I IINFORMATICA-----------------'-.. _ - - - - -CADCRETE XIVOP WEG NAAR INTELLIGENTE TEKENSYSTEMENir.A. van Kempen, Eindhoven'Tekensystemen worden gemeengoed op de ontwerp- en adviesbureaus. Eenvolgende stap zal zijn de invoering van ontwerpsystemen. In tegenstelling tot eentekensysteem ligt aan een ontwerpsysteem een ontwerp- ofgegevensmodel tengrondslag. Zo'n model bevat naast de te tekenen gegevens ook relaties tussen dezegegevens, opdat de consistentie van het ontwerp gewaarborgd blijft. In dit artikelwordt een ontwerpsysteem beschreven voor het ontwerpen van prefab betonnendraagconstructies. Tevens wordt een ontwerpmodel ge?ntroduceerd waarmee eentekensysteem kan worden getransformeerd naar een ontwerpsysteem.l ontwerpfasen van eendraagconstructie opgebouwd uitprefab betonelementenrooster, de draagstructuur en de con-structie (fig. 1)eventueel aangevuld meteen werktekening-fase. Elke fase bevateen ontwerpmodel waarin de vorm vande entiteiten en hun samenhang is vast-gelegd, evenals de relaties ten opzichtevan de voorgaande fase.In dit artikel wordt eenontwerpsysteembeschrevenvoorhetontwerpenvanpre-fab betonnen draagconstructies. De na-drukligthierbij op de vorm van de enti-teiten en hun samenhang. Tevens wordtaangegeven hoe het ontwerpsysteem ~==__~~==~~==~~~gerealiseerd kan worden.telligentie. Hieronder wordt verstaan hetoverlaten van de keuze, de uitvoeringc.q. de controle van een handeling aanhet systeem. Een eerste aanzet hiertoe isom aan onderdelen van de tekeninfor-matie (entiteiten) eigenschappen tekoppelen (atrributen). Om een intelli-gent tekensysteem te cre?ren moet hetechterookmogelijkzijn om relaties tus-sende entiteitenvast te leggenwaardoorkennis overhetontwerpenzelfkanwor-den opgeslagen. Een dergelijk systeemwordt een ontwerpsysteem (ComputerAided Design) genoemd waarbij eenontwerp- ofgegevensmodel (bestaandeuit entiteiten en relaties) ervoor zorgtdat de consistentie van het ontwerp ge-waarborgd blijft. (Zie over dit onder-werp ook aflevering VI in deze artike-lenserie, getiteld 'IOP-onderzoek voorhet wapeningsproces', gepubliceerd inCement 1989 nr. 10 - Red.)OntwerpsysteemDe toekomstige constructiefontwerperzal met gebruik van een ontwerpsys-teem zijn constructieve ontwerppro-bleem oplossen, in dit geval het ontwer-pen van prefab betonnen draagcon-structies. In het ontwerpproces kunnendrie fasen worden onderscheiden dieworden aangeduid met het resultaat datin die fase tot stand is gekomen: hetDe volgende stap in het aanpassen vaneen tekensysteem is het toevoegen van in-* Het artikel is gebaseerd op het afstudeerwerkvanAlfred van Kempen, TUEindhoven, facul-teit Bouwkunde, sectie Calibre. Het afstudeer-werk is deels tot stand gekomen in het kadervan hetTopToolBox-project. Ditprojectis uit-gevoerd binnen een samenwerkingsverbandvan ingenieursbureau Nordined (Bunnik) enhet bureau voor technische automatiseringWillB automation (Oh? enLaak). Hetprojectistevens een demonstratieproject van PBTS, destimuleringsregeling voor produktievernieu-wing. Verder hebben Schokbeton (Zwijn-drecht) en ingenieursbureau Schiebroek &Struik (Eindhoven) hun medewerking aan hetafstudeerwerk verleend.Nadat een tekensysteem (Com-puter Aided Drafting) in eenpraktijksituatie is ingevoerdontstaat de behoefte om het systeem aante passen aan de wensen van de gebrui-kers. Deeerstestap in deze ontwikkelingis het toevoegen van automatisme. Hiermeewordt bedoeld dat veel voorkomendeopeenvolgende handelingen wordenvervangen door ??n nieuwe handeling.Voorbeelden hiervan zijn:- het aanpassen van menu's, zodat spe-cifieke functies kunnen worden aan-geroepen;- het indelenvan tekeninformatie in la-gen en componenten, zodat met meergebruikers aan ??n ontwerp gewerktkan worden en verschillende plotte-keningen kunnen worden afgeleid uit??n ontwerp;- het aanleggen van een symbolenbi-bliotheek, waardoor eenheid vanwer-ken ontstaat.Cement 1990 nr. 11 69IINFORMATICA I- - - - - - - - - - - - - -VoorbeeldIn figuur 3 is een ontmoeting getekendvan twee prefab betonnen liggers en eendoorgaande kolom met twee consoles.Indien ??n van de liggers zwaarder uit-gevoerd moet worden, heeft dit conse-quenties voor de verbinding. In hetIIII3Parameters tussengeparametriseerde vormenallerlei eigenschappen worden toege-voegd. Te zamen met de vastgelegde re-laties kunnen deze gegevens worden be-nut als invoervoor een extern program-ma. Neem bijvoorbeeld het toevoegenvan mechanische eigenschappen. Om-dat bekend is welke onderdelen aan el-kaar vastzitten, kan een directe koppe-ling worden gemaakt met bijvoorbeeldeen raamwerkprogramma waardoor dekrachtswerking, de vervormingen en destabiliteit kunnen worden gecontro-leerd.3. Een ontwerp dient niet alleen te wor-den vastgelegd (declaratief) maar moetook kunnen worden gewijzigd (proce-dureel). Omdat de samenhang bekendis, hoeft men bij wijziging van een on-derdeel of entiteit niet in de driedi-mensionale tekentuimte te zoeken naarde entiteiten die eraan vastzitten. Hetwijzigen kan nog verder worden verge-makkelijkt door het opnemen van eenlogische volgorde in de samenhang.4. De samenhang tussen de entiteitenmaakt het mogelijk de relaties tussenverschillende entiteitenvast te leggen envan parameters te voorzien. Hierdoorkunnen entiteiten automatisch in de te-kening worden geplaatst of gewijzigd,waarbij de consistentie van het ontwerpblijft gewaarborgd.2 Onderdelen van een constructieWerktekeningEventueel kan nog een vierde fase aanhet ontwerpmodel worden toegevoegd:de werktekening. De ontwerper kan inde elementen en verbindingen allerleivoorzieningen opnemen, zoals hulzen,stekken en sparingen evenals relatiesdaartussen. Ook kan een verf?ning vande vormen (bijvoorbeeld vellingkanten)en speling tussen onderdelen in deze fa-seworden opgenomen, waardoorwerk-tekeningen kunnen worden gegene-reerd.SamenhangHet meest kenmerkende van het ont-werpmodel is dat in iedere fase de sa-menhang tussen de diverse entiteitenwordt vastgelegd. Dit heeft een aantalvoordelen.1. Het ontwerpen van een gebouw, ge-bouwdeel of component wordt geken-merkt door een verscheidenheid aanvormen, waarbij van te voren niet be-kend is hoe het ontwerp er uitzal komente zien. Door uit te gaan van de samen-hang (in elke ontwerpfase) kan toch opeenzelfde wijze een willekeurig ont-werp worden vastgelegd.2. Aan de typen in de draagstructuur ende onderdelen in de constructie kunnenmetriseerde vormen. Hierdoor hoeft devorm van elk verschillend onderdeelmaar ??n keer te worden vastgelegd.Omdat de samenhang tussen de onder-delen is beschreven, kan men ook tussende geparametriseerde onderdelen rela-ties defini?ren, waaraan parameterskunnen worden toegevoegd.DraagstructuurAan ieder onderdeel van het rooster kande constructiefontwerper een dragendebetekenis toekennen. Aan een lijn kanbijvoorbeeld een kolom- of liggertypeworden toegekend, aan een vlak eenvloer- ofwandtype en aan een volumeeen kerntype. Daar waar deze element-typen samenkomen, ontstaan verbin-dingstypen, die ook nader gespecifi-ceerd moeten worden. Omdat de sa-menhang in het rooster is vastgelegd,kan ook andersom te werk worden ge-gaan. Op grond van de specificaties vanreeds geplaatste typen kunnen anderetypen eventueel automatisch wordengeplaatst. Alle typen zijn nog niet gema-terialiseerd (zij hebbennog geen dimen-sie) maar leggen in hun samenhang dedraagstructuur van de constructie vast.ConstructieAls de draagstructuur is vastgelegd kande ontwerper de constructie een maatgeven door het toekennen van elemen-ten en verbindingen aan de typen diedaartoe verdeeld zijn in onderdelen (fig.2).Dezeverdelingvloeitvoortuit de kijkdie de diverse partners in het bouwpro-ces hebben op de constructie. Voor eenfabrikant zijn de elementen zoals hij de-ze aanvoert en de verbindingen die hijaanbrengt de onderdelen waaruit deconstructie is opgebouwd. De construc-tiefontwerper maakt echter een teken-technische opdeling. Een verbinding isbij hem onlosmakelijk verbonden metde elementeinden en als elementen blij-ven de 'kale' elementlichamen over. Inde constructiefase dienen beide visies teworden ondersteund, opdat men zowelmet elementen als met verbindingenkan ontwerpen en deze er ook weer uitkan destilleren (van belang voor bij-voorbeeld een koppeling met de pro-duktie of voor het uitrekken van hoe-veelheden). De onderdelen van de ele-menten en verbindingen worden in hetontwerpsysteem opgeslagen als gepara-RoosterMet eenschetsontwerp als uitgangspuntzal een ontwerper allereerst een roostervan het toekomstige gebouw in het ont-werpsysteem vastleggen door het plaat-sen van stramienlijnen. Hoewel de vi-sualisering een driedimensionaal lij-nenspel voorstelt, zijn voor de ontwer-per ook de afzonderlijke lijnstukken ende snijpunten van de stramienlijnen be-kend, evenals de vlakken en volumesomspannen door de stramienlijnen.Met een minimum aan informatie (destramienlijnen) dienen al deze onderde-len van het rooster en de samenhang er-tussen doorhet ontwerpsysteem tewor-den gegenereerd.70 Cement 1990 nr. 11ontwerp- repEdge Based rep + Face Based rep5 Topologie van een tweedelige ontwerp-representatieGEOMETRIEpuntlijnvolgordeTOPOI..DGE..??..???..4 Topologie en geOlnetrie in de boundary-representatieliggereind ontstaat een tandverbinding(automatisch of na een keuze van deontwerper) zodat aan de eis wordt vol-daan dat de liggers aan de bovenkantge-lijk moeten blijven (= relatie tussen en-titeiten). Er ontstaatzodoende geenver-springing in het vloerveld.OntwerpmodelleringDe mathematische beschrijvingen vande vorm van een entiteit in een teken-systeem (geometrie modelling) kunnenworden ingedeeld in drie groepen:draadmodellering (wirefiame modelling)Een entiteit wordt gemodelleerd doormiddel van zijn ribben;vlakmodellering (suif?ce modelling)Zowel ribben als vlakken worden ma-thematisch beschreven;lichaammodellering (solid modelling)De vorm van een entiteit wordt eendui-dig en compleet beschreven.Aan de vormbeschrijving moet een re-presentatie worden toegekend die hetmodel geschikt maakt voor zowel hetvastleggen als hetwijzigen in de compu-ter. Door deze representatie op formelewijze te beschrijven kan het model voordiverse (ontwerp)probleemvelden wor-den benut.Om te komen tot eenontwerpsysteemishet beschrijvenvan devormvan de enti-teiten niet voldoende. Ook informatieover hoe deze vormen ten opzichte vanelkaar zijn geplaatst is van belang, waar-door men de vormvan eenontwerp ma-thematisch kan beschrijven: ontwerpmodellering (design modelling). Op ba-sis van een bestaand lichaammodel iseen dergelijk ontwerpmodel (en daar-van afgeleid de representatie) ontwik-keld.LichaammodelDe tekensystemen in de bouw zijn vanoorsprong tweedimensionaal (2D) engebaseerd op draadrnodellering. Dezesystemen zijn ge?volueerd naar een 3Domgeving waarbij visualiseringstech-nieken verhullen dat een draad- ofsomseen vlakmodel de basis vormt. De te-kenoperaties hebben immers nog steedsbetrekking op lijnen of vlakken. Voorgrotere tekensystemen zijn echter reedsmodules beschikbaar gebaseerd op eenlichaammodel. Een van de representa-tie-technieken die eraan ten grondslagkan liggen is de boundary-representatie(B-rep). Hiermee kan de omhulling vaneen lichaam in het tekensysteem wor-den vastgelegd. In de B-rep wordt on-derscheid gemaakt tussen de geometrieen de topologie van een vorm (fig. 4). Degeometrie beschrijft de vorm en afme-tingen van de elementen; de elementenzijn punten, lijnen en vlakken. Tussendeze elementen bevinden zich begren-zingsrelaties (de topologie) die kanwor-den beschouwd als de lijm tussen de ele-menten waarmee een omhulling ma-thematisch kan worden beschreven.In dewerktuigbouwwordtal veel langergebruik gemaaktvan een lichaammodelgebaseerd op de Solid ConstructiveGeometry (CSG-rep). Deze representa-tie gaat uitvan zogenaamde primitieven(bijvoorbeeld een cilinder of kubus)waarmee een massieve entiteit kanwor-den gemodelleerd (door middel van hetoptellen en aftrekken van primitieven).Deze modelleerwijze sluit aan bij hetontwerpen en produceren in de werk-tuigbouw: door het bewerken van eenmassief object (door boren en frezen)ontstaat het uiteindelijke produkt.Het ontwerp- en produktieproces in debouw is veelal geen bewerken maar ver-werkenvan materialen: de verschillendecomponenten worden samengevoegd.Bij deze montage-gerichte aanpak pastde boundary-representatie.OntwerpmodelOm de vorm van een ontwerp te kun-nen vastleggen dient zowel de topologieen geometrie van de entiteiten afzon-derlijk als ook de topologie tussen enti-teiten teworden beschreven. Hiervooriseen ontwerp-representatie ontwikkelddie bestaat uit twee delen. E?n represen-tatie legt de topologie en geometrie vande lichamenvastzoals ditgeschiedt in deboundary-representatie. Om de topo-logie tussen lichamen te beschrijvenwordt eentweede representatie ge?ntro-duceerd die ook gebaseerd is op deboundary-representatie. De betekenisvan de elementen is echter '??n dimen-sie hoger'. Door beide representaties sa-men tevoegen ontstaateenontwerp-re-presentatie waarbij tussen alle elemen-ten (punten, lijnen, vlakken envolumes)een volgorde is aangebracht (fig. 5).(vervolg op blz. 76)Cement 1990 nr. 11 71ICONSTRUCTIEF ONTWERP IDETAILS'------------ten in de wand ook voor dat stadium te worden beschouwd.Aangehouden wordt een veiligheidsco?ffici?nt van 1,7.Trekzijde van de torenwand onder bezwijkbelastingDe voorspanstaven zijn ge?~ecteerd en zullen dus geleidelijkde extra trekkracht van 0,7 . 600 kN in de wand brengen.Overigens is de wapening boven, onder en naast de sparing instaat in het bezwijkstadium de trekkrachten op te nemen.De wapening is immers gedimensioneerd op een staalspan-ning van 185 N/mm2?De veiligheid daarop is 500/185 = 2,7.Drukzijde van de torenwand onder bezwijkbelastingDe drukkracht van 600 kN wordt nu 1,7 . 600 kN. De voor-spankracht is aangehouden op 600 kN, zodat de totale be-zwijkdrukkracht per verankering 1620 kN bedraagt.Randwapening boven:Nbu2 = 0,09 . 1620 kN = 146 kNa.u = 146' 103/8' 113 = 162 N/mm2Meer naar onder gelegen wapening:Nbul = 2,7 . 177' 103/16 . 113 = 264 N/mm2Ook deze wapeningsdoorsnede is ruim voldoende.Literatuur1. Bruggeling, AS.G., Theorie en praktijk van het voorge-spannen beton, deel 2, pag. 689 e.v.2. VanWagensveld, P.c., Vlakke platen met normaalbelastin-gen op de plaatrand. Onderzoekrapport DR5, TU Delft, Be-tonconstructies.3. Boussinesq, J, Applications des potentiels ? l'?tude del'?quilibre et du mouvement des solides elastiques.4. Eibl,J en G. Ivanyi, Innenverankerung von Spanngliedem.Beton- und Stahlbetonbau 2/1973.5. Bruggeling, AS.G., Het beheersen van scheurvorming ingewapend beton, Cement 1987, nr. 9.6. Bruggeling,AS.G.,Theorieenpraktijkvanhetconstructiefbeton (met voorspanbelasting), 1990, deel 1, pag. 156.7. VanBreugel,K.,Temperatuurspanningenenhet scheurge-drag van dikwandige cylinders. Cement 1988, nr. 12.8. Bruggeling,AS.G., m.m.v. WA. deBruin, Theorie enprak-tijk van het gewapend beton, hoofdstuk VII.Vervolg van blz. 71CADCRETE - Op weg naar intelligente tekensystemenOmdat is uitgegaan van een gescheidenbeschrijving van de geometrie (enti-teiten) en de topologie (relaties) kan deontwerp-representatie worden benutvoor het vastleggen van willekeurigeontwerpen. Er is met andere woordengeen voorafbepaalde, vaste boomstruc-tuur die alle mogelijke ontwerpen dientte bevatten. In de topologie is een volg-orde aangebracht waardoor het opbou-wen en wijzigen van een ontwerp wordtvergemakkelijkt. Door de ontwerp-re-presentatie te splitsen en te baseren opde boundary-representatie kunnen be-staande tekensystemenworden getrans-formeerd naar eenontwerpsysteem. Hettekensysteem verzorgt de representatievan de lichamen, terwijl in een databasede topologie tussen de lichamen (de sa-menhang) wordt vastgelegd. Het teken-systeem zorgt tevens voor het visualise-ren van het ontwerp en het uitvoerenvan manipulaties op het scherm (deuser-interface).ConclusiesIndejaren tachtigzijn de tekensystemenin de bouw gemeengoed geworden. Detrend tekent zich afdat in de jaren ne-gentig de ontwerpsystemen tot ontwik-keling zullen komen. Eenvoorbeeld vaneen ontwerpsysteem, voor het ontwer-76pen van prefab betonnen draagcon-structies,is in hetkortbeschreven,waar-bij drie fasen in het ontwerpproces zijnonderscheiden: het rooster, de draag-structuur en de constructie. Iedere fasebevat een ontwerpmodel dat bestaat uitentiteiten en relaties. Op basis van deontwikkelingen in de tekensystemen inde bouw is een tweedelige ontwerp-re-presentatie ontwikkeld, waarmee eengegevensmodel in de computer kanworden vastgelegd en gewijzigd. Dooreen scheiding aan te brengen tussen to-pologie en geometrie ontstaat geengesloten oplossingsruimte voor de terealiseren ontwerpen.Het is mogelijk om de ontwerp-repre-sentatieookvoor andere toepassingen tebenutten. Deze toepassingen zullen inhet begin vooral gezocht moeten wor-den in kleine, afgebakende ontwerp-problemen (2D of 3D) om te omvang-rijke gegevensbestanden te vermijden.Met het toenemen van de complexiteitzal men een balans moeten vindentussen de opslag van informatie, desnelheid, de overzichtelijkheid en dewerkbaarheid (bijvoorbeeld een ket-tingreactie als gevolg van eenwijziging).Wellicht zullen na dejaren negentig dekennis- of expertsystemen in de bouwhun opwachting maken die de gebrui-ker beschermen tegen te veel (overbo-dige) informatie.De ontwikkeling van tekensystemen,via ontwerpsystemen naar zelfs kennis-systemen zal aan ontwerpers en con-structeurs niet onopgemerkt voorbijgaan. Men dient na te denken over zijnrol in het ontwerpproces om te komentot een methodische, gestructureerdeaanpak die voor een deel kan wordenovergenomen door een computer.Literatuur1. Van Kempen, A, Coco & Co. Hetcomputerondersteund ontwerpen vandraagconstructies met behulp van pre-fab betonnen elementen, gebaseerd opeen produktmodel. AfstudeerverslagTU Eindhoven, afdeling Bouwkunde,sectie Calibre,juni 1990.Cement 1990 nr. 11