Interfejsy i funkcje w planowaniu BIM

Artykuł o tematyce technicznej

Niniejszy artykuł omawia najczęściej wykorzystywane interfejsy BIM. W trakcie przenoszenia danych modelu konstrukcyjnego, zależnie od branży, zazwyczaj konieczne jest dostosowanie odpowiednich parametrów. Poniżej przedstawiono najczęściej pojawiające się problemy oraz narzędzia do ich pomyślnego rozwiązania.

Interfejsy BIM

W celu wykorzystania utworzonych modeli BIM również w obliczeniach konstrukcyjnych, wymagane są zdefiniowane intefejsy, za pomocą których komponenty konstrukcyjne mogą zostać przeniesione do odpowiedniego oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej, w celu przeprowadzenia analizy obliczeniowej. Standardowe interfejsy zazwyczaj umożliwiają przeniesienie obiektów konstrukcyjnych (prętów, płyt, ścian, brył). Ponadto, interfejsy przystosowane konkretnie do analizy statyczno-wytrzymałościowej zawierają obiekty konstrukcyjne takie jak warunki podparcia, zwolnienia, obciążenia, przypadki i kombinacje obciążeń. Takie obiekty konstrukcyjne nie są widocznymi i materialnymi danymi, wynikającymi z czystej geometrii konstrukcji, ale zależą od ich wykorzystania i zastosowanych norm.

Od decyzji inżyniera zależy także, czy np. podpora lub zwolnienie ma być sztywne, półsztywne czy całkowicie przegubowe. Jeżeli, oprócz fizycznego modelu BIM, który wyraźnie opisuje geometrię (widoczną), dostępny jest również mechaniczny model konstrukcyjny (wyidealizowany model do obliczeń), jest to doskonała sytuacja do rozpoczęcia bezpośredniej analizy statyczno-wytrzymałościowej. Wówczas zamiast fizycznego modelu BIM, wykorzystany zostaje od razu mechaniczny model konstrukcyjny. Interfejsy, które zawierają także obiekty konstrukcyjne to:

  • IFC Structural Analysis View
  • Format SDNF
  • Interfejs dla konstrukcji stalowych
  • CIS/2

Rozwój tych interfejsów miał miejsce w późnych latach 90., na poziomie krajowym. Jednakże szybko stało się jasne, że konieczna jest międzynarodowa standaryzacja i dlatego uzgodniono, że dalszy rozwój będzie oparty wyłącznie na Industry Foundation Classes (IFC). Dlatego, należy się spodziewać, że nowe rozwiązania będą miały formę plików IFC Structural Analysis View. Niemniej jednak, interfejsy wspomniane powyżej są nadal bardzo powszechnie stosowane i w wielu firmach stanowią istotną część planowania BIM.

Oprócz interfejsów opartych na wymianie plików tekstowych, BIM i oprogramowanie do analizy statyczno-wytrzymałościowej są także połączone interfejsami bezpośrednimi, w których dane są przenoszone za pomocą interfejsu programowania aplikacji APIs (Application Programming Interfaces). Interfejsy takie nie zależą od specyfikacji interfejsu (takich jak IFC lub SDNF) i tylko zaangażowane firmy decydują, jakie są możliwości i ograniczenia transferu. Firma Dlubal Software opracowała interfejsy dla poniższych programów, w oparciu o APIs:

  • Tekla Structures
  • Autodesk Revit i AutoCAD
  • Bentley ISM
  • AVEVA Bocad

Rysunek 01 - Projekt w Revit - Obliczenia w Dlubal RFEM - Konstrukcja w Tekla Structures

Oprócz poprzednio wspomnianych interfejsów, format DXF również odgrywa ważną rolę, ale brakuje w nim orientacji obiektowej. Jeżeli nie jest dostępny mechaniczny model konstrukcyjny, przenieść można tylko fizyczne modele BIM. W takim wypadku, najważniejszym interfejsem jest IFC-Coordination View 2.0, oparty na IFC 2x3. Od połowy 2017 roku, buildingSMART oferuje możliwość certyfikowania kolejnej generacji standardu - IFC 4 Reference View - i należy spodziewać się wdrażania standardu przez kolejne firmy sofware’owe. Jeżeli przenoszone są modele w formacie Coordination View lub Reference View, konieczne jest utworzenie mechanicznego modelu konstrukcyjnego w oprogramowaniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Program musi być wyposażony w różne narzędzia, a niektóre z nich zaprezentowano poniżej.

Cechy charakterystyczne dla BIM w oprogramowaniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej

Kompatybilność IFC
Modele w plikach IFC Coordination View służą do utworzenia mechanicznego modelu konstrukcyjnego. Obiekty IFC muszą zostać przeniesione do obiektów rodzimych odpowiedniego oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej (belka, powierzchnia lub elementy bryłowe), tak, aby możliwe było przeprowadzenie obliczeń. Czyste odniesienie (wizualizacja) nie jest wystarczające.

Rysunek 02 - Konwersja w RFEM obiektu IFC na obiekt konstrukcyjny

Mapowanie materiałów i przekrojów
W analizie statyczno-wytrzymałościowej wymagane są wartości charakterystyczne dla materiałów i przekrojów (moduł sprężystości, współczynniki bezpieczeństwa, momenty bezwładności...) w zależności od norm projektowych. W oprogramowaniu BIM, które skupia się na architekturze i pomiarach, te parametry nie są potrzebne i/lub przykłada się do nich mniejszą wagę. Programy do obliczeń posiadają swoje własne, bardzo zaawansowane bazy danych, przystosowane do wymagań projektu. Za pomocą tabel mapujących należy przekształcić dane importu materiałów i przekrojów w dane oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Przekształcenie takie musi być elastyczne na tyle, aby możliwe było swobodne określenie wymiarów podstawowych kształtów przekrojów (przekrój prostokątny, teownik, ceownik itd.) poprzez mapowanie parametrów.

Wyrównanie i połączenie
Ponadto, konieczne jest zapewnienie prawidłowego połączenia elementów, definiowania zwolnień i warunków podparcia. Konieczne może być przemieszczenie i wyrównanie zaimportowanych obiektów.

Rysunek 03 - Wydłużenie swobodnych końców pręta i połączenie z węzłem

W tym celu konieczne jest, aby wiele węzłów i tym samym połączonych z nimi obiektów mogło być przesuniętych na jakimkolwiek poziomie referencyjnym w kilku krokach. Nie mogą pojawić się węzły zdublowane lub quasi-identyczne, które zazwyczaj powodują problemy z siatką elementów skończonych.

Rysunek 04 - Pionowa orientacja ściany przy poziomie stropu

Kontrola spójności
Z pomocą programu problem można szybko zidentyfikować i wyeliminować. Dlatego ważna jest kontrola spójności węzłów podwójnych lub położonych blisko siebie, nakładających się linii, linii krótkich lub wolnych, niewykorzystanych węzłów.

Usuwanie i łączenie węzłów
Nie można pominąć istotnych funkcji, takich jak łączenie wielu węzłów z automatycznym dostosowaniem zależnych obiektów. Jest to przydatne zwłaszcza, kiedy możliwa jest praca w grafice i można korzystać z funkcji „uchwyć i upuść”.

Rysunek 05 - Identyfikacja/usuwanie prawie identycznych węzłów

Komponenty fizyczne i ich znaczenie
Jeśli konieczne jest przecinanie się linii lub prętów, fizyczne komponenty takie jak belki lub słupy zostają podzielone na wiele elementów skończonych. Podczas tego procesu, może zdarzyć się, że ważne długości referencyjne, takie jak faktyczna długość słupa, która odgrywa istotną rolę w obliczeniach lub aktualizacji oryginalnego pliku BIM, zostaną utracone. Oprogramowanie do analizy statyczno-wytrzymałościowej powinno proponować opcję zachowania oryginalnej długości.

Rysunek 06 - Zbiory prętów w RFEM łączą pojedyncze pręty i odpowiadają fizycznym komponentom w modelu BIM

Identyfikacja zmian
Podczas kilkukrotnego importu/eksportu danych w odpowiedzi na zmiany, oprogramowanie powinno oferować możliwość wyświetlania poszczególnych korekt lub przynajmniej możliwość filtrowania zmian wprowadzonych do bieżącego stanu.

Rysunek 07 - Oznaczanie i wizualizacja zmian w oprogramowaniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej RFEM za pomocą Widoków

Modelowanie przesunięcia, narzędzia umożliwiające dopasowanie do potrzeb klienta
W przypadku prostych modeli referencyjnych (modele częściowe), wybór i tworzenie modeli okazało się efektywne. Bardzo pomocna jest możliwość obliczenia linii środkowych ścian, z użyciem globalnego przesunięcia połowy grubości ściany. Nie można pominąć narzędzi służących do wydłużania lub skracania linii względem innych linii (skracanie/wydłużanie).

Rysunek 08 - Warstwa tła DXF: Linia środkowa ściany jest tworzona przez podniesienie zewnętrznej krawędzi z przesunięciem

Unikalne identyfikatory
W przypadku dwustronnej wymiany plików i tym samym, koniecznych aktualizacji, wymagane są unikatowe numery ID. Oprogramowanie musi być w stanie zachować identyfikatory. Może zaistnieć konieczność importu identyfikatorów innych programów lub aktualizacji ich bazy danych z uwzględnieniem identyfikatorów.

Kopiuj i wklej
Na zaawansowanych etapach praca z BIM i pochodnymi modelami wymaga poświęcenia dużej ilości czasu. Należy zapewnić, aby odpowiednie aplikacje nie nadpisywały istniejących danych modeli charakterystycznych dla innych branż. Dlatego pomocne może być importowanie zmian, takich jak nowe pręty lub powierzchnie, korzystając po prostu z funkcji „kopiuj i  wklej”. Umożliwia to użytkownikowi konkretnie wybrać zmiany, które mają zostać uwzględnione.

Wyniki konstrukcyjne w modelu BIM
Ulepszona komunikacja oparta na danych jest główną przewagą planowania BIM. Wynika to z faktu, że oprogramowanie do analizy statyczno-wytrzymałościowej zapewnia, między innymi, siły wewnętrzne, zmiany w przekrojach lub zbrojeniu. Informacja taka musi być dostępna cyfrowo, tak, aby pozostałe specjalistyczne aplikacje mogły wykonywać zadania z nimi związane. W najprostszym przypadku można na przykład eksportować wykresy wyników na DXF, z którymi projektant BIM modeluje rysunki zbrojenia lub połączenia.

Rysunek 09 - Eksport zbrojenia z RFEM i wizualizacja w Revit

W przypadku, gdy oprogramowanie BIM oferuje otwarte bazy danych, komunikacja zostaje przeniesiona na wyższy poziom i kolejne aplikacje mogą uzyskać do nich dostęp automatycznie dzięki aplikacji API.

Linki

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