Сегодняшними плодами широкого внедрения CAE и CAD в машиностроение является возможность при разработке чего угодно использовать автоматизированное проектирование и анализ. И это не только традиционные машиностроительные области, это и медицина с фармацевтикой, и товары народного потребления, упаковка, энергетика, электроника и архитектура.

Для некоторых областей разрабатываются специализированные решения — не общего назначения, но ориентированные на решение определённого класса задач или даже отраслевые узкоспециализированые решения. Если раньше любая расчётная система для внедрения и эффективного использования требовала от инженера определённый багаж знаний (часто глубоких), то сейчас расчётные системы могут использоваться и конструкторскими подразделениями разработчиков, и инженерами без многолетней подготовки по направлениям математического моделирования. В ряде случаев расчётные инструменты вообще встраиваются в специализированные конструкторские среды, во многом процесс расчётного анализа автоматизируется.

Одно из отраслевых решений в области проектирования строительных конструкций — концепция BIM или информационное моделирование зданий.

В январе 2012 года компания Nikken Sekkei, одно из ведущих архитектурных бюро в Японии, запустила Digital Design Project — новый проект по поддержке и эволюции информационного моделирования зданий. Nikken Sekkei в своих производственных процессах давно реализовала концепцию BIM, но запуск нового проекта должен был продолжить, развить это направление. Одним из ключевых моментов нового проекта стало моделирование окружающей среды как части информационной модели здания. Для реализации этих идей была сформирована группа компьютерного моделирования и анализа (Computer Aided Simulation, CAS), которую возглавил Осаму Нагасе (Osamu Nagase), специалист департамента технического проектирования Nikken Sekkei. Задача созданной группы — наполнение и развитие концепции BIM-предприятия различными средствами моделирования.

В интервью для компании Cradle (часть MSC Software, подразделения Hexagon MI) Осаму Нагасе вспоминает: «Когда я пришёл в компанию Nikken Sekkei, в рабочий процесс был уже внедрён программный комплекс scSTREAM для теплового и гидрогазодинамического анализа, система применялась для анализа течений внутри и снаружи зданий. На тот момент это был весьма прогрессивный подход в работе японского архитектурного бюро. Однако компьютер в то время работал так медленно, что расчёт одной модели мог занимать три месяца. Можно сказать, что для проектировщиков, работавших в то время в компании, расчётное моделирование было каким-то особенным, экспериментальным подходом.

Но с тех пор вычислительная техника и программное обеспечение стремительно эволюционировали, и среди проектировщиков, работающих в компании, моделирование получило широкое распространение: теперь наш коллектив моделирует свыше сотни объектов в год или около десяти в месяц».

Нередко расчётное моделирование является насущной необходимостью, особенно при создании чего-то уникального даже в небольшом проекте. Работая над проектом, проектировщики придерживаются некоторых идей, но они испытывают и естественное желание узнать, «как бы всё работало», если бы разные их замыслы были воплощены, получить ответ на вопрос «а что, если…». И если ещё 25 лет назад моделирование течений для архитектурных объектов, особенно масштабных, было чем-то уникальным, и применять его для проекта было очень затратно по времени, то сегодня оно используется почти в любом проекте, а проблемы недостатка расчётных мощностей давно решены. Более того, моделирование стало обычным решением не только для особых случаев, но и, например, для температурных и ветровых факторов окружающей среды, в которой планируется расположить объект, а также условий освещённости, теплосветового баланса и акустического воздействия.


Анализ системы вентиляции целого этажа офисного здания

«Каждый проектировщик имеет собственное представление о моделировании, и его представление может быть неполным, но благодаря развитию BIM мы получили основу для различных видов деятельности по вопросам моделирования. Наши клиенты поменяли и свой образ мышления — в рамках предварительных обсуждений всё чаще приходится встречаться с требованиями провести моделирование для проекта, когда заказчики видят результаты других проектов.

Благодаря моделированию достигается полная аналогия, наглядность и всестороннее отображение многих характеристик и преимуществ проектов, что даёт заказчикам возможность точно оценить свои планы и своими глазами увидеть предварительный результат.

На фоне растущей в последние годы глобальной тенденции энергосбережения и бережного отношения к окружающей среде современная архитектура ставит целью строительство объектов, способных более эффективно использовать энергию, на основе изучения различных результатов моделирования, включая сравнение начальных и эксплуатационных затрат. По мере роста значимости усилий в области энергоэффективности неизбежно растут потребности в моделировании, позволяющем наглядно отображать результаты», — рассказал Осаму Нагасе, компания Nikken Sekkei.


Фото 1. «Умное» здание Sony City Osaki (Токио, район Осаки)

Эта актуальная тенденция применения моделирования символизируется проектом Nikken Sekkei офисного центра Sony City Osaki (фото 1) для Sony Corporation, который был завершён в марте 2011 года. Это 25-этажное здание, созданное с использованием самых новых технологий, обеспечивающих безопасность окружающей среды, справедливо можно называть «умным». Наибольший интерес среди его технологий вызывает внешняя конструкция — специальный фасад Bio Skin.

Bio Skin — первая в мире экологически безопасная система «глухого» экстерьера здания, способная уменьшить развитие эффекта «теплового острова». Система использует технологии, в которых дождевая вода проходит через пористые керамические трубы и испаряется через поры на их поверхности. Поглощение тепла при испарении способствует охлаждению окружающего воздуха. Основываясь на полномасштабных экспериментах и результатах моделирования, специалисты Nikken Sekkei разместили Bio Skin по всей площади восточной стены здания.


Фото 2. Распределение температур на Bio Skin (лето, южный ветер, 14:00)

В проекте Bio Skin использовался комплекс scSTREAM для анализа работы систем здания и оценки эффективности разрабатываемого объекта. Основываясь на измерениях, была построена модель, которая показала, что при определённых условиях температура вокруг входа в здание может снизиться на 2°C. В частности, данные измерения были получены в результате экспериментов, выполненных в Токийском университете. На их основе было проведено тепловое моделирование для условий летнего дня с преобладающим ветром, при этом анализировалась установка Bio Skin на половине стены и на всей её поверхности (фото 2). Кроме этого, в модели учитывалась температура поверхности соседних зданий и дорог в этом районе, поскольку под воздействием солнечного излучения эта температура повышается. В рамках разработки были решены и многие другие расчётные задачи моделирования (фото 3, 4).


Фото 3. Моделирование ветра в условиях городской застройки (Токио, район Сибуйя)

Проект стал абсолютно новым для компании, поскольку заключал в себе использование нового материала для энергосберегающих технологий, которые, как считалось, уже исчерпали себя. Интересно, что заказчик всего проекта установил на входе в здание для всеобщего обозрения макет и результаты расчётного моделирования — настолько они впечатляют. Тем не менее, Осаму Нагасе считает, что моделирование и расчётный анализ можно и нужно использовать для других проектов, а не только для такого масштабного, как Bio Skin.

Например, проектировщики могут использовать компьютерное моделирование для анализа конструкций, если есть сомнения в осуществимости проекта. Результаты моделирования могут способствовать пониманию, а также дать идеи, которые окажутся полезными в будущих проектах. Приобретя такой опыт, можно будет понять, осуществима ли задача или нет, а детальное моделирование и анализ будут выполняться только в случае необходимости. По этой причине важно, чтобы проектировщики использовали инструменты моделирования сами, а не привлекали для этих целей узких специалистов, и сегодня это стало возможным с помощью такого эффективного и точного инструмента, как scSTREAM.


Фото 4. Анализ ветровой нагрузки для квартала с учётом высотной застройки

Сферы применения комплекса моделирования scSTREAM охватывают системы вентиляции зданий и сооружений, анализ качества воздуха в помещениях и на улице, загазованность, аэродинамику и ветровую нагрузку зданий и целых кварталов, эффект «теплового острова» и локальные задачи кондиционирования воздуха в помещениях, отопление, задачи освещённости искусственным или естественным светом и многие другие.

 

О компаниях Hexagon и MSC Software

Hexagon — мировой лидер в области сенсорных, программных и автономных решений, предоставляющих данные и инструментарий для повышения экономической эффективности, производительности и качества в различных отраслях промышленности, включая производство, а также в сфере инфраструктуры, обеспечения безопасности и мобильности.

Технологии компании Hexagon изменяют экосистемы городов и промышленные экосистемы, делая их всё более масштабируемыми, взаимосвязанными и способными работать автономно, а значит будущее становится экологически устойчивым. Более подробно о компании Hexagon можно прочитать на сайте hexagon.com.

Hexagon Manufacturing Intelligence (Hexagon MI) — подразделение компании Hexagon. Решения Hexagon MI, использующие данные проектирования и инжиниринга, производства и метрологии, выводят предприятия на новый уровень эффективности.

MSC Software, часть Hexagon Manufacturing Intelligence, одна из десяти первых компаний-разработчиков программного обеспечения и мировой лидер в области виртуального моделирования, инженерных расчётов и услуг, значительно расширяющих возможности стандартных промышленных методов и подходов. Узнать больше о продуктах и услугах MSC Software можно на сайте mscsoftware.com/ru.