Informační model budovy a software pro posouzení statiky: scénáře a faktory úspěchu při výměně dat

Odborný článek

Informační modelování budov (Building Information Modeling) představuje v současnosti jedno z nejvýznamnějších témat v celém odvětví vývoje softwaru pro stavebnictví. Nejedná se přitom zdaleka o nový proces a je všeobecně známo, že dobrým naplánováním v počátečním stadiu projektu lze výrazným způsobem kladně ovlivnit celkové náklady na projekt.

Již více než 20 let se například v oblasti ocelových staveb používají 3D modely, z nichž se automaticky odvozuje 2D výrobní dokumentace nebo se vytvářejí NC data, která se přímo předávají výrobním automatům. Podobně se za aktuálně nejpokročilejší řešení považují výpočty statiky na celkových 3D modelech staveb. Pro další vývoj stavebního softwaru s sebou digitální modely přinášejí především otázky datové výměny a časově efektivního používání těchto modelů v různých plánovacích programech. Důležité nejsou přitom pouze čistě geometrické, fyzikální modely, ale je třeba vzít v úvahu řadu jiných modelů s dalšími údaji o konstrukci.

Jedná se o statické nebo analytické modely, které zahrnují mechanické vlastnosti materiálů, okrajové podmínky nebo zatížení, tj. údaje, které z čistě fyzikálních akchitektonických modelů nelze ihned vyčíst. Z těchto rozdílů pak plynou obtíže při výměně dat BIM modelu při posouzení statiky. Očekávání od BIM projektování v oblasti statiky jsou přitom obrovská. Znamenají proto i velkou výzvu pro výrobce stavebního softwaru. V našem příspěvku nejdříve přiblížíme základní problémy datové výměny a následně představíme řešení ověřená v praxi.

Posouzení statiky v procesu BIM

Informační model budovy je založen na jednotném přístupu k celému životnímu cyklu stavby (Building), počínaje prvotní ideou a návrhem (architekt, investor) přes plánování výstavby (stavební inženýři) až po provoz budovy a její demolici. Cílem je přitom optimalizovat náklady po celou dobu životního cyklu stavby. Samo posouzení statiky konstrukce přitom představuje jen malou dílčí část BIM, jejíž vliv na náklady na celý životní cyklus stavby je zpravidla druhořadý. Velká „revoluce”, kterou BIM představuje, se tak aktuálně týká spíše pole působnosti architektů.

Přesto však statice připadá v relativně krátkém časovém úseku prováděcího plánování příslovečně „nosná” úloha. Rozhoduje o proveditelnosti konceptu a představuje milník, bez jehož dosažení nelze přistoupit k dalším procesům při plánování konstrukce. Výrazně ovlivňuje spolehlivost dalšího plánování a s tím spojené náklady na případné nezbytné změny. Posouzení statiky musí být zkrátka rychle k dispozici, musí být spolehlivé, a to pokud možno i při dodatečných změnách. Trojrozměrné BIM modely mohou být přitom zdrojem cenných vstupních dat a sloužit jako prostředek komunikace a lepšího porozumění.

Obr. 01 – Typický scénář výměny dat pro BIM při posouzení statiky konstrukce

Model BIM a model pro posouzení statiky

Modely BIM v běžně používaném smyslu obsahují veškeré geometrické informace, údaje o materiálech a prefabrikovaných dílech pro určitou stavbu. Popisují funkci stavby a mohou zahrnovat také informace o jejím časovém průběhu, například montáži. Mohou tak výborně posloužit jako vizuální komunikační prostředek pro všechny účastníky stavby. Jsou nástrojem ke stanovení potřebného materiálu a nákladů a konečně také umožňují předcházet chybám při plánování, které by mohly vzniknout v důsledku kolizí jednotlivých konstrukčních prvků nebo činností. Výměna dat se týká především parametrických dat, která přesně popisují geometrii konstrukce. Konstrukční prvky jsou přitom modelovány pomocí okrajových a tažených ploch, které slouží k zadání tělesa.

V modelu pro posouzení statiky je naopak důraz kladen na mechanicky správné zachycení nosné konstrukce. Geometrie je zjednodušena a omezena na staticky významné nosné konstrukční prvky. Objemné geometrické údaje, které zvyšují náročnost výpočtu, model obsahuje pouze v případě, že jsou nezbytně nutné a opodstatněné. Sloupy a nosníky se počítají jako pruty (1D prvky) a stěny a stropy jako desky (2D prvky). Prutové a plošné prvky lze kombinovat také ve 3D statických modelech. Numerický výpočet těchto idealizovaných modelů vyžaduje, aby všechny konstrukční prvky na sebe navazovaly a aby byly známy podmínky přechodu. Při zjednodušení konstrukčních dílců z těles na středové linie (u prutů) a středové roviny (u ploch) nejsou ovšem průniky vždy automaticky dány.

Podstatnou součástí statického modelu bývají dále:

  • zadání podpor a kloubů
  • mechanické vlastnosti materiálů a průřezů
  • vnější zatížení (vítr, sníh, užitná zatížení atd.) a kombinace zatížení
  • účinky seizmické činnosti nebo jiné mimořádné účinky
  • předpisy pro posouzení
  • lineární a nelineární metody a teorie výpočtu

Z BIM modelu, běžně chápaného jako čistě geometrického modelu, tak nelze bez přičinění kvalifikovaného inženýra automaticky odvodit statický model. Aby byly modely geometricky totožné, bylo by i ve statice zapotřebí modelovat konstrukční prvky jako tělesa. Ovšem i při současném výkonu výpočetní techniky je výpočet budovy jako modelu těles stěží myslitelný.

Scénáře výměny dat pro BIM v praxi

V podstatě můžeme rozlišovat datovou výměnu mezi softwarovými aplikacemi v rámci stejného oboru nebo mezi aplikacemi z různých oborů. Jestliže si data vyměňuje architektonický nebo konstrukční software, pak se jedná o stejné objekty a informační obsah a příslušné datové modely budou v obou programech velmi podobné. Softwarové aplikace můžou v tomto případě informace přímo dále zpracovávat a převádět na své specifické inteligentní objekty. Mluvíme pak také o horizontální datové výměně.

Pokud se data předávají do jiného oboru, například z architektonické aplikace do statického programu, pak se zájem soustředí na jiný datový pohled (pouze nosné konstrukční prvky jako sloupy, stěny, nosníky, stropy). Další nezbytné údaje jako působiště sil, poddajnost spojů konstrukčních prvků nebo přesné mechanické vlastnosti materiálů a průřezů zatím chybějí.

Mluvíme také o vertikální datové výměně. V rámci jednoho oboru se lze samozřejmě lépe vyvarovat případným datovým ztrátám nebo chybám v interpretaci. V případě BIM se ve statice provádí zpravidla vertikální datová výměna, protože často je nejdříve k dispozici architektonický model, z něhož se odvozuje model pro posouzení statiky. Někdy ale také dochází k výměně dat mezi dvěma statickými programy, například mají‑li se ověřit statické výpočty.

Obr. 02 – Horizontální a vertikální výměna dat

Níže uvádíme přehled nejdůležitějších scénářů:

  • architektura → statika → konstrukce
  • statika → architektura pro porovnání a zapracování změn po statickém výpočtu
  • statika → statika pro ověření
  • možnost exportovat celé nebo dílčí konstrukce
  • možnost aktualizovat materiály, tloušťky a průřezy (v obou směrech) a výsledky výpočtu převést zpět

Obr. 03 – Scénář BIM: převedení modelu z aplikace BIM do statického programu, aktualizace průřezů a předání výsledků výpočtu (vnitřních sil) do modelu BIM

Co se týče formátu datové výměny, máme různé možnosti. Zvláštní úlohu můžeme přisoudit IFC formátu, který je mezinárodně rozšířený a uznávaný jako standard pro výměnu BIM dat. IFC formát je rozdělen do různých pohledů (Views) a každá disciplína má svůj vlastní pohled.

Nejdůležitejším pohledem je Coordination View, pro který se také můžou jednotlivé softwarové produkty certifikovat. Jestliže hovoříme o IFC formátu, aniž bychom blíže specifikovaly jednotlivé pohledy, pak zpravidla míníme Coordination View. Tento pohled podporuje většina architektonických aplikací.

Naopak pro statiku je určen pohled Structural Analysis View, který slouží k popisu výpočetního modelu, na kterém se provádí posouzení statiky, včetně zatížení a kombinací zatížení. Tento pohled nelze v současnosti certifikovat a podporuje ho pouze omezený počet statických programů. Obecně je třeba poznamenat, že ačkoli se IFC formát považuje za standard, lze ho interpretovat různě a pro úspěšnou datovou výměnu je nakonec vždy zapotřebí provést vlastní testování výměny dat mezi příslušnými softwarovými nástroji.

Obr. 04 – Modely z IFC pohledu Coordination View v programu RFEM, vizualizace a selektivní převod na nativní inteligentní RFEM objekt

Kromě IFC formátu se ale také uplatňují dobře zavedené formáty jako DXF/DWG, produktové rozhraní pro ocelové konstrukce nebo i jiné textové formáty. Důležitou úlohu mají také přímá rozhraní, která se obejdou bez výměnných souborů. Jednotlivé aplikace spolu v tomto případě komunikují přímo přes programovatelná rozhraní (APIs).

Klíčové faktory úspěšné datové výměny

V první řadě je třeba si ujasnit, o který scénář výměny se v daném případě jedná. Pokud známe příslušné softwarové produkty, víme také o možných podporovaných rozhraních. V druhé řadě je třeba cíleně otestovat výměnu dat, přičemž pro testy bychom měli zvolit přehledné a nepříliš rozsáhlé modely. Údaje o materiálech a průřezech často vyžadují větší pozornost.

Zpravidla každý software dodává i vlastní databáze, které v případě statických posouzení obsahují veškeré parametry v souladu s normami. Databáze se navzájem přiřazují v takzvaných mapovacích souborech, které představují jednoduché tabulky s odpovídajícími si označeními. Soubory pro přiřazení z části dodává výrobce programu. Příslušné soubory pro používané programy ve firmě je přitom vhodné interně sjednotit a sladit.

Existují také BIM aplikace, které v architektonickém modelu již dodávají také analytický model (model pro statiku). Výhodou je, že oba modely se překrývají, jsou vzájemně referencovány, a lze je tak snáze ověřit. Kromě konstrukčních dat můžou zahrnovat i údaje o zatížení. Uživatel takového softwaru pak musí být sto správně oba modely sestavit. K tomu je nezbytná koordinace mezi všemi zúčastněnými stranami.

Vzhledem k tomu, že na modelu často pracují inženýři z několika projektových kanceláří, vyvstává otázka, kdo bude odpovídat za příslušné náklady u těchto interdisciplinárních modelů a kdo bude ručit za správnost. To je třeba vždy předem dojednat. Zde se bezpochyby otevírají příležitosti pro BIM, což rozpoznaly větší firmy. Pokud budou moci modelovat celý řetězec procesů, pak bude možné také již v rané fázi optimálně připravit BIM modely pro jejich pozdější použití ke statickému výpočtu.

Důležitým hlediskem při výběru vhodného softwaru je podpora různých datových formátů. Popis ve stávajícím datovém formátu je třeba převést na objekty specifické pro daný software. Pouhá vizualizace nebo referencování datových modelů pro posouzení statiky nestačí a lze je použít pouze pro vizuální kontrolu. Pokud může software načíst několik modelů a převést je na vlastní objektový datový model, flexibilita se výrazně zvyšuje a šance na úspěšnou a efektivní výměnu dat rostou. Jedná se o rozhodující faktor úspěchu, pokud se mají například soubory z IFC pohledu Coordination View použít v aplikaci pro statické výpočty.

Vyloučit bychom předem neměli ani programování vlastních jednoduchých nástrojů pro výměnu dat, ačkoli se může zpočátku jevit jako poněkud náročnější. Jedná se o možnost jednoduše převádět další parametrické údaje. Lze tak například zobrazit položkové plány ze statického programu v BIM aplikaci, dojednat změny nebo modelovat v aplikaci pracovní toky specifické pro danou firmu.

Předpokladem je, aby používané softwarové produkty disponovaly příslušnými API rozhraními, která lze ovládat jednoduchými, běžně známými programovacími jazyky (VBA, C# atd.).

Níže uvádíme faktory úspěšné a efektivní datové výměny:

Sestavení BIM modelu také z hlediska posouzení statiky
  • Včasné zapojení statika a domluva termínu předání a obsahu
  • Stanovení standardu pro označení materiálů a průřezů (mapovací tabulky)
  • Funkční a jednotné modelování konstrukčních dílců (sloupy a nosníky jako prutové objekty, stěny a stropy jako plošné objekty)
  • Modelování stěn, stropů a sloupů v jednotlivých sekcích a úrovních
Stanovení rozsahu a obsahu převáděných dat
  • Kdo vytvoří idealizovaný statický model a v kterém programu (BIM software nebo statický program)?
  • Mají se předat pouze geometrické rozměry, působiště sil nebo i další statické údaje jako podpory nebo klouby?
  • Kdo definuje zatížení, zatěžovací stavy a kombinace zatížení?
  • Kdo je oprávněn provádět změny: posouvat, přidávat nebo odstraňovat nosné prvky, stanovit průřezy a tloušťky konstrukčních dílců?
  • Jak a kdy se provede případné automatické porovnání modelů?
Definování pracovních oblastí
  • Kdo a kdy bude pracovat na jaké oblasti modelu?
  • Vyhnout se pokud možno současnému zpracovávání stejných konstrukčních dílců
Testování scénářů výměny a používaných výměnných formátů a rozhraní
  • Podporuje BIM aplikace a statický program stejná rozhraní a v jakém rozsahu?
  • Testování na přehledných modelech s definovanými objekty pro výměnu
Závazná pravidla, mají-li být BIM modely k dispozici
  • Pokud možno v několika formátech (IFC, vlastní datový formát programu, DWG/DXF, SDNF, STEP a další)
  • Rozšíření možností výměny a umožnění kontroly a porovnání modelů

Shrnutí

Posouzení statiky je součástí informačního modelování budov. V důsledku stále častějšího používání BIM plánovacích metod vznikají nové digitální řetězce procesů, které přispívají ke zvýšení efektivity. BIM model a statický model jsou ve své podstatě rozdílné a statický model nelze vždy automaticky a jednoznačně odvodit z BIM modelu.

Má‑li být proces plánování se zřetelem k posouzení statiky efektivní, je potřeba v časné fázi zapojit statika a zohlednit konstrukčně statická hlediska a aspekty datové výměny již při vytváření BIM modelu. Používaný software byl měl být schopen převádět parametrický popis geometrie na vlastní, inteligentní objekty. Při zvolení vhodné strategie datové výměny lze v takovém případě posouzení statiky velmi dobře integrovat do procesu BIM.

Odkazy

RFEM Hlavní program
RFEM 5.xx

Hlavní program

Program RFEM pro statické výpočty metodou konečných prvků umožňuje rychlé a snadné modelování konstrukcí, které se skládají z prutů, desek, stěn, skořepin a těles. Pro následná posouzení jsou k dispozici přídavné moduly, které zohledňují specifické vlastnosti materiálů a podmínky uvedené v normách.

Cena za první licenci
3 540,00 USD
RSTAB Hlavní program
RSTAB 8.xx

Hlavní program

Program pro statický výpočet a navrhování prutových a příhradových konstrukcí, provedení lineárních a nelineárních výpočtů vnitřních sil, deformací a podporových reakcí.

Cena za první licenci
2 550,00 USD