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

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La Building Information Modeling descrive, se non il più importante, argomento attuale nell'intero settore dei software di costruzione. Tuttavia, il processo non è così nuovo ed è risaputo che una buona pianificazione nelle prime fasi di un progetto ha un impatto significativamente positivo sui costi complessivi dell'intero progetto.

Per più di venti anni, ad esempio, crea modelli 3D nella costruzione in acciaio e da loro deriva automaticamente i documenti di produzione 2D, oppure le macchine di produzione sono controllate direttamente tramite i dati NC. Allo stesso modo, i calcoli strutturali sui modelli 3D sono allo stato dell'arte. Per il software di costruzione, lo sviluppo di modelli digitali si traduce principalmente in argomenti di scambio di dati e di come questi modelli possono essere utilizzati in modo efficiente nel tempo in software di diversi progettisti tecnici. Non solo i modelli geometrici, fisici svolgono un ruolo, ma ci sono 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 in ingegneria strutturale. Le aspettative del BIM nell'analisi strutturale sono enormi. Il compito dei produttori di software di costruzione è altrettanto grande. In questo articolo, spiegheremo prima i problemi di base dello scambio di dati e quindi mostreremo le soluzioni collaudate.

Ingegneria strutturale nel processo BIM

Il Building Information Modeling si basa su una visione olistica dell'intero ciclo di vita di un edificio, a partire dall'idea iniziale e dalla pianificazione del progetto (architetto, cliente), dalla pianificazione dell'implementazione (ingegneri specializzati) al funzionamento dell'edificio e alla sua demolizione. Gli obiettivi includono l'ottimizzazione dei costi per l'intera durata di servizio. L'ingegneria strutturale stessa è solo una piccola parte del BIM, la cui influenza sui costi dell'intero ciclo di vita dell'edificio è di solito di minore importanza. Pertanto, la grande "rivoluzione" del BIM sta attualmente accadendo di più nelle aree di responsabilità degli architetti. Tuttavia, l'ingegneria strutturale gioca un ruolo proverbiale nel periodo relativamente breve di pianificazione dei dettagli. Decide sulla fattibilità di un particolare concetto portante ed è una pietra miliare nella pianificazione senza la quale ulteriori processi saranno bloccati senza il suo rilascio. Ha un'influenza notevole sull'ulteriore sicurezza della pianificazione e sui costi associati per le modifiche necessarie. Breve durata: L'analisi strutturale deve essere rapidamente disponibile e affidabile e, se possibile, anche in caso di successive modifiche. I modelli BIM tridimensionali esistenti possono fornire dati preziosi o essere un mezzo di comunicazione e una migliore comprensione.

Modello BIM e modello strutturale

I modelli BIM nel senso generalmente usato includono tutte le informazioni geometriche, i dettagli dei materiali e dei semilavorati di una struttura. Descrivono la funzione di una struttura e possono contenere anche informazioni sulla sequenza temporale, ad esempio dell'assieme. Sono quindi ideali come mezzi visivi di comunicazione per coloro che sono coinvolti nella costruzione, sono uno strumento per determinare la massa e i costi e, infine, servono come uno strumento per evitare errori di progettazione dovuti a collisioni di singoli componenti o strutture. Lo scambio di dati si riferisce principalmente ad una descrizione parametrica della geometria esatta dell'edificio. I componenti sono descritti da modelli di superfici limite o superfici estruse, che alla fine si traducono in un solido.

Al contrario, l'analisi strutturale si concentra sulla rappresentazione meccanicamente corretta della struttura portante. La geometria è semplificata e ridotta ai componenti strutturali staticamente rilevanti. Le descrizioni voluminose della geometria sono utilizzate solo dove necessario e lo sforzo di calcolo aumentato sembra giustificato. Le colonne e le travi sono calcolate come aste (elemento 1D) e pareti e pavimenti come lastre e piastre (elementi 2D). Questi elementi dell'asta e della superficie possono anche essere combinati nei modelli strutturali 3D. Affinché questi modelli idealizzati possano essere calcolati numericamente, è necessario che tutti i componenti siano collegati tra loro e che le condizioni di transizione siano note. A causa della riduzione dei componenti strutturali dai solidi alle linee centrali (per aste) e ai piani centrali (per superfici), non è sempre possibile un'intersezione automatica.

Inoltre, i componenti essenziali del modello di analisi strutturale includono:

  • Definizioni di supporto e cerniera
  • Proprietà meccaniche dei materiali e delle sezioni trasversali
  • carichi esterni (vento, neve, carichi utili, ecc.) e combinazioni di carico
  • Azioni da attività sismica o altre azioni straordinarie
  • Regolamento di progettazione
  • Teorie e metodi di calcolo lineari e non lineari

Pertanto, non è possibile derivare automaticamente un modello di analisi dalle informazioni pure geometriche di un modello BIM che è compreso in senso convenzionale senza l'intervento di un ingegnere qualificato. Una modellazione geometricamente identica richiederebbe anche una rappresentazione come modello solido nell'analisi strutturale. Tuttavia, anche con le capacità di calcolo disponibili oggi, non è possibile calcolare un edificio come modello solido.

Scenari di scambio BIM rilevanti per la pratica

Fondamentalmente, è possibile distinguere lo scambio di dati tra le applicazioni del programma della stessa disciplina e le diverse discipline. 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 indicato come scambio di dati orizzontale.

Se i dati vengono trasferiti ad un'altra disciplina, ad esempio da un software di architettura all'applicazione di analisi strutturale, il focus sarà su una vista diversa dei dati (solo componenti strutturali, come colonne, pareti, travi, lastre). Mancano ancora ulteriori informazioni necessarie, come la posizione della linea efficace statica, la flessibilità dei collegamenti degli elementi o dati meccanici precisi su materiale e sezioni trasversali. Questo è anche chiamato scambio verticale di dati. Se rimani all'interno di una disciplina, è nella natura delle cose che è possibile evitare una possibile perdita di dati o un errore di interpretazione. Il BIM in ingegneria strutturale di solito comporta uno scambio verticale di dati, perché in molti casi è inizialmente disponibile un modello di architettura dal quale viene sviluppato un modello di analisi strutturale. Tuttavia, si verifica anche il trasferimento del software di analisi strutturale al software di analisi strutturale, ad esempio per la verifica dei calcoli strutturali.

Figura 02 - Horizontal and Vertical Data Exchange

I singoli scenari più importanti possono essere riassunti come segue:

  • Architettura -> Analisi strutturale -> Costruzione
  • Analisi strutturale -> Architettura per la modifica delle modifiche dopo l'analisi strutturale
  • Analisi strutturale -> Analisi strutturale per controllo
  • Facoltativamente, esportare interi sistemi o sottosistemi
  • Opzionalmente con aggiornamento di materiali, spessori e sezioni trasversali (bidirezionali) e ritorno dei risultati di 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 il formato di scambio dei dati. Il formato IFC come standard globale ha un ruolo speciale. Il formato IFC è diviso in diverse viste e ogni disciplina ha una sua visione. La vista più importante è la vista di coordinamento, per la quale è possibile certificare anche i singoli prodotti software. Se parli del formato IFC senza dover approfondire le singole viste, di solito intendi la vista di coordinamento. È supportato dalla maggior parte dei programmi di architettura. Diversamente da ciò, la vista Analisi strutturale fornisce una descrizione del modello strutturale che include i carichi e le combinazioni di carico. Questa vista non è attualmente certificabile ed è supportata solo da un numero limitato di programmi di analisi strutturale. In generale, si dovrebbe notare che il formato IFC, sebbene definito come standard, può essere interpretato in modo diverso e per lo scambio di successo, in ultima analisi, sono sempre necessari i propri test con i dati dei rispettivi prodotti software.

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

Oltre al formato IFC, vengono utilizzati formati consolidati come DXF/DWG, l'interfaccia del prodotto da costruzione in acciaio o altri formati basati su testo. Anche le interfacce dirette che non richiedono lo scambio di file svolgono un ruolo importante. I singoli programmi comunicano direttamente tramite interfacce programmabili (API).

Importanti fattori di successo per lo scambio di dati

Fondamentalmente, è necessario chiarire quale scenario di scambio esiste. Se sono noti i singoli prodotti software, sono note anche le possibili interfacce supportate. Sulla base di questo, sono necessari specifici test di scambio con sistemi di dimensioni gestibili. Le specifiche dei materiali e delle sezioni trasversali richiedono spesso ulteriore attenzione. Di solito, ogni software fornisce i propri database, che contengono tutti i parametri dipendenti dallo standard nel caso dell'ingegneria strutturale. I database sono assegnati l'uno all'altro nei cosiddetti file di mappatura, che descrivono semplici tabelle con le corrispondenti descrizioni. Alcuni di questi file di assegnazione sono forniti dal produttore del programma. Si consiglia di standardizzare questi file internamente in base ai programmi coinvolti e di coordinarli tra loro.

Esiste anche un software BIM che porta già un modello analitico (modello strutturale) nel modello architettonico. Ciò ha il vantaggio che entrambi i modelli sono sovrapposti, referenziati e quindi più facili da controllare. Oltre ai dati di sistema, sono anche possibili le specifiche di carico. L'utente di tale software deve quindi essere in grado di impostare correttamente entrambi i modelli. Ciò richiede un corrispondente coordinamento tra le parti interessate. Poiché gli ingegneri dei modelli spesso non provengono dallo stesso ufficio di pianificazione, sorge la domanda su chi paga i costi corrispondenti dei modelli interdisciplinari e garantisce la correttezza. Questo deve essere fatto in anticipo. Ci sono indubbiamente grandi opportunità per il BIM qui e le aziende più grandi lo hanno riconosciuto. Se possono rappresentare l'intera catena di pianificazione, i modelli BIM possono essere preparati in modo ottimale in anticipo per un uso successivo per l'analisi strutturale.

Un aspetto importante nella scelta del software giusto è il supporto di diversi formati di dati. Va notato che la descrizione nel presente formato di dati deve essere convertita negli oggetti specifici del software. Una sola visualizzazione o solo riferimento ai modelli di dati non è sufficiente per la progettazione strutturale e può solo contribuire al controllo visivo. Se diversi software possono essere importati dal software e interpretati nel proprio modello di oggetti dati, ciò aumenta enormemente la flessibilità e aumentano le possibilità di un efficace ed efficiente scambio di dati. Questo è un fattore di successo cruciale se, ad esempio, i file IFC Coordination View devono essere utilizzati nel software di analisi strutturale.

Anche se all'inizio lo sforzo sembra essere un po 'più grande, la programmazione di semplici strumenti propri per lo scambio di dati non dovrebbe essere esclusa dall'inizio. Pertanto, è possibile trasferire facilmente ulteriori informazioni sotto forma di parametri. Ad esempio, è possibile visualizzare i piani di posizione dall'analisi strutturale nel software BIM, comunicare le modifiche o visualizzare i flussi di lavoro specifici dell'azienda nel software. Per questo, è necessario che i prodotti software partecipanti abbiano API corrispondenti che possono essere utilizzate in linguaggi di programmazione semplici comuni e ben noti (VBA, C #, ecc.).

Importanti fattori di successo per uno scambio di dati efficace e di successo sono:

Struttura del modello BIM anche in termini di ingegneria strutturale

  • Integrazione anticipata dell'ingegnere strutturale e accordo sui tempi e sui contenuti del trasferimento
  • Definizione degli standard per le descrizioni dei materiali e delle sezioni trasversali (tabelle di mappatura)
  • Modellazione funzionalmente corretta e uniforme dei componenti strutturali (colonne, travi come oggetti di aste, pareti, soffitti come oggetti di superficie)
  • Modellazione sezione per sezione di pareti, soffitti e colonne per livello

Definire l'ambito e il contenuto del trasferimento dei dati

  • Chi crea il modello strutturale idealizzato e in quale software (BIM o software di analisi strutturale)?
  • Vengono trasferite solo quote geometriche, linee di azione statiche o altre informazioni statiche come supporti o giunti?
  • Chi definisce i casi di carico, le combinazioni di carico e i carichi?
  • Chi è autorizzato a cambiare cosa: Spostamento di componenti strutturali, aggiunta o rimozione di componenti strutturali, definizione di sezioni trasversali e spessori dei componenti?
  • Come e quando viene eseguito un confronto automatico dei modelli, se necessario?

Definire le fasi di lavoro

  • Chi lavora quando e in quale area del modello?
  • Evitare l'elaborazione simultanea di componenti identici ove possibile

Test degli scenari di scambio e dei formati di scambio e delle interfacce utilizzate

  • Il software di analisi strutturale e BIM ha supportato le stesse interfacce e fino a che punto?
  • Esecuzione di test su modelli gestibili con oggetti sostitutivi definiti

Disposizione vincolante per rendere i modelli BIM disponibili a tutti

  • Se possibile in diversi formati (IFC, proprio formato di file del software, DWG/DXF, SDNF, STEP ...)
  • Estende le possibilità di scambio e consente di verificare e confrontare i modelli

Riepilogo

L'ingegneria strutturale è parte integrante del Building Information Modeling. L'uso crescente di metodi di pianificazione orientati al BIM porta a nuove catene di processo digitali con la possibilità 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 automaticamente e chiaramente possibile. Una progettazione efficace del processo di pianificazione in relazione alla progettazione strutturale richiede un'integrazione precoce del progettista strutturale e la considerazione degli aspetti della pianificazione strutturale e lo scambio di dati già durante la creazione del modello BIM. Il software utilizzato dovrebbe essere in grado di convertire le informazioni di geometria parametrica fornite dalle interfacce in oggetti intelligenti specifici del software. In definitiva, l'ingegneria strutturale può integrarsi molto bene nel processo BIM attraverso una buona strategia di scambio di dati che è adattata al software utilizzato.

Parole chiave

IFC BuildingSMART Vista di coordinamento Vista dell'analisi strutturale File di mappatura Modello BIM Modello strutturale Trasferimento di dati Interfaccia Processo BIM

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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