BIM in ingegneria strutturale:

Articolo tecnico

L'uso crescente del metodo BIM nella progettazione di edifici apre anche nuove possibilità per i progettisti strutturali. Una volta creato un modello 3D completo di un edificio, si vorrebbe continuare a utilizzarlo per calcoli statici e ottenere il massimo beneficio da esso. Ma ci sono anche alcune nuove sfide per l'ingegnere strutturale e il software utilizzato, che saranno discussi in questo articolo.

Eliminazione di componenti non strutturali

Uno dei principali vantaggi dei modelli BIM 3D è che tutte le informazioni sono memorizzate centralmente in un database. Supponendo che inizialmente un progetto di un edificio sia stato creato dall'architetto, l'attenzione non è principalmente sulla struttura statica. L'obiettivo principale del suo lavoro è principalmente l'uso e la progettazione dell'edificio e il rispetto di un budget in stretta collaborazione con il cliente. Sulla base di questo, sono progettate le strutture di supporto necessarie per l'edificio. Questo modello strutturale rappresenta, per così dire, lo scheletro portante di un edificio ed è di particolare interesse per l'ingegnere strutturale. Le restanti parti non strutturali dell'edificio sono per lui insignificanti (ad esempio, dettagli di porte e finestre, costruzione precisa del pavimento, installazione elettrica e idraulica, ecc.) O il massimo per le ipotesi di carico importanti. Pertanto, solo una parte del modello BIM deve essere valutata per l'ingegnere strutturale e deve separare oggetti rilevanti dal punto di vista statico da quelli non rilevanti. Tuttavia, l'informazione sul fatto che un componente presente nel modello BIM contribuisca alla staticità della struttura non è necessariamente inerente a ogni modello BIM e deve essere fornita al modello dall'ingegnere strutturale o deve essere filtrata mediante filtri appropriati rimuovere il modello strutturale. Sul mercato è presente un software BIM che consente già agli elementi architettonici di contrassegnare i componenti come portanti. Supponendo che l'architetto veda come suo compito fare questo marchio, questo facilita un trasferimento automatico del modello al software statico.

Modello di struttura fisica e modello di analisi idealizzato

Una volta che i componenti di supporto sono stati eliminati dal modello BIM globale, è presente il modello strutturale fisico, che corrisponde in posizione e forma al modello reale (volume) successivo. A causa delle limitate capacità computazionali e delle necessarie semplificazioni per i calcoli, tuttavia, non tutti i componenti sono generalmente calcolati come modelli di volume, ma piuttosto ridotti a elementi di barre e superfici i cui risultati (ad esempio, dimensioni di sezioni di barre e superfici) si riferiscono anche agli standard attuali. L'uso di modelli solidi è solitamente limitato a componenti molto spessi o all'analisi di sotto-aree speciali come una connessione di costruzione in acciaio, in cui sono mappati dettagli come viti, saldature o condizioni di contatto. La riduzione a barre e superfici solleva la questione della posizione degli assi pesanti di questi componenti e di come sono collegati tra loro. A causa delle diverse altezze dei componenti, spazi vuoti e connessioni, in determinate circostanze non possono emergere modelli coerenti della linea di gravità collegati in un punto, che devono essere ulteriormente adattati per fungere da modello di calcolo analitico. Ciò solleva ulteriori domande per l'ingegnere strutturale.

  • Dove dovrebbero trovarsi le linee del sistema?
  • Come affrontare qualsiasi eccentricità di canna e di area?
  • Le linee di sistema devono essere accorciate o allungate e quale impatto ha sul carico (peso morto, carichi di linea, carichi di area, ecc.)?
  • È sufficiente modellare utilizzando semplici nodi analitici oppure è necessario creare modelli avanzati che possano essere adattati all'ingegnerizzazione (ad esempio, il supporto si collegherà solo al soffitto in un nodo: Problema delle singolarità)?
  • Le connessioni delle barre e delle superfici sono articolate, cedevoli o rigide?
  • Quali posizioni devono essere intese come supporti con quali condizioni di conservazione?
  • Se necessario, suddividere le barre o le aree per ottenere un modello di analisi significativo.

Al momento di decidere su tutti questi problemi, il software di solito può fornire scarso supporto e tali decisioni devono essere prese in definitiva dall'ingegnere strutturale. Una nuova tendenza nei software di architettura e design, tuttavia, è che i programmi statici sono già inclusi nei programmi e talvolta anche formati automaticamente. Il vantaggio è che, una volta definiti correttamente, i sistemi statici di base possono essere trasferiti in un programma di analisi strutturale, idealmente incluso il caricamento, senza grandi rilavorazioni.

Il prerequisito per questo, tuttavia, è che questo software BIM è gestito da utenti che hanno anche una conoscenza adeguata della statica e dell'applicazione del programma di calcolo. Da un punto di vista tradizionale, questa circostanza è spesso una ragione per cui lo scambio di dati e quindi il flusso di lavoro BIM sono stagnanti a causa delle solite responsabilità per studi di architettura e uffici statici in Germania. Dopo tutto, l'architetto non è pagato per creare il modello statico.

Aspetti speciali della modellazione

Quando si fabbricano modelli ad elementi finiti, possono essere necessarie speciali strutture ausiliarie nelle transizioni dalle superfici agli elementi a barre o, ad esempio, nei travetti. Questi progetti ausiliari richiedono la rielaborazione manuale delle strutture importate. Ciò porta inevitabilmente al fatto che il modello iniziale BIM e il modello di analisi idealizzato si allontanano ulteriormente e l'assegnazione di componenti correlati nei programmi utente di diverse discipline è molto più difficile.

Questo problema si riflette soprattutto nella regolazione delle modifiche in entrambi i modelli. Spesso, le aste di accoppiamento rigide vengono utilizzate per accoppiare componenti fissi nella modellazione statica. A seconda dell'implementazione nel software statico, questi tipi di aste speciali possono portare a problemi numerici se queste aste sono molto corte e molto rigide. Pertanto, un'attenzione particolare dovrebbe essere rivolta alla formazione automatica di tali elementi di accoppiamento dal software BIM. Un problema ampio e talvolta non facilmente riconoscibile può rappresentare componenti apparentemente connessi in un modello di analisi. Le inesattezze nella modellazione nel software BIM o nei vincoli di precisione numerica possono anche causare nodi FEM molto vicini. Questi causano problemi di rete o forniscono componenti connessi, che non sono quindi collegati nel modello del computer. Ciò si traduce in risultati di calcolo errati. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione al controllo del modello importato.

Carica ipotesi e combinazioni di carico

In alcune applicazioni BIM è anche possibile specificare carichi e combinazioni di carico. La determinazione di, ad esempio, profili di carico del vento, carichi di neve o carichi di pressione terrestre è diventata considerevolmente più complessa a causa degli Eurocodici di recente introduzione negli ultimi anni. Lo stesso vale per le regole per la formazione di combinazioni di carico in base a diverse situazioni di progettazione. Per natura, i programmi di analisi strutturale sono più adatti, più versatili e offrono strumenti di generazione completi. Pertanto, è ovvio che l'input di carico e la combinatoria sono fatti nell'applicazione statica. Se i carichi e le combinazioni risultanti vengono riscritti su un modello BIM, i parametri che sono alla base della generazione automatica vengono di solito persi e quindi l'intelligenza degli oggetti di carico è mancante in caso di ulteriori modifiche.

Aspetti del calcolo delle strutture

Se un modello di analisi adeguato deriva dal modello BIM, può essere calcolato nel software statico. Si deve decidere quale teoria del calcolo e modelli di materiali sono usati. Dopo il calcolo, potrebbe essere necessario modificare il modello e creare varianti della modellazione o aggiungere o rimuovere nuovi elementi. I giunti e i supporti devono essere controllati. Per la progettazione della struttura devono essere fatte ulteriori ipotesi e inseriti i parametri. Le sezioni trasversali e le dimensioni possono cambiare. La classica idea BIM richiederebbe che questi preset e ipotesi fossero archiviati anche nel modello BIM centrale. Tuttavia, questo non è attualmente del tutto fattibile e non è supportato nelle solite interfacce o è possibile solo con la perdita di intelligenza degli oggetti.

La considerazione delle fasi di costruzione gioca un ruolo molto importante nei modelli spaziali e decide sull'usabilità dei risultati dei calcoli. È quindi essenziale verificare prima del calcolo se un calcolo sul modello complessivo richiede la considerazione delle fasi di costruzione o, se necessario, delle sezioni di sottomodelli da calcolare. In questo contesto, va detto che il BIM non significa automaticamente che si calcoli sempre l'intero modello di edificio spazialmente. Una buona strategia può anche essere quella di estrarre successivamente i singoli elementi statici da un modello generale BIM e calcolarli separatamente.

Cambiamenti nel modello BIM a causa del calcolo statico

Al termine del calcolo, possono verificarsi modifiche materiali o trasversali o componenti, come medicazioni o travetti, possono essere spostati, rimossi o aggiunti. Queste modifiche devono essere riflesse nel modello BIM e aggiornate. Ma cosa succede se le modifiche al modello BIM originale devono essere apportate e confrontate? Come decidi quale stato di cambiamento è l'ultimo? Questo processo deve essere regolato da regole e le modifiche devono essere approvate dal personale responsabile. Allo stesso tempo, è necessario garantire che le modifiche nel modello BIM vengano importate dopo l'importazione nel software statico. Possono esserci modifiche alla stessa parte nello stesso momento nel modello BIM e nel modello di analisi. Tali situazioni possono essere mitigate attraverso blocchi nel modello o negli accordi delle parti coinvolte. Un trasferimento automatico di modifiche al profilo, spessori di superficie o l'aggiunta e la rimozione di nuovi componenti nell'altro modello è solitamente fattibile ed è supportato ad esempio dal software Dlubal. Va notato che gli aggiornamenti risultanti dalla statica non sovrascrivono altre informazioni nel modello BIM che non sono statisticamente rilevanti.

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 accoppiati direttamente senza dover scambiare file. Entrambi i programmi devono essere installati sullo stesso computer. L'implementazione di tali interfacce è molto flessibile e non è vincolata alla sintassi e ai modelli di dati dei formati di interfaccia generali, poiché sono necessari per uno scambio di file. Quando si scambiano dati su formati di file neutri e indipendenti dal produttore, il formato IFC gioca un ruolo fondamentale.

Se un software è certificato IFC, ciò non significa necessariamente che sia possibile anche il trasferimento al software statico. Al momento, una certificazione è disponibile solo per la "Vista di coordinamento". Questo descrive prima di tutto la geometria della struttura basata su modelli solidi, cioè il modello di struttura fisica discusso sopra. Per il modello statico, viene fornita la cosiddetta "Vista analisi strutturale", che consente anche il trasferimento di cuscinetti, giunti e carichi. Nel caso dello scambio di dati basato su IFC basato su un programma di architettura, è quindi necessario verificare quale vista può essere esportata.

Sommario e conclusione

I modelli BIM 3D aiutano l'ingegnere strutturale a comprendere strutture complesse e a generare modelli di analisi più velocemente attraverso l'acquisizione dei dati. In generale, il modello BIM e il modello di analisi sono diversi e non geometricamente identici. I modelli di analisi generati automaticamente dovrebbero essere attentamente esaminati e il calcolo sul modello generale potrebbe richiedere la considerazione delle fasi di costruzione. La statica può richiedere una modellazione speciale in punti specifici e di solito richiede informazioni aggiuntive che non possono essere archiviate o limitate nel modello BIM. A causa di possibili modifiche durante la fase di pianificazione, è necessario definire le regole, che possono apportare modifiche quando e dove sul modello. I software BIM e BIM richiedono una conoscenza più ampia e completa di tutte le fasi di progettazione di architetti e ingegneri strutturali, la volontà di ripensare le divisioni tradizionali del lavoro e comprendere il compito di pianificazione come lavoro di squadra. Accettare un sovraccarico iniziale e gestibile, pensando anche alla successiva fase di pianificazione, può comportare risparmi significativi e risultati di pianificazione migliori. Gli uffici di progettazione che si sono dedicati al processo BIM negli ultimi anni lo confermano. Non ultimo per questo, ma anche perché le amministrazioni aggiudicatrici prescrivono il BIM come metodo di pianificazione, il BIM continuerà a diffondersi nei prossimi anni. La progettazione strutturale è parte integrante e integrale del Building Information Modeling e pertanto il software di analisi strutturale abilitato al BIM e la gestione dei modelli generali diventeranno più importanti.

Il software Dlubal è allineato al processo di pianificazione basato sul BIM, offrendo una varietà di formati di interfaccia e connessioni dirette ai popolari prodotti software BIM. Attraverso un'interfaccia aperta e programmabile, il software può essere integrato perfettamente nei processi di pianificazione specifici dell'azienda. Ciò consente l'automazione delle attività di modellazione e l'elaborazione dei risultati di calcolo.

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