Le Building Information Modeling (BIM) et les logiciels de calcul de structure : scenarios et facteurs déterminants pour un échange de données réussi

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La modélisation des informations sur le bâtiment décrit peut-être l’un des sujets les plus importants du secteur des logiciels de construction. Cependant, ce processus n'est pas si nouveau et il est bien connu que les coûts totaux d'un projet peuvent être influencés positivement par une bonne planification à ses débuts.

Depuis plus de vingt ans, les modèles 3D sont créés, par exemple dans le secteur de la construction métallique, pour générer automatiquement des données d'ingénierie 2D ou accéder directement aux machines de production et les contrôler via les données CN. De même, les calculs de structure sur des modèles 3D sont à la pointe de la technologie. En raison de la génération de modèles numériques, les logiciels de construction sont principalement confrontés aux problèmes d'échange de données et à la manière dont ces modèles peuvent être utilisés rapidement dans les logiciels de différents planificateurs techniques. Non seulement les modèles géométriques et physiques jouent-ils un rôle, mais un certain nombre d'autres modèles contiennent plus que les informations physiquement visibles sur les composants. Un tel modèle est un modèle structurel ou analytique qui contient des propriétés de matériau mécanique, des conditions aux limites ou des hypothèses de charge, c'est-à-dire des éléments qui ne peuvent pas être immédiatement lus à partir d'un modèle purement architectural. Ces différences se traduisent par des difficultés dans l'échange de données des modèles BIM en génie des structures. Les attentes du BIM en matière de calcul de structures sont énormes. La tâche des fabricants de logiciels de construction est tout aussi grande. Dans cet article, nous allons d'abord expliquer les problèmes de base de l'échange de données, puis présenter des solutions pratiques et testées.

Calcul de structure dans le processus BIM

La modélisation des informations du bâtiment est basée sur une vue globale du cycle de vie de la structure, y compris la conception et la planification initiales (architecte, propriétaire du bâtiment), la conception détaillée et la planification finale (ingénieurs), ainsi que le fonctionnement et la démolition du bâtiment. L'objectif est notamment d'optimiser les coûts tout au long du cycle de vie de la structure. La conception de la structure elle-même ne constitue qu'une petite partie du BIM et son impact sur les coûts de la structure est généralement secondaire. Par conséquent, la grande «révolution» du BIM a davantage d'influence sur l'architecte. Néanmoins, le calcul de structure joue un rôle important dans une période relativement courte de la planification finale. La conception détermine la faisabilité d'un concept structurel particulier et constitue une étape importante dans le processus de planification car d'autres services peuvent être retardés sans une conception adéquate. Cela a également une grande influence sur la fiabilité de la planification ultérieure et donc sur les coûts associés aux modifications nécessaires. Court terme : l'analyse structurale, y compris les modifications ultérieures, doit être efficace et fiable. Les modèles BIM tridimensionnels actuels peuvent fournir des informations précieuses ou des moyens de communication et une meilleure compréhension en matière de calcul de structure.

Figure 01 - Scenario classique d'échange de données selon la méthode BIM pour le calcul de structure

Modèle BIM et Modèle structural

En général, les modèles BIM contiennent des informations sur la géométrie, les matériaux et les produits semi-finis d'un bâtiment. Ils décrivent la fonction du bâtiment et peuvent par exemple fournir des informations sur le temps de montage. Les modèles BIM sont un outil de communication visuelle pour toutes les parties impliquées dans la construction, ils servent à la détermination des matériaux et des coûts et permettent d'éviter les erreurs de planification dues à la collision de composants ou de sous-sections individuels. L'échange de données se réfère principalement à une description paramétrique de la géométrie exacte du bâtiment. Les composants structuraux sont décrits par des modèles de surface aux limites ou des zones d'extrusion qui donnent un solide.

Les modèles structurels se concentrent en revanche sur la projection mécaniquement correcte de la structure porteuse. La géométrie est simplifiée et réduite aux composants structuraux pertinents pour l'analyse structurale. La description détaillée de la géométrie est utilisée uniquement si nécessaire et le temps de calcul augmentera inévitablement. Les poteaux et les poutres sont calculés comme des barres (éléments 1D), tandis que les murs et les plafonds sont calculés comme des dalles et des plaques (éléments 2D). Ces éléments de barre et de surface peuvent également être combinés dans le modèle 3D. Pour calculer numériquement ces modèles idéalisés, il est nécessaire de réunir tous les composants structuraux et de vérifier les conditions de transition. Cependant, en raison de la réduction des composants des solides aux lignes centrales (dans le cas des barres) et aux plans intermédiaires (dans le cas des surfaces), l'intersection automatique n'est pas toujours disponible.

Les autres composants essentiels du modèle structurel sont les suivants:

  • Définitions des appuis et articulations
  • Propriétés mécaniques des matériaux et des sections
  • Charges externes (vent, neige, charges imposées, etc.) et combinaisons de charges
  • Effets de l'activité sismique ou d'autres actions accidentelles
  • Spécifications de calcul
  • Méthodes et analyses de calcul linéaires et non linéaires

Il n'est pas possible d'inférer le modèle structurel à partir des informations de géométrie pure d'un modèle BIM sans l'intervention d'un ingénieur qualifié. Une modélisation géométriquement identique nécessiterait également une représentation sous forme de modèle solide dans le domaine du calcul de structures. Cependant, même avec la capacité de calcul actuellement disponible, il est impensable de calculer un bâtiment comme un modèle solide.

Scénarios d'échanges BIM pratiques

Vous pouvez distinguer l'échange de données entre les applications logicielles d'une même discipline et celles d'une autre discipline. Si des données sont échangées entre un logiciel d'architecture ou de construction, les objets sont les mêmes et le contenu informationnel et ses modèles de données sont très similaires dans les deux programmes. Les différentes applications peuvent traiter les informations directement et les traduire en objets intelligents spécifiques au logiciel. Ceci est également appelé échange de données horizontal.

Si les données doivent être transférées à une autre discipline (des logiciels d'architecture aux logiciels de calcul de structures, par exemple), elles se concentrent sur une vue différente des seuls composants considérés comme les poteaux, les voiles, les treillis et les dalles. Les informations supplémentaires requises, telles que l'emplacement des lignes d'action structurales, l'élasticité des assemblages des éléments ou les détails mécaniques précis des matériaux et des sections ne sont toujours pas disponibles. Ceci est également appelé échange de données vertical. Si vous appartenez à une discipline, vous pouvez facilement éviter les pertes de données ou les erreurs d’interprétation. L'échange de données vertical est souvent utilisé pour le BIM en génie des structures car le modèle structurel est généralement généré à partir du modèle architectural car ce modèle est généralement disponible. Cependant, le transfert d'un logiciel de calcul de structure à un autre nécessite également une vérification des calculs de structure.

Figure 02

Les scénarios les plus importants peuvent être résumés comme suit:

  • Architecture → calcul de structure → construction
  • Calcul de structure → Architecture pour la synchronisation des données de modifications après calcul structurel
  • Calcul de structure → Examen statique
  • Exportation facultative de la structure complète ou des sous-structures
  • Mise à jour facultative des matériaux, épaisseurs et sections (bidirectionnelles) et retour des résultats de calcul

Figure 03 - Scénario BIM: Transfert du modèle du logiciel BIM vers le logiciel de calcul de structures, mise à jour des sections et transfert des résultats de calcul (efforts internes) au modèle BIM

Il existe différentes options pour les formats de fichier d'échange de données. Le format IFC en tant que norme mondiale joue un rôle particulier. Il est divisé en différents points de vue et chaque discipline a son propre point de vue. La vue principale est la vue Coordination, où les différents logiciels peuvent être certifiés. Lorsque vous considérez le format IFC sans spécifier les vues individuelles, la vue de coordination est généralement utilisée par défaut. Cette opération est prise en charge par la plupart des programmes d'architecture. La vue Structural Analysis pour la structure contient en revanche une description du modèle de structure, des charges et des combinaisons de charges. Cette vue n'est actuellement pas certifiable et n'est supportée que par un nombre limité de programmes de calcul de structure. Bien que défini comme une norme, le format IFC peut généralement être interprété de différentes manières et il est donc nécessaire de vérifier le format avec les données du logiciel correspondant pour réussir l'échange de données.

Figure 04

Outre le format IFC, vous pouvez utiliser les formats de fichier existants tels que DXF/DWG, Interface produit pour la construction métallique ou d'autres applications textuelles. Les interfaces directes jouent également un rôle important. Ils ne disposent pas de fichiers d'échange, car les programmes individuels communiquent directement via des interfaces de programmation d'application (API).

Facteurs clés pour un échange de données réussi

La question fondamentale est de déterminer quel scénario d'échange est disponible. Si vous connaissez les différents logiciels, vous connaissez peut-être les interfaces prises en charge. Dans cette optique, il est nécessaire d'effectuer les tests d'échange ciblés à l'aide de modèles de taille gérable. Les propriétés des matériaux et des sections requièrent souvent une attention particulière. Chaque logiciel fournit généralement des bases de données personnalisées contenant tous les paramètres dépendant des normes. Ces bases de données sont mises en corrélation dans des «fichiers de mappage», qui sont de simples tableaux des descriptions correspondantes. Ces fichiers de mappage sont en partie fournis par le développeur du logiciel. Il est recommandé d'unifier et d'intégrer ces fichiers en fonction des programmes utilisés pour votre application.

Le logiciel BIM inclut également un modèle analytique (modèle structurel) dans le modèle architectural. L'avantage de ce type de logiciel est que les deux modèles se chevauchent et se référencent afin que ces modèles puissent être analysés facilement et efficacement. Outre les données du système, des spécifications de charge sont également possibles. Lorsque vous utilisez un tel logiciel, vous devez générer les deux modèles avec précision. Une coordination adéquate entre toutes les parties concernées est nécessaire. Souvent, la personne qui effectue la modification du modèle ne vient pas du même bureau d'études et se demande alors qui prend en charge les coûts des modèles interdisciplinaires et qui en est responsable. Cette opération doit être organisée à l'avance. Les possibilités offertes par le BIM sont sans aucun doute nombreuses et reconnues par des entreprises renommées. Si la chaîne de planification complète peut être créée, les modèles BIM peuvent être préparés de manière optimale à un stade précoce et utilisés ultérieurement pour l'analyse structurale.

La prise en charge de différents formats de données est un aspect important du choix du bon logiciel. La description au format de données existant doit être transférée dans les objets spécifiques à ce logiciel. La seule prise en compte de la visualisation ou de la référence du modèle de données n'est pas suffisante pour la vérification des structures et peut uniquement contribuer aux vérifications visuelles. Si le logiciel peut importer plusieurs modèles et les transférer dans le modèle d'objet de données approprié, la flexibilité peut être considérablement améliorée et les chances d'un échange de données réussi et efficace augmentent. C'est un facteur clé de succès lorsque les fichiers IFC Coordination View sont utilisés dans le logiciel de calcul de structures.

Indépendamment des efforts supplémentaires, la programmation d’outils propriétaires simples pour l’échange de données doit toujours être incluse. Cela permet un transfert efficace des informations supplémentaires sous forme de paramètres. Vous pouvez par exemple afficher des éléments d'un modèle structurel dans le logiciel BIM, communiquer les modifications possibles ou implémenter des flux de travail propres à l'entreprise dans le logiciel. Les API correspondantes doivent donc être utilisées avec tous les logiciels de programmation classiques et simples (VBA, C #, etc.).

Les facteurs clés de succès pour un échange de données réussi et efficace sont les suivants:

Génération du modèle BIM pour le calcul des structures

  • Implication précoce de l'ingénieur structure et consultation du temps de transfert et du contenu
  • Définition de normes pour les matériaux et description des sections (tableaux de correspondance)
  • Modélisation fonctionnelle et cohérente de composants structuraux (poteaux, poutres en tant qu'objets de barre, murs, plaques en tant qu'objets de surface)
  • Modélisation de murs, plaques et poteaux en sections et niveaux

Détermination de la portée et du contenu du transfert de données

  • Qui a créé le modèle de structure idéal et quels logiciels utilisent-ils (BIM ou logiciel de calcul de structure)?
  • Seules les dimensions géométriques et les lignes d'action structurelles seront-elles transférées ou d'autres propriétés structurelles telles que des appuis ou des articulations?
  • Qui définit les cas de charge, les combinaisons de charges et les charges?
  • Qui est autorisé pour certaines modifications: Ajout ou retrait de composants structuraux ou définition des sections et des épaisseurs de composants?
  • Comment et quand l'alignement automatique potentiel du modèle sera-t-il effectué?

Définition des phases de travail

  • Qui travaille sur quel espace modèle et quand?
  • Évitez autant que possible de modifier les mêmes composants simultanément

Test des scénarios Exchange et utilisation des formats et interfaces d'échange de données

  • Le BIM pris en charge et les logiciels de calcul de structure offrent-ils les mêmes interfaces et dans quelle mesure?
  • Exécution de tests sur des modèles gérables à l'aide d'objets d'échange définis

Règle contraignante pour la disponibilité de modèles BIM

  • De préférence sous plusieurs formats (IFC, format de fichier propriétaire du logiciel, DWG/DXF, SDNF, STEP ou autre)
  • Élargir les possibilités d'échange de données et permettre la vérification et la comparaison des modèles

Résumé

Le calcul de structure joue un rôle important dans la modélisation des données du bâtiment. Grâce à l'utilisation croissante des méthodes de planification orientées BIM, de nouvelles chaînes de processus numériques offrent l'opportunité d'augmenter leur efficacité. Le modèle BIM et le modèle structurel sont de nature différente et la dérivation des modèles structurels à partir de modèles BIM n'est pas toujours automatique et clairement possible. Un processus de planification efficace en matière de calcul de structure nécessite la participation d'un ingénieur en structure et le respect des aspects du calcul de structure et de l'échange de données lors de la création d'un modèle BIM. Le logiciel utilisé doit permettre le transfert des informations existantes relatives à la géométrie paramétrique des objets intelligents en utilisant les interfaces correspondantes. Enfin, une bonne stratégie d'échange de données conforme au logiciel utilisé vous permet d'intégrer facilement la conception de structures au processus BIM.

Mots-clés

IFC BuildingSMART Coordination View Structural Analysis View Fichier de correspondances Modèle BIM Modèle de structure Échange de données Interface Processus BIM

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  • Mis à jour 10 novembre 2020

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Logiciel de calcul de structures aux éléments finis (MEF) pour les structures 2D et 3D composées de plaques, voiles, coques, barres (poutres), solides et éléments d'assemblage

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Logiciel de calcul de structures filaires composées de charpentes, poutres et treillis. Il permet d'effectuer le calcul linéaire et non-linéaire et de déterminer les efforts internes, déformations et réactions d'appui

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