Topologie-optimalisatie voor gebouwen en civiele constructies
Topologie-optimalisatie is niet alleen interessant voor automotive, lucht- en ruimtevaart en product/machinebouw. Ook in de architectuur plukken ontwerpers graag de vruchten van deze bewezen techniek. Architecten- en ingenieursbureaus over de hele wereld gebruiken de Altair Inspire-simulatie-suite om concepten te genereren die sterk genoeg zijn, maar zo licht mogelijk en daardoor materiaal en gewicht besparen. Door met de oplossing te starten bespaart de inzet van deze software ook nog eens design-iteraties en daardoor tijd.
Door de redactie
Veel architectenbureaus gebruiken naast de traditionele CAD-pakketten voor architectuur en BIM ook vrije-vormsoftware. Juist om die vormvrijheid te krijgen die ze nodig hebben maar niet kunnen vinden in de zogenaamde ‘rechttoe rechtaan’-pakketten. Wie bijvoorbeeld kijkt naar Gehry’s Guggenheim Museum in Bilbao, ziet al snel dat hier andere software voor nodig is dan een rechtlijnig ontwerppakket. Veel architecten gebruiken Rhino. Zeker door de koppeling met Grasshopper is dat echt een heel mooie oplossing. Grasshopper verheft parametrisch ontwerp tot een kunst. Een programmeerkunst, dat wel. Want de gebruiker is al snel aan het programmeren, iets waar niet iedere architect heel blij van wordt. Bovendien is de geometrie in Rhino nooit heel exact en al modellerend kunnen er afwijkingen ontstaan. Normaliter niet zo’n probleem, maar de wens is er meer en meer om het 3D-model eenmalig op te zetten en het dan te kunnen hergebruiken. Accuratesse is dan van groot belang.
In dat geval is Altair Inspire Studio een goed alternatief. Studio maakt deel uit van de solidThinking Altair Inspire suite en is de 3D-modelleertool. Het heeft dezelfde 3D-kern als bijvoorbeeld SolidWorks en is daardoor zeer nauwkeurig. Het is ook een echte NURBS-modeller en onthoudt de ontstaansgeschiedenis van het ontwerp. Hierdoor zijn achteraf altijd nog makkelijk en snel wijzigingen aan te brengen. De wijzigingen worden volledig automatisch doorberekend in het vervolg van het ontwerp. De plek van Inspire Studio in de gehele suite is ook interessant. De kern van de solidThinking suite is Simulation Driven Design. Dat is een heel mooi antwoord op de vraag naar een strakke en kortere workflow.
Begin
Een nadeel van 3D-software is dat een gebruiker vaak veel verschillende programma’s nodig heeft om één complete workflow te doorlopen. Ook nog eens verdeeld over meerdere bedrijfstakken. De vraag die vaak gesteld wordt, is of er nou niet één softwaretitel is die alles doet. En het antwoord is steevast: Nee. Omdat verschillende functies verschillende eisen stellen aan de software en zeker de gebruikersinterface.
Altair heeft hier een heel elegante oplossing voor gevonden door een suite samen te stellen met producten die allemaal hun eigen kernfunctie hebben, maar die voor de gebruiker steeds dezelfde gebruikservaring biedt. De interface en standaard commando’s zoals verplaatsen, kopiëren en roteren zijn steeds hetzelfde. Dit is misschien wel het beste antwoord op die eeuwige vraag.
En hoe ziet de 3D-workflow er volgens Altair uit? Simpel: de ontwerper begint met de oplossing, in Altair Inspire Structures. Deze software levert op basis van de door de gebruiker aangegeven randvoorwaarden de optimale vorm. Deze vorm is zo licht mogelijk, dus gebruikt zo weinig mogelijk materiaal. Maar is wel sterk genoeg om het aangegeven krachtenspel te weerstaan. Generative Design is de gebruikelijke term voor deze ontwerpmethode. De software genereert de vorm, het concept, de ontwerper maakt er iets functioneels van en gebruikt als het ware de topologisch geoptimaliseerde vorm als onderlegger voor een jump start.
Altair Inspire Structures is open en communiceert met alle verkrijgbare 3D-softwaretitels. De gebruiker kan er een 3D-model in openen en de randvoorwaarden zoals materiaaltypen, krachten en ondersteuning in aanbrengen. Ook is het mogelijk om de geometrie snel te versimpelen of juist te detailleren waar nodig. Vervolgens gaat de software aan de slag en dat leidt tot een topologisch geoptimaliseerde vorm. Hoewel het een rekenintensieve taak is, geeft Inspire vaak al binnen enkele minuten een concept af. Ingewikkelde concepten vragen soms wel enkele uren. Het is goed om te weten dat zo’n berekening dan ook op de server van Altair kan plaatsvinden.
De vorm, het concept, kan verder bewerkt worden in Altair Inspire Structures zelf, in een ander 3D-pakket of Altair Inspire Studio. Dat laatste is eenvoudig, want wanneer iemand de beschikking heeft over Altair Inspire Structures, dan heeft hij automatisch ook toegang tot Altair Inspire Studio. Dit dankzij het Units-licentiemodel.
Software licenseren
Uniek in Altair Inspire is de wijze van licenseren. Maakt een bedrijf normaal gesproken een keuze voor een softwaretitel waarvoor vervolgens een licentie wordt gekocht of gehuurd, daar hoeft bij Altair alleen over het aantal Units na te worden gedacht. Hoe meer Units, hoe meer softwaretitels tegelijk te starten zijn. Dat is een innovatieve en revolutionaire benadering die vooral flexibel is en uiteindelijk goedkoper.
De Units zijn bedrijfsbreed inzetbaar en dus niet persoonsgebonden. Iedereen die door de administrator lid is gemaakt van de Units-pool kan hier Units uit gebruiken en software starten. Units zijn ook niet productgebonden. Altair Inspire Structures vraagt bijvoorbeeld 15 Units om te starten. Altair Inspire Studio 5. De overige simulatiepakketten 30. En een optimalisatie in de cloud uit laten rekenen, vraagt 10 Units.
Als voorbeeld een manier waarop met de Units kan worden omgegaan. Een bedrijf heeft de beschikking over 30 Units. Dan kan één iemand Altair Inspire Structures starten (15), een optimalisatie in de cloud uitvoeren (15+10=25) en iemand anders kan Altair Inspire Studio gebruiken (25+5=30). Alternatief kan ook één persoon één duurder simulatiepakket starten, zoals Inspire Print3D (30 Units). Het bijkomende voordeel: degene die Altair Inspire Structures gebruikt, en dus 15 Units in gebruik heeft, kan óók Altair Inspire Studio gebruiken op dezelfde machine, omdat die slechts 5 Units vraagt (wat minder is dan 15). Dat wordt leveled licensing genoemd.
Units kunnen flexibel (zelfs per maand) bij geleased worden. Inderdaad: het betreft lease en geen koop, een verkoopmodel dat steeds vaker opduikt. Units lijken een beetje op een Credits-systeem, maar het is handiger. Wie met een Credits-systeem een berekening wil maken voor bijvoorbeeld een topologische optimalisatie, moet daarvoor Credits uitgeven. Dat is geen goed model, omdat het betekent dat de gebruiker beperkt wordt in het aantal optimalisaties dat hij kan doen en hier zuinig mee om zal gaan. En dat terwijl het juist de bedoeling is dat gebruikers naar hartenlust zouden moeten experimenteren met diverse situaties en optimalisaties, om al in een heel vroeg stadium de juiste richting voor een ontwerp te vinden.
Simulation Driven Design
De kern van de Altair Inspire software suite is simulatie: Simulation Driven Design. Nu de werkelijkheid steeds meer verschuift naar het stadium vóór de daadwerkelijke bouw of productie, maakt Altair het mogelijk om al in het digitale stadium zoveel mogelijk aspecten te onderzoeken en te simuleren van een product of gebouw. Door dit in zo’n vroeg stadium te doen, worden fouten voorkomen die in een traditioneel proces pas aan het licht zouden komen nadat een gebouw er al staat of een product reeds van de band rolt. Faalkosten voorkomen scheelt niet alleen heel veel geld, het scheelt ook veel tijd én leed.
Sterkte-analyse in seconden
Tijdwinst valt ook te behalen door meer tools aan het begin van het ontwerpproces in te zetten. Het is opvallend hoeveel bouwwerken er tijdens de bouw al instorten tegenwoordig, terwijl we in dit computertijdperk eigenlijk veel beter zouden moeten kunnen bouwen. Zou het te maken kunnen hebben met de kennis en kunde van de verantwoordelijke ingenieurs? Of aan het gebrek aan goede computertools? Of wordt er simpelweg veel meer gebouwd? Hoe het ook zij, aan de tools is eenvoudig wat te doen.
Altair kocht in oktober 2018 SimSolid, een programma om een sterkte-analyse in een paar minuten, soms zelfs seconden, uit te voeren. Waar traditionele software de geometrie eerst zoveel mogelijk moet versimpelen om er vervolgens een mesh van te maken (opgebouwd uit driehoeken), rekent SimSolid met de wiskundige beschrijvingen van de oppervlakken van het complete 3D-model zonder de noodzaak voor een mesh of versimpeling. Dit is niet alleen veel sneller, het is ook vele malen nauwkeuriger en geeft dus een betrouwbaarder resultaat.
De snelheid en nauwkeurigheid zijn niet het enige voordeel van het programma. SimSolid is ook nog eens gebruiksvriendelijk, waardoor sterkte-analyse door een breder scala aan projectmedewerkers te gebruiken is. Ook hierdoor is het mogelijk om al in een zeer vroeg stadium het ontwerp de goede kant op te sturen. Beginnen met de oplossing, wordt dat genoemd in simulatie-termen.
SimSolid is inmiddels in Altair Inspire Structures beschikbaar als analysetool, naast de befaamde OptiStruct-kern. Het kent daar eigenlijk niet eens een interface, de gebruiker heeft interactie met Inspire zoals hij dat gewend is. Zodra een vorm topologisch geoptimaliseerd is, kan SimSolid bijna real-time doorrekenen of de vorm ook sterk genoeg is. Zitten er nog zwakke plekken in het ontwerp, dan kan dat direct aangepast worden in Inspire om vervolgens weer door de SimSolid-kern te worden doorgerekend. Dit zorgt voor heel korte iteraties en dus een kortere lead time.
Dakconstructie
Een van de praktijkvoorbeelden van het gebruik van SimSolid is afkomstig van Digital Architects. De ontwerpers binnen deze organisatie gebruikten SimSolid om een lichte, eenvoudige maar toch sterke dakconstructie te ontwerpen. Ze konden zeer snel analyses uitvoeren van complete 3D-assemblages, waardoor het team de helft aan tijd en geld bespaarde. De flexibiliteit binnen het werk werd vergroot, zonder dat dit ten koste ging van de nauwkeurigheid. De deadline werd eenvoudig en met een robuust en haalbaar ontwerp gehaald.
