Automation and improvement of the bridge substructure design process

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-10-10
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
en
Pages
127 + 9
Series
Abstract
Bridge design and analysis involves solving the stresses and strengths in the bridge. These calculations are performed on a computer with different programs because of their computing power and optimization for a specific task. However, data transfer between programs is mainly done by hand. This introduces chances for errors. These errors and manual actions cause the process to take longer. By automating repetitive tasks, the design process is more efficient and involves less errors. This enables more design possibilities to be evaluated and more quality control. This work focuses on the design process of bridge substructures. What the design process involves and how it can be improved with algorithmic design are researched with a literature review. The current design process of bridge substructures is defined, and the problems in it are identified with personal use and discussions with other designers. Next, the design process is improved by utilizing what was learned from algorithmic design. This involves creating automation with the Grasshopper visual scripting language. To enable this to work, new components which enable programs to communicate are created. The different design processes are compared to estimate the savings in terms of manual actions and time. This is performed by analysing each part of both processes and assigning an estimate for time, error, and manual actions to each. These estimates are given comparison values, and the total time cost is evaluated. To test the results that can be achieved with the time savings of the new design process, a case study is performed. In this case study, the diameter of bridge columns is varied, and the costs associated with it are estimated. The main problem with the original process is the number of manual actions needed, caused by poor interoperability between design programs. The new process reduces these manual actions as much as possible by using visual scripting. Comparing the processes reveals clear advantages for the new process. Manual actions are greatly reduced, and moderate time savings are also achieved. These savings increase with the number of design iterations performed. The case study shows benefits from searching a larger design space. With a larger search, material costs in columns can be reduced.

Sillan mitoitukseen kuuluu sen rasitusten ja kestävyyksien ratkaiseminen. Nämä laskut tehdään tietokoneella ja erilaisilla ohjelmistoilla, johtuen niiden laskutehosta ja optimoinnista tiettyyn tarkoitukseen. Tiedonsiirto näiden ohjelmien välillä tapahtuu kuitenkin pääosin käsin. Tämä luo mahdollisuuden virheiden syntymiselle. Nämä virheet ja käsin tehtävät toiminnot lisäävät prosessiin kuluvaa aikaa. Toistuvien tehtävien automatisoinnilla prosessista saadaan tehokkaampi ja virheiden määrää saadaan vähennettyä. Tämän avulla voidaan tutkia enemmän vaihtoehtoja ja varmistaa laatua. Tämä työ keskittyy siltojen alusrakenteiden mitoitusprosessiin. Kirjallisuusselvityksellä selvitetään mikä on mitoitusprosessin sisältö sekä miten sitä voidaan parantaa algoritmiavusteisella suunnittelulla. Nykyinen mitoitusprosessi ja sen ongelmat määritetään henkilökohtaisella käytöllä ja keskusteluilla muiden suunnittelijoiden kanssa. Nykyistä prosessia parannetaan algoritmiavusteisen suunnittelun oppien avulla. Tämä koostuu prosessin automatisoinnista visuaalisen skriptauksen avulla, johon käytetään Grasshopper-ohjelmistoa. Tämän mahdollistamiseksi luodaan uusia komponentteja, joiden avulla ohjelmistot voivat kommunikoida keskenään. Alkuperäistä ja uutta prosessia verrataan säästetyn ajan ja käsin tehtyjen tehtävien perusteella. Tämä toteutetaan antamalla jokaiselle prosessin osalle arvio siihen kuluvasta ajasta, virhemahdollisuuksista, ja käsin tehdyistä tehtävistä. Näille annetaan vertailuarvot, joiden avulla lasketaan prosessiin kuluva aika. Uudella prosessin ja sen aikasäästöjen mahdollistamia tuloksia selvitetään esimerkkitapauksella. Tässä sillan pilareiden kokoa muutetaan, ja niihin liittyviä kustannuksia arvioidaan. Tärkein ongelma alkuperäisessä prosessissa on käsin tehtyjen tehtävien määrä, joka johtuu huonosta ohjelmien välisestä yhteentoimivuudesta. Uusi prosessi vähentää käsin tehtäviä toimintoja mahdollisimman paljon käyttämällä visuaalista skriptausta. Prosessien vertailu paljastaa suuria etuja uudessa prosessissa. Käsin teko vähenee merkittävästi, ja aikaa säästyy kohtalaisesti. Nämä säästöt kasvavat suunnitteluvaihtoehtojen määrän kasvaessa. Esimerkkitapauksessa selviää monen vaihtoehdon tutkimisen edut. Pilareiden materiaalikustannuksia saadaan hieman vähennettyä.
Description
Supervisor
Lin, Weiwei
Thesis advisor
Kuusela, Kimmo
Keywords
bridge, substructure, structural design, design process, automation, algorithmic design
Other note
Citation