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

Eliminazione delle 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 il progetto dell'edificio sia inizialmente creato dall'architetto, l'attenzione non è principalmente sul sistema strutturale. Il focus del suo lavoro è principalmente sull'uso e sulla progettazione dell'edificio, nonché sul rispetto di un telaio di costo in stretta collaborazione con il proprietario dell'edificio. Sulla base di questo fatto, le strutture di supporto necessarie sono progettate per l'edificio. Questo modello strutturale rappresenta la struttura portante di un edificio, per così dire, ed è di particolare interesse per l'ingegneria strutturista. Le restanti parti non portanti dell'edificio sono insignificanti per lui/lei (ad esempio, progetti dettagliati di porte e finestre, struttura precisa del pavimento, installazione elettrica e idraulica, ecc.) o sono, al massimo, importanti per ipotesi di carico. Pertanto, solo una parte del modello BIM deve essere valutata dall'ingegnere strutturista, che deve separare gli oggetti strutturalmente rilevanti da quelli irrilevanti. Tuttavia, l'informazione sul fatto che una componente strutturale disponibile nel modello BIM contribuisca o meno all'analisi del sistema strutturale non è necessariamente inclusa in ogni modello BIM e devono essere fornite al modello dall'ingegnere strutturista, oppure lui/lei deve rimuovere quegli elementi che non gli sono essenziali utilizzando i filtri corrispondenti. Sul mercato è disponibile il software BIM che consente di contrassegnare i componenti come portanti nel modello architettonico. A condizione che l'architetto consideri suo compito eseguire questa marcatura, sarà facilitato il trasferimento automatizzato del modello al software di analisi strutturale.

Modello fisico-strutturale e modello di analisi idealizzato

Una volta che le componenti strutturali portanti sono state eliminate dal modello BIM globale, è disponibile il modello strutturale fisico, che corrisponde per posizione e forma al modello reale (solido) successivo. A causa delle capacità di calcolo limitate e delle semplificazioni necessarie per i calcoli, tuttavia, non tutte le componenti strutturali sono solitamente calcolate come modelli solidi, ma sono ridotte ad elementi di asta e di superficie, i cui risultati (ad esempio, forze interne per l'asta e la superficie) si riferiscono anche le norme vigenti. L'uso di modelli solidi è solitamente limitato a componenti strutturali di grande spessore o all'analisi di sottoaree speciali (come collegamenti in acciaio), che include dettagli come viti, saldature o condizioni di contatto. La riduzione alle aste e alle superfici solleva la questione della posizione degli assi baricentrici di questi componenti strutturali e di come sono collegati tra loro. A causa delle diverse altezze dei componenti, dei tagli e dei collegamenti, nessun modello coerente con l'asse può essere collegato in un punto, che deve essere ulteriormente modificato per fungere da modello di calcolo analitico. Ciò comporta ulteriori domande per l'ingegnere strutturista.

• Dove dovrebbero essere posizionate le linee del sistema?
• Come gestite le possibili eccentricità di aste e superfici?
• Le linee del sistema devono essere accorciate o estese, e qual è la loro influenza sul carico (peso proprio, carichi delle linee, carichi delle superfici, ecc.)?
• La modellazione tramite nodi analitici semplici è sufficiente o è possibile che sia necessario creare modelli estesi adattati in termini ingegneristici (ad esempio, la colonna si collega al solaio solo in un nodo: Problema delle singolarità)?
• I collegamenti delle aste e delle superfici sono incernierati, semirigidi o rigidi?
• Quali posizioni dovrebbero essere considerate come vincoli esterni e con quali condizioni del vincolo esterno?
• 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 alla fine dall'ingegnere strutturista. Una nuova tendenza nell'architettura e nei software di costruzione, tuttavia, è il fatto che i sistemi strutturali sono già presenti nei programmi e sono anche in parte creati automaticamente. Il vantaggio è che, una volta definiti correttamente, i sistemi strutturali di base, idealmente incluso il carico, possono quindi essere trasferiti a un programma di analisi strutturale senza grandi rielaborazioni.

Tuttavia, un prerequisito per questo è che questo software BIM è gestito da utenti che hanno anche una conoscenza appropriata dell'analisi strutturale e dell'applicazione dei programmi di calcolo. Visto da un punto di vista tradizionale per quanto riguarda le solite responsabilità degli studi di architettura e degli uffici per l'analisi strutturale in Germania, questo fatto è spesso la ragione per cui lo scambio di dati, e quindi il flusso di lavoro BIM, si bloccano. Dopotutto, l'architetto non è pagato per creare il modello strutturale.

Aspetti speciali della modellazione

Durante la creazione di modelli agli elementi finiti, possono essere necessarie strutture ausiliarie speciali e soluzioni alternative nelle transizioni dalle superfici agli elementi in asta o, ad esempio, nelle travi emergenti. Queste costruzioni ausiliarie richiedono la rielaborazione manuale delle strutture importate. Ciò porta inevitabilmente all'allontanamento del modello BIM iniziale e al modello di analisi idealizzato, e l'assegnazione delle componenti strutturali relative nei programmi utente di discipline diverse è considerevolmente più difficile.

Questo problema si riflette particolarmente nel confronto delle modifiche in entrambi i modelli. Spesso, le aste di accoppiamento rigide sono utilizzate per accoppiare componenti collegati in modo permanente nella rappresentazione del modello strutturale. Tuttavia, a seconda dell'implementazione nel software di analisi strutturale, questi tipi speciali di aste possono portare a problemi numerici se sono molto brevi e rigide. Pertanto, è necessaria particolare attenzione durante la creazione automatica di tali elementi di accoppiamento provenienti dal software BIM. Un problema grande e, a volte, non facilmente riconoscibile può essere costituito dalle componenti strutturali che sono presumibilmente collegate in un modello analisi. A causa di imprecisioni nella modellazione del software BIM o di restrizioni di accuratezza numerica, è anche possibile che vengano creati nodi FEA molto vicini tra loro. Questi nodi o causano difficoltà per la generazione della mesh o fingono di essere componenti strutturali collegati che non sono collegati nel modello di calcolo. Ciò determina risultati di calcolo errati. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione alla verifica del modello importato.

Ipotesi 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 di carico del vento, dei carichi da neve o dei carichi dalla pressione del terreno è diventata considerevolmente più complessa a causa degli Eurocodici introdotti negli ultimi anni. Lo stesso si applica alle regole per la creazione di combinazioni di carico in base alle diverse situazioni di progetto. Naturalmente, i programmi di analisi strutturale sono più adatti per tali compiti; sono più versatili e offrono strumenti di generazione completi. Pertanto, è ovvio che l'input del carico e la combinatoria sono eseguiti nell'applicazione di analisi strutturale. Se i carichi e le combinazioni risultanti vengono ritrasferiti al modello BIM, i parametri basati sulla generazione automatica vanno perduti e quindi l'intelligenza degli oggetti di carico manca in caso di ulteriori modifiche.

Considerazioni per il calcolo dei sistemi strutturali

Se un modello di analisi adeguato è derivato dal modello BIM, può essere calcolato nel software di analisi strutturale. È necessario decidere quale teoria del calcolo e quali modelli dei materiali sono utilizzati. Dopo il calcolo, potrebbe essere necessario modificare il modello, verranno create varianti della modellazione o saranno aggiunti o rimossi nuovi elementi. È necessario controllare gli svincoli e i vincoli esterni. Per la verifica del sistema strutturale, sono necessari ulteriori presupposti e parametri. Le sezioni trasversali e le dimensioni possono cambiare. Il concetto BIM classico richiederebbe che queste specifiche e ipotesi siano memorizzate anche nel modello BIM centrale. Tuttavia, questo non è completamente fattibile attualmente; non è supportato con le solite interfacce o è possibile solo se l'intelligenza degli oggetti viene persa.

La considerazione delle fasi costruttive gioca a volte un ruolo molto importante per i modelli spaziali e determina l'utilità dei risultati del calcolo. Pertanto, è assolutamente necessario assicurarsi prima del calcolo se il calcolo dell'intero modello richiede la considerazione delle fasi costruttive o se i modelli parziali devono essere calcolati in sezioni. In questo contesto, dovrebbe essere menzionato che BIM non significa automaticamente che l'intero modello dell'edificio sia sempre calcolato spazialmente. Una buona strategia è staccare le singole unità strutturali successivamente da un modello globale BIM e calcolarle separatamente.

Cambiamenti nel modello BIM dovuti all'analisi strutturale

Dopo aver completato il calcolo, possono verificarsi modifiche del materiale e della sezione trasversale, oppure possono essere spostati, rimossi o aggiunti componenti come controventi o travi emergenti. Queste modifiche devono riflettersi nel modello BIM e aggiornate. Ma cosa succede se ci sono anche delle modifiche nel modello BIM originale che devono essere sincronizzate? Come si decide qual è l'ultimo stato di revisione? Questo processo deve essere soggetto ad alcune regole e le modifiche esistenti devono essere approvate dai collaboratori responsabili. Nel frattempo, è necessario assicurarsi che le modifiche nel modello BIM vengano applicate dopo l'importazione nel software di analisi strutturale. Le modifiche possono verificarsi contemporaneamente sulla stessa componente strutturale sia nel BIM che nel modello analitico. Una situazione del genere potrebbe essere risolta bloccando parti particolari nel modello o previo accordo delle parti coinvolte. Il trasferimento automatico delle modifiche del profilo, degli spessori delle superfici o l'aggiunta e la rimozione di nuovi componenti strutturali nel rispettivo altro modello è solitamente possibile ed è supportato, ad esempio, dal software Dlubal. Va notato che gli aggiornamenti risultanti dall'analisi strutturale non sovrascrivono altre informazioni nel modello BIM che non sono rilevanti per l'analisi strutturale.

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, possono essere accoppiati direttamente 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 dati dei formati generali delle interfacce, poiché sono necessari per lo scambio di file. Quando si scambiano dati tramite formati di file neutri, indipendenti dal produttore, il formato IFC gioca un ruolo importante.

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 coordinata". Descrive principalmente la geometria della struttura sulla base di modelli solidi; cioè il modello strutturale fisico menzionato sopra. Per il modello strutturale, viene fornita la "Vista di analisi strutturale", che consente anche il trasferimento di vincoli esterni, svincoli 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 conclusione

I modelli BIM 3D aiutano l'ingegnere strutturista a comprendere i sistemi strutturali complessi e a creare modelli di analisi più velocemente con il trasferimento dei dati. Generalmente, il modello BIM e il modello analisi sono diversi e geometricamente non identici. I modelli di analisi generati automaticamente devono essere controllati attentamente e il calcolo sull'intero modello potrebbe richiedere la considerazione delle fasi costruttive. L'analisi strutturale può richiedere una modellazione speciale in punti specifici e di solito necessita di informazioni aggiuntive che non possono, o possono essere solo parzialmente, memorizzate nel modello BIM. A causa delle possibili modifiche durante la fase di pianificazione, è necessario definire le regole su chi può apportare modifiche sul modello, in quale momento e dove esattamente. Il BIM e il software BIM richiedono una conoscenza più ampia e completa di tutte le fasi della pianificazione per architetti e ingegneri strutturisti, oltre alla volontà di ripensare la tradizionale divisione del lavoro e di comprendere l'attività di pianificazione come un lavoro di squadra. Se si accetta uno sforzo aggiuntivo iniziale e gestibile, considerando anche le fasi successive della pianificazione, il risparmio può essere considerevole ed i risultati della pianificazione possono essere migliori. Lo possono confermare gli uffici di pianificazione che si sono dedicati al processo BIM negli ultimi anni. Non da ultimo per questo fatto, ma anche perché le autorità aggiudicatrici specificano il BIM come metodo di pianificazione, il BIM continuerà a diffondersi negli anni a venire. L'ingegneria strutturale è una parte integrante ed essenziale del Building Information Modeling; pertanto, 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 ai comuni prodotti software BIM. Con la sua interfaccia aperta e programmabile, il software può essere integrato perfettamente nei processi di pianificazione specifici dell'azienda. Ciò consente di automatizzare le attività di modellazione e di elaborare i risultati del calcolo.