Korkeiden rakennusten hankekehitysvaiheen stabiliteettimallin luonti algoritmiavusteisesti
Hirvikoski, Matias (2019)
Hirvikoski, Matias
2019
Rakennustekniikan DI-tutkinto-ohjelma
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-11-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201911186041
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201911186041
Tiivistelmä
Suomessa kaupungistuminen ohjaa tiiviimpään rakentamiseen ja täten usein korkeampiin rakennuksiin. Hankekehitysvaiheessa määritetään rakennukseen valitun rakennejärjestelmän toteutettavuus ja toimivuus. Korkeiden rakennusten rakennejärjestelmien analysoinnin monimutkaisuus haastaa usein kokeneenkin suunnittelijan. Analysointia varten tyypillinen tapa on luoda erilliseen laskentaohjelmaan stabiliteettimalli, jolla rakenteen kokonaistarkastelu voidaan suorittaa FEM-analyysin avulla. Yhtenä haasteena lähestymistavassa on stabiliteettimallin luonnin työläys: koko malli joudutaan luomaan lähes tyhjästä ennen kuin tuloksia päästään analysoimaan.
Tässä tutkimuksessa tutkitaan algoritmiavusteisen suunnittelun soveltumista stabiliteettimallin luontiin. Suunnittelumenetelmien kehittymisen myötä algoritmiavusteinen suunnittelu on yleistynyt arkkitehtisuunnittelun lisäksi myös rakennesuunnittelussa. Kirjallisuudesta löytyvät algoritmiavusteisen suunnittelun tunnistetut sovelluskohteet ovat toisaalta geometrisesti monimutkaiset kohteet, ja toisaalta toistuvat rakenteet.
Stabiliteettimallin luontiin käytettävissä olevat lähtötiedot vaihtelevat kohdekohtaisesti. Diplomityössä tiedonkeruumenetelmänä käytetty avoin haastattelututkimus määritteli perinteistä stabiliteettimallin luontiprosessia. Haastattelutulosten mukaan haasteena ovat lähtötietojen varianssi ja toisaalta prosessin aikana ilmenevät suuretkin muutokset kohteen tietoihin. Avoimen haastattelututkimuksen tulosten mukaan suunnittelijoiden käyttämät ohjelmistot eivät myöskään tue joustavasti muutosten tekemistä tai lähtötiedon muokkaamista suoraan oikeaan muotoon.
Stabiliteettimallin tarkoitus pohjaa rakennesuunnittelua ohjaaviin eurokoodeihin. Luotavan algoritmiavusteisen prosessin tulee mahdollistaa lähtötietojen erilainen määrä, jotta voidaan taata tarkoituksenmukainen lopputulos vaihtelevissa projekteissa. Tutkimuksessa luotava stabiliteettimallin luontiprosessi on koostettu modulaarisesti erilaisista alaosista kolmen pääosan alle. Ensimmäinen pääosista on lähtötietojen kerääminen, toinen objektimallin hienosäätö laskentamallin tarkkuustasoon ja kolmas varsinaisen stabiliteettimallin luonti laskentaohjelmaan. Modulaarisella rakenteella helpotetaan prosessin ylläpitoa ja mahdollistetaan ketterä jatkokehitys uusilla moduuleilla.
Tutkimuksessa luodusta algoritmiavusteisesta stabiliteettimallin luontiprosessista voidaan puhua puoliautomaattisena kokonaisuutena. Työssä havaittiin, että lähtötietojen varianssi vaati ensin manuaalista yhtenäistämistä ja jäsentelyä, jotta algoritmiavusteinen prosessi olisi toimintavarmaa. Tutkimuksen mukaan tämä ensimmäisen vaiheen lähtötietojen muokkaaminen kuitenkin jäsentelee myös rakennesuunnittelijan näkemystä rakennejärjestelmästä ja luo säännönmukaiset raamit arkkitehtisuunnitelmien tarkastamiseen järjestelmän toimivuuden suhteen. Täysin algoritmisia prosesseja ovat lähtötietojen koostaminen objektimalliin, objektimallin tietosisällön rikastaminen ja mittatarkkuuden siistiminen sekä varsinainen stabiliteettimallin luonti.
Tutkimuksessa luodut algoritmit ja lähtötietomääritykset osoittautuivat tapaustutkimuksessa joustaviksi hyvin erilaisille kohteille. Vastaavasti luotu systeemi tukee perinteistä stabiliteettimallin luontiprosessia huomattavasti paremmin muutosten viemistä osaksi prosessia, koska suunnittelijan manuaalisesti määriteltävät lähtötiedot ovat yksinkertaisessa muodossa. Tutkimuksessa kuitenkin korostetaan rakennesuunnittelijan roolin tärkeyttä osana prosessia. Algoritmille syötettävien lähtötietojen tarkoituksenmukaisuus, tehtyjen valintojen vaikutukset ja luotavan mallin tarkkuustaso ovat rakennesuunnittelijan harkinnan varassa samoin kuin luotavan mallin käyttötapa analysoinnissa.
Tässä tutkimuksessa tutkitaan algoritmiavusteisen suunnittelun soveltumista stabiliteettimallin luontiin. Suunnittelumenetelmien kehittymisen myötä algoritmiavusteinen suunnittelu on yleistynyt arkkitehtisuunnittelun lisäksi myös rakennesuunnittelussa. Kirjallisuudesta löytyvät algoritmiavusteisen suunnittelun tunnistetut sovelluskohteet ovat toisaalta geometrisesti monimutkaiset kohteet, ja toisaalta toistuvat rakenteet.
Stabiliteettimallin luontiin käytettävissä olevat lähtötiedot vaihtelevat kohdekohtaisesti. Diplomityössä tiedonkeruumenetelmänä käytetty avoin haastattelututkimus määritteli perinteistä stabiliteettimallin luontiprosessia. Haastattelutulosten mukaan haasteena ovat lähtötietojen varianssi ja toisaalta prosessin aikana ilmenevät suuretkin muutokset kohteen tietoihin. Avoimen haastattelututkimuksen tulosten mukaan suunnittelijoiden käyttämät ohjelmistot eivät myöskään tue joustavasti muutosten tekemistä tai lähtötiedon muokkaamista suoraan oikeaan muotoon.
Stabiliteettimallin tarkoitus pohjaa rakennesuunnittelua ohjaaviin eurokoodeihin. Luotavan algoritmiavusteisen prosessin tulee mahdollistaa lähtötietojen erilainen määrä, jotta voidaan taata tarkoituksenmukainen lopputulos vaihtelevissa projekteissa. Tutkimuksessa luotava stabiliteettimallin luontiprosessi on koostettu modulaarisesti erilaisista alaosista kolmen pääosan alle. Ensimmäinen pääosista on lähtötietojen kerääminen, toinen objektimallin hienosäätö laskentamallin tarkkuustasoon ja kolmas varsinaisen stabiliteettimallin luonti laskentaohjelmaan. Modulaarisella rakenteella helpotetaan prosessin ylläpitoa ja mahdollistetaan ketterä jatkokehitys uusilla moduuleilla.
Tutkimuksessa luodusta algoritmiavusteisesta stabiliteettimallin luontiprosessista voidaan puhua puoliautomaattisena kokonaisuutena. Työssä havaittiin, että lähtötietojen varianssi vaati ensin manuaalista yhtenäistämistä ja jäsentelyä, jotta algoritmiavusteinen prosessi olisi toimintavarmaa. Tutkimuksen mukaan tämä ensimmäisen vaiheen lähtötietojen muokkaaminen kuitenkin jäsentelee myös rakennesuunnittelijan näkemystä rakennejärjestelmästä ja luo säännönmukaiset raamit arkkitehtisuunnitelmien tarkastamiseen järjestelmän toimivuuden suhteen. Täysin algoritmisia prosesseja ovat lähtötietojen koostaminen objektimalliin, objektimallin tietosisällön rikastaminen ja mittatarkkuuden siistiminen sekä varsinainen stabiliteettimallin luonti.
Tutkimuksessa luodut algoritmit ja lähtötietomääritykset osoittautuivat tapaustutkimuksessa joustaviksi hyvin erilaisille kohteille. Vastaavasti luotu systeemi tukee perinteistä stabiliteettimallin luontiprosessia huomattavasti paremmin muutosten viemistä osaksi prosessia, koska suunnittelijan manuaalisesti määriteltävät lähtötiedot ovat yksinkertaisessa muodossa. Tutkimuksessa kuitenkin korostetaan rakennesuunnittelijan roolin tärkeyttä osana prosessia. Algoritmille syötettävien lähtötietojen tarkoituksenmukaisuus, tehtyjen valintojen vaikutukset ja luotavan mallin tarkkuustaso ovat rakennesuunnittelijan harkinnan varassa samoin kuin luotavan mallin käyttötapa analysoinnissa.