The design cycle of membrane structures consists of three interactive and highly non-linear disciplines. Formfinding is performed in order to find a geometry that allows the prestressed structure to carry loads through tension only. Once a formfound geometry is set, structural analysis needs to assess the structure's safety and usability. The most challenging step is the cutting pattern generation, which aims at finding the planar pieces which can be elevated to build spatial membrane structures with a minimum deviation from the desired shape and prestress state.<br/> Isogeometric B-Rep Analysis (IBRA) allows the designer to perform analyses on the original CAD model without leaving the CAD environment. High quality is ensured for the geometry and the mechanical approximation by using Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS). Additionally, the topology information of multipatches can be transferred to the analysis in order to enrich the design space. Trimmed and coupled surfaces can thus be included in the analysis. Parametric models allow the designer to examine a large variety of geometrical and mechanical entities with one model.<br/> The advantages of the CAD-integration with IBRA for the highly interactive design of structural membranes are shown in this contribution.

The complex geometries of lightweight structures can easily be modeled with modern CAD systems that use NURBS. Isogeometric B-Rep Analysis (IBRA) adopts the NURBS geometries along with their topology for the analysis model, which can thus fulfill both design purposes and solve structural problems in one software environment. Especially in lightweight design, which is characterized by a strong interaction between shape and structural behavior, this presents a major advantage. Results can be used as a new input to consecutive analyses within this novel approach. This is especially useful for the simulation of construction stages or in the design cycle of membrane structures, where mechanically driven optimizations, such as formfinding and cutting pattern generation, as well as structural analysis, are dependent on each other. This paper focusses on parametric design with IBRA and the advantages of the uniform model description and workflow. Not only geometrical but also mechanical properties can be parameterized and thus offer a large variety of options to explore for designers as well as engineers. In addition to the possibility of optimization through formfinding methods, the provided framework can conveniently be combined with other tools and thus be extended by external optimization loops where geometry and structural parameters are modified simultaneously. The successful integration of parametric IBRA in a CAD environment, such as Rhino and Grasshopper is presented. Selected examples demonstrate the significance of the CAD-integrated unified workflow for the interactive analysis loops of lightweight structures.

Der Entwurf von Membrantragwerken umfasst drei miteinander stark verknüpfte und zum Teil sehr interaktive Disziplinen: Formfindung, Strukturanalyse und Zuschnitt. Um diese verschiedenen Aufgaben und die jeweils dafür spezialisierten Analysetypen miteinander in Einklang zu bringen und somit eine tragfähige Membran zu entwerfen, bedarf es leistungsfähiger numerischer Simulationsumgebungen. Mit der CAD‐integrierten Analyse wurde die Möglichkeit geschaffen, diese hochgradig nichtlinearen Analysen direkt in der CAD‐Umgebung durchzuführen. Dadurch verbessert sich zum einen die geometrische Qualität des Analysemodells, das durch glatte NURBS‐Kurven und Flächen beschrieben wird. Zum anderen lassen sich auch die Abhängigkeiten der einzelnen Berechnungsschritte ideal abbilden, da Pre‐ und Post‐Processing in einer einheitlichen Umgebung stattfinden und mit demselben Modell beschrieben werden. Beispielsweise kann eine formgefundene Fläche direkt für weitere Analysen verwendet werden. Die Grundlage hierfür bildet die Isogeometrische B‐Rep‐Analyse (IBRA), die in diesem Beitrag kurz erläutert wird. Bei der isogeometrischen Methode werden NURBS sowohl für die Geometriebeschreibung als auch zur Definition der Ansatzfunktionen im Sinne der Finite‐Elemente‐Methode genutzt. Zudem kann ein parametrisches Modell mit geometrischen und mechanischen Eigenschaften erstellt werden, welches Formfindung, Strukturanalyse und Zuschnitt auf der Basis des gleichen numerischen Modells erlaubt. Somit können am Modell beinahe unendlich viele Konfigurationen mit geringstem Aufwand untersucht werden. Dieser Beitrag liefert einen Überblick über die aktuellen Methoden und Vorteile des CAD‐integrierten Entwurfskreislaufs für Membrantragwerke und erläutert die zugrunde liegenden mechanischen Aspekte. Hierfür wird das frei verfügbare Plugin Kiwi!3D für Rhino und Grasshopper in der Anwendung auf die textilen Bauten des Tanzbrunnens in Köln gezeigt.

No abstract

Leichtbau ist geprägt von seiner filigranen Tragstruktur, die sich durch eine Vielfalt von grazilen Formen und organisch wirkenden Freiformflächen auszeichnet. Moderne CAD‐Systeme nutzen NURBS (Non‐uniform rational B‐Splines), um die Formsprache des Leichtbaus dem Computer zugänglich zu machen. Die isogeometrische B‐Rep‐Analyse (IBRA) verwendet NURBS für das Lösen strukturmechanischer Probleme. Durch die Nutzung der gleichen geometrischen und topologischen Beschreibungen wird der kontinuierliche Datenaustausch zwischen CAD‐ und Analyse‐Software vereinfacht. Die einheitliche Modellbeschreibung begünstigt parametrische Entwurfsprozesse. Vorteile ergeben sich auch dort, wo die Ergebnisse einer Analyse wieder in das CAD übertragen werden sollen; beispielsweise bei einer Baufortschrittsmodellierung oder einer Formfindung, wenn es darum geht, die berechneten Geometrien erneut in den Entwurfsprozess einzubinden und mit ihnen weiterzuarbeiten. Im Hinblick auf biegeaktive Strukturen spielen die Glattheit der Modellgeometrie und die Abbildung ihrer Verformung eine bedeutende Rolle. Durch die Verwendung von NURBS ist dies gegeben.