Enhancing the Efficiency and Effectiveness of Early Phase Building Design: Implementation of Automatic Calculation of Structural Forces in Columns and Walls in BIM Software through Parametric Scripting

Abstract

Byggebransjen blir ofte betraktet som en av de minst digitaliserte sektorene, og mislykkes i å utnytte teknologiske fremskritt fullt ut. Byggningsinformasjonsmodellering (BIM)-programvarer er digitale verktøy som stadig hyppigere blir implementert i bransjen, dette har bidratt til å økt effektivitet i prosjekter. Til tross for disse fremskrittene, er det fortsatt betydelig potensial for ytterligere forbedringer. Et slikt område er beregningen av krefter i bærende konstruksjoner, hvor automatisering kan redusere tiden og ekspertisen som kreves betydelig. Parametrisk skripting kan integreres i BIM-programvare og automatisere beregningen av krefter.

I denne masteroppgaven har et parametrisk skript blitt utviklet i Autodesk Dynamo (Dynamo), med hensikt om å effektivisere og forenkle tidligfase ved automatisk beregning av krefter i bærende elementer, dette innebærer søyler og vegger. Det utviklede skriptet blir kalt LTD Dynamo. Dynamo er en programmeringstjeneste integrert i Autodesk Revit (Revit). Utviklingen av skriptet er utført med utgangspunkt i teori om Tributary Area Method (TAM) og Voronoi. Nødvendig input i skriptet er en geometrisk modell i Revit sammen med noen få brukerdefinerte parametere. Voronoidiagram brukes til å dele opp det belastede dekke i områder som svarer til de nærmeste søylene og veggene. Skriptet vil beregne lastnedføringen gjennom etasjene og resultatet er krefter i søyler for hver etasje og resulterende veggkrefter i første etasje. Resultatene blir presentert i et brukerdefinert 2D plan i Revit.

For å validere resultatene fra skriptet, blir det kjørt tester av flere konstruksjoner. I testene blir kreftene fra LTD Dynamo sammenlignet med krefter fra to ulike analyser i Autodesk Robot Structural Analysis (Robot); Lastnedregning (Load Takedown - LTD) og elementanalyse (Finite Element Analysis - FEA). Sammenligningene viser at i konstruksjoner med kun søyler samsvarer kreftene fra LTD Dynamo og LTD i Robot svært godt med et avvik nær 0%, mens det i konstruksjoner med vegger viser avvik nær 6% for søyler og 15% for veggene. I sammenligningen mellom LTD Dynamo og FEA i Robot viser derimot resultatene betydelig større avvik på opptil 49% i søylene og 75% i veggene. FEA i Robot tar hensyn til kontinuitet og dette blir ansett som hovedårsaken til de store avvikene mellom metodene. I sammenligningen mellom LTD Dynamo og FEA Robot får søyler plassert langs randen konservative avvik og indre søyler får ikke-konservative avvik. Det er også tydelige trender på størrelsen på avvikene i prosent.

Til tross for store avvik i sammenligning med FEA i Robot, er LTD Dynamo et verktøy som utgjør et potensiale for å beregne lastnedføring i tidlig designfase av byggeprosjekter. Dette erstatter behovet for å overføre den geometriske modellen i Revit til en annen beregningsprogramvare og opprette en analytisk modell. Krefter kan dokumenteres i Revit og presenteres på tegninger. I tillegg er kjøretiden til LTD Dynamo svært kort sammenlignet med programvarer for FEA. Implementering av kraftberegninger i BIM-programvare vil være gunstig for å effektivisere arbeidsflyten i tidligfase.

The construction industry is often regarded as one of the least digitalized sectors, failing to fully leverage technological advancements. Building Information Modeling (BIM) software are digital tools increasingly being adopted within the industry, leading to enhanced project efficiency. Despite these advancements, significant potential for further improvements remains. One such area is the calculation of forces in load-bearing structures, where automation can significantly reduce the time and expertise required. Parametric scripting can be integrated into BIM software and used for automatic force calculations.

In this thesis, a parametric script was developed in Autodesk Dynamo (Dynamo) to enhance the efficiency and effectiveness of early-phase building design. This involves automatic calculation of structural forces in elements such as columns and walls. The developed script has been named LTD Dynamo. Dynamo is a visual programming platform implemented in Autodesk Revit (Revit). Voronoi and Tributary Area Method (TAM) have been used to develop the script. Necessary inputs for the script are the geometrical model in Revit along with a few user-defined parameters. Voronoi is used to partition the loaded slab surface into areas corresponding to the closest columns and walls. The script will calculate the load take down through all floors, and the output is column forces on every story and the resulting wall forces on the first floor. The results are presented in a user-defined 2D plane in Revit.

To validate the results from the script multiple case studies on various structures have been conducted. In the case studies, the forces obtained by LTD Dynamo are compared to forces from other analyzes in Robot Structural Analysis (Robot); Load Takedown (LTD) and Finite Element Analysis (FEA). The comparisons show that in structures with only columns, the forces obtained with LTD Dynamo and LTD in Robot coincide well with a deviation close to 0%. Structures with walls have a deviation up to 6% for columns and 15% for walls. When LTD Dynamo is compared to FEA in Robot the results deviate more, with maximum deviations of 49% in columns and 75% for walls. Continuity will affect the results from FEA in Robot and is considered the main reason for the large deviations between the methods. In the comparison between LTD Dynamo and FEA Robot, columns placed along the edge obtain conservative deviations, while the inner columns obtain non-conservative deviations. Clear trends of the magnitude of deviations in percent are observed.

Despite significant deviations when compared to FEA in Robot, LTD Dynamo is a tool that shows potential for load take down calculations in the early design phase of construction projects. The tool eliminates the need of transferring the geometrical model in Revit to another software and no creation of an analytical model is needed. Forces can be documented directly in Revit and presented on drawings. In addition, the running time in LTD Dynamo is short compared to software for FEA. Implementing force calculations in BIM software will be beneficial for streamlining the workflow in early-phase building design.