Koncepcja konstrukcyjna i stateczność
Na początku procesu projektowania należy określić sposób pracy konstrukcji. Wymaga to rozstrzygnięcia takich kwestii, jak maksymalne rozstawy słupów i belek, rozmieszczenie stężeń dachowych i ściennych oraz sposób wykonania fundamentów. Na tej podstawie projektuje się układ nośny budynku.
Już w przypadku pozornie prostych budynków mogą pojawić się zagadnienia dotyczące ewentualnej rezygnacji z elementów usztywniających lub ich optymalnego rozmieszczenia. Praca na rzutach, elewacjach i przekrojach nie ułatwia zrozumienia schematu przekazywania obciążeń ani przebiegu dróg ich przepływu. Ostatecznie jednak model 3D pozwala lepiej wyobrazić sobie, gdzie działają siły i w jaki sposób są one przekazywane do fundamentów. Zrozumienie pracy konstrukcji stanowi zatem podstawę ekonomicznego projektowania całej konstrukcji. Rozpoznanie niedostatków stateczności ma ponadto istotne znaczenie dla bezpieczeństwa.
W uproszczonym, płaskim modelu 2D problemy stateczności, takie jak wyboczenie z płaszczyzny czy zwykłe przewrócenie, są z definicji wykluczone. Tego typu zjawiska w ogóle nie występują w obliczeniach i dlatego mogą zostać przeoczone. Jednak w przypadku obliczeń trójwymiarowych projektant konstrukcji jest zmuszony uwzględniać przestrzenne mechanizmy zniszczenia. Błędy w koncepcji konstrukcji nośnej ujawniają się więc w większości przypadków nieuchronnie w trakcie obliczeń.
W modelu 3D można zatem również lepiej ocenić globalną utratę stateczności całego modelu.
Modelowanie informacji o obiekcie budowlanym dostarcza modele 3D
Zastosowanie nowoczesnych metod projektowania, takich jak modelowanie informacji o obiekcie budowlanym (BIM), opiera się na modelach trójwymiarowych. Stanowią one również podstawę projektowania konstrukcji i mogą już na etapie wstępnym dostarczać odpowiednio uproszczone modele wejściowe do obliczeń. W idealnym przypadku model 3D do obliczeń statycznych jest więc od razu dostępny, co pozwala zaoszczędzić czas.
W wielu przypadkach wstępnego wymiarowania lub uproszczonej oceny statycznej, mającej na celu wybór odpowiedniego układu nośnego, jest to bardzo szybkie i pomocne rozwiązanie. Kolejnym trendem jest w pełni parametryczne projektowanie, w którym model obliczeniowy konstrukcji jest całkowicie zintegrowany z oprogramowaniem architektonicznym. Dzięki celowej zmianie parametrów można analizować wiele wariantów projektu i automatycznie wykonywać dla nich obliczenia.
Modele 2D nie są wystarczające dla wszystkich konstrukcji i typów budynków
Jeżeli budynku nie można w prosty sposób podzielić na podukłady konstrukcyjne o jednoznacznym schemacie przekazywania obciążeń, często jedynym rozwiązaniem jest zastosowanie modelu 3D. Nie każdy budynek ma regularny układ konstrukcyjny. Utrudnia to analizę przekazywania obciążeń i ogranicza możliwość jej wiarygodnej weryfikacji. W związku z występującą niepewnością przyjmuje się maksymalne wartości obciążeń, aby zachować bezpieczny zapas. Prowadzi to jednak do nieekonomicznych rozwiązań konstrukcyjnych.
Symulacja oddziaływań na modelu całej konstrukcji jest często bardziej przejrzysta i prostsza
Programy do obliczeń trójwymiarowych mogą automatycznie generować obciążenia od oddziaływań, takich jak ciężar własny, wiatr czy śnieg, dla standardowych kształtów budynków. Warunkiem jest znajomość wymiarów budynku. W przypadku wykorzystania modeli całej konstrukcji wymiary te można łatwo odczytać z modelu. Obciążenia od wiatru i śniegu mogą być następnie automatycznie przypisane do modelu konstrukcji. W razie zmiany geometrii odpowiednio zmieniają się również wartości obciążeń. Dopiero modele 3D umożliwiają przeprowadzanie symulacji w cyfrowym tunelu aerodynamicznym.
Modele 2D są często niewystarczające do analiz dynamicznych
Podczas obliczeń sejsmicznych oraz innych analiz dynamicznych występują przestrzenne postacie drgań własnych, które należy uwzględnić.
Ponadto należy odpowiednio superponować oddziaływania sejsmiczne w kierunkach x i y. Istotne znaczenie mają również przypadkowe oddziaływania skręcające. Z tego względu zastosowania modeli 3D można uniknąć jedynie w najprostszych przypadkach.
Elastyczność przy wprowadzaniu zmian
Proces projektowania wiąże się z ciągłym wprowadzaniem zmian. Dla sprawnego przebiegu realizacji inwestycji istotne jest, aby na każdym etapie było wiadomo, które rozwiązania są możliwe do zrealizowania z punktu widzenia statyki oraz jakie modyfikacje należy wprowadzić. W przypadku tradycyjnych obliczeń statycznych wykonywanych dla poszczególnych elementów może to oznaczać konieczność ponownego przeanalizowania wszystkich przyjętych założeń dotyczących obciążeń.
W przypadku kompletnego trójwymiarowego modelu obliczeniowego zmieniające się siły są automatycznie uwzględniane w całym układzie i przekazywane pomiędzy jego elementami. Po ponownym wykonaniu obliczeń wszystkie sprawdzenia są aktualizowane zgodnie z bieżącym stanem modelu. Dzięki temu początkowo większy nakład pracy związany z przygotowaniem modelu zostaje zazwyczaj zrekompensowany.
Problematyczne warunki podparcia przy tworzeniu modeli częściowych
Przy wydzielaniu modeli częściowych z modelu globalnego konieczne jest zdefiniowanie podpór w miejscach ich połączeń. Ponieważ sztywności w tych punktach są zwykle nieznane lub trudne do określenia, przyjmuje się uproszczone założenia w postaci podpór przegubowych lub sztywnych. Założenia te mają ograniczoną dokładność i prowadzą nieuchronnie do wyników różniących się od modeli, które uwzględniają sztywności połączeń wynikające z modelu globalnego.
Szczegółowe obliczenia statyczne sensowne wyłącznie jako modele 3D
Zastosowanie trójwymiarowych modeli powłokowych, np. przy wymiarowaniu połączeń konstrukcji stalowych, jest obecnie powszechnie stosowane w praktyce inżynierskiej. Bez rozwiązań 3D tego typu analizy nie byłyby możliwe. W tych przypadkach stosowanie modeli 3D nie jest w ogóle kwestionowane, a wręcz jest wymagane. W związku z tym trudno zrozumieć, dlaczego analogiczne obliczenia 3D nie miałyby być stosowane również w analizie całych obiektów budowlanych.
Dodatkowe zalety świata 3D
Trójwymiarowy model obliczeniowy w wielu przypadkach pozwala na znacznie bardziej przejrzystą prezentację wyników niż zestaw mniejszych modeli częściowych. Zachowanie konstrukcji można lepiej interpretować dzięki wizualizacji odkształceń, naprężeń oraz sił wewnętrznych.
Modele te wywołują również profesjonalne wrażenie wśród uczestników procesu budowlanego, przyczyniając się tym samym do budowania renomy projektanta konstrukcji. Mogą być bezpośrednio wykorzystywane do wstępnych obliczeń ilościowych oraz szacunków kosztowych. Dzięki ich elastyczności możliwa jest optymalizacja geometrii, funkcji oraz masy konstrukcji.
Podsumowanie
Istnieje wiele powodów przemawiających za stosowaniem modeli 3D również w obliczeniach statycznych. Modele 2D i 3D nie konkurują jednak ze sobą, lecz się uzupełniają. Oczywiście istnieją również proste przypadki, w których model 3D nie przynosi żadnych korzyści, a mimo to pozwala uzyskać poprawne wyniki. W obu przypadkach ostatecznie to inżynier decyduje, jaka forma modelowania zostanie wybrana.
