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

I modelli 3D sono stati creati per più di vent'anni (ad esempio, nelle costruzioni in acciaio), e sono utilizzati per derivare automaticamente i dati di ingegneria 2D, o per accedere e controllare le macchine di produzione direttamente tramite i dati CN. Allo stesso modo, i calcoli strutturali su modelli 3D sono allo stato dell'arte. A causa della generazione di modelli digitali, le principali sfide che devono affrontare i software di costruzione sono problemi di scambio di dati e come questi modelli possono essere utilizzati in modo efficiente in termini di tempo nel software di diversi progettisti tecnici. Non solo i modelli geometrici e fisici giocano un ruolo, ma un certo numero di altri modelli contiene più delle informazioni sui componenti fisicamente visibili. Uno di questi è il modello strutturale o analitico, che contiene le proprietà meccaniche del materiale, le condizioni al contorno o le ipotesi di carico; cioè cose che non possono essere lette immediatamente da un modello architettonico puramente fisico. 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 per l'edilizia è altrettanto grande. In questo articolo, spiegheremo i problemi di base dello scambio di dati, quindi presenteremo soluzioni testate e orientate alla pratica.

Progettazione strutturale in processo BIM

Il Building Information Modeling si basa su una visione olistica del ciclo di vita di una struttura; questo 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 le altre cose, l'obiettivo è quello di ottimizzare i costi durante 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. In poche parole: l'analisi strutturale, comprese eventuali modifiche successive, deve essere efficiente e affidabile. Gli attuali modelli BIM tridimensionali possono fornire un prezioso input di dati o mezzi di comunicazione e una migliore comprensione per quanto riguarda l'ingegneria strutturale.

Scenario tipico di scambio di dati per il BIM nell'ingegneria strutturale

Modello BIM e modello strutturale

In generale, i modelli BIM includono informazioni sulla geometria, i materiali e i 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 ad 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 a quei componenti strutturali rilevanti per l'analisi strutturale. La descrizione dettagliata della geometria viene utilizzata solo quando 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 e così via) 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

È impossibile dedurre il modello strutturale dalle informazioni geometriche pure di un modello BIM senza l'intervento di un ingegnere qualificato. La modellazione geometricamente identica richiederebbe anche la rappresentazione come modello solido nell'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 quelle di una disciplina diversa. Se i dati vengono scambiati tra software di architettura o software di costruzione, gli oggetti sono 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 le informazioni direttamente e tradurle in oggetti intelligenti specifici del software. Questo è anche noto come scambio di dati orizzontale.

Se i dati devono essere trasferiti a un'altra disciplina, ad esempio dal software di architettura al software di analisi strutturale, l'attenzione sarà quindi concentrata su una visione diversa dei dati e saranno considerati solo i componenti di supporto come colonne, pareti, travature reticolari o 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, viene spesso utilizzato lo scambio di dati verticale, poiché il modello strutturale è solitamente generato dal modello architettonico, poiché il modello architettonico è tipicamente disponibile. Tuttavia, il trasferimento da un software di analisi strutturale ad un altro richiede anche la verifica dei calcoli strutturali.

Scambio di dati orizzontale e verticale

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 opzionale di materiali, spessori e sezioni trasversali (bidirezionale) e restituzione dei risultati del calcolo

BIM-Szenario: Modellübergabe BIM-Software zu Statik-Programm, Update von Querschnitten und Übergabe von Ergebnissen der Berechnung (Schnittgrößen) an BIM-Modell

Ci sono varie opzioni per i formati di file di 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, la vista Analisi strutturale per l'ingegneria strutturale 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 uno standard, il formato IFC può essere generalmente interpretato in vari modi; pertanto, è necessario verificare il formato con i dati del software pertinente per ottenere uno scambio di dati corretto.

IFC-Coordination-View-Modelle in RFEM, Visualisierung und selektive Umwandlung in natives, intelligentes RFEM-Objekt

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 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 hai familiarità con i singoli prodotti software, potresti 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 fornisce generalmente database di ingegneria strutturale personalizzati che contengono tutti i parametri dipendenti dalla norma. 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 la propria applicazione.

Esiste anche un software BIM, che include già un modello analitico (modello strutturale) nel modello architettonico. Il vantaggio di questo software è che entrambi i modelli si sovrappongono e fanno riferimento a vicenda, quindi questi modelli possono essere analizzati in modo efficiente e semplice. Oltre ai dati di sistema, sono possibili specifiche di carico. Quando si utilizza questo software, è necessario creare accuratamente entrambi i modelli. È necessario un appropriato coordinamento tra tutte le parti coinvolte. La persona che conduce la modifica del modello spesso non è dello stesso ufficio di ingegneria, e il problema diventa quindi chi risolve i costi per i modelli interdisciplinari e chi è responsabile della precisione e dell'accuratezza. Questo deve essere organizzato in anticipo. Senza dubbio, c'è una grande opportunità per il BIM e continua ad essere riconosciuto da aziende rinomate. Se è possibile creare l'intera catena di pianificazione, i modelli BIM possono essere preparati in modo ottimale, in una fase iniziale, e utilizzati successivamente per l'analisi strutturale.

Il supporto di vari formati di dati è un aspetto importante nella scelta del software giusto. La descrizione nel formato dati esistente deve essere trasferita negli oggetti specifici per questo software. La considerazione della visualizzazione o di riferimento del modello di dati da sola è insufficiente 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 di dati a oggetti corretto, ciò può migliorare significativamente la flessibilità e 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 sempre essere inclusa all'inizio. Ciò consente il 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 da linguaggi di programmazione convenzionali e semplici (VBA, C# e così via).

I fattori chiave di successo per uno scambio di dati efficace ed efficiente includono quanto segue:

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 muri, piastre e colonne in sezioni e livelli

Umfang und Inhalt der Datenübergabe festlegen

• Chi crea il modello strutturale idealizzato e quale software utilizza (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 delle sezioni trasversali e degli 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 BIM e di analisi strutturale supportati 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 dei 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 di modelli strutturali da modelli BIM non è sempre automatica e chiaramente possibile. Un processo di pianificazione efficiente per quanto riguarda l'ingegneria strutturale richiede il coinvolgimento di un ingegnere strutturale in una fase iniziale, nonché 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 di geometria parametrica esistenti degli oggetti intelligenti specifici del software attraverso l'uso delle 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.