομών οροφής προήλθε από τη σφαιρική γεωμετρία της οροφής, καθώς το άνω μισό των ακτινικών δοκών και οι περιφερειακές δοκοί ήταν πανομοιότυπες πάνω σε έναν δεδομένο κύκλο, και η γεωμετρία του αρχιτεκτονικού μοντέλου ήταν η ίδια. Η μόνη προϋπόθεση ήταν να διατηρηθούν τα μέρη σύνδεσης αυτών των στοιχείων ίδια.

​Δομικός Υπολογισμός και τυποποίηση Σχεδιασμού
​Αφού το μοντέλο χωρίστηκε σε επί μέρους τμήματα, τα καμπύλα στοιχεία εξορθολογίστηκαν σε πραγματικά μέρη παραγωγής, οπότε το επόμενο βήμα ήταν ο έλεγχος της δομικής συμπεριφοράς και ο έλεγχος των διατομών. Για αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκε το Consteel σε συνδυασμό με το Grasshopper και το πρόσθετο plugin Pangolin καθώς το περιβάλλον εργασίας των προγραμμάτων επιτρέπει τη σύνδεση σε πραγματικό χρόνο μεταξύ του Grasshopper και του μοντέλου στο Consteel. Αξίζει να αναφέρουμε ότι τα αποτελέσματα των αναλύσεων του ConSteel ενημερώνουν το μοντέλο του Grasshopper ενώ ο χρήστης του προγράμματος μπορεί να δημιουργήσει σχεδόν όλα τα διαθέσιμα αντικείμενα του Consteel μέσα στο Grasshopper όπως η γεωμετρία, τα υλικά, τις διατομές, τα δομικά στοιχεία, τις στηρίξεις, τα φορτία και τις ομάδες φορτίων.

Τα διάφορα συστατικά του μαθηματικού μοντέλου του ConSteel μπορούν να προβληθούν στο περιβάλλον του Rhino, μέσω των αυτόματων ενημερώσεων του κώδικα εντολών του Grasshopper και έτσι ο μελετητής μπορεί εύκολα και γρήγορα να δημιουργεί πολλαπλά σενάρια και να δημιουργεί εκ νέου κάθε μοντέλο. 

Οι συντελεστές δράσεων του ανέμου και οι αντίστοιχες φορτίσεις δεν καθορίστηκαν από επιτόπιες μετρήσεις καθώς η δοκιμασίες σε σήραγγα δοκιμών δεν ήταν διαθέσιμες ενώ παράλληλα στους ευρωκώδικες δεν υπάρχουν εξισώσεις για τον καθορισμό των φορτίων σε τέτοιας μορφής κατασκευή. Ως αποτέλεσμα, υπολογίσθηκαν οι φορτίσεις στις προσήνεμες πλευρές, στις υπήνεμες και στα πλευρικά τμήματα με βάση την γωνία πρόσπτωσης του ανέμου σε κάθε πάνελ. Η κατασκευή χωρίστηκε σε 4 ίσα τμήματα για κάθε πλευρά ανέμου. Οι υπολογισμοί έγιναν για γωνίες μεταξύ 315°-45° για την προσήνεμη ζώνη, μεταξύ 45°-135° και 225°-315° για τους πλευρικούς τοίχους, και μεταξύ 135°-225° για την υπήνεμη ζώνη. Η στέγη θεωρήθηκε ως μία δίρριχτη στέγη με απότομες ακραίες περιοχές. Συνολικά εξετάστηκαν 12 διαφορετικές διευθύνσεις ανέμου, κάθε μία με απόσταση 30° από την προηγούμενη, αλλά αργότερα μειώθηκαν σε 6 βασικές σχεδόν παράλληλες ή κάθετες στην πλειοψηφία της όψης.

Η ανάλυση, η διαστασιολόγηση και οι απαραίτητοι έλεγχοι για τη στατική μελέτη εκτελέστηκαν αυτόματα από το Consteel για την ευστάθεια, τις σεισμικές δράσεις και την λειτουργικότητα της κατασκευής με τη χρήση του μοντέλου που προήλθε απευθείας μέσα από το Rhino, το Grasshopper και το Pangolin, με αποτέλεσμα να εξοικονομηθεί σημαντικός χρόνος για την ολοκλήρωση της μελέτης. Όλα τα στατικά στοιχεία έγιναν εξαγωγή στο ConSteel συμπεριλαμβανομένων των στοιχείων σκυροδέματος και χάλυβα με τα φορτία και τις στηρίξεις τους, στην ανάλυση ελήφθη υπόψη το σύνολο του κτιρίου ενώ οι έλεγχοι έγιναν στα μεταλλικά στοιχεία αυτόματα.

Ο μοναδικός αλγόριθμος ανάλυσης του ConSteel σε συνδυασμό με την πλούσια βιβλιοθήκη διατομών επίτρεψε τον αυτόματο υπολογισμό και τον έλεγχο όλων των στοιχείων μιας κατασκευής αυτόματα, συμπεριλαμβανομένων των εσωτερικών δυνάμεων, ροπών και των εκτός επιπέδου στροφών οι οποίες προκαλούν σημαντικές καμπτικές και στρεπτικές παραμορφώσεις στα περιμετρικά δοκάρια του εσωτερικού δακτυλίου. 

Οι έλεγχοι λυγισμού των μελών για κάθε πιθανή μορφή λυγισμού εκτελέστηκε με την πλήρως αυτοματοποιημένη διαδικασία που έχει το ConSteel και βασίζεται στη “Γενική μέθοδο” όπως αυτή περιγράφεται στο κεφάλαιο 6.3.4 του EN1993-1-1 καθώς και με την βελτιωμένη μέθοδο καθολικής ελαστικής ανάλυσης λυγισμού. Οι κατάλληλες τιμές λυγηρότητας προσδιορίστηκαν από την ειδική μέθοδο ανάλυσης ευαισθησίας που διαθέτει το πρόγραμμα, μέσω της οποίας επιλέγονται τα κρίσιμα μέλη για όλες τις σχετιζόμενες μορφές λυγισμού.

Οι βασικές συνδέσεις σε μεταλλικές κατασκευές μπορούν να δηαστασιολογηθούν μέσω του προγράμματος csJoint το οποίο περιλμβάνεται στο βασικό μενού του CoSteel. Στη συγκεκριμένη μελέτη οι συνδέσεις των δικτυωμάτων εκτελέστηκαν συμπληρωματικά με το πρόγραμμα ΙDEA StatiCa. Αξίζει να σημειωθεί ότι παρόμοιες συνδέσεις είχαν ομαδοποιηθεί και είχαν ονομαστεί με συγκεκριμένο όνομα στο Grasshopper με σκοπό την ομαδική επιλογή τους. Αυτές οι ιδιότητες χρησιμοποιήθηκαν ως φίλτρα επίσης για την εύκολη αναζήτηση των κυρίαρχων δυνάμεων και της γεωμετρίας σε κάθε τύπο σύνδεσης. Το λογισμικό αυτό βοήθησε επίσης τους μελετητές στην εξαγωγή των λεπτομερειών των συνδέσεων στο πρόγραμμα TEKLA στο οποίο μεταφέρθηκε επίσης ολόκληρη η γεωμετρία, τα υλικά και τα συστατικά κάθε σύνδεσης. 

3D Μοντελοποίηση και κατασκευαστικές λεπτομέρειες
Για την παραγωγή των σχεδίων και για τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Tekla Structures 2019. Να σημειωθεί ότι το Tekla Structures έχει επίσης σύνδεση με το Grasshopper, μέσω του Tekla Live Link plugin. Σήμερα, ολόκληρα μοντέλα του Tekla μπορούν να αναπαραχθούν μέσω των γραμμών κώδικα του Grasshopper, συμπεριλαμβανομένων όλων των απαιτούμενων ιδιοτήτων όπως οι διατομές, τα υλικά, οι συγκολλήσεις, οι κοχλίες, οι ομάδες στοιχείων που κατασκευάζονται σε διάφορες φάσεις της κατασκευής κλπ. Στο συγκεκριμένο έργο το μοντέλο του Tekla  παρήχθη κατά 95% μέσω του κώδικα του Grasshopper.
Αυτή η μέθοδο επιτρέπει την σε βάθος εξερεύνηση της βέλτιστης γεωμετρικής λύσης σε μία κατασκευή, με στόχο την μείωση του συνολικού κόστους. Μετά την παραγωγή του μοντέλου του TEKLA, ολοκληρώθηκαν και τα απαραίτητα 2D σχέδια.

Έλεγχος διαδικασίας ανέγερσης και κατασκευής.
​Η ακρίβεια στις μεταλλικές κατασκευές αποτελεί κλειδί για ολόκληρη την πορεία του έργου. Από τα πρώτα στάδια αυτού του έργου διεξήχθησαν έλεγχοι κάμψης σε σωληνωτές διατομές και στις δοκούς μορφής και συλλέγηκαν τα ακριβή αποτελέσματα τα οποία έδειξαν ότι δεν υπήρχε ασυμφωνία μεταξύ των αναλύσεων και των δοκιμών. Οι αποκλίσεις στα ύψη των μελών ήταν κάτω από ±5 mm, και τα μήκη ήταν εντός των προβλεπόμενων ορίων για ευθύγραμμα μέλη. 
Καθώς η διαδικασία διαχωρισμού της κατασκευής σε μικρότερα τμήματα είχε τυποποιηθεί, 'ήταν ευκολότερο να γίνει και η έρευνα της ακρίβειας των επιμέρους συστατικών της κατασκευής που θα συναρμολογούνταν αργότερα. Μία από τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή ήταν και η μέτρηση με 3D γεωδαιτικό σταθμό. Τα στοιχεία που μετρήθηκαν συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα δεδομένα του μαθηματικού μοντέλου και ταίριαξαν απόλυτα ενώ στα συνδετικά μέλη, όπου υπήρχαν αποκλίσεις έγιναν πρόσθετοι υπολογισμοί.  Στο τέλος, ο κατασκευαστής αποφάσισε να χρησιμοποιήσει την μέθοδο αυτή όχι μόνο για τον έλεγχο αλλά και για την τοποθέτηση των συνδεδεμένων μελών στις τελικές θέσης συγκόλλησης.

Για την ανέγερση εκτελέστηκε μία δοκιμή με τα μεγαλύτερα τμήματα της πρόσοψης για να αποδειχτεί η συμβατότητα των συστατικών.  Τα πιο ισχυρά καμπύλα τμήματα επιλέχθηκαν και συναρμολογήθηκαν σε οριζόντια θέση. Κατόπιν, μετρήθηκε η κατασκευή και επιβεβαιώθηκε ότι δεν υπήρχαν αποκλίσεις στην ακρίβεια. Οι μετρήσεις των κατασκευαστών εισήχθησαν εκ νέου στο Grasshopper, με σκοπό τον επαναπροσδιορισμό της ακρίβειας και των συνδέσεων.  Μετά όλα τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν σε 3D μορφή μέσα στο περιβάλλον του Τekla και ως αρχεία BIΜ, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των ελασμάτων της συναρμολόγησης.

Προς το παρόν η συναρμολόγηση της μεταλλικής κατασκευής είναι σε εξέλιξη και έχει προγραμματιστεί μία 3D σάρωση για τα επόμενα βήματα. Στη συνέχεια οι μετρήσεις θα χρησιμοποιηθούν για την τοποθέτηση του δευτερεύοντος συστήματος τεγίδων στην κατασκευή. Τα ξεχωριστά τμήματα των προβόλων θα συγκολληθούν στο έργο και θα είναι αυτά που θα στηρίξουν τα πάνελς της εξωτερικής επένδυσης. ​

​Αρχιτεκτονική μελέτη: Finta és Társai Építész Stúdió Ltd. 
Στατική μελέτηr: Hydrastat Ltd. 
Σχεδιασμός λεπτομερειών: BIM Design Ltd. 
Κατασκευαστής: KÉSZ Ipari Gyártó Ltd. 
Ανέγερση μεταλλικής κατασκευής KÉSZ Metaltech Ltd. 
Ομάδα στατικής μελέτης: 1 πολιτικός μηχανικός, 2 τελειόφοιτοι πολιτικοί μηχανικοί με μερική συμβολική στο έργο, 1 full-time σχεδιαστής για 9 μήνες.
Συνολική επιφάνεια 2700m2,
Βάρος 750 τόνοι χάλυβα 
2000 τμήματα συνδέσεων στις όψεις
800 τμήματα στις τεγίδες