Modelowanie informacji o budynkach (BIM) oraz analiza statyczno-wytrzymałościowa: scenariusze i czynniki powodzenia w wymianie danych

Artykuł o tematyce technicznej

Modelowanie informacji o budynkach (BIM) opisuje jedną z najważniejszych kwestii oprogramowania wykorzystywanego w budownictwie. Nie jest to proces nowy i ogólnie wiadomo, że rzetelne planowanie we wczesnych etapach projektu ma znaczący, pozytywny wpływ na ogólny koszt projektu. Przez ponad 20 lat w budownictwie stalowym wykorzystywano modele 3D w taki sposób, że można było automatycznie utworzyć dokumentację produkcyjną 2D lub istniała możliwość przesłania powiązanych danych NC bezpośrednio do automatycznej produkcji.

Podobnie, obliczenia konstrukcyjne dla całych modeli 3D są uznawane za najnowocześniejsze. W przypadku oprogramowania stosowanego w budownictwie, modele cyfrowe uruchamiają powstanie istotnych pytań o wymianę danych i sposobu efektywnego wykorzystania tych modeli w różnych programach stosowanych w budownictwie. Rozważyć należy nie tylko czyste fizyczne modele geometryczne, ale również wiele innych modeli zawierających dodatkowe elementy konstrukcyjne. Modele takie zawierają modele konstrukcyjne lub analityczne, obejmujące mechaniczne właściwości materiałów, warunki brzegowe lub obciążenia, których nie można uwzględnić w czystym modelu architektonicznym.

Różnice te mogą powodować problemy podczas wymiany danych BIM między programami stosowanymi w inżynierii budowlanej. Dlatego przed BIM i analizą statyczno-wytrzymałościową stawiane są wysokie wymagania. Przeszkody te stanowią także duże wyzwanie dla twórców oprogramowania stosowanego w budownictwie. Niniejszy artykuł wyjaśnia fundamentalne problemy związane z wymianą danych oraz przedstawia rozwiązania przetestowane w praktyce.

Obliczenia konstrukcyjne w procesie BIM

Modelowanie informacji o budynkach (BIM) opiera się na holistycznej wizji cyklu życia konstrukcji. Cykl ten obejmuje początkowy pomysł i planowanie projektu (architekt, właściciel budynku), projekt szczegółowy i planowanie końcowe (inżynierowie) oraz użytkowanie i zburzenie budynku. Celem, między innymi, jest optymalizacja kosztów przez cały cykl życia konstrukcji. Sam projekt konstrukcyjny jest jedynie niewielką częścią BIM. Jego wpływ na koszty konstrukcji jest zazwyczaj drugorzędny. Niemniej jednak, inżynieria budowlana odgrywa istotną rolę w stosunkowo krótkim czasie planowania końcowego. Projekt określa wykonalność konkretnej koncepcji konstrukcyjnej i stanowi kamień milowy w procesie planowania, ponieważ bez prawidłowo wykonanego projektu, pozostałe czynności mogą zostać opóźnione. Ma on także duży wpływ na wiarygodność dalszego planowania, a tym samym, na koszty związane z koniecznymi zmianami. Podsumowując: analiza statyczno-wytrzymałościowa wraz z wszelkimi wprowadzanymi kolejno zmianami musi być efektywna i rzetelna. Obecne trójwymiarowe modele BIM mogą dostarczyć cennych danych wejściowych lub środków komunikacji oraz zapewnić lepsze zrozumienie inżynierii budowlanej.

Rysunek 01 - Typowy scenariusz wymiany danych dla BIM w inżynierii budowlanej

Model BIM i model konstrukcyjny

Ogólnie modele BIM zawierają informację o geometrii, materiałach oraz półfabrykatach wykorzystanych w budynku. Opisują one przeznaczenie budynku i mogą także dostarczyć informacji np. o czasie montażu. Modele BIM mogą zostać wykorzystane jako dobre narzędzie komunikacji pomiędzy stronami zaangażowanymi w budowę. Służą jako narzędzie do określania materiałów i kosztów. Wreszcie, pomagają uniknąć błędów w planowaniu spowodowanych kolizją pomiędzy poszczególnymi elementami lub podsekcjami. Wymiana danych odnosi się przede wszystkim do parametrycznego opisu dokładnej geometrii budynku. Elementy konstrukcyjne są opisywane za pomocą granicznych modeli powierzchniowych lub obszarów przeciągania elementów, tworzących bryłę.

Dla porównania, w modelach konstrukcyjnych nacisk kładziony jest na to, aby rzut konstrukcji wsporczej był prawidłowy z mechanicznego punktu widzenia. Geometria jest uproszczona i ograniczona do elementów konstrukcyjnych istotnych dla analizy statyczno-wytrzymałościowej. Szczegółowy opis geometrii jest wykorzystywany jedynie w razie konieczności, a wówczas czas przeprowadzania obliczeń nieuchronnie się wydłuża. Słupy i belki są wymiarowane jako pręty (elementy 1D), z kolei ściany i stropy są obliczane jako płyty (elementy 2D). Takie elementy prętowe i powierzchniowe mogą także zostać połączone, tworząc kolejny model konstrukcyjny 3D. Aby numerycznie obliczyć takie wyidealizowane modele, konieczne jest połączenie wszystkich elementów konstrukcyjnych i zweryfikowanie warunków przejścia. Jednakże, ze względu na ograniczenie liczby elementów z bryły do linii środkowych (w przypadku prętów) i środkowych płaszczyzn (w przypadku powierzchni), automatyczne przecięcie nie zawsze jest dostępne.

Inne istotne elementy modelu konstrukcyjnego obejmują, jak następuje:

  • Definicje podpór i przegubów
  • Mechaniczne właściwości materiałów i przekrojów
  • Obciążenia zewnętrzne (wiatr, śnieg, obciążenia wymuszone, etc.) oraz kombinacje obciążeń
  • Wpływy aktywności sejsmicznej lub inne działania przypadkowe
  • Specyfikacje techniczne
  • Liniowe i nieliniowe metody obliczeń i analizy

Zdefiniowanie modelu konstrukcyjnego na podstawie informacji o czystej geometrii modelu BIM nie jest możliwe bez udziału wykwalifikowanego inżyniera. Stworzenie identycznego modelu geometrycznego wymagałoby przedstawiania modelu w inżynierii budowlanej w postaci modelu bryłowego. Jednakże, nawet przy obecnie dostępnej wydajności obliczeniowej, nie do pomyślenia jest obliczanie budynku jako modelu bryłowego.

Scenariusze wymiany danych BIM na praktycznych przykładach

Istnieje rozróżnienie między wymianą danych pomiędzy aplikacjami w ramach jednej branży oraz kiedy jedna z aplikacji pochodzi z innej branży. Jeżeli dane mają być wymieniane między oprogramowaniem z branży architektonicznej lub budowlanej, uwzględniane są takie same obiekty, tak, aby w obu programach informacje i modele były podobne. Aplikacje dla różnych oprogramowań mogą bezpośrednio przetworzyć informacje i przełożyć ją na obiekty inteligentne, charakterystyczne dla oprogramowania. Proces ten jest znany także jako pozioma wymiana danych.

Jeżeli dane mają zostać przekazane do innej branży, np. z oprogramowania wykorzystywanego w architekturze do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej, wówczas dane są traktowane z innego punktu widzenia. Uwzględniane są tylko elementy wsporcze takie jak słupy, ściany, kratownice i płyty. Jednak nadal będzie brakować dodatkowych wymaganych informacji, takich jak lokalizacja konstrukcyjnych linii oddziaływań, sprężystość połączeń elementów lub dokładne mechaniczne szczegóły materiałów i przekrojów. Proces ten jest znany także jako pionowa wymiana danych. Jeżeli pracujecie Państwo w ramach jednej branży, z łatwością można uniknąć problemu z utratą danych lub błędów w interpretacji. W przypadku BIM w inżynierii budowlanej, pionowa wymiana danych jest często stosowana, ponieważ model konstrukcyjny jest zazwyczaj generowany z modelu architektonicznego, ponieważ to on jest zazwyczaj dostępny. Jednakże przeniesienie z jednego programu do analizy statyczno-wytrzymałościowej do drugiego wymaga weryfikacji obliczeń konstrukcyjnych.

Rysunek 02 - Pozioma i pionowa wymiana danych

Najważniejsze scenariusze można podsumować następująco:

  • Architektura -> analiza statyczno-wytrzymałościowa -> budowa
  • Analiza statyczno-wytrzymałościowa -> architektura dla synchronizacji danych zmian po obliczeniach konstrukcyjnych
  • Analiza statyczno-wytrzymałościowa -> sprawdzenie staystyk
  • Opcjonalny eksport całej konstrukcji lub konstrukcji podziemnej
  • Opcjonalna aktualizacja materiałów, grubości i przekrojów (dwukierunkowo), oraz przywrócenie wyników obliczeń

Rysunek 03 - Scenariusz BIM: Transfer modelu z oprogramowania BIM do programu do analizy statyczno-wytrzymałościowej, aktualizacja przekrojów oraz przeniesienie wyników obliczeń (siły wewnętrzne) do modelu BIM

Istnieją różne opcje formatów wymiany danych. Format IFC jest globalnym standardem podzielonym na konkretny widok na każdą branżę. Głównym widokiem jest Coordination View, w którym poszczególne produkty oprogramowania mogą otrzymać certyfikat Kiedy uwzględnia się format IFC bez definiowania poszczególnych widoków, Coordination View zazwyczaj używa się jako widok domyślny. Taką opcję wspiera większość programów architektonicznych. Dla porównania, w inżynierii budowlanej funkcjonuje Structural Analysis View, który zawiera opis modelu konstrukcyjnego, obciążeń i kombinacji obciążeń. Obecnie ten widok nie podlega certyfikacji i jest wspierany jedynie przez ograniczoną liczbę programów do analizy stayczno-wytrzymałościowej. Chociaż format IFC został określony jako standard, można go ogólnie interpretować na różne sposoby. Dlatego konieczne jest sprawdzenie formatu za pomocą odpowiednich danych oprogramowania, aby wymiana danych zakończyła się sukcesem.

Rysunek 04 - Koordynacja modeli IFC w RFEM, wizualizacja i wybiórcza konwersja do oryginalnego obiektu inteligentnego w RFEM

Oprócz formatu IFC, można korzystać z ustalonych formatów plików, takich jak DXF/DWG, interfejs produktu dla konstrukcji stalowych, lub inne aplikacje oparte na tekście. Bezpośrednie interfejsy także odgrywają istotną rolę. Nie posiadają one żadnych plików wymiany danych, ponieważ programy indywidualne komunikują się bezpośrednio między sobą poprzez programistyczny interfejs aplikacji (APIs).

Kluczowe czynniki w udanej wymianie danych

Podstawową kwestią jest wyjaśnienie, który scenariusz wymiany danych jest dostępny.Jeżeli znacie Państwo poszczególne produkty oprogramowania, możecie być zaznajomieni zw wspieranymi interfejsami. Mając tę wiedzę, konieczne jest przeprowadzenie docelowych testów wymiany przy użyciu modeli o mniejszym rozmiarze. Właściwości materiałów i przekrojów zazwyczaj wymagają poświęcenia dodatkowej uwagi. Każde oprogramowanie generalnie zapewnia indywidualne bazy danych dla inżynierii budowlanej, które zawierają wszystkie parametry regulowane normą. Te bazy danych są ze sobą skorelowane w "tabelach orientacyjnych", które są po prostu tabelami zawierającymi odnośne opisy. Tabele orientacyjne są częściowo zapewnione przez producenta oprogramowania. Zaleca się ujednolicenie oraz zintegrowanie tych tabel zgodnie z programami wykorzystywanymi w Państwa aplikacji.

Istnieje także oprogramowanie BIM, które już zawiera model analityczny (model konstrukcyjny) w modelu architektonicznym. Zaletą takiego oprogramowania jest to, że oba modele pokrywają się i mają do siebie odniesienie. Dlatego modele te można analizować w sposób efektywny i łatwy. Oprócz danych systemowych, dostępne są także specyfikacje obciążenia. Korzystając z takiego oprogramowania, należy dokładnie tworzyć modele. Niezbędna jest dobra koordynacja pomiędzy wszystkimi zaangażowanymi stronami. osoba odpowiedzialna za edytowanie modelu często nie pracuje w tym samym biurze inżynierskim. Powstaje wówczas pytanie, kto rozlicza koszty powstania modeli interdyscyplinarnych oraz kto jest odpowiedzialny za precyzję i dokładność modelu. To musi zostać uzgodnione wcześniej. Bez wątpienia jest to ogromna szansa dla BIM, który jest coraz bardziej rozpoznawalny wśród znanych firmy. Jeżeli można stworzyć cały łańcuch planowania, modele BIM można optymalnie utworzyć na wcześniejszym etapie i wykorzystać później do analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Ważnym aspektem wyboru dobrego oprogramowania jest wsparcie różnych formatów danych. Opis istniejącego formatu danych musi zostać przeniesiony do obiektów charakterystycznych dla tego oprogramowania. Uwzględnienie jedynie wizualizacji lub danych modelu odniesienia jest niewystarczające dla obliczeń konstrukcyjnych i może być przydatne tylko w sprawdzeniu wizualnym. Jeżeli oprogramowanie może importować kilka modeli i przenieść je do prawidłowych danych modelu obiektu, może to znacznie poprawić możliwości, a wówczas szanse na to, że wymiana danych przebiegnie efektywnie i z powodzeniem, wzrastają. Jest to kluczowy czynnik powodzenia w plikach IFC Coordination View wykorzystywanych w oprogramowaniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Bez względu na dodatkowy wysiłek, od samego początku należy uwzględnić zaprogramowanie prostych autorskich narzędzi do wymiany danych. Umożliwia to wydajny transfer dodatkowych informacji w formie parametrów. Na przykład można wyświetlać elementy modelu konstrukcyjnego w oprogramowaniu BIM, zgłaszać modyfikacje lub wprowadzać do oprogramowania cykl pracy konkretnej firmy. To oznacza, że programistyczne interfejsy aplikacji (APIs) wszystkich zaangażowanych produktów oprogramowania muszą być obsługiwane przez tradycyjne i łatwe języki programowania (VBA, C#, etc.).

Kluczowe czynniki mające udział w tym, aby wymiana danych przebiegła efektywnie i z powodzeniem, obejmują:

Wygenerowanie modelu BIM z uwzględnieniem obliczeń konstrukcyjnych

  • Zaangażowanie inżyniera budownictwa we wczesnym etapie oraz uzgodnienie terminu przekazania i zawartości dokumentacji
  • Ustalenie standardów odnośnie opisów materiałów i przekrojów (tabele orientacyjne)
  • Funkcjonalne i spójne modelowanie elementów konstrukcyjnych (słupy, belki jako pręty, ściany, płyty jako powierzchnie)
  • Modelowanie ścian, płyt i słupów w przekrojach i poziomach

Określenie zakresu i zawartości transferu danych

  • Kto tworzy wyidealizowany model konstrukcyjny i w jakim oprogramowaniu (BIM czy program do analizy statyczno-wytrzymałościowej)?
  • Czy przeniesione zostaną tylko wymiary geometryczne i konstrukcyjne linie oddziaływań, czy także inne właściwości konstrukcyjne, takie jak podpory lub przeguby?
  • Kto definiuje przypadki obciążeń, kombinacje obciążeń i obciążenia?
  • Kto jest upoważniony do wprowadzania pewnych zmian, takich jak dodawanie lub usuwanie elementów konstrukcyjnych lub definiowanie przekrojów i grubości elementów?
  • W jaki sposób i kiedy przeprowadzone zostanie potencjalne automatyczne dostosowanie modelu?

Definiowanie etapów prac

  • Kto pracuje w obszarze modelu i kiedy?
  • Jeżeli to możliwe, należy unikać edytowania tych samych elementów jednocześnie

Testowanie scenariuszy wymiany danych, korzystanie z formatów wymiany danych i interfejsów

  • Czy wspierany program BIM i program do analizy statyczno-wytrzymałościowej zapewniają te same interfejsy i w jakim zakresie?
  • Przeprowadzanie testów na modelach o małych rozmiarach, przy wykorzystaniu określonych obiektów będących przedmiotem wymiany

Obowiązujące zasady odnośnie udostępniania modeli BIM

  • Najlepiej w kilku formatach (IFC, autorski format pliku, DWG/DXF, SDNF, STEP, lub inne)
  • Rozszerzenie możliwości wymiany danych i umożliwienie weryfikacji i porównania modeli 

Podsumowanie

Inżynieria budowlana odgrywa istotna rolę w modelowaniu informacji o budynkach (BIM). Ze względu na wzrost zastosowania metod planowania opartych na BIM, nowe cyfrowe łańcuchy procesu zapewniają możliwość zwiększenia wydajności. Model BIM i model konstrukcyjny różnią się właściwościami. Efektywny proces planowania w inżynierii budowlanej wymaga zaangażowania inżyniera budownictwa we wczesnym etapie oraz respektowania aspektów inżynierii budowlanej i wymiany danych podczas tworzenia modelu BIM. Wykorzystane oprogramowanie powinno umożliwić transfer istniejących informacji na temat geometrii parametrycznej obiektów inteligentnych, charakterystycznych dla oprogramowania, za pomocą odnośnych interfejsów. Wreszcie, dobra strategia wymiany danych zgodna z oprogramowaniem umożliwia użytkownikowi bezproblemową integrację obliczeń konstrukcyjnych z procesem BIM.

Linki

Kontakt

Kontakt do Dlubal

Mają Państwo pytania albo potrzebują porady?
Zapraszamy do kontaktu z nami lub znalezienia różnych sugerowanych rozwiązań i pomocnych rozwiązań na naszej stronie FAQ.

+48 (32) 782 46 26

+48 730 358 225

info@dlubal.pl

Wideo: pracuj efektywniej z BIM