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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Building Information Modeling décrit, si ce n'est le sujet le plus important, l'actualité de toute l'industrie du logiciel de construction. Cependant, le processus n'est pas si nouveau et il est bien connu qu'une bonne planification dans les premières phases d'un projet a un impact positif significatif sur les coûts globaux de l'ensemble du projet.

Pendant plus de vingt ans, par exemple, crée des modèles 3D dans les constructions acier et en dérive automatiquement les documents de production 2D, ou les machines de production sont contrôlées directement via les données CN. De même, les calculs de structure sur des modèles 3D sont à la pointe de la technologie. Le développement de modèles numériques aboutit principalement à l'échange de données pour les logiciels de construction et à la manière dont ces modèles peuvent être utilisés rapidement dans les logiciels de différents planificateurs techniques. Les modèles physiques et géométriques jouent non seulement un rôle, mais d'autres modèles contiennent plus que les informations sur les composants visibles physiquement. Un tel modèle est un modèle structural ou analytique qui contient des propriétés de matériaux mécaniques, 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 provoquent des difficultés lors de 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 éprouvées.

Calcul de structure dans le processus BIM

Le Building Information Modeling est basé sur une vision globale du cycle de vie complet du bâtiment, à commencer par les premières idées et la planification (architecte, client), la planification de la mise en œuvre (ingénieurs spécialisés) du fonctionnement et de la démolition du bâtiment. Les objectifs incluent l'optimisation des coûts sur toute la durée de vie utile. Le calcul de structure n'est en soi qu'une petite partie du BIM, dont l'influence sur les coûts du cycle de vie du bâtiment est généralement de moindre importance. C'est pourquoi la grande «révolution» du BIM se produit actuellement dans le domaine de la responsabilité des architectes. Néanmoins, le génie des structures joue un rôle déterminant dans la période relativement courte de planification détaillée. Il décide de la faisabilité d'un concept de portance particulier et constitue une étape importante dans la planification sans laquelle d'autres processus seront bloqués sans sa libération. Cela a une influence considérable sur la sécurité de la planification ultérieure et les coûts associés aux modifications nécessaires. Court terme : Le calcul de structure doit être rapidement disponible, fiable et, si possible, également en cas de modifications ultérieures. Les modèles BIM tridimensionnels existants peuvent fournir des informations précieuses ou être un moyen de communication et de meilleure compréhension.

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

Modèle BIM et modèle structurel

Les modèles BIM au sens généralement utilisé incluent toutes les informations géométriques, les détails des matériaux et les produits semi-finis d'une structure. Ils décrivent le fonctionnement d'une structure et peuvent également contenir des informations sur la séquence temporelle, par exemple l'assemblage. Ils sont donc parfaitement adaptés comme moyens de communication visuels pour les personnes impliquées dans la construction, ils sont un outil de détermination des masses et des coûts et, en fin de compte, ils servent à éviter les erreurs de planification dues à la collision de composants ou de structures individuels. L'échange de données se réfère principalement à une description paramétrique de la géométrie exacte du bâtiment. Les composants sont décrits par des modèles de surface aux limites ou des surfaces extrudées, ce qui donne un solide.

En revanche, l'analyse structurale se concentre sur la représentation mécaniquement correcte de la structure porteuse. La géométrie est simplifiée et réduite aux composants statiques pertinents. Les descriptions de géométrie volumineuse ne sont utilisées que lorsque cela est nécessaire et l'effort de calcul accru semble justifié. Les poteaux et les poutres sont calculés comme des barres (élément 1D) et des murs et des planchers comme des dalles et des plaques (éléments 2D). Ces éléments de barre et de surface peuvent également être combinés dans les modèles structuraux en 3D. Pour que ces modèles idéalisés puissent être calculés numériquement, il est nécessaire que tous les composants soient connectés les uns aux autres et que les conditions de transition soient connues. En raison de la réduction des composants structurels des solides en lignes centrales (pour les barres) et en plans centraux (pour les surfaces), une intersection automatique n'est pas toujours possible.

En outre, les composants essentiels du modèle de calcul de structure sont les suivants:

  • Définitions des appuis et articulations
  • propriétés mécaniques des matériaux et des sections
  • charges externes (vent, neige, charges utiles, etc.) et combinaisons de charges
  • Actions provenant d'une activité sismique ou d'autres actions extraordinaires
  • Règlement de calcul
  • méthodes de calcul et théories linéaires et non linéaires

Il n'est donc pas possible de dériver un modèle d'analyse automatiquement à partir des informations de géométrie pure d'un modèle BIM qui est entendu au sens conventionnel sans l'intervention d'un ingénieur qualifié. Une modélisation géométriquement identique nécessiterait également une représentation sous forme de modèle solide dans l'analyse de structure. Cependant, même avec les capacités de calcul disponibles aujourd'hui, il n'est pas possible de calculer un bâtiment comme un modèle solide.

Scénarios d'échanges BIM pratiques

Il est essentiellement possible de distinguer l'échange de données entre les applications de programme d'une même discipline et de différentes disciplines. Si les données sont échangées entre un logiciel d'architecture ou de construction, les objets sont les mêmes et le contenu en informations et ses modèles de données sont très similaires dans les deux programmes. Les différentes applications permettent de traiter directement les informations et de les traduire en objets intelligents. On parle également d'échange de données horizontal.

Si les données sont transférées vers une autre discipline, par exemple d'un logiciel d'architecture à l'application de calcul de structures, les données sont considérées différemment (seuls les composants structurels tels que les poteaux, les murs, les poutres et les dalles). Les informations supplémentaires nécessaires, telles que la position de la ligne efficace statique, la flexibilité des connexions entre les éléments ou les données mécaniques précises sur le matériau et les sections, sont toujours manquantes. Ceci est également appelé échange de données vertical. Si vous restez dans une discipline, il est plus facile d'éviter une éventuelle perte de données ou une erreur d'interprétation. Le BIM en génie des structures implique généralement un échange de données vertical, car dans de nombreux cas, un modèle d'architecture est disponible à partir duquel un modèle de calcul de structure est développé. Le transfert d'un logiciel de calcul de structure à un logiciel de calcul de structure se produit néanmoins, par exemple, pour la vérification de calculs de structure.

Les scénarios les plus importants peuvent être résumés comme suit:

  • Architecture -> Analyse de structure -> Construction
  • Analyse de structure -> Architecture pour l'ajustement des modifications après analyse de structure
  • Analyse de structure -> Analyse de structure pour le contrôle
  • Vous pouvez également exporter des systèmes ou sous-systèmes complets
  • En option avec mise à jour des matériaux, épaisseurs et sections (bidirectionnel) 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

Différentes options sont disponibles pour le format d'échange de données. Le format IFC en tant que norme mondiale joue un rôle particulier. Le format IFC est divisé en différentes vues et chaque discipline a son propre point de vue. La vue la plus importante est la Vue de coordination, pour laquelle des produits logiciels individuels peuvent également être certifiés. Si vous parlez du format IFC sans avoir à entrer dans les détails de vos vues, vous parlerez généralement de la Vue de coordination. Il est pris en charge par la plupart des programmes d'architecture. À l'inverse, la vue Structural Analysis fournit une description du modèle de structure, y compris les charges et les combinaisons de charges. Cette vue n'est actuellement pas certifiable et n'est supportée que par un petit nombre de programmes de calcul de structure. De manière générale, il convient de noter que le format IFC, bien que défini comme une norme, peut être interprété différemment et que, pour réussir l'échange, des tests propres avec les données des logiciels respectifs soient toujours nécessaires.

Figure 04 - IFC Coordination View Models in RFEM, Visualization and Selective Conversion to Native Intelligent RFEM Object

Outre les formats IFC, d'autres formats tels que DXF/DWG, l'interface pour produit de construction en acier ou d'autres formats textuels sont utilisés. Les interfaces directes qui ne nécessitent pas d'échange de fichiers jouent également un rôle important. Les programmes individuels communiquent directement via des interfaces programmables (API).

Facteurs de réussite importants pour l'échange de données

Il est nécessaire de préciser quel scénario d'échange existe. Si les différents logiciels sont connus, les éventuelles interfaces prises en charge sont également connues. Des tests d'échange spécifiques avec des systèmes de taille gérable sont donc nécessaires. Les spécifications des matériaux et des sections nécessitent souvent une attention particulière. Chaque logiciel dispose généralement de ses propres bases de données, qui contiennent tous les paramètres normalisés en cas de calcul de structure. Les bases de données sont assignées les unes aux autres dans des fichiers de mappage, qui décrivent des tableaux simples avec les descriptions correspondantes. Certains de ces fichiers d’assignation sont fournis par le fabricant du programme. Il est recommandé de standardiser ces fichiers en interne en fonction des programmes impliqués et de les coordonner les uns avec les autres.

Il existe également un logiciel BIM qui intègre déjà un modèle analytique (modèle structurel) dans le modèle architectural. Cela présente l'avantage que les deux modèles sont superposés, référencés et donc plus faciles à vérifier. Outre les données du système, des spécifications de charge sont également possibles. L'utilisateur de ce logiciel doit ensuite pouvoir configurer correctement les deux modèles. Cela nécessite une coordination entre les parties concernées. Comme les ingénieurs des modèles ne proviennent souvent pas du même bureau de planification, on se demande qui paye les coûts correspondants des modèles interdisciplinaires et qui garantit l'exactitude des coûts. Cela doit être fait à l'avance. Le BIM offre sans aucun doute de grandes opportunités à saisir pour les grandes entreprises. S'ils peuvent représenter l'ensemble de la chaîne de planification, les modèles BIM peuvent être préparés de manière optimale pour être utilisés ultérieurement pour l'analyse structurale.

La prise en charge de différents formats de données est un aspect important lors de la sélection du bon logiciel. Veuillez noter que la description dans le présent format de données doit être convertie en objets spécifiques au logiciel. Une visualisation ou un référencement unique des modèles de données ne suffit pas pour la vérification de la structure et peut uniquement contribuer au contrôle visuel. Si plusieurs modèles peuvent être importés par le logiciel et interprétés dans le propre modèle d'objet de données, la flexibilité augmente considérablement et les chances d'un échange de données réussi et efficace augmentent. Le facteur de réussite est essentiel si, par exemple, les fichiers IFC Coordination View doivent être utilisés dans des logiciels de calcul de structures.

Même si les efforts semblent un peu plus importants au début, la programmation de simples outils propres à l'échange de données ne doit pas être exclue d'emblée. Ainsi, il est possible de transférer facilement des informations supplémentaires sous forme de paramètres. Il est par exemple possible d'afficher les plans de position issus de l'analyse structurale dans le logiciel BIM, de communiquer les modifications ou d'afficher les flux de travail propres à l'entreprise dans le logiciel. Les logiciels participants doivent être dotés des API correspondantes, qui peuvent être utilisées dans des langages de programmation simples et courants (VBA, C #, etc.).

Les facteurs importants de succès pour un échange de données réussi et efficace sont:

Structure du modèle BIM en termes de calcul de structure

  • Intégration précoce de l'ingénieur en structure et accord sur les temps de transfert et le contenu
  • Définition des normes pour les descriptions de matériau et de section (tableaux de mappage)
  • Modélisation fonctionnelle et correcte des composants structuraux (poteaux, poutres en tant qu'objets de barre, murs, plafonds en tant qu'objets de surface)
  • Modélisation section par section des murs, plafonds et poteaux par niveau

Définir la portée et le contenu du transfert de données

  • Qui crée le modèle idéal et dans quel logiciel (BIM ou logiciel de calcul de structure)?
  • Seules les dimensions géométriques, lignes d'action statiques ou autres informations statiques telles que les appuis ou les joints sont-elles transférées?
  • Qui définit les cas de charge, les combinaisons de charges et les charges?
  • Qui est autorisé à modifier quoi: Déplacement de composants structuraux, ajout ou retrait de composants structuraux, définition des sections et épaisseurs de composants?
  • Comment et quand une comparaison de modèle automatique est-elle effectuée, si nécessaire?

Définir les étapes de travail

  • Qui travaille quand et dans quelle zone du modèle?
  • Évitez autant que possible le traitement simultané de composants identiques

Test des scénarios d'échange, des formats d'échange et des interfaces utilisés

  • Le BIM et les logiciels de calcul de structures supportaient-ils les mêmes interfaces et dans quelle mesure?
  • Exécution de tests sur des modèles gérables avec des objets de remplacement définis

Disposition obligatoire pour la disponibilité de modèles BIM

  • Si possible sous plusieurs formats (IFC, propre format de fichier du logiciel, DWG/DXF, SDNF, STEP…)
  • Étend les possibilités d'échange et permet la vérification et la comparaison des modèles

Résumé

Le calcul de structure fait partie intégrante de la modélisation des données du bâtiment. L'utilisation croissante de méthodes de planification orientées BIM donne lieu à de nouvelles chaînes de processus numériques avec la possibilité d'augmenter l'efficacité. Le modèle BIM et le modèle structurel sont de nature différente et la dérivation de modèles structurels à partir de modèles BIM n'est pas toujours automatiquement et clairement possible. Une conception efficace du processus de planification par rapport à la conception structurelle requiert une intégration précoce du concepteur de structure et la prise en compte des aspects de la planification structurelle et de l'échange de données lors de la création du modèle BIM. Le logiciel utilisé doit être capable de convertir les informations de géométrie paramétriques fournies par les interfaces en objets intelligents et spécifiques au logiciel. À terme, le génie des structures peut très bien s'intégrer dans le processus BIM grâce à une bonne stratégie d’échange de données adaptée aux logiciels utilisés.

Mots-Clés

IFC BuildingSMART Vue de coordination Vue Analyse structurelle Fichier de correspondances Modèle BIM Modèle de structure Échange de données Interface Processus BIM

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RFEM Logiciel principal
RFEM 5.xx

Programme de base

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

Prix de la première licence
3 540,00 USD
RSTAB Logiciel principal
RSTAB 8.xx

Programme de base

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

Prix de la première licence
2 550,00 USD