BIM w inżynierii konstrukcyjnej: Proces planowania, możliwości i szanse

Eliminacja elementów niekonstrukcyjnych

Jedną z głównych zalet modeli 3D-BIM jest to, że wszystkie informacje są dostępne centralnie w bazie danych. Jeśli założymy, że projekt budowlany jest początkowo tworzony przez architekta, uwaga nie jest skupiona przede wszystkim na systemie konstrukcyjnym. Jego praca skupia się przede wszystkim na użytkowaniu i projektowaniu budynku, a także na przestrzeganiu ram kosztów w ścisłej współpracy z właścicielem budynku. Na tej podstawie projektuje się wymagane konstrukcje wsporcze dla budynku. Ten model konstrukcyjny reprezentuje niejako szkielet nośny budynku i jest szczególnie interesujący dla inżyniera budownictwa. Pozostałe nienośne części budynku są dla niego albo nieistotne (np. szczegółowe projekty drzwi i okien, dokładna konstrukcja podłogi, instalacja elektryczna i wodno-kanalizacyjna itp.), albo mają co najwyżej znaczenie dla założeń obciążenia. Dlatego tylko część modelu BIM musi zostać oceniona przez inżyniera budowlanego, który musi oddzielić obiekty istotne konstrukcyjnie od obiektów nieistotnych. Jednak informacja, czy element konstrukcyjny dostępny w modelu BIM uczestniczy w analizie układu konstrukcyjnego, nie musi być zawarta w każdym modelu BIM i musi zostać przekazana modelowi przez inżyniera budowlanego lub przez inżyniera. musi usunąć te elementy, które nie są dla niego istotne, za pomocą odpowiednich filtrów. Na rynku dostępne jest oprogramowanie BIM, które umożliwia oznaczenie elementów jako nośne w modelu architektonicznym. Jeżeli architekt uzna, że należy wykonać to oznaczenie, ułatwione jest automatyczne przesyłanie modelu do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Fizyczny model konstrukcji i wyidealizowany model analityczny

Po wyeliminowaniu nośnych komponentów konstrukcyjnych z globalnego modelu BIM dostępny jest fizyczny model konstrukcyjny, który pod względem położenia i kształtu odpowiada późniejszemu modelowi rzeczywistemu (bryłowemu). Jednak ze względu na ograniczone możliwości obliczeniowe i niezbędne uproszczenia obliczeń nie wszystkie elementy konstrukcyjne są zwykle obliczane jako modele bryłowe, ale są zredukowane do elementów prętowych i powierzchniowych, których wyniki (na przykład siły wewnętrzne dla pręta i powierzchni) aktualne normy również się odwołują. Modele bryłowe są zwykle ograniczone do bardzo grubych elementów konstrukcyjnych lub do analizy specjalnych podobszarów (takich jak połączenia stalowe), w tym takich szczegółów jak śruby, spoiny lub warunki kontaktu. Redukcja prętów i powierzchni rodzi problem z położeniem osi środka ciężkości tych elementów konstrukcyjnych i sposobem ich połączenia. Ze względu na różne wysokości komponentów, przekroje i połączenia, spójne modele osi nie mogą być połączone w jednym punkcie, który należy dodatkowo dostosować, aby mógł służyć jako analityczny model obliczeniowy. Powoduje to dalsze pytania dla inżyniera budownictwa.

• Gdzie powinny znajdować się linie systemowe?
• Jak radzić sobie z możliwymi mimośrodami prętów i powierzchni?
• Czy linie systemowe muszą zostać skrócone, czy przedłużone i jaki jest ich wpływ na obciążenie (ciężar własny, obciążenia liniowe, obciążenia powierzchniowe itp.)?
• Czy wystarczy modelowanie za pomocą prostych węzłów analitycznych, czy też konieczne jest utworzenie rozszerzonych modeli, dostosowanych pod kątem technicznym (np. słup łączy się ze stropem tylko w jednym węźle: Problem osobliwości)?
• Czy połączenia prętów i powierzchni są przegubowe, półsztywne czy sztywne?
• Jakie miejsca należy uznać za podpory i przy jakich warunkach podporowych?
• Czy można podzielić pręty lub powierzchnie w celu uzyskania rozsądnego modelu analitycznego?

Przy podejmowaniu decyzji dotyczących wszystkich tych pytań oprogramowanie zwykle może zapewnić niewielkie wsparcie, a decyzje te muszą zostać podjęte ostatecznie przez inżyniera budowlanego. Nowym trendem w oprogramowaniu dla architektury i konstrukcji jest fakt, że systemy konstrukcyjne są już przenoszone w programach i częściowo tworzone są automatycznie. Zaletą jest to, że po prawidłowym zdefiniowaniu podstawowych systemów konstrukcyjnych, najlepiej uwzględniających obciążenia, można je przenieść do programu do analizy statyczno-wytrzymałościowej bez większych poprawek.

Warunkiem jest jednak, aby oprogramowanie BIM było obsługiwane przez użytkowników, którzy również posiadają odpowiednią wiedzę z zakresu analizy statyczno-wytrzymałościowej i zastosowania programów obliczeniowych. Z tradycyjnego punktu widzenia, dotyczącego typowych obowiązków biur architektonicznych i biur analizy statyczno-wytrzymałościowej w Niemczech, fakt ten często powoduje, że wymiana danych, a tym samym przepływ pracy BIM, zostaje wstrzymana. W końcu architekt nie otrzymuje wynagrodzenia za stworzenie modelu do analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Szczególne aspekty modelowania

Podczas tworzenia modeli elementów skończonych mogą być wymagane specjalne konstrukcje pomocnicze i obejścia na przejściach z powierzchni do elementów prętowych lub, na przykład, w belkach podporowych. Te konstrukcje pomocnicze wymagają ręcznej obróbki importowanych konstrukcji. Prowadzi to nieuchronnie do dalszego oddalania się początkowego modelu BIM i wyidealizowanego modelu analitycznego, a przypisanie powiązanych elementów konstrukcyjnych w programach użytkownika z różnych dziedzin jest znacznie trudniejsze.

Problem ten jest szczególnie widoczny w porównaniu zmian w obu modelach. Często sztywne pręty są używane do łączenia elementów połączonych na stałe w reprezentacji modelu konstrukcyjnego. Jednak, w zależności od implementacji w oprogramowaniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej, te specjalne typy prętów mogą powodować problemy numeryczne, jeśli są bardzo krótkie i sztywne. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę przy automatycznym tworzeniu takich elementów łączących, pochodzących z oprogramowania BIM. Jednym dużym i czasami niełatwym do rozpoznania problemem mogą być komponenty konstrukcyjne, które są rzekomo połączone w modelu analitycznym. Ze względu na niedokładności modelowania w oprogramowaniu BIM lub ograniczenia dokładności numerycznej możliwe jest również, że węzły MES zostaną utworzone bardzo blisko siebie. Węzły te utrudniają generowanie siatki lub podszywają się pod połączone elementy konstrukcyjne, które nie są połączone w modelu obliczeniowym. Powoduje to nieprawidłowe wyniki obliczeń. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na sprawdzenie importowanego modelu.

Założenia i kombinacje obciążeń

W niektórych aplikacjach BIM można również określać obciążenia i kombinacje obciążeń. Definiowanie, na przykład, profili obciążenia wiatrem, śniegiem lub parciem gruntu stało się znacznie bardziej złożone ze względu na wprowadzone w ostatnich latach Eurokody. To samo dotyczy zasad tworzenia kombinacji obciążeń według różnych sytuacji obliczeniowych. Oczywiście programy do analizy statyczno-wytrzymałościowej są lepiej przystosowane do tych zadań; są bardziej wszechstronne i oferują kompleksowe narzędzia do generowania. Dlatego oczywiste jest, że wprowadzanie obciążeń i kombinatoryka są przeprowadzane w programie do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Jeżeli wynikowe obciążenia i kombinacje zostaną przeniesione z powrotem do modelu BIM, parametry oparte na automatycznej generacji są zwykle tracone, a zatem w przypadku dalszych zmian brakuje inteligencji obiektów obciążonych.

Uwagi dotyczące obliczania układów konstrukcyjnych

Jeżeli z modelu BIM został wyprowadzony odpowiedni model analityczny, można go obliczyć w oprogramowaniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Należy zdecydować, która teoria obliczeń i modele materiałowe zostaną zastosowane. Po zakończeniu obliczeń konieczne może być dostosowanie modelu, utworzenie wariantów modelowania lub dodanie lub usunięcie nowych elementów. Należy sprawdzić zwolnienia i podpory. Aby zaprojektować układ konstrukcyjny, należy wprowadzić dalsze założenia i parametry. Przekroje i wymiary mogą ulec zmianie. Klasyczna koncepcja BIM wymagałaby, aby te specyfikacje i założenia były również przechowywane w centralnym modelu BIM. Obecnie nie jest to jednak całkowicie wykonalne; nie jest obsługiwany przez zwykłe interfejsy lub jest możliwy tylko w przypadku utraty inteligencji obiektów.

Uwzględnienie etapów budowy odgrywa niekiedy bardzo ważną rolę w modelach przestrzennych i decyduje o przydatności wyników obliczeń. Dlatego bezwzględnie konieczne jest upewnienie się przed obliczeniami, czy obliczenia na całym modelu wymagają uwzględnienia etapów budowy, czy też modele częściowe powinny być obliczane w przekrojach. W tym kontekście należy wspomnieć, że BIM nie oznacza automatycznie, że cały model budynku jest zawsze obliczany przestrzennie. Jedną z dobrych strategii jest sukcesywne oddzielanie poszczególnych jednostek konstrukcyjnych od ogólnego modelu BIM i obliczanie ich osobno.

Zmiany w modelu BIM w wyniku analizy statyczno-wytrzymałościowej

Po zakończeniu obliczeń mogą wystąpić zmiany w materiałach i przekrojach, a elementy takie jak stężenia lub podciągi mogą zostać przesunięte, usunięte lub dodane. Zmiany te muszą zostać odzwierciedlone w modelu BIM i zaktualizowane. Ale co się stanie, jeśli wystąpią również zmiany w oryginalnym modelu BIM, które należy zsynchronizować? Jak zdecydować, który stan jest ostatnią korektą? Proces ten musi podlegać pewnym regułom, a wprowadzone zmiany muszą zostać zatwierdzone przez odpowiedzialnych współpracowników. Jednocześnie należy upewnić się, że zmiany w modelu BIM zostaną przejęte po imporcie do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Zmiany mogą wystąpić w tym samym elemencie konstrukcyjnym w tym samym czasie w BIM i modelu analitycznym. Sytuacje takie można złagodzić poprzez zablokowanie poszczególnych części w modelu lub za zgodą zainteresowanych stron. Automatyczne przenoszenie zmian profilu, grubości powierzchni lub dodawanie i usuwanie nowych elementów konstrukcyjnych w innym modelu jest zwykle możliwe i obsługiwane na przykład przez oprogramowanie Dlubal. Należy zauważyć, że aktualizacje wynikające z analizy statyczno-wytrzymałościowej nie zastępują innych informacji w modelu BIM, które nie są istotne dla analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Interfejs IFC i bezpośrednie połączenie oprogramowania

Do spójnego planowania niezbędne są działające interfejsy. Jeżeli mają Państwo swobodny dostęp do danych programów wymieniających się za pośrednictwem programowalnych interfejsów, można je bezpośrednio sprzęgać bez konieczności wymiany plików. Oba programy muszą być zainstalowane na tym samym komputerze. Implementacja takich interfejsów może być projektowana bardzo elastycznie i nie jest powiązana ze składnią i modelami danych ogólnych formatów interfejsów, ponieważ są one niezbędne do wymiany plików. Podczas wymiany danych w neutralnych, niezależnych od producenta formatach plików, format IFC odgrywa ważną rolę.

Jednakże, jeżeli oprogramowanie posiada certyfikat IFC, nie musi to oznaczać, że przeniesienie do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej jest również możliwe. Certyfikacja jest obecnie dostępna tylko dla "Widoku koordynacji". Opisuje przede wszystkim geometrię konstrukcji na podstawie modeli bryłowych; to znaczy fizyczny model konstrukcyjny wspomniany powyżej. W przypadku modelu konstrukcyjnego dostępny jest "Widok analizy konstrukcyjnej", który umożliwia również przenoszenie podpór, zwolnień i obciążeń. W przypadku wymiany danych w oparciu o IFC, w oparciu o program do projektowania architektonicznego, konieczne jest sprawdzenie, który widok można wyeksportować.

Podsumowanie i wnioski

Modele 3D BIM pomagają inżynierom w zrozumieniu złożonych systemów konstrukcyjnych i szybszym tworzeniu modeli analitycznych dzięki transferowi danych. Ogólnie rzecz biorąc, model BIM i model analityczny są różne i geometrycznie nie identyczne. Automatycznie wygenerowane modele analityczne muszą być dokładnie sprawdzone, a obliczenia na całym modelu mogą wymagać uwzględnienia etapów budowy. Analiza statyczno-wytrzymałościowa może wymagać specjalnego modelowania w określonych punktach i zazwyczaj wymaga dodatkowych informacji, które nie mogą być przechowywane w modelu BIM lub mogą być zapisane tylko częściowo. Ze względu na możliwe modyfikacje na etapie planowania, konieczne jest zdefiniowanie zasad dotyczących tego, kto, w którym momencie i gdzie może wprowadzać zmiany w modelu. Oprogramowanie BIM i BIM wymaga od architektów szerszej i bardziej wszechstronnej wiedzy na temat wszystkich faz planowania, oprócz chęci ponownego przemyślenia tradycyjnego podziału pracy i zrozumienia zadania planowania jako pracy zespołowej. Jeżeli zaakceptuje się wstępne, możliwe do opanowania dodatkowe nakłady pracy, uwzględniając również dalsze etapy planowania, oszczędności mogą być znaczne, a wyniki planowania lepsze. Biura projektowe, które w ostatnich latach poświęciły się procesowi BIM, mogą to potwierdzić. Nie tylko ze względu na ten fakt, ale również dlatego, że instytucje zamawiające określają BIM jako metodę planowania, BIM będzie się rozprzestrzeniał w nadchodzących latach. Inżynieria konstrukcyjna jest integralną i istotną częścią modelowania informacji o budynku; w związku z tym oprogramowanie do analizy statyczno-wytrzymałościowej obsługujące BIM i obsługa całych modeli nabiorą większego znaczenia.

Dlubal Software koncentruje się na procesie planowania opartym na BIM; Oferuje różnorodne formaty interfejsów i bezpośrednie połączenia z popularnymi produktami BIM. Dzięki otwartemu, programowalnemu interfejsowi oprogramowanie można bezproblemowo zintegrować z procesami planowania specyficznymi dla firmy. Pozwala to na zautomatyzowanie zadań modelowania i przetwarzania wyników obliczeń.