Miten parametrinen suunnittelu on lisännyt tarkkuutta, tehokkuutta ja nopeutta siltasuunnitteluhankkeissamme
Laskennallinen suunnittelu on suunnittelumenetelmä, joka käyttää algoritmeja ja parametreja suunnitteluongelmien ratkaisemiseen. Jokainen suunnitteluprosessin vaihe käännetään koodatulle tietokonekielelle. Ohjelmisto käyttää näitä algoritmeja projektikohtaisten parametrien rinnalla suunnittelumallien tai suunnitteluanalyysien luomisessa. Kun ensimmäinen ohjelmointi on valmis, suunnittelusta tulee dynaaminen ja toistettava prosessi.
Parametrinen suunnittelu on yksi laskennallisen suunnittelun menetelmistä. Se on interaktiivinen suunnitteluprosessi, joka käyttää sääntöjä ja syötettyjä parametreja suunnittelumallin ohjaamiseen. Kun parametreja muutetaan, algoritmit päivittävät automaattisesti kaikki liittyvät suunnitteluelementit asetettujen riippuvuuksien perusteella.
Päivitykset nopeutuvat, laatu paranee
Rakennesuunnittelun alalla parametrisen suunnittelun käyttö helpottaa päivityksien tekemistä suunnittelumalleihin projektien suunnittelun ja toteuttamisen aikana. Suunnitelmien laatu paranee, kun suunnittelija voi testata kymmeniä eri vaihtoehtoja sen sijaan, että vertailisi muutamaa käsin tehtyä ratkaisua. Algoritmeja on aina mahdollista kehittää ja siten voidaan saavuttaa entistä parempia tuloksia hankkeesta toiseen.
Suunnitteluprosessissa muutokset ja päivitykset ovat luonnollinen osa projektin kehitys- ja toteuttamisvaihetta. Kun samaa päivitystä pitää tehdä satoihin samanlaisiin objekteihin, algoritmit nopeuttavat päivityksien tekemistä merkittävästi. Parametristen työkalujen avulla suunnittelija voi ulkoistaa toistuvat tehtävät ohjelmalle. Suunnittelijan resurssit vapautuvat tältä osin muihin tehtäviin ja työn tuottavuus kasvaa. Iteratiiviset suunnitteluprosessit ja helppokäyttöiset visuaaliset ohjelmointityökalut antavat suunnittelijalle mahdollisuuden parantaa suunnittelun laatua yli ihmisen kapasiteetin. Vähemmällä ajan ja ihmisresurssien käytöllä sekä virheiden pienemmällä todennäköisyydellä hankkeen kokonaiskustannukset vähenevät.
Finnmap Infran silta- ja taitorakennesuunnittelutiimissä on kehitetty jatkuvasti parametrisiä suunnittelutyökaluja tietomallien sekä rakenneanalyysimallien perustamisessa ja päivittämisessä. Tässä artikkelissa käyn läpi muutaman hanke-esimerkin parametrisesta suunnittelusta ja tarkastelen kehityksen nykytilannetta.
Parametrinen suunnittelu rata-/tiehankkeiden suunnittelussa siltojen pintamallien tekemisessä
Olemme kehittäneet parametrisia työkaluja, jotka mahdollistavat siltojen tietomallien nopean luomisen jo projektin alkuvaiheessa. Näin voimme mallintaa siltoja eri väyläsuunnitteluvaihtoehtojen tutkimista varten, vaikka rata- tai tiegeometriat eivät olisi vielä lopullisia.
Jyväskylä-Pieksämäki tasoristeysturvallisuuden parantaminen -hankkeeseen sisältyi 10 suunniteltava siltaa. Suunnittelun aikana ratageometria ja tiegeometriat muuttuivat useampaan kertaa. Parametrisen suunnittelun avulla oli nopeaa ja helppoa päivittää siltojen tietomallit sekä vertailla eri siltavaihtoehtojen kokonaiskustannuksia tarkoilla betoni- ja teräsmäärien arvioinneilla. Rakennusmateriaalien määrät optimoitiin vaihtoehtotarkastelussa ja hiilidioksidipäästöjen määrät voitiin samalla minimoida. Hankkeessa oli 5 alikulkusiltaa, joiden siltatyypit olivat samat. Yhden parametrisen algoritmin avulla oli mahdollista muokata kaikki 5 eri siltakohdetta.
Kuva 1 Jyväskylä-Pieksämäki-hanke, alikulkusillan parametrinen pintamalli
Tiimimme on kehittänyt jatkuvasti parametrisia mallintamistyökaluja myös siltojen uusimishankkeissa ja tasoristeyksien poistamishankkeissa. Työkalujen pitkäaikainen kehitys, hankekohtainen kokemuksen karttuminen sekä algoritmien virheiden jatkuva korjaaminen ovat yhdessä parantaneet suunnittelun laatua merkittävästi.
Parametrisiä työkaluja on kehitetty myös alikulkukäytäviä ja tyyppisiltoja varten. Brobölen alikulkukäytävä -siltahankkeessa testattiin parametrista mallintamista. Teimme yhteistyössä Metropolian ammattikorkeakoulun kanssa innovaatiohanketta, jossa opiskelijoille annettiin mahdollisuus kehittää laattakehäsillan parametrista tietomallintamista.
Parametrinen suunnittelu on kätevää myös silloin, kun geometria on monimutkaista. Paraabelimuotoiset siltakannet ovat yleisiä. Esimerkiksi Läpväärtinjoen sillan mallintamisessa paraabelimuoto on mallinnettu parametrisesti parametritaulukon perusteella.
Betoniraudoitteiden mallintaminen rakentamissuunnitteluvaiheessa
Myös rakentamissuunnitteluvaiheessa parametriset työkalut ovat hyödyllistä toistuvien tehtävien automatisoinnissa, kuten betoniraudoiteryhmien tietomallintamisessa. Esimerkiksi Haistilan alikulkusillan ja Äijärin alikulkusillan hankkeissa kehitimme parametriset algoritmit jatkuvan laattasillan ja kaukalopalkkisillan satojen raudoitusryhmien mallintamista varten. Mallintamisen prosessi nopeutui ja resurssien tarve vähentyi. Vielä suurempi hyöty saavutettiin, kun pystyimme hyödyntämään edellisen hankkeen algoritmeja uudessa projektissa. Parametrien vaihtaminen ja säätäminen tuottaa uudelle sillalle satoja raudoitusryhmiä nopeasti ja laadukkaasti.
Kuva 2 Äijärin alikulkusillan betoniraudoitteiden parametrinen mallintaminen
Laskentamallien perustaminen ja päivittäminen
Yksi kiinnostava kehitysaihe tiimillemme on ollut siltojen laskentamallien parametrisointi. Sillan rakenneanalyysia varten käytetään FEM-malleja (Finite Elements). Sillan geometrian määrittäminen FEM-mallissa voi viedä paljon aikaa, jos se tehdään käsin. Lisäksi saman siltatyypin toistuessa rakennemallien erot eivät ole suuria. Laskentamallin parametrisoimisen avulla voidaan nopeuttaa suunnittelua pitkällä aikavälillä.
Jyväskylä-Pieksämäki tasoristeysturvallisuuden parantaminen -hankkeessa laadimme alustavat laskelmat 10 sillalle. Parametristen FEM-mallien avulla oli mahdollista säätää siltapituuksia, dimensioita ja tukien paikkoja sekä tarkistaa ratkaisujen toteuttamiskelpoisuus riittävän tarkoilla analyysimalleilla.
Samasta parametrisesta mallista voi tehdä laskentamallin ja tietomallin. Kun siltaa muokataan, muutokset päivittyvät laskentaohjelmaan sekä 3D-mallinnusohjelmaan ja virheiden riski päivittämisprosessissa vähenee. Kielovuoren alikulkusillan rakentamissuunnitteluhankkeessa kokeiltiin laskentamallin perustamista parametrisesti meille tehdyn Tampere yliopiston diplomityön tuloksien perusteella.
Meiltä löytyy laaja laskentapohjavalikoima eri betonisiltatyyppien parametrista laskentaa varten. Kirjastomme laajenee jatkuvasti ja sisältää lisää siltatyyppejä ja ratkaisuja.
Kuva 3 Kielovuoren alikulkusillan parametrinen laskentamalli
Muut taitorakennesuunnitteluhankkeet kuten paalulaatta-, tukimuuri- ja perustushankkeet
Paalulaattahankkeet ovat erityisesti kiinnostava parametrisen suunnittelun näkökulmasta paalujen suurten kappalemäärien ja sijaintimuutosten sekä betonilaattojen erityisten muotojen vuoksi. Usein työmaalta tulee tarkastuspyyntö, kun paalujen asennustoleranssit ylittyvät. Tällöin ratkaisujen tulee löytyä nopeasti, laskentamallin ja tietomallin päivitys pitää tapahtua sujuvasti, jotta työmaa ei joudu odottamaan. Myös näissä tapauksissa pystymme mallintamaan parametrisen suunnittelun avulla paalulaatat, päivittämään paalujen sijainnit ja arvioimaan raudoitusmäärät nopeasti ja tarkasti.
Sähköratapylväsperustuksia voi olla useita samassa hankkeessa. Niiden kuormien määrittäminen laskentamallissa on helppoa kuormataulukoista parametristen työkalujen avulla. Laskennan jälkeen niiden asentaminen paikalleen 3D-mallissa tehtiin parametrisesti Ylikylänputon ratasillan ja Nuojuan raakapuuterminaalin hankkeissa. Äijärin alikulkusillan alueella suunnittelimme kaarevan muotoisen porapaaluseinän. Parametrinen mallin avulla pystyimme mallintamaan kaikki paalut oikealla pituudella.
Haasteet ja tutkimusmahdollisuudet
Parametrisiä suunnitteluohjelmia ja visuaalisia ohjelmointityökaluja on kehitetty jo vuosikymmenien ajan. Kuitenkin niiden oppiminen ja opettaminen uusille työntekijöille on edelleen haastavaa perinteisiin suunnittelutapoihin verrattuna. Myös parametristen suunnitteluprosessien selittäminen hankkeessa, jossa työskentelee useita suunnittelijoita samanaikaisesti, on haastavaa ja hyvät yhteistyökäytännöt ovat erityisesti tärkeä. Finnmap Infrassa noudatetaan tiimin sisäisiä käytäntöjä uusien algoritmien kehityksessä, mikä on helpottanut algoritmien ymmärtämistä ja parantanut yhteensopivuutta eri hankkeisiin.
Vaikka sataprosenttinen parametrinen suunnitteluprosessi on teoreettisesti mahdollinen, käytännössä on hankala koodata täysin parametrinen algoritmi, joka ottaa huomioon kaikki mahdolliset skenaariot ja vaihtoehdot. Järkevin polku on määritellä parametrisuuden astetta. Joskus on vain nopeampi tehdä tietty suunnittelutehtävä manuaalisesti kuin parametrisoida tehtävä koodaamalla. Näin on etenkin, jos parametrit eivät muuttuu usein tai jos ongelma on hankekohtainen ja sen ratkaisu ei todennäköisesti toistu tulevaisuudessa. Hankekohtaisten tavoitteiden asettaminen voi olla haastavaa eri projektien laajuus huomioiden.
Käynnissä olevat hankkeet, tutkimukset ja diplomityöt
Tällä hetkellä parametristen suunnittelutyökalujen kehitystyömme jatkuu. Meillä käynnissä olevissa diplomitöissä tutkitaan laskentamallien parametrisointia sekä laskentamallin ja tietomallin välistä yhteyttä parametrisella suunnittelulla erityisesti liikuntasaumattomien betonisiltojen tapauksissa. Jatkokehitykset katsotaan projektikohtaisesti ja tarpeen mukaan aina, kun uusia haasteita ilmenee projekteissamme.
Rakennusalalla suunnittelumenetelmät ovat muutoksessa. Suuri osa tehtävistä on jo automatisoitunut ja suunnittelijan rooli siirtynyt enemmän ohjaukseen ja päätöksentekoon verrattuna aikaisempaa käsin piirtämisen ja laskemisen aikaan, jolloin suunnittelijan rooli oli toimia suunnitelmien tuottajana. Tekoälyn kehityksen myötä rakennesuunnittelijan rooli siirtyy vielä enemmän ohjelmien ohjauksen puolelle halutun lopputuloksen aikaansaamiseksi. Suunnitteluprosessien parametrisoinnin edetessä yhä pidemmälle tekoäly voi toteuttaa parametrien muuttamisen, kunnes haluttu lopputulos saavutetaan. Tällöin rakennesuunnittelijan rooli muuttuisi tekoälyn laatimien suunnitelmien tarkastamisen ja hyväksymisen suuntaan.
