BIM in ingegneria strutturale: Processo di pianificazione, possibilità e opportunità

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L'uso crescente del metodo BIM nella progettazione di edifici apre anche nuove possibilità per gli ingegneri strutturali. Una volta creato un modello 3D completo di un edificio, si desidera continuare a utilizzarlo per l'analisi strutturale e ottenere il massimo beneficio da esso. Tuttavia, ci sono anche alcune nuove sfide per l'ingegnere strutturale e il software utilizzato, che sono descritte in questo articolo.

Figura 01 - Sopra: modello BIM con oggetti strutturali integrati in Autodesk Revit Structure. Centro: finestra di dialogo di controllo per il trasferimento del modello di analisi da Revit Structure a RFEM. In basso: modello di analisi calcolato in RFEM

Eliminazione di componenti non strutturali

Uno dei principali vantaggi dei modelli 3D-BIM è che tutte le informazioni sono disponibili centralmente in un database. Se si presume che l'architetto abbia inizialmente creato un progetto di costruzione, l'attenzione non sarà principalmente sul sistema strutturale. Il focus del suo lavoro è principalmente sull'uso e la progettazione dell'edificio, nonché sull'adesione a una struttura di costi in stretta collaborazione con il proprietario dell'edificio. Sulla base di questo, le strutture di supporto necessarie sono progettate per l'edificio. Questo modello strutturale rappresenta una sorta di struttura portante di un edificio ed è di particolare interesse per l'ingegnere strutturale. Le restanti parti non portanti dell'edificio sono o insignificanti per lui (ad esempio, progetti dettagliati di porte e finestre, struttura del pavimento precisa, impianti elettrici e idraulici, ecc.) O sono al massimo importanti per le ipotesi di carico. Pertanto, solo una parte del modello BIM deve essere valutata dall'ingegnere strutturale e deve separare gli oggetti strutturali rilevanti da quelli non rilevanti. Tuttavia, le informazioni sul fatto che un componente strutturale disponibile nel modello BIM contribuisca o meno all'analisi del sistema strutturale, non sono necessariamente incluse in ogni modello BIM e devono essere fornite al modello dall'ingegnere strutturale o deve rimuovere tali elementi che non sono essenziali per lui usando i filtri corrispondenti. Sul mercato è disponibile un software BIM che consente di contrassegnare i componenti come portanti già nel modello architettonico. A condizione che l'architetto ritenga suo compito eseguire questa marcatura, viene facilitato il trasferimento di un modello automatizzato al software di analisi strutturale.

Modello strutturale fisico e modello di analisi idealizzato

Una volta eliminati i componenti strutturali portanti dal modello BIM globale, sarà disponibile il modello strutturale fisico, che corrisponde in posizione e forma al modello reale (solido) successivo. A causa delle limitate capacità computazionali e delle necessarie semplificazioni per i calcoli, tuttavia, non tutti i componenti strutturali sono di solito calcolati come modelli solidi, ma ridotti agli elementi dell'asta e della superficie ai cui risultati (ad esempio, forze interne per l'asta e la superficie) le norme attuali fare riferimento. L'uso di modelli solidi è generalmente limitato a componenti strutturali molto spessi o all'analisi di speciali sotto-aree, come connessioni in acciaio, che includono anche dettagli come viti, saldature o condizioni di contatto. La riduzione di aste e superfici solleva la questione della posizione degli assi centroidali di questi componenti strutturali e di come sono collegati tra loro. A causa delle diverse altezze, tagli e connessioni dei componenti, non ci possono essere modelli di linea centrale coerenti collegati in un punto, che devono essere ulteriormente regolati per servire come modello di calcolo analitico. Ciò si traduce in ulteriori domande per l'ingegnere strutturale.

  • Dove dovrebbero essere posizionate le linee di sistema?
  • Come gestire le possibili eccentricità delle aste e delle superfici?
  • Le linee di sistema devono essere accorciate o estese e qual è la loro influenza sul carico (peso proprio, carichi di linea, carichi di superficie, ecc.)?
  • Se la modellazione per mezzo di semplici nodi analitici è sufficiente o può essere necessario creare modelli estesi adattati per scopi ingegneristici (la colonna, ad esempio, si collega al soffitto solo in un nodo:
  • I collegamenti delle aste e delle superfici sono incernierati, semirigidi o rigidi?
  • Quali posizioni dovrebbero essere considerate come supporti e di che tipo di condizioni di supporto?
  • Le aste o le superfici possono essere suddivise per ottenere un modello di analisi ragionevole?

Quando si prendono decisioni per tutte queste domande, il software di solito può fornire poco supporto e queste decisioni devono essere prese dall'ingegnere strutturale. Una nuova tendenza nei software di architettura e costruzione, tuttavia, è il fatto che i sistemi strutturali sono già integrati nei programmi e anche parzialmente creati automaticamente. Il vantaggio è che, una volta definiti correttamente, i sistemi di base strutturali, idealmente includendo il carico, possono essere trasferiti ad un programma di analisi strutturale senza grandi rilavorazioni.

Figura 02 - Vantaggio BIM: in Revit, la posizione delle linee di sistema e dei nodi FE dei componenti strutturali può già essere definita nel modello fisico. Questo modello può essere importato direttamente in RFEM.

Tuttavia, un prerequisito per questo è che questo software BIM è gestito da utenti che hanno anche una conoscenza corrispondente dell'analisi strutturale e dell'applicazione dei programmi di calcolo. Visto da un punto di vista tradizionale per quanto riguarda le solite responsabilità degli uffici di architettura e degli uffici per l'analisi strutturale in Germania, questo fatto è spesso una delle ragioni per cui lo scambio di dati e quindi il flusso di lavoro BIM si sono interrotti. Dopo tutto, l'architetto non è pagato per la creazione del modello di analisi strutturale.

Aspetti speciali della modellazione

Quando si creano modelli di elementi finiti, possono essere necessarie speciali strutture ausiliarie e soluzioni alternative per le transizioni dalle superfici agli elementi dell'asta o, ad esempio, nelle travi di sostegno. Queste costruzioni ausiliarie richiedono una rielaborazione manuale delle strutture importate. Ciò porta inevitabilmente al modello BIM iniziale e al modello di analisi idealizzato che si allontanano ulteriormente, e l'assegnazione dei relativi componenti strutturali nei programmi utente di diverse discipline è considerevolmente più difficile.

Figura 03 - Differenze nel modello BIM e nel modello strutturale: la trave trasversale descrive un componente strutturale fisico. Nel modello di analisi strutturale, diventa cinque elementi analitici o il mesh-linker FEM deve essere in grado di riconoscere i nodi che giacciono sulla linea di trave per la loro mesh di conseguenza.

Questo problema si riflette in particolare quando si confrontano le modifiche in entrambi i modelli. Spesso, gli elementi di accoppiamento rigidi sono usati per accoppiare componenti collegati permanentemente nella rappresentazione del modello strutturale. Tuttavia, a seconda dell'implementazione nel software di analisi strutturale, questi tipi di aste speciali possono portare a problemi numerici se sono molto corti e rigidi. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione durante la creazione automatica di tali elementi di accoppiamento provenienti dal software BIM. Un grosso problema, a volte non facilmente riconoscibile, può essere i componenti strutturali che sono presumibilmente collegati in un modello di analisi. A causa di inesattezze all'interno della modellazione nel software BIM, o a causa di restrizioni di precisione numerica, è anche possibile che vengano creati nodi FEA molto vicini tra loro. O causano difficoltà a generare la mesh o fingono di essere collegati componenti strutturali che non sono collegati nel modello di calcolo. Ciò si traduce in risultati di calcolo errati. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione al controllo del modello importato.

Figura 04 - Differenze tra il modello BIM e il modello strutturale: collegamento di una colonna tramite tre nodi e elementi orizzontali rigidi delle aste su una parete

Presupposti di carico e combinazioni di carico

In alcune applicazioni BIM, è anche possibile specificare carichi e combinazioni di carico. La determinazione, ad esempio, dei profili del carico del vento, dei carichi della neve o dei carichi dalla pressione della terra è diventata considerevolmente più complessa a causa dei nuovi Eurocodici introdotti negli ultimi anni. Lo stesso vale per le regole per la creazione di combinazioni di carico in base alle diverse situazioni di progetto. Naturalmente, i programmi di analisi strutturale sono più adatti a tali compiti, sono più versatili e offrono strumenti di generazione completi. Pertanto, è ovvio che l'immissione del carico e la combinatoria sono eseguite nell'applicazione di analisi strutturale. Se i carichi e le combinazioni risultanti vengono trasferiti nuovamente al modello BIM, i parametri basati sulla generazione automatica vengono solitamente persi, e quindi l'intelligenza degli oggetti di carico manca in caso di ulteriori modifiche.

Figura 05 - Oggetto di analisi strutturale "Carico da neve" in RFEM: non può essere rappresentato in modo identico nel software o nell'interfaccia BIM, ad esempio IFC Structural Analysis View. L'intelligenza dell'oggetto viene persa se viene risolta in linea e carichi trapezoidali senza riferimento alla zona di carico della neve.

Considerazioni per il calcolo dei sistemi strutturali

Se un modello di analisi adeguato deriva dal modello BIM, può essere calcolato nel software di analisi strutturale. È necessario decidere quale teoria di calcolo e modelli di materiali sono usati. Dopo il calcolo, potrebbe essere necessario modificare il modello, creare varianti della modellazione o aggiungere o rimuovere nuovi elementi. Rilasci e supporti devono essere controllati. Per la progettazione del sistema strutturale, devono essere inseriti ulteriori presupposti e parametri. Le sezioni trasversali e le dimensioni possono variare. Il classico concetto BIM richiederebbe che queste specifiche e ipotesi siano memorizzate anche nel modello BIM centrale. Tuttavia, questo al momento non è del tutto possibile e non è supportato con le solite interfacce o è possibile solo se si perde l'intelligenza degli oggetti.

La considerazione delle fasi di costruzione a volte gioca un ruolo molto importante per i modelli spaziali e decide sull'utilità dei risultati di calcolo. Pertanto, è assolutamente necessario assicurarsi prima del calcolo se un calcolo sull'intero modello richiede la considerazione delle fasi di costruzione o se i modelli parziali devono essere calcolati in sezioni. In questo contesto, si deve ricordare che il BIM non significa automaticamente che l'intero modello di edificio sia sempre calcolato nello spazio. Una buona strategia può anche essere quella di staccare successivamente le singole unità strutturali da un modello BIM complessivo e di calcolarle separatamente.

Cambiamenti nel modello BIM dovuti all'analisi strutturale

Una volta completato il calcolo, si possono verificare cambiamenti di materiale e della sezione trasversale, oppure è possibile spostare, rimuovere o aggiungere componenti come controventi o travi verticali. Queste modifiche devono essere riflesse nel modello BIM e aggiornate. Ma cosa succede se ci sono anche cambiamenti nel modello BIM originale che devono essere sincronizzati? Come si decide quale è lo stato dell'ultima revisione? Questo processo deve essere soggetto a determinate regole e le modifiche esistenti devono essere approvate dai collaboratori responsabili. Allo stesso tempo, si deve garantire che le modifiche al modello BIM siano prese in considerazione successivamente dopo l'importazione nel software di analisi strutturale. Eventuali modifiche possono verificarsi contemporaneamente sullo stesso componente strutturale sia nel modello BIM che nel modello di analisi. Tali situazioni potrebbero essere alleviate bloccando particolari parti del modello o mediante accordi delle parti coinvolte. Un trasferimento automatico di cambiamenti di profilo, spessori di superficie, o l'aggiunta e la rimozione di nuovi componenti strutturali nel rispettivo altro modello è di solito possibile ed è supportato, ad esempio, da Dlubal Software. Si noti che gli aggiornamenti risultanti dall'analisi strutturale non sovrascrivono altre informazioni nel modello BIM che non sono rilevanti per l'analisi strutturale.

Figura 06 - Vantaggio BIM: griglia della trave per centrale elettrica, 632 aste, 344 sezioni trasversali, da Tekla Structures (in alto). Sforzo di modellizzazione nell'analisi strutturale: stimato diverse ore. Il modello grezzo con assegnazione di aste e sezioni trasversali può essere generato dal modello Tekla in pochi minuti e trasferito a RFEM/RSTAB (sotto)

Interfaccia IFC e accoppiamento diretto del software

Per una pianificazione coerente, sono necessarie interfacce funzionanti. Se si ha accesso aperto ai dati dei programmi di scambio tramite interfacce programmabili, questi possono essere direttamente accoppiati senza scambiare file. Entrambi i programmi devono essere installati sullo stesso computer. L'implementazione di tali interfacce può essere progettata in modo molto flessibile e non è collegata alla sintassi e ai modelli di dati dei formati di interfaccia generali in quanto sono necessari per lo scambio di file. Quando si scambiano dati tramite formati di file neutri e indipendenti dal produttore, il formato IFC svolge un ruolo importante.

Figura 07 - IFC come standard internazionale per lo scambio di dati. Per la pianificazione strutturale, i dati della "Vista di analisi strutturale" devono essere scritti.

Tuttavia, se un software è certificato IFC, ciò non significa necessariamente che sia possibile anche il trasferimento al software di analisi strutturale. Una certificazione è attualmente disponibile solo per la "Vista di coordinamento". Descrive principalmente la geometria della struttura sulla base di modelli solidi, cioè il modello strutturale fisico sopra menzionato. Per il modello strutturale, viene fornita la cosiddetta "Vista di analisi strutturale", che consente anche il trasferimento di supporti, rilasci e carichi. Per uno scambio di dati basato su IFC basato su un programma di progettazione architettonica, è quindi necessario verificare quale vista può essere esportata.

Sommario e conclusioni

I modelli 3D BIM aiutano l'ingegnere strutturale a comprendere sistemi strutturali complessi e a creare modelli di analisi più velocemente tramite il trasferimento dei dati. In generale, il modello BIM e il modello di analisi sono diversi e geometricamente non identici. I modelli di analisi generati automaticamente devono essere attentamente controllati e il calcolo sull'intero modello può richiedere la considerazione delle fasi di costruzione. L'analisi strutturale può richiedere una modellazione speciale in punti specifici e di solito ha bisogno di informazioni aggiuntive che non possono essere memorizzate o solo parzialmente nel modello BIM. A causa di possibili modifiche durante la fase di pianificazione, è necessario definire le regole su chi può apportare modifiche al modello, in quale momento e dove esattamente. I software BIM e BIM richiedono una conoscenza più ampia e completa di tutte le fasi di pianificazione per gli architetti e gli ingegneri strutturali, la volontà di ripensare la divisione del lavoro tradizionale e di comprendere l'attività di pianificazione come lavoro di squadra. Se si accetta uno sforzo iniziale iniziale e gestibile, considerando anche le fasi di pianificazione successive, i risparmi possono essere considerevoli e i risultati della pianificazione possono essere migliori. Gli uffici di pianificazione che si sono dedicati al processo BIM negli ultimi anni possono confermarlo. Non solo per questo, ma anche perché le amministrazioni aggiudicatrici specificano il BIM come metodo di pianificazione, il BIM continuerà a diffondersi nei prossimi anni. L'ingegneria strutturale è una parte integrante ed essenziale di Building Information Modeling, e quindi il software di analisi strutturale compatibile con BIM e la gestione di interi modelli diventeranno più importanti.

Dlubal Software si concentra sul processo di pianificazione basato sul BIM, offre una varietà di formati di interfaccia e collegamenti diretti a prodotti software BIM comuni. Grazie a un'interfaccia aperta e programmabile, il software può essere perfettamente integrato nei processi di pianificazione specifici dell'azienda. Ciò consente l'automazione delle attività di modellazione e l'elaborazione dei risultati di calcolo.

Parole chiave

BIM Trasferimento di dati IFC Revit

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  • Aggiornato 10. novembre 2020

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Software di progettazione strutturale per l'analisi con elementi finiti (FEA) di sistemi strutturali piani e spaziali costituiti da piastre, pareti, gusci, aste (travi), elementi solidi e di contatto

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