Software di modellazione e analisi strutturale di edifici: scenari e fattori di successo per lo scambio di dati

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Building Information Modeling descrive forse uno dei più importanti argomenti attuali nell'intero settore dei software per l'edilizia. Tuttavia, il processo non è così nuovo ed è risaputo che i costi totali di un progetto possono essere influenzati positivamente da una buona pianificazione nella sua fase iniziale.

Per più di vent'anni, i modelli 3D sono creati, ad esempio nella costruzione in acciaio, e sono utilizzati per ricavare automaticamente i dati di ingegneria 2D o per accedere e controllare direttamente le macchine di produzione tramite i dati NC. Allo stesso modo, i calcoli strutturali su modelli 3D sono allo stato dell'arte. A causa della generazione di modelli digitali, il software di costruzione deve affrontare principalmente la sfida dei problemi di scambio di dati e di come questi modelli possano essere utilizzati in modo efficiente nel tempo in software di diversi progettisti tecnici. Non solo i modelli geometrici e fisici svolgono un ruolo, ma c'è anche un numero di altri modelli che contengono più delle informazioni sui componenti fisicamente visibili. Tale modello è il modello strutturale o analitico, che contiene proprietà del materiale meccanico, condizioni al contorno o ipotesi di carico, cioè cose che non possono essere lette immediatamente da un modello architettonico fisico puro. Queste differenze comportano difficoltà nello scambio di dati di modelli BIM nell'ingegneria strutturale. Le aspettative del BIM nell'analisi strutturale sono enormi. Il compito dei produttori di software di costruzione è altrettanto eccezionale. In questo articolo, spiegheremo prima le questioni di base dello scambio di dati e quindi presenteremo soluzioni orientate alla pratica e testate.

Progettazione strutturale nel processo BIM

La modellazione delle informazioni sugli edifici si basa sulla vista olistica del ciclo di vita della struttura, che include l'idea iniziale e la pianificazione del progetto (architetto, proprietario dell'edificio), la progettazione dettagliata e la pianificazione finale (ingegneri) e il funzionamento e la demolizione dell'edificio. Tra l'altro, l'obiettivo è quello di ottimizzare i costi lungo il ciclo di vita della struttura. Il progetto strutturale stesso è solo una piccola parte del BIM e il suo impatto sui costi della struttura è di solito di secondaria importanza. Pertanto, la grande "rivoluzione" del BIM ha un maggiore controllo dell'influenza da parte dell'architetto. Tuttavia, l'ingegneria strutturale svolge un ruolo significativo in un periodo relativamente breve della pianificazione finale. La progettazione determina la fattibilità di un particolare concetto strutturale ed è una pietra miliare nel processo di pianificazione poiché altri servizi potrebbero essere ritardati senza una corretta progettazione. Ha anche una forte influenza sull'ulteriore affidabilità della pianificazione e quindi sui costi associati per le modifiche necessarie. Breve durata: l'analisi strutturale, comprese eventuali modifiche successive, deve essere efficiente e affidabile. Gli attuali modelli BIM tridimensionali possono fornire dati preziosi o mezzi di comunicazione e una migliore comprensione dell'ingegneria strutturale.

Figura 01

Modello BIM e modello strutturale

Generalmente, i modelli BIM includono informazioni su geometria, materiali e prodotti semilavorati di un edificio. Descrivono lo scopo dell'edificio e possono anche fornire informazioni sui tempi di assemblaggio, ad esempio. I modelli BIM sono adatti come strumento di comunicazione visiva per tutte le parti coinvolte nella costruzione, servono come strumento per la determinazione dei materiali e dei costi e, infine, aiutano a evitare errori di pianificazione dovuti a collisioni di singoli componenti o sottosezioni. Lo scambio di dati si riferisce principalmente ad una descrizione parametrica dell'esatta geometria dell'edificio. I componenti strutturali sono descritti da modelli di superfici al contorno o aree di estrusione che risultano in un solido.

Al contrario, il focus dei modelli strutturali è sulla proiezione meccanicamente corretta della struttura di supporto. La geometria è semplificata e ridotta ai componenti strutturali rilevanti per l'analisi strutturale. La descrizione dettagliata della geometria viene utilizzata solo se necessario e il tempo di calcolo aumenterà inevitabilmente. Le colonne e le travi sono calcolate come aste (elementi 1D), mentre le pareti e i soffitti sono calcolati come lastre e piastre (elementi 2D). Questi elementi dell'asta e della superficie possono anche essere combinati tra loro nel modello strutturale 3D. Per calcolare numericamente questi modelli idealizzati, è necessario unire tutti i componenti strutturali e verificare le condizioni di transizione. Tuttavia, a causa della riduzione dei componenti dai solidi alle linee centrali (nel caso delle aste) e ai piani intermedi (nel caso delle superfici), l'intersezione automatica non è sempre disponibile.

Ulteriori componenti essenziali del modello strutturale includono:

  • Definizioni di supporto e cerniera
  • Proprietà meccaniche dei materiali e delle sezioni trasversali
  • Carichi esterni (vento, neve, carichi imposti, ecc.) E combinazioni di carico
  • Effetti dell'attività sismica o di altre azioni accidentali
  • Specifiche di progetto
  • Metodi e analisi di calcolo lineari e non lineari

Non è possibile dedurre il modello strutturale da informazioni di pura geometria di un modello BIM senza l'intervento di un ingegnere qualificato. La modellazione geometricamente identica richiederebbe anche la rappresentazione come modello solido in ingegneria strutturale. Tuttavia, anche con la capacità di calcolo attualmente disponibile, è impensabile calcolare un edificio come un modello solido.

Scenari di scambio BIM rilevanti per la pratica

È possibile distinguere lo scambio di dati tra applicazioni software della stessa disciplina e una di una disciplina diversa. Se i dati vengono scambiati tra software di architettura o software di costruzione, gli oggetti saranno gli stessi e il contenuto delle informazioni e i suoi modelli di dati saranno molto simili in entrambi i programmi. Le diverse applicazioni software possono elaborare direttamente le informazioni e tradurle in oggetti intelligenti specifici del software. Questo è anche noto come scambio di dati orizzontale.

Se i dati devono essere passati ad un'altra disciplina come dal software di architettura al software di analisi strutturale, il focus sarà quindi su una diversa visione dei dati e verrebbero considerati solo i componenti di supporto come colonne, pareti, capriate, piastre. Le informazioni aggiuntive richieste, come la posizione delle linee di azione strutturali, l'elasticità delle connessioni degli elementi o i dettagli meccanici precisi dei materiali e delle sezioni trasversali, mancheranno ancora. Questo è anche noto come scambio di dati verticale. Se ti trovi all'interno di una disciplina, puoi facilmente evitare possibili perdite di dati o errori di interpretazione. Per il BIM nell'ingegneria strutturale, lo scambio di dati verticali è spesso utilizzato poiché il modello strutturale è generalmente generato dal modello architettonico in quanto il modello architettonico è generalmente disponibile. Tuttavia, il trasferimento da un software di analisi strutturale ad un altro richiede anche la verifica dei calcoli strutturali.

Figura 02

Gli scenari più importanti possono essere riassunti come segue:

  • Architettura → analisi strutturale → costruzione
  • Analisi strutturale → architettura per la sincronizzazione dei dati delle modifiche dopo il calcolo strutturale
  • Analisi strutturale → revisione della statica
  • Esportazione opzionale di intera struttura o sottostruttura
  • Aggiornamento facoltativo di materiali, spessori e sezioni trasversali (bidirezionali) e ritorno dei risultati del calcolo

Figura 03 - Scenario BIM: Trasferimento del modello dal software BIM al software di ingegneria strutturale, aggiornamento delle sezioni trasversali e trasferimento dei risultati del calcolo (forze interne) al modello BIM

Esistono varie opzioni per i formati di file per lo scambio di dati. Il formato IFC come standard globale ha un ruolo speciale. È diviso in diversi punti di vista e ogni disciplina ha il suo punto di vista. La vista principale è la vista di coordinamento, in cui è possibile certificare i singoli prodotti software. Quando si considera il formato IFC senza specificare le singole viste, la vista di coordinamento viene generalmente utilizzata per impostazione predefinita. Questo è supportato dalla maggior parte dei programmi di architettura. Al contrario, c'è la vista di analisi strutturale per l'ingegneria strutturale che include una descrizione del modello strutturale, dei carichi e delle combinazioni di carico. Questa vista non è attualmente certificabile ed è supportata solo da un numero limitato di programmi di analisi strutturale. Sebbene definito come standard, il formato IFC può essere generalmente interpretato in vari modi, e quindi è necessario controllare il formato con i dati del software in questione per ottenere uno scambio di dati di successo.

Figura 04

Oltre al formato IFC, è possibile utilizzare i formati di file stabiliti come DXF/DWG, Product Interface for Steel Construction o altre applicazioni testuali. Anche le interfacce dirette svolgono un ruolo importante. Non hanno alcun file di scambio poiché i singoli programmi comunicano direttamente tra loro tramite le interfacce di programmazione delle applicazioni (API).

Fattori chiave per lo scambio di dati riuscito

Il problema fondamentale è chiarire quale scenario di scambio è disponibile. Se si conoscono i singoli prodotti software, è possibile avere familiarità con le interfacce supportate. Alla luce di ciò, è necessario eseguire i test di scambio mirati utilizzando modelli di dimensioni gestibili. Le proprietà dei materiali e delle sezioni trasversali richiedono spesso ulteriore attenzione. Ogni software generalmente fornisce database personalizzati di ingegneria strutturale che contengono tutti i parametri dipendenti dallo standard. Questi database sono correlati tra loro in "file di mappatura" che sono semplici tabelle delle descrizioni associate. Questi file di mappatura sono parzialmente forniti dallo sviluppatore del software. Si consiglia di unificare e integrare questi file in base ai programmi utilizzati per l'applicazione.

Esiste anche un software BIM che include già un modello analitico (modello strutturale) nel modello architettonico. Il vantaggio di tale software è che entrambi i modelli si sovrappongono e fanno riferimento a vicenda, e quindi questi modelli possono essere analizzati in modo efficiente e facile. Oltre ai dati di sistema, sono anche possibili le specifiche di carico. Quando si utilizza tale software, è necessario creare entrambi i modelli con precisione. È necessario un adeguato coordinamento tra tutte le parti interessate. La persona che esegue la modifica del modello spesso non proviene dallo stesso ufficio tecnico, e quindi si pone la domanda su chi si occuperà dei costi per i modelli interdisciplinari e chi sarà responsabile della precisione e dell'accuratezza. Questo deve essere organizzato in anticipo. Senza dubbio, esiste una grande opportunità per il BIM che continua ad essere riconosciuto da aziende ben note. Se è possibile creare l'intera catena di pianificazione, i modelli BIM possono essere preparati in modo ottimale in una fase precoce e utilizzati successivamente per l'analisi strutturale.

Un aspetto importante per la scelta del software giusto include il supporto di vari formati di dati. La descrizione nel formato dati esistente deve essere trasferita negli oggetti specifici per questo software. Considerare solo la visualizzazione o il riferimento del modello di dati non è sufficiente per la progettazione strutturale e può solo contribuire ai controlli visivi. Se il software è in grado di importare diversi modelli e trasferirli nel modello a oggetti dati appropriato, ciò può migliorare la flessibilità in modo significativo e aumentare le possibilità di uno scambio di dati efficace ed efficace. Questo è un fattore chiave di successo quando i file IFC Coordination View sono usati nel software di analisi strutturale.

Indipendentemente dallo sforzo aggiuntivo, la programmazione di semplici strumenti proprietari per lo scambio di dati dovrebbe essere sempre inclusa all'inizio. Ciò consente un trasferimento efficiente di informazioni aggiuntive sotto forma di parametri. Ad esempio, è possibile visualizzare gli elementi di un modello strutturale nel software BIM, comunicare eventuali modifiche o implementare flussi di lavoro specifici dell'azienda nel software. Ciò richiede che tutti i prodotti software coinvolti abbiano le API corrispondenti gestite dai linguaggi di programmazione convenzionali e semplici (VBA, C #, ecc.).

I principali fattori di successo per uno scambio di dati efficace ed efficace includono:

Generazione del modello BIM per quanto riguarda la progettazione strutturale

  • Coinvolgimento tempestivo dell'ingegnere strutturale e consultazione dei tempi e dei contenuti della consegna
  • Definizione di standard per materiali e descrizioni di sezioni trasversali (tabelle di mappatura)
  • Modellazione funzionale e coerente di componenti strutturali (colonne, travi come oggetti di aste, pareti, piastre come oggetti di superficie)
  • Modellazione di pareti, piastre e colonne in sezioni e livelli

Determinazione dell'ambito e del contenuto del trasferimento dei dati

  • Chi crea il modello strutturale idealizzato e quale software utilizzano (BIM o software di analisi strutturale)?
  • Saranno trasferite solo le dimensioni geometriche e le linee di azione strutturali o anche altre proprietà strutturali come supporti o cerniere?
  • Chi definisce i casi di carico, le combinazioni di carico e i carichi?
  • Chi è autorizzato per determinate modifiche: Aggiunta o rimozione di componenti strutturali o definizione di sezioni trasversali e spessori dei componenti?
  • Come e quando verrà eseguito il potenziale allineamento automatico del modello?

Definizione delle fasi di lavoro

  • Chi lavora su quale spazio modello e quando?
  • Evitare di modificare gli stessi componenti contemporaneamente quando possibile

Test degli scenari di scambio e utilizzo dei formati e delle interfacce di scambio di dati

  • Il software di analisi strutturale e BIM supportato fornisce le stesse interfacce e in che misura?
  • Esecuzione di test su modelli gestibili utilizzando oggetti di scambio definiti

Regola vincolante per rendere disponibili i modelli BIM

  • Preferibilmente in diversi formati (IFC, formato di file proprietario del software, DWG/DXF, SDNF, STEP o altri formati)
  • Ampliare le possibilità di scambio di dati e consentire la verifica e il confronto di modelli

Sommario

L'ingegneria strutturale assume un ruolo significativo nel Building Information Modeling. A causa della crescente applicazione di metodi di pianificazione orientati al BIM, le nuove catene di processi digitali offrono l'opportunità di aumentare l'efficienza. Il modello BIM e il modello strutturale sono di natura diversa e la derivazione dei modelli strutturali dai modelli BIM non è sempre automatica e chiaramente possibile. Un processo di pianificazione efficiente in materia di ingegneria strutturale richiede il coinvolgimento di un ingegnere strutturale in una fase iniziale e il rispetto degli aspetti dell'ingegneria strutturale e dello scambio di dati durante la creazione di un modello BIM. Il software utilizzato dovrebbe consentire il trasferimento delle informazioni esistenti sulla geometria parametrica degli oggetti intelligenti specifici del software utilizzando le interfacce corrispondenti. Infine, una buona strategia di scambio di dati in conformità con il software utilizzato consente di integrare la progettazione strutturale nel processo BIM senza sforzo.

Parole chiave

IFC BuildingSMART Vista di coordinamento Vista di analisi strutturale Mapping File Modello BIM Modello strutturale Trasferimento di dati giunto Processo BIM

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  • Aggiornato 10. novembre 2020

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RFEM Programma principale
RFEM 5.xx

Programma principale

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

Prezzo della prima licenza
3.540,00 USD
RSTAB Programma principale
RSTAB 8.xx

Programma principale

Software di progettazione strutturale per il calcolo lineare e non lineare di forze interne, spostamenti generalizzati e reazioni vincolari di telai e strutture costituite da aste e travature reticolari

Prezzo della prima licenza
2.550,00 USD