Combining FEA and Optimisation Algorithms in a Parametric Environment for Web-Based Solutions

Abstract

De siste årene har konstruksjonsteknikkfeltet opplevd betydelige fremskritt på grunn av integrasjonen av Bygningsinformasjonsmodellering (BIM) og ulike optimaliseringsteknikker.

Tidligere studier av fordelene ved BIM har fremhevet økt produktivitet, forbedret arbeidsflyt og tilrettelegging for bedre kommunikasjon og dermed koordinering på tvers av fagfelt. Simulering og visualisering av byggeprosjekt reduserer konflikter, forbedrer nøyaktigheten av kostnadsestimeringer og bidrar til en total kostnadsreduksjon ved å bl.a. forkorte prosjektets tidslinje. Byggesektoren har dog hatt en relativt beskjeden produktitetsvekst sammenlignet med andre sektorer.

Bygg, anlegg, eiendomsnæringen (BAE) og arkitekter opplever en betydelig transformasjon, preget av økende krav og forventninger om raskere, bedre og mer effektive prosjekter med redusert risiko. Autodesk adresserer disse utfordringene med Forma, et skybasert AI-verktøy som hjelper arkitekter med å finne måter å maksimere potensialet til byggeplasser.

Ettersom arkitekter fortsetter å presse grensene for resultatdrevet design ved å integrere AI og maskinlæring i sine prosjekter, må konstruksjonsingeniører jobbe proaktivt for å være på toppen av utviklingen. Ved å holde seg oppdatert på trender og utnytte teknologiske fremskritt, kan konstruksjonsingeniører spille en avgjørende rolle i å forme fremtiden for bygg og anleggsektoren.

Denne oppgaven undersøker utviklingen og anvendelsen av en Finite Element Method (FEM) plugin innenfor Grasshopper-miljøet for å forbedre strukturell analyse og optimalisering. Studien fokuserer på å lage et parametrisk verktøy som tillater raske, foreløpige vurderinger av strukturelle design, og dermed støtte demokratiseringen av ingeniørverktøy gjennom en nettbasert grensesnitt.

For å bidra til demokratiseringen viser denne oppgaven gjennomførbarheten og potensialet til den utviklede pluginen, selv om den ikke er ment som et komplett analyseverktøy. Fokuset er på å etablere et grunnlag for videre utvikling, med mål om å automatisere rutineoppgaver og forbedre beslutningsprosesser innen konstruksjonsteknikk. Ved å utnytte fremskritt innen beregningsverktøy og metoder, bidrar dette arbeidet til den pågående transformasjonen og moderniseringen av byggebransjen.

In recent years, the field of structural engineering has undergone substantial advancements due to the integration of Building Information Modeling (BIM) and various optimisation techniques introduced.

Previous studies of BIM benefits have highlighted the enhanced productivity, improved workflow and facilitation for better communication and thus coordination across fields. Simulation and visualisation of the construction project reduces clashes, improves cost estimate accuracy, and contributes to overall cost reduction by also shortening the project timeline. Notably, the construction sector has a relatively modest productivity rate of 0.2\% compared to other sectors.

The architecture, engineering, construction, and operations (AECO) industry is experiencing a significant transformation, marked by increasing demands and expectations for faster, better, and more efficient projects with reduced risks. Autodesk is addressing these challenges with Forma, a cloud-based AI tool, assisting architects in discovering ways to maximise the potential of building sites.

As architects continue to push the boundaries of outcome-driven design, integrating AI and machine learning in their projects, structural engineers must proactively keep pace with these advancements. By staying on top of trends and leveraging technological advancements, structural engineers can play a crucial role in shaping the future of construction.

This thesis investigates the development and application of a Finite Element Method (FEM) plugin within the Grasshopper environment to enhance structural analysis and optimisation. The study focuses on creating a parametric tool that allows for quick, preliminary evaluations of structural designs, thereby supporting the democratisation of engineering tools through a web-based interface.

To contribute to the democratisation This thesis demonstrates the feasibility and potential of the developed plugin, although it is not intended as a complete analysis tool. The focus is on establishing a foundation for future development, aiming to automate routine tasks and enhance decision-making processes in structural engineering. By leveraging advancements in computational tools and methods, this work contributes to the ongoing transformation and modernisation of the construction industry.