BIM en ingeniería estructural: Proceso de planificación, posibilidades y oportunidades

Eliminación de componentes no estructurales

Una de las principales ventajas de los modelos 3D-BIM es que toda la información está disponible de forma centralizada en una base de datos. Si se supone que el diseño de un edificio lo crea inicialmente el arquitecto, el enfoque no está principalmente en el sistema estructural. El enfoque de su trabajo está principalmente en el uso y diseño del edificio, así como en la adherencia a un marco de costos en estrecha cooperación con el propietario del edificio. En base a este hecho, se diseñan las estructuras de soporte necesarias para el edificio. Este modelo estructural representa la estructura portante de un edificio, por así decirlo, y es de particular interés para el ingeniero estructural. Las partes restantes del edificio que no soportan carga son insignificantes para él/ella (por ejemplo, diseños detallados de puertas y ventanas, estructura precisa del piso, instalación eléctrica y plomería, etc.) o son, como mucho, importantes para supuestos de carga. Por lo tanto, el ingeniero estructural solo debe evaluar una parte del modelo BIM y debe separar los objetos estructuralmente relevantes de los irrelevantes. Sin embargo, la información sobre si un componente estructural disponible en el modelo BIM contribuye o no al análisis del sistema estructural no se incluye necesariamente en todos los modelos BIM y debe ser entregada al modelo por el ingeniero estructural o él/ella. deberá eliminar aquellos elementos que no le sean imprescindibles utilizando los filtros correspondientes. El software BIM que le permite marcar componentes como portantes en el modelo arquitectónico está disponible en el mercado. Siempre que el arquitecto considere que es su tarea realizar este marcado, se facilita una transferencia automática del modelo al software de análisis estructural.

Modelo estructural físico y modelo de análisis idealizado

Una vez que los componentes estructurales portantes se han eliminado del modelo BIM global, el modelo estructural físico está disponible, que corresponde en posición y forma al modelo real (sólido) posterior. Sin embargo, debido a las capacidades de cálculo limitadas y a las simplificaciones necesarias para los cálculos, no todos los componentes estructurales se calculan normalmente como modelos sólidos, sino que se reducen a elementos de barra y superficie, cuyos resultados (por ejemplo, esfuerzos internos para barra y superficie) las normas vigentes también se refieren. El uso de modelos sólidos generalmente se limita a componentes estructurales muy gruesos o al análisis de subáreas especiales (como conexiones de acero), que incluye detalles como tornillos, soldaduras o condiciones de contacto. La reducción a barras y superficies plantea el problema de la posición de los ejes centroidales de estos componentes estructurales y cómo están conectados entre sí. Debido a las diferentes alturas de los componentes, cortes y conexiones, no se pueden conectar modelos de líneas centrales consistentes en un punto, que debe ajustarse más para que sirva como modelo de cálculo analítico. Esto da lugar a más preguntas para el ingeniero estructural.

• ¿Dónde deben ubicarse las líneas del sistema?
• ¿Cómo se manejan las posibles excentricidades de la barra y la superficie?
• ¿Es necesario acortar o extender las líneas del sistema y cuál es su influencia en la carga (peso propio, cargas lineales, cargas superficiales, etc.)?
• ¿Es suficiente el modelado mediante nodos analíticos simples o es posible que se tengan que crear modelos extendidos adaptados en términos de ingeniería (por ejemplo, la columna solo se conecta al techo en un nudo: Problema de singularidades)?
• ¿Las conexiones de las barras y las superficies son articuladas, semirrígidas o rígidas?
• ¿Qué ubicaciones se deben considerar como apoyos y con qué condiciones de apoyo?
• ¿Se pueden subdividir barras o superficies para obtener un modelo de análisis razonable?

Al tomar decisiones para todas estas preguntas, el software generalmente puede proporcionar poco apoyo, y estas decisiones deben ser tomadas finalmente por el ingeniero estructural. Sin embargo, una nueva tendencia en el software de arquitectura y construcción es el hecho de que los sistemas estructurales ya están incluidos en los programas y también se crean en parte de forma automática. La ventaja es que, una vez definidos correctamente, los sistemas básicos estructurales, idealmente incluida la carga, se pueden transferir a un programa de análisis estructural sin necesidad de un repaso importante.

Sin embargo, un requisito previo para esto es que este software BIM sea operado por usuarios que también tengan el conocimiento adecuado del análisis estructural y la aplicación de programas de cálculo. Visto desde un punto de vista tradicional con respecto a las responsabilidades habituales de los estudios de arquitectura y oficinas para el análisis estructural en Alemania, este hecho es a menudo la razón por la que el intercambio de datos y, por lo tanto, el flujo de trabajo BIM, se estanca. Después de todo, al arquitecto no se le paga por crear el modelo de análisis estructural.

Aspectos especiales del modelado

Al crear modelos de elementos finitos, es posible que se requieran estructuras auxiliares especiales y soluciones alternativas en las transiciones de superficies a elementos de barra o, por ejemplo, en vigas inferiores. Estas construcciones auxiliares requieren la reelaboración manual de estructuras importadas. Esto conduce inevitablemente a que el modelo BIM inicial y el modelo de análisis idealizado se alejen más, y la asignación de componentes estructurales relacionados en los programas de usuario de diferentes disciplinas es considerablemente más difícil.

Este problema se refleja particularmente en la comparación de los cambios en ambos modelos. A menudo, las barras de acoplamiento rígidas se utilizan para acoplar componentes conectados permanentemente en la representación del modelo estructural. Sin embargo, dependiendo de la implementación en el software de análisis estructural, estos tipos de barras especiales pueden dar lugar a problemas numéricos si son muy cortos y rígidos. Por lo tanto, se necesita una atención especial al crear automáticamente dichos elementos de acoplamiento provenientes del software BIM. Un problema grande y, a veces, no fácilmente reconocible pueden ser los componentes estructurales que supuestamente están conectados en un modelo de análisis. Debido a inexactitudes en el modelado del software BIM o a restricciones de precisión numérica, también es posible que se creen nodos FEA muy próximos entre sí. Estos nudos causan dificultades para generar la malla o pretenden ser componentes estructurales conectados que no están conectados en el modelo de cálculo. Esto da como resultado resultados de cálculo incorrectos. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a la verificación del modelo importado.

Supuestos de carga y combinaciones de carga

En algunas aplicaciones BIM, también puede especificar cargas y combinaciones de carga. La determinación de, por ejemplo, perfiles de carga de viento, cargas de nieve o cargas de presión del suelo se ha vuelto considerablemente más compleja debido a los Eurocódigos introducidos en los últimos años. Lo mismo se aplica a las reglas para crear combinaciones de carga de acuerdo con diferentes situaciones de diseño. Naturalmente, los programas de análisis estructural son más adecuados para esas tareas; son más versátiles y ofrecen herramientas de generación completas. Por lo tanto, es obvio que la entrada de carga y la combinatoria se realizan en la aplicación de análisis estructural. Si las cargas y combinaciones resultantes se transfieren de nuevo al modelo BIM, los parámetros basados en la generación automática generalmente se pierden y, por lo tanto, falta la inteligencia de los objetos de carga en caso de cambios adicionales.

Consideraciones para el cálculo de sistemas estructurales

Si se deriva un modelo de análisis adecuado del modelo BIM, se puede calcular en el software de análisis estructural. Es necesario decidir qué teoría de cálculo y modelos de materiales se utilizan. Después del cálculo, es posible que se deba ajustar el modelo, se crearán variantes del modelado o se agregarán o eliminarán nuevos elementos. Deben comprobarse las liberaciones y los apoyos. Para diseñar el sistema estructural, se deben introducir más hipótesis y parámetros. Las secciones transversales y las dimensiones pueden cambiar. El concepto clásico de BIM requeriría que estas especificaciones y suposiciones también se almacenan en el modelo BIM central. Sin embargo, esto no es completamente factible en la actualidad; no es compatible con las interfaces habituales o solo es posible si se pierde la inteligencia de los objetos.

La consideración de las etapas de construcción a veces juega un papel muy importante para los modelos espaciales y determina la utilidad de los resultados del cálculo. Por lo tanto, es absolutamente necesario asegurarse antes del cálculo si un cálculo en todo el modelo requiere la consideración de las fases de construcción, o si los modelos parciales deben calcularse en secciones. En este contexto, cabe mencionar que BIM no significa automáticamente que todo el modelo de construcción se calcule siempre espacialmente. Una buena estrategia es separar las unidades estructurales individuales sucesivamente de un modelo general BIM y calcularlas por separado.

Cambios en el modelo BIM debido al análisis estructural

Una vez completado el cálculo, es posible que se produzcan cambios en el material y la sección, o se pueden mover, quitar o agregar componentes como los arriostramientos o las vigas inferiores. Estos cambios deben reflejarse en el modelo BIM y actualizarse. Pero, ¿qué pasa si también hay cambios en el modelo BIM original que tienen que sincronizarse? ¿Cómo se decide cuál es el último estado de revisión? Este proceso debe estar sujeto a ciertas reglas y los cambios existentes deben ser aprobados por los cooperadores responsables. Mientras tanto, se debe garantizar que los cambios en el modelo BIM se asuman después de la importación en el software de análisis estructural. Pueden ocurrir cambios en el mismo componente estructural al mismo tiempo tanto en el BIM como en el modelo de análisis. Tales situaciones podrían aliviarse bloqueando partes particulares en el modelo o mediante el acuerdo de las partes involucradas. La transferencia automática de cambios de perfil, espesores de superficie o la adición y eliminación de nuevos componentes estructurales en el otro modelo respectivo suele ser posible y está respaldada, por ejemplo, por el software Dlubal. Cabe señalar que las actualizaciones resultantes del análisis estructural no sobrescriben otra información en el modelo BIM que no sea relevante para el análisis estructural.

Interfaz IFC y acoplamiento directo de software

Para una planificación coherente, se necesitan interfaces que funcionen. Si tiene acceso abierto a los datos de los programas de intercambio a través de interfaces programables, se pueden acoplar directamente sin intercambiar archivos. Ambos programas deben estar instalados en la misma computadora. La implementación de tales interfaces se puede diseñar de manera muy flexible y no está vinculada a la sintaxis y los modelos de datos de los formatos de interfaz generales, ya que son necesarios para el intercambio de archivos. Al intercambiar datos a través de formatos de archivo neutrales e independientes del fabricante, el formato IFC juega un papel importante.

Sin embargo, si un software está certificado por IFC, esto no significa necesariamente que la transferencia al software de análisis estructural también sea posible. Actualmente, una certificación solo está disponible para la "Vista de coordinación". Describe principalmente la geometría de la estructura sobre la base de modelos sólidos; es decir, el modelo estructural físico mencionado anteriormente. Para el modelo estructural, se proporciona la "Vista de análisis estructural", que también permite la transferencia de apoyos, liberaciones y cargas. Para un intercambio de datos basado en IFC basado en un programa de diseño arquitectónico, es, por lo tanto, necesario comprobar qué vista se puede exportar.

Resumen y conclusión

Los modelos 3D BIM ayudan al ingeniero estructural a comprender los sistemas estructurales complejos y a crear modelos de análisis más rápido con la transferencia de datos. Generalmente, el modelo BIM y el modelo de análisis son diferentes y geométricamente no idénticos. Los modelos de análisis generados automáticamente deben verificarse cuidadosamente, y el cálculo de todo el modelo puede requerir la consideración de las etapas de construcción. El análisis estructural puede requerir un modelado especial en puntos específicos y, por lo general, necesita información adicional que no puede, o solo puede almacenarse parcialmente, en el modelo BIM. Debido a las posibles modificaciones durante la fase de planificación, es necesario definir reglas sobre quién puede realizar cambios en el modelo, en qué momento y exactamente dónde. El software BIM y BIM requieren un conocimiento más amplio y completo de todas las fases de planificación para los arquitectos e ingenieros estructurales, además de la voluntad de repensar la división del trabajo tradicional y de entender la tarea de planificación como trabajo en equipo. Si acepta un esfuerzo adicional inicial y manejable, considerando también los pasos de planificación posteriores, los ahorros pueden ser considerables y los resultados de la planificación pueden ser mejores. Las oficinas de planificación que se han dedicado al proceso BIM en los últimos años pueden confirmarlo. No solo por este hecho, sino también porque los poderes adjudicadores especifican BIM como método de planificación, BIM seguirá extendiéndose en los próximos años. La ingeniería estructural es una parte integral y esencial del modelado de información de construcción; por lo tanto, el software de análisis estructural compatible con BIM y el manejo de modelos completos serán más importantes.

Dlubal Software se centra en el proceso de planificación basado en BIM; Ofrece una variedad de formatos de interfaz y conexiones directas a productos de software BIM comunes. Con su interfaz abierta y programable, el software se puede integrar sin problemas en los procesos de planificación específicos de la empresa. Esto permite automatizar las tareas de modelado y procesar los resultados de los cálculos.