Cyfrowe trendy w projektowaniu konstrukcyjnym

Artykuł o tematyce technicznej

Artykuł został przetłumaczony przez Google Translator

Podgląd oryginalnego tekstu

Digitalizacja konstrukcji postępuje wraz ze wzrostem dynamiki. Inżynierowie budowlani, mniejsza grupa w branży budowlanej, nie zawsze są uważani za inżynierów, którzy natychmiast wskakują na wszystkie nowe pociągi. Często nie bez powodu. Nierzadko jest to przyczyną, dla której tematy takie jak zastosowanie metody BIM nie są tutaj standardem. Jednak ostatnie kilka lat pokazało, że zaczyna się nowa analiza, a nowe trendy w cyfrowej rzeczywistości są otwarcie uwzględniane.

digitalBau jako miejsce spotkań branży

W lutym 2020 r. Po raz pierwszy w Kolonii odbyły się nowe targi na temat „Digitalizacja w budownictwie”. Po wielu trudnych latach spędzonych na typowych targach oprogramowania dla branży budowlanej, jest to pierwsza udana zmiana pozycji targów w tej branży. Na uwagę zasługuje również fakt, że wydarzenie koncentrowało się wyłącznie na oprogramowaniu, a zatem, jak to często bywa, ten segment przemysłu nie zagubił się w tłumie innych producentów produktów budowlanych, od cegieł po rynny. Ciekawe będzie, czy udany start będzie kontynuowany w ciągu najbliższych dwóch lat ze względu na rosnącą liczbę wystawców i odwiedzających. Jest już jasne, że było to miejsce spotkań wszystkich znanych producentów oprogramowania w branży budowlanej, w szczególności w dziedzinie projektowania konstrukcji. Jeżeli uważnie śledzicie wydarzenia z ostatnich lat, możecie zauważyć pewne trendy, a digitalBau również było dobrą okazją do tego.

Modelowanie informacji o budynku ma coraz większe znaczenie

Od ponad 20 lat inżynierowie budowlani badają, w jaki sposób można wykorzystać możliwości cyfrowe do przedstawienia okresu użytkowania budynków. Ale dopiero teraz wydaje się, że zajmuje się tym więcej niż kilku pionierów. Co więcej, inżynierowie uznają ten temat za okazję do otwarcia nowych klientów, pracy bardziej efektywnej i przedstawienia swojego biura planowania jako innowacyjnego i postępowego. Nie należy zapominać o tym ostatnim, jeżeli chodzi o zatrudnianie trudnych do znalezienia inżynierów i zatrzymanie ich na dłużej.

Nowe wersje oprogramowania zawierają więcej narzędzi do lepszego radzenia sobie z danymi 3D i do komunikacji cyfrowej. Poprzedziło to kilka lat, gdy architekci docenili zalety cyfrowych bliźniąt. Czy możliwe jest szybkie i dokładne tworzenie atrakcyjnych wizualizacji oraz przeprowadzanie kosztorysów? Po utworzeniu modeli trójwymiarowych mają zostać wykorzystane do innych zadań, takich jak analiza statyczno-wytrzymałościowa.

Rysunek 01 - Modelowanie budynku w różnych aplikacjach BIM i IFC Viewer oraz model obliczeniowy w RFEM (odkształcenia, poniżej)

Dlaczego warto zacząć od początku, gdy można importować modele za pomocą certyfikowanego interfejsu Open BIM? Takie były do tej pory myśli. Jednak wiele mówi się, że cyfrowy model obliczeniowy zasadniczo różni się od modelu 3D stworzonego przez architekta, nawet jeżeli na pierwszy rzut oka wygląda tak samo. Pomimo że dane oparte są na wymiarach i danych modelu bliźniaczej, niekoniecznie zawierają informacje o podporach, przegubach, a także, na przykład, powiązane obciążenia i kombinacje obciążeń, istotne dla obliczeń. Ponadto w modelu analitycznym występują znaczne uproszczenia, bez których nie byłoby możliwe przeprowadzenie efektywnych obliczeń nawet dziś. Na przykład w modelu BIM wszystkie komponenty konstrukcyjne są opisywane jako bryły.

W modelu analizy statycznej elementy bryłowe są jednak rzadko obliczane. Zamiast tego słupy i belki są modelowane jako elementy skończone 1D, tzn. Z węzłem początkowym i końcowym oraz linią pomiędzy nimi. Sztywność elementu opisywana jest przez wartości przekroju oraz długość linii. W ten sposób geometria bryły 3D ulega degeneracji do prostych konstrukcji szkieletowych. To z kolei oznacza, że linie środkowe i powierzchnie słupów, belek, stropów lub ścian nie zawsze stykają się w węźle lub linii, dzięki czemu można łatwo przejść do wspomnianego modelu drutowego. Zamiast tego należy często przesunąć i zdefiniować położenie statycznej linii działania, aby uzyskać spójny model analizy umożliwiający tworzenie siatki.

Rysunek 02 - Różne warianty pochodnych modelu analitycznego dla stalowego połączenia śrubowego (czerwone linie i węzły) do obliczeń w programie ramowym

Ponieważ wymaga to wiedzy inżynierskiej, nie zawsze może ona być w pełni zautomatyzowana programowo i może być bardzo czasochłonna. We współczesnym oprogramowaniu BIM problem ten jest odwzorowany i uwzględniono oba modele - w tym model konstrukcyjny. Specjalne narzędzia wydłużają, skracają lub wyszukują punkty w pobliżu i definiują je jako węzły statyczne. Jeżeli modele te zostaną w kolejnym kroku przeniesione do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej, wymagany jest wspólny format wymiany. Nie zawsze musi to być format IFC niezależny od producenta. Istnieje wiele formatów oraz bezpośrednie połączenia między BIM i oprogramowaniem do analizy statyczno-wytrzymałościowej, w którym dane są zapisywane bezpośrednio z jednego programu do drugiego bez pośredniego pliku.

Nowe cyfrowe rozwiązania do symulacji obciążenia wiatrem

Po dostarczeniu modelu do programu do analizy statyczno-wytrzymałościowej należy go udoskonalić. Oprócz podpór, przegubów i innych parametrów mechanicznych dużym obciążeniem jest przyłożenie obciążenia. W tradycyjnym podejściu przyjmuje się obciążenia i wprowadza do modelu analitycznego jako obciążenia prętowe lub powierzchniowe. W przypadku regularnych kształtów budynków w normach dotyczących obciążeń znajdują się instrukcje dotyczące obciążeń. Przyłożenie obciążeń od ciężaru własnego, obciążeń użytkowych i obciążeń śniegiem zazwyczaj powoduje tylko kilka problemów. W przypadku obciążeń wiatrem sytuacja jest inna. Przepływy wiatru i turbulencje są regulowane tylko dla prostych brył. Nawet najbardziej powszechne elementy, takie jak lukarny, okapy, zadaszenia lub częściowo otwarte budynki, mogą szybko prowadzić do sytuacji, w których nie będzie wiadomo, czy i jak duże są obciążenia ssące lub ściskane. Jednak możliwość planowania cyfrowego może również podsycić chęć projektowania wyrafinowanych architektonicznie i ekstrawaganckich kształtów budynków. Nawet jeżeli można tu przyjąć założenia obciążenia, ich zastosowanie w modelu analizy statycznej jest często uciążliwe i pracochłonne. Podobnie jak w przypadku samej analizy konstrukcyjnej, możliwe jest zastosowanie metod opartych na MES w symulacji przepływów wiatru i są one stosowane na przykład w inżynierii mechanicznej do domyślnej analizy przepływów. Oczywistym jest, że można zastosować symulacje cyfrowe dla przepływu wiatru i określania ciśnienia wiatru w budynkach.

Z tego względu symulacja obciążeń wiatrem na stoisku firmy Dlubal, firmy zajmującej się konstrukcją konstrukcji, była głównym tematem targów digitalBau w Kolonii. Odpowiedni program o nazwie RWIND Simulation można interpretować jako cyfrowy tunel aerodynamiczny. To, co inaczej jest czasochłonne i kosztowne w modelach replik w jednym z nielicznych tuneli aerodynamicznych w Niemczech, można teraz przeanalizować znacznie szybciej. Modele cyfrowe, ponieważ są już dostępne w przypadku stosowania metody BIM, są importowane do oprogramowania i mogą być wyświetlane z dużą szczegółowością. Dodatkowo, w symulacji wiatru istotny jest wpływ topografii otoczenia i sąsiednich budynków. Mogą one być również dodatkowo zaimportowane i dostosowane do budynku. Odpowiednie normy określają podstawowe prędkości wiatru i turbulencje, które mają być stosowane na wykresach. Mogą one być zdefiniowane w oprogramowaniu jako pionowy profil wiatru, w zależności od norm. Na podstawie tych specyfikacji rozpoczyna się symulacja przepływu wiatru z różnych kierunków. W ten sposób uzyskujemy animowane wizualizacje przepływów i prędkości wiatru oraz wynikających z nich nacisków na powierzchnię konstrukcji, które mogą być następnie wykorzystane jako obciążenie statyczne.

Rysunek 03 - Symulacja obciążenia wiatrem CIMU - ILE DE SEGUIN, Paryż, w cyfrowym tunelu aerodynamicznym w RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

Cyfrowy tunel aerodynamiczny można wykorzystać jeszcze efektywniej w połączeniu z oprogramowaniem do analizy statyczno-wytrzymałościowej RFEM. Modele analityczne 3D można przenieść bezpośrednio do cyfrowego tunelu aerodynamicznego. Po zakończeniu symulacji obciążenia są automatycznie przenoszone jako przypadek obciążenia statycznego. Dzięki wykorzystaniu oprogramowania CFD, takiego jak RWIND Simulation, znaczna część analizy statyczno-wytrzymałościowej została przeniesiona na zupełnie inny poziom. Założenia dotyczące obciążeń oparte na CFD umożliwiają określenie bardziej realistycznych, być może również bardziej ekonomicznych i bezpiecznych oddziaływań dla konstrukcji wsporczych. Zastosowanie modeli 3D w analizie statyczno-wytrzymałościowej i symulacji wiatru pozwala również zaoszczędzić czas podczas wprowadzania obciążeń wiatrem. Z drugiej strony istnieje rozbieżność w tym, że podejścia oparte na obciążeniach, oparte na standardach obciążeń, nie odpowiadają obciążeniom wyznaczonym numerycznie z analizy CFD. Rodzi to wątpliwości, zwłaszcza gdy poziom obciążenia jest niższy. W takim przypadku konieczne jest przeprowadzenie obliczeń referencyjnych i sprawdzenie poprawności wyników numerycznych w stosunku do znanych wyników.

Jednakże można również argumentować, że rzeczywiste testy w tunelu aerodynamicznym odwzorowują rzeczywistość tylko w przybliżeniu ze względu na bardzo zmniejszone modele, błędy pomiaru i rozmieszczenie czujników. Ponadto trudno jest określić sprężystość budynków za pomocą rzeczywistego testu w tunelu aerodynamicznym. Ogromny potencjał mają tu rozwiązania numeryczne. Ponadto, normy obciążenia są metodami bardzo uproszczonymi, które są zazwyczaj uważane za bezpieczne narzędzie. Obie metody określania obciążenia - test w tunelu aerodynamicznym oraz metody uproszczone normy obciążenia - stanowią zatem jedynie przybliżenia stanu rzeczywistego. Dlatego też obciążenia wyznaczane za pomocą CFD i RWIND stanowią co najmniej dobrą alternatywę i pomagają zrozumieć rzeczywiste warunki. To dobry przykład tego, w jaki sposób branża budowlana może skorzystać z cyfryzacji, BIM oraz innowacyjnych i nowych produktów. Oprócz modelu architektury i analizy wymagany jest także cyfrowy model wiatru. Należy mieć nadzieję, że warunki prawne i metody kontroli analizy statyczno-wytrzymałościowej zostaną dostosowane do nowych możliwości i przyczynią się do rozwoju technicznego.

Rysunek 04 - Rozkład ciśnienia w budynku mieszkalnym z garażem w cyfrowym tunelu aerodynamicznym firmy RWIND Simulation

Usługi w chmurze

Innym często dyskutowanym tematem jest wykorzystanie usług chmurowych w inżynierii konstrukcyjnej. Nie chodzi tu jednak tylko o przechowywanie danych na serwerach, ale także o zapewnianie informacji w Internecie i ich automatyczne wykorzystanie. W odniesieniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej istnieje już wiele przykładów obliczeń, które można przeprowadzać w Internecie. Przykładem tego, w jaki sposób planowanie konstrukcyjne może skorzystać z usług chmurowych, jest narzędzie do geolokalizacji firmy Dlubal Software. Usługa ta umożliwia pomiar obciążenia wiatrem, śniegiem, trzęsieniem ziemi i tornadem w wielu krajach na całym świecie. W planach są również rozszerzenia dotyczące oddziaływań wywołanych tsunami, temperaturą, deszczem i oblodzeniem. Mapy obciążenia są oparte na cyfrowych mapach internetowych usług map, takich jak Google Maps lub OpenStreetMap. Dla każdego kraju dostępne są odpowiednie normy. Użytkownik ma bezpłatny dostęp do ograniczonej liczby żądań. Następnie można zalogować się, otwierając dostęp do wszystkich kart obciążeniowych. Za pośrednictwem interfejsu (usługi sieciowe) strony trzecie mogą również automatycznie wyszukiwać wartości obciążenia dla dowolnej lokalizacji. W ten sposób można zintegrować usługę z innymi aplikacjami.

Rysunek 05 - Usługa online Dlubal do definiowania obciążeń wiatrem na podstawie chmurowych usług mapowych

Ponadto w Internecie można korzystać z tabel profili . Do tej pory w regularnych odstępach czasu należało aktualizować dokumenty lub uzyskiwać tabele profili w postaci drukowanej. Dostępne są nie tylko przekroje standardowe, ale także kształty przekrojów, które można dowolnie wprowadzać za pomocą wymiarów. Dzięki temu serwis online może zaoferować znacznie więcej niż tylko niezmienną książkę w formie drukowanej.

Rysunek 06 - Usługa online Dlubal z obszernymi bibliotekami przekrojów oraz definiowaniem wartości przekrojów dla inżynierii konstrukcyjnej

Programy MES i obliczane z nimi projekty są czasem tak złożone, że w niektórych przypadkach niezbędny jest intensywny kontakt z producentem oprogramowania. Ponownie pojawia się tendencja do spontanicznego szkolenia online i spotkań wsparcia. Podobnie jak w życiu prywatnym, można uzyskać bezpośredni kontakt z personelem wsparcia technicznego i użytkownikami, przynajmniej w przypadku pierwszych prostych pytań. Dzisiaj wykracza to znacznie poza zwykłe wysyłanie e-maili, w których można się z nami kontaktować za pomocą funkcji komentowania w mediach społecznościowych, takich jak Facebook czy Instagram. Niektórzy producenci oferują również funkcje czatu na stronach internetowych, które za pomocą sztucznej inteligencji automatycznie wyszukują możliwe odpowiedzi na pytania. Osoby, które wcześniej rezerwowały szkolenie, które stały się kwestią kilku dni po przyjeździe, mogą teraz znaleźć funkcję „Self Training” na kanale Youtube w postaci nagranego webinarium lub wydarzenia dla klienta.

Rysunek 07 - Kanał Dlubal na Youtube ze szczegółowymi webinariami technicznymi do samodzielnej nauki na różne tematy

Strony te, na przykład Dlubal Software, zostały przekształcone w obszerny portal do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Oprócz tradycyjnego forum, istnieje wiele najczęściej zadawanych pytań (FAQ), które pomagają w rozwiązywaniu problemów poza godzinami pracy. Wiedzę techniczną zapewniają fachowa wiedza na wybrane tematy. Cała zawartość jest bezpłatna i można ją znaleźć w Internecie poprzez wyszukiwanie tekstowe oraz za pomocą słów kluczowych.

Rysunek 08 - Strona internetowa Dlubal z artykułami technicznymi i przykładami obliczeń

Słowa kluczowe

BIM Modelowanie informacji o budynku RWIND Obciążenie wiatrem Symulacja obciążenia wiatrem CFD Engineering Office

Linki

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
Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Program samodzielny

Samodzielny program do numerycznych symulacji przepływu wiatru wokół budynków i innych obiektów. Wygenerowane obciążenia wiatrem, działające na te obiekty, mogą następnie zostać zaimportowane do programów RFEM / RSTAB do analizy statyczno-wytrzymałościowej.

Cena pierwszej licencji
2 690,00 USD