BIM w inżynierii konstrukcyjnej: Proces planowania, możliwości i możliwości

  • Baza informacji

Artykuł o tematyce technicznej

Artykuł został przetłumaczony przez Google Translator

Podgląd oryginalnego tekstu

Coraz częstsze stosowanie metody BIM w projektowaniu budynków otwiera także nowe możliwości dla inżynierów budownictwa. Po utworzeniu kompleksowego modelu 3D budynku należy nadal wykorzystywać go do analizy statyczno-wytrzymałościowej, aby w pełni go wykorzystać. Istnieją jednak również nowe wyzwania dla inżyniera konstrukcji i używanego oprogramowania, które zostały opisane w tym artykule.

Rysunek 01 - Powyżej: model BIM ze zintegrowanymi obiektami konstrukcyjnymi w Autodesk Revit Structure. Środek: okno dialogowe Sterowanie służące do przenoszenia modelu analitycznego z Revit Structure do RFEM. U dołu: Model obliczeniowy w programie RFEM

Eliminacja elementów niekonstrukcyjnych

Jedną z głównych zalet modeli 3D-BIM jest to, że wszystkie informacje są dostępne centralnie w bazie danych. Jeżeli zakłada się, że architekt pierwotnie tworzy projekt, nie skupia się on głównie na układzie konstrukcyjnym. Jego praca koncentruje się głównie na wykorzystaniu i projektowaniu budynku, a także na przestrzeganiu założonych ram kosztów w ścisłej współpracy z właścicielem budynku. Na tej podstawie zaprojektowano wymagane konstrukcje wsporcze. Ten model konstrukcyjny stanowi swoistą konstrukcję nośną budynku i jest szczególnie interesujący dla inżyniera konstrukcji. Pozostałe nienośne części budynku są dla niego nieistotne (na przykład szczegółowe projekty drzwi i okien, dokładna konstrukcja podłogi, instalacja elektryczna i hydrauliczna itp.) Lub mają największe znaczenie dla założeń dotyczących obciążenia. Z tego względu inżynier części musi poddać ocenie tylko część modelu BIM, który musi oddzielić istotne obiekty konstrukcyjne od nieistotnych. Jednak informacja, czy element konstrukcyjny dostępny w modelu BIM przyczynia się do analizy układu konstrukcyjnego, czy nie, nie musi koniecznie być zawarta w każdym modelu BIM i musi zostać przekazana modelowi przez inżyniera konstrukcyjnego, lub musi on usunąć te elementy. które nie są dla niego istotne za pomocą odpowiednich filtrów. Na rynku dostępne jest oprogramowanie BIM, które umożliwia oznaczenie komponentów jako nośnych już w modelu architektonicznym. Pod warunkiem, że architekt uważa, że przeprowadzenie oznaczenia jest jego zadaniem, ułatwi się automatyczne przenoszenie modeli do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Fizyczny model konstrukcyjny i wyidealizowany model analizy

Po wyeliminowaniu nośnych elementów konstrukcyjnych z globalnego modelu BIM dostępny jest fizyczny model konstrukcyjny, który odpowiada swoim położeniem i kształtem późniejszemu modelowi (bryłowemu). Jednak ze względu na ograniczone możliwości obliczeniowe i konieczne uproszczenia obliczeń, nie wszystkie składowe konstrukcyjne są zazwyczaj obliczane jako modele bryłowe, lecz redukowane do elementów prętowych i powierzchniowych, do których wyników (na przykład siły wewnętrzne dla pręta i powierzchni) aktualne normy mają również odnoszą się. Zastosowanie modeli bryłowych jest zazwyczaj ograniczone do bardzo grubych elementów konstrukcyjnych lub do analizy specjalnych podobszarów, takich jak połączenia stalowe, które również zawierają szczegóły, takie jak śruby, spoiny lub warunki kontaktu. Redukcja do prętów i powierzchni nasuwa pytanie o położenie osi środka ciężkości tych elementów konstrukcyjnych oraz sposób ich połączenia. Ze względu na różne wysokości komponentów, cięcia i połączenia może nie istnieć spójny model linii środkowej połączony w jednym punkcie, który należy dodatkowo dostosować, aby pełnił rolę analitycznego modelu obliczeniowego. To z kolei powoduje powstanie pytań do inżyniera konstrukcji.

  • Gdzie powinny być zlokalizowane linie systemowe?
  • Jak radzić sobie z możliwymi mimośrodami prętów i powierzchni?
  • Czy linie systemowe należy skrócić lub wydłużyć i jaki ma to wpływ na obciążenie (ciężar własny, obciążenia liniowe, obciążenia powierzchniowe itp.)?
  • Jeżeli wystarczające jest modelowanie za pomocą prostych węzłów analitycznych lub konieczne może być utworzenie modeli rozszerzonych, dostosowanych do celów inżynieryjnych (na przykład kolumna łączy się z stropem w jednym węźle:
  • Czy połączenia prętów i powierzchni są przegubowe, półsztywne czy sztywne?
  • Które lokalizacje należy traktować jako podpory i na jakich warunkach?
  • Czy pręty lub powierzchnie mogą być podzielone w celu uzyskania rozsądnego modelu analizy?

Podejmując decyzję w sprawie wszystkich tych pytań, oprogramowanie zazwyczaj nie zapewnia wsparcia, a decyzje te musi ostatecznie podjąć inżynier inżynier. Nowym trendem w oprogramowaniu do projektowania konstrukcji i konstrukcji jest jednak fakt, że systemy konstrukcyjne są już przenoszone w programach, a częściowo tworzone automatycznie. Zaletą jest to, że prawidłowo zdefiniowane podstawowe układy konstrukcyjne, a zwłaszcza obciążenie, mogą zostać przeniesione do programu do analizy statyczno-wytrzymałościowej bez większych przeróbek.

Rysunek 02 - Zaleta BIM: w modelu fizycznym można już zdefiniować położenie linii systemowych i węzłów ES elementów konstrukcyjnych. Model ten można zaimportować bezpośrednio do programu RFEM.

Warunkiem jest jednak fakt, że oprogramowanie BIM jest obsługiwane przez użytkowników posiadających odpowiednią wiedzę z zakresu analizy statyczno-wytrzymałościowej i stosowania programów obliczeniowych. Patrząc z tradycyjnego punktu widzenia na niemieckie biura architektoniczne, które są odpowiedzialne za analizę konstrukcji, fakt ten często powoduje, że wymiana danych, a tym samym przepływ pracy w BIM, utknęły w martwym punkcie. W końcu architekt nie otrzymuje zapłaty za utworzenie modelu analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Specjalne aspekty modelowania

Podczas tworzenia modeli elementów skończonych konieczne może być zastosowanie specjalnych konstrukcji pomocniczych i rozwiązań w przypadku przejścia od powierzchni do elementów prętowych lub, na przykład, w podciągach. Te konstrukcje pomocnicze wymagają ręcznej przeróbki importowanych konstrukcji. Prowadzi to nieuchronnie do rozpadu początkowego modelu BIM i wyidealizowanego modelu analizy, a przydzielanie odpowiednich elementów konstrukcyjnych do programów użytkownika różnych dyscyplin jest znacznie trudniejsze.

Rysunek 03 - Różnice w modelu BIM i modelu konstrukcyjnym: Belka poprzeczna opisuje fizyczny element konstrukcyjny. W modelu analizy statycznej przyjmuje się, że jest to albo pięć prętów analitycznych, albo MES musi być w stanie rozpoznać węzły leżące na linii belki, aby je odpowiednio połączyć.

Problem ten uwidacznia się zwłaszcza w przypadku porównywania zmian w obu modelach. Często sztywne pręty łączące są używane do łączenia trwale połączonych elementów w modelu konstrukcyjnym. Jednakże, w zależności od zastosowania w programie do analizy statyczno-wytrzymałościowej, te specjalne typy prętów mogą powodować problemy numeryczne, jeżeli są bardzo krótkie i sztywne. Z tego względu należy zwrócić szczególną uwagę na automatyczne tworzenie takich elementów łączących pochodzących z oprogramowania BIM. Dużym, czasem niełatwo rozpoznawalnym problemem, mogą być elementy konstrukcyjne, które podobno są połączone w modelu analitycznym. Ze względu na niedokładności w modelowaniu w oprogramowaniu BIM lub z powodu numerycznych ograniczeń dokładności, możliwe jest również tworzenie węzłów MES leżących bardzo blisko siebie. Powodują one trudności w generowaniu siatki lub udają, że są połączonymi elementami konstrukcyjnymi, które nie są połączone w modelu obliczeniowym. Skutkuje to nieprawidłowymi wynikami obliczeń. Z tego względu należy zwrócić szczególną uwagę na kontrolę zaimportowanego modelu.

Rysunek 04 - Różnice w modelu BIM i modelu konstrukcyjnym: Połączenie słupa za pomocą trzech węzłów z poziomymi, sztywnymi elementami prętowymi na ścianie

Założenia i kombinacje obciążeń

W niektórych aplikacjach BIM można też definiować obciążenia i kombinacje obciążeń. Na przykład nowo zdefiniowane eurokody w ciągu ostatnich lat określają na przykład profile obciążenia wiatrem, obciążenia śniegiem lub obciążenia od ciśnienia gruntu. To samo dotyczy reguł tworzenia kombinacji obciążeń zgodnie z różnymi sytuacjami obliczeniowymi. Oczywiście, programy do analizy statyczno-wytrzymałościowej są lepiej dostosowane do tych zadań, są bardziej wszechstronne i oferują kompleksowe narzędzia do generowania. Dlatego jest oczywiste, że wprowadzanie obciążeń i kombinatoryka są przeprowadzane w aplikacji do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Jeżeli wynikowe obciążenia i kombinacje zostaną przeniesione z powrotem do modelu BIM, parametry oparte na generowaniu automatycznym są zazwyczaj tracone, co powoduje, że w przypadku dalszych zmian inteligencja obiektów obciążeń nie jest dostępna.

Rysunek 05 - Obiekt do analizy statyczno-wytrzymałościowej "obciążenie śniegiem" w programie RFEM: nie może być identycznie przedstawiony w programie lub interfejsie BIM, na przykład w widoku analizy IFC Structural Analysis. Inteligencja obiektu zostaje utracona, jeżeli zostanie rozwiązany w obciążeniach liniowych i trapezowych bez odniesienia do strefy obciążenia śniegiem.

Uwagi dotyczące obliczania układów konstrukcyjnych

Jeżeli z modelu BIM pochodzi odpowiedni model analizy, można go obliczyć w programie do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Należy zdecydować, która teoria obliczeń i modele materiałowe zostaną zastosowane. Po zakończeniu obliczeń może wystąpić konieczność dostosowania modelu, utworzenia wariantów modelowania lub dodania lub usunięcia nowych elementów. Zwolnienia i podpory należy sprawdzić. Podczas obliczeń konstrukcji należy wprowadzić dodatkowe założenia i parametry. Przekroje i wymiary mogą ulec zmianie. Klasyczna koncepcja BIM wymagałaby, aby te specyfikacje i założenia były również zapisane w centralnym modelu BIM. Jednak nie jest to obecnie w pełni możliwe i nie jest obsługiwane przez zwykłe interfejsy lub jest możliwe tylko w przypadku utraty inteligencji obiektów.

Uwzględnienie etapów konstrukcji czasami odgrywa bardzo ważną rolę w przypadku modeli przestrzennych i decyduje o przydatności wyników obliczeń. Z tego względu przed obliczeniami należy bezwzględnie upewnić się, czy obliczenia dla całego modelu wymagają uwzględnienia faz budowy, czy też należy obliczać modele częściowe w przekrojach. W tym kontekście należy zauważyć, że BIM nie oznacza automatycznie, że cały model budynku jest zawsze obliczany przestrzennie. Dobrą strategią może być również oddzielenie poszczególnych jednostek konstrukcyjnych od modelu ogólnego BIM i obliczenie ich osobno.

Zmiany w modelu BIM wynikające z analizy statyczno-wytrzymałościowej

Po zakończeniu obliczeń mogą wystąpić zmiany w materiałach i przekrojach, a elementy, takie jak stężenia lub belki podporowe, mogą zostać przesunięte, usunięte lub dodane. Zmiany te muszą zostać uwzględnione w modelu BIM i zaktualizowane. Ale co się stanie, jeżeli w pierwotnym modelu BIM pojawią się również zmiany, które należy zsynchronizować? W jaki sposób decydujecie, który jest ostatni stan wersji? Proces ten musi podlegać określonym zasadom, a istniejące zmiany muszą zostać zatwierdzone przez odpowiedzialnych współpracowników. Jednocześnie należy zadbać o to, by zmiany w modelu BIM zostały później uwzględnione po zaimportowaniu do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Zmiany mogą ewentualnie wystąpić na tym samym składniku konstrukcyjnym jednocześnie w BIM i modelu analitycznym. Sytuacje takie można ułatwić, blokując poszczególne części modelu lub za zgodą zaangażowanych stron. Automatyczne przenoszenie zmian profilu, grubości powierzchni lub dodawanie i usuwanie nowych elementów konstrukcyjnych w odpowiednim innym modelu jest zazwyczaj możliwe i jest wspierane na przykład przez firmę Dlubal Software. Należy zauważyć, że aktualizacje wynikające z analizy statyczno-wytrzymałościowej nie zastępują innych informacji w modelu BIM, które nie są istotne dla analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Rysunek 06 - Zaleta BIM: ruszt pod belkę dla elektrowni, 632 pręty, 344 przekroje, od Tekla Structures (u góry). Nakład modelowania w analizie statyczno-wytrzymałościowej: szacowany na kilka godzin. Surowy model z przypisaniem pręta i przekroju można wygenerować z modelu Tekla w ciągu kilku minut i przenieść do programu RFEM/RSTAB (poniżej)

Interfejs IFC i bezpośrednie połączenie oprogramowania

Aby zapewnić spójne planowanie, konieczne są funkcjonujące interfejsy. Jeżeli poprzez programowalne interfejsy użytkownik ma otwarty dostęp do danych wymieniających się programów, mogą one być bezpośrednio łączone bez wymiany plików. Oba programy muszą być zainstalowane na tym samym komputerze. Implementacja takich interfejsów może być zaprojektowana bardzo elastycznie i nie jest związana z modelami składni i danych ogólnych formatów interfejsów, ponieważ są one niezbędne do wymiany plików. Podczas wymiany danych w neutralnych, niezależnych od producenta formatach plików, istotną rolę odgrywa format IFC.

Rysunek 07 - IFC jako międzynarodowy standard wymiany danych. Podczas planowania konstrukcji należy zapisać dane z "Widoku analizy statyczno-wytrzymałościowej".

Jeżeli oprogramowanie posiada certyfikat IFC, nie musi to jednak oznaczać możliwości przeniesienia do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Certyfikacja jest obecnie dostępna tylko dla „Widoku koordynacyjnego”. Opisuje przede wszystkim geometrię konstrukcji na podstawie modeli bryłowych, to znaczy wspomnianego powyżej fizycznego modelu konstrukcyjnego. W przypadku modelu konstrukcyjnego dostępny jest tak zwany „widok analizy konstrukcyjnej“, który umożliwia również przenoszenie podpór, zwolnień i obciążeń. W przypadku wymiany danych opartej na IFC w oparciu o program do projektowania architektonicznego należy zatem sprawdzić, który widok można wyeksportować.

Podsumowanie i wniosek

Modele 3D BIM pomagają inżynierowi w zrozumieniu złożonych układów konstrukcyjnych i szybszym tworzeniu modeli analitycznych poprzez transfer danych. Zasadniczo model BIM i model analizy są różne i nie są geometrycznie identyczne. Modele analizy generowane automatycznie muszą być dokładnie sprawdzone, a obliczenia dla całego modelu mogą wymagać uwzględnienia etapów budowy. Analiza statyczno-wytrzymałościowa może wymagać specjalnego modelowania w określonych punktach i zazwyczaj wymaga dodatkowych informacji, które nie mogą lub są tylko częściowo zapisane w modelu BIM. Ze względu na możliwe modyfikacje podczas fazy planowania, konieczne jest zdefiniowanie reguł dotyczących tego, kto może dokonywać zmian w modelu, w którym momencie i gdzie dokładnie. BIM i oprogramowanie BIM wymagają od architektów i inżynierów budowlanych wiedzy o wszystkich fazach planowania, a także chęci ponownego przemyślenia tradycyjnego podziału pracy i rozumienia zadania planowania jako pracy zespołowej. W przypadku zaakceptowania początkowego, możliwego do opanowania, dodatkowego wysiłku, z uwzględnieniem również kolejnych etapów planowania, oszczędności mogą być znaczne, a wyniki planowania lepsze. Potwierdzają to biura projektowe, które w ostatnich latach zaangażowały się w proces BIM. Nie tylko ze względu na ten fakt, ale również ze względu na to, że instytucje zamawiające określają BIM jako metodę planowania, BIM będzie nadal się rozpowszechniał w nadchodzących latach. Inżynieria statyczna jest integralną i istotną częścią Modelowania Informacji o Budynku, dlatego też oprogramowanie do analizy statyczno-wytrzymałościowej zdolne do obsługi BIM oraz obsługa pełnych modeli stanie się istotniejsza.

Dlubal Software koncentruje się na procesie planowania w oparciu o 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 automatyzację zadań związanych z modelowaniem i przetwarzanie wyników obliczeń.

Słowa kluczowe

BIM Wymiana danych IFC REVIT

Linki

Skomentuj...

Skomentuj...

  • Odwiedziny 977x
  • Zaktualizowane 10. listopada 2020

Kontakt

Mają Państwo pytania lub potrzebują porady?
Zapraszamy do bezpłatnego kontaktu z nami drogą mailową, poprzez czat lub forum lub odwiedzenia naszej strony z FAQ z użytecznymi wskazówkami i rozwiązaniami.

+48 (32) 782 46 26

+48 730 358 225

info@dlubal.pl

RFEM Program główny
RFEM 5.xx

Program główny

Oprogramowanie do obliczeń płaskich i przestrzennych układów konstrukcyjnych, obejmujących płyty, ściany, powłoki, pręty (belki), bryły i elementy kontaktowe, z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES)

Cena pierwszej licencji
3 540,00 USD
RSTAB Program główny
RSTAB 8.xx

Program główny

Oprogramowanie do obliczania konstrukcji ramowych, belkowych i szkieletowych, wykonujące obliczenia liniowe i nieliniowe sił wewnętrznych, odkształceń i reakcji podporowych

Cena pierwszej licencji
2 550,00 USD