BIM na engenharia estrutural: Processo de planeamento, possibilidades e oportunidades

Eliminação de componentes não estruturais

Uma das principais vantagens dos modelos 3D-BIM é que toda a informação está disponível centralmente numa base de dados. Se é assumido que o dimensionamento de um edifício é criado inicialmente pelo arquiteto, o foco não está principalmente no sistema estrutural. O foco do seu trabalho está principalmente no uso e dimensionamento do edifício, bem como na adesão a um quadro de custos em estreita colaboração com o proprietário do edifício. Com base neste facto, são dimensionadas as estruturas de apoio necessárias para o edifício. Este modelo estrutural representa a estrutura portante do edifício, por assim dizer, e é de particular interesse para o engenheiro de estruturas. As restantes partes não portantes do edifício são ou insignificantes para ele (por exemplo, dimensionamentos detalhados de portas e janelas, estrutura precisa do piso, instalação elétrica e canalização etc.) ou são, no máximo, importantes para suposições de carga. Por isso, apenas uma parte do modelo BIM tem de ser avaliada pelo engenheiro de estruturas, e este tem de separar os objetos estruturalmente relevantes dos irrelevantes. No entanto, a informação sobre se um componente estrutural disponível no modelo BIM contribui ou não para a análise do sistema estrutural não está necessariamente incluída em todos os modelos BIM e deve ser fornecida ao modelo pelo engenheiro de estruturas ou ele tem de eliminar os elementos que não são essenciais para si utilizando os filtros correspondentes. Já está disponível no mercado um software BIM que permite identificar componentes como estruturais no modelo de arquitetura. Desde que o arquiteto considere ser sua tarefa realizar esta marcação, é facilitada a transferência automática do modelo para o software de cálculo estrutural.

Modelo estrutural físico e modelo de análise idealizado

Quando os componentes estruturais portantes do modelo BIM global são eliminados, o modelo estrutural físico está disponível, o qual corresponde em posição e forma ao modelo real (sólido) posterior. No entanto, devido às capacidades computacionais limitadas e à necessária simplificação para os cálculos, nem todos os componentes estruturais são geralmente calculados como modelos sólidos, sendo reduzidos a elementos de barra e superfície, cujos resultados (por exemplo, forças internas para barra e superfície) as normas em vigor também se referem. A utilização de modelos sólidos é geralmente limitada a componentes estruturais muito espessos ou para a análise de sub-áreas especiais (tais como ligações de aço), que incluem detalhes como parafusos, soldaduras ou condições de contacto. A redução para barras e superfícies levanta a questão da posição dos eixos do centro de gravidade destes componentes estruturais e como estão ligados entre si. Devido às diferentes alturas dos componentes, cortes e ligações, não podem ser ligados modelos de linhas centrais consistentes num ponto, que tem de ser ajustados posteriormente para servir de modelo de cálculo analítico. Isto resulta em mais questões para o engenheiro de estruturas.

• Onde devem estar localizadas as linhas do sistema?
• Como é que lidam com possíveis excentricidades de barras e superfícies?
• As linhas do sistema têm de ser encurtadas ou alongadas e qual é a sua influência no carregamento (peso próprio, cargas de linha, cargas de superfície etc.)?
• A modelação através de nós analíticos simples é suficiente ou é possível que seja necessário criar modelos alargados adaptados em termos de engenharia (por exemplo, o pilar só está ligado ao teto num nó: Problema das singularidades)?
• As ligações das barras e das superfícies são articuladas, semi-rígidas ou rígidas?
• Quais locais devem ser considerados como apoios e com que condições de apoio?
• As barras ou as superfícies podem ser subdivididas para obter um modelo de análise razoável?

Ao tomar decisões para todas estas questões, o software geralmente oferece pouco apoio e essas decisões têm de ser tomadas finalmente pelo engenheiro de estruturas. Contudo, uma nova tendência nos softwares de arquitetura e construção é o facto de os sistemas estruturais já estarem incluídos nos programas e também serem criados parcialmente automaticamente. A vantagem é que, uma vez definidos corretamente, os sistemas estruturais básicos, incluindo idealmente o carregamento, podem depois ser transferidos para um programa de cálculo estrutural sem grandes retrabalhos.

O pré-requisito, no entanto, é que este software BIM seja utilizado por utilizadores com conhecimentos adequados de cálculo estrutural e da aplicação de programas de cálculo. Visto de um ponto de vista tradicional em relação às responsabilidades habituais dos gabinetes de arquitetura e dos gabinetes de análises estruturais na Alemanha, este facto é frequentemente a razão pela qual a troca de dados e, consequentemente, o fluxo de trabalho BIM, ficam paralisados. Afinal, o arquiteto não é pago para criar o modelo de cálculo estrutural.

Aspectos especiais de modelação

Ao criar modelos de elementos finitos, podem ser necessárias estruturas auxiliares especiais e soluções alternativas nas transições das superfícies para os elementos de barra ou, por exemplo, em vigas de piso. Estas construções auxiliares requerem o retrabalho manual de estruturas importadas. Isto leva inevitavelmente a que o modelo BIM inicial e o modelo de análise idealizado se afastem ainda mais, e a atribuição de componentes estruturais relacionados nos programas de utilizador de diferentes disciplinas é consideravelmente mais difícil.

Este problema é particularmente refletido na comparação das alterações nos dois modelos. Frequentemente, são utilizadas barras de acoplamento rígidas para acoplar componentes ligados de forma permanente na representação do modelo estrutural. No entanto, dependendo da implementação no software de cálculo estrutural, esses tipos especiais de barras podem levar a problemas numéricos se forem muito curtos e rígidos. Por isso, é necessária uma atenção especial ao criar automaticamente esses elementos de acoplamento a partir do software BIM. Um grande problema e, por vezes, não é facilmente reconhecível podem ser componentes estruturais que estão supostamente ligados num modelo de análise. Devido a imprecisões de modelação do software BIM ou a restrições de precisão numérica, também é possível que sejam criados nós de elementos finitos muito próximos uns dos outros. Estes nós ou provocam dificuldades na geração da malha ou fingem ser componentes estruturais ligados que não estão ligados no modelo de cálculo. Isto resulta em resultados de cálculo incorretos. Por isso, deve ser dada especial atenção à verificação do modelo importado.

Suposições de carga e combinações de cargas

Em algumas aplicações BIM, também é possível especificar cargas e combinações de cargas. A determinação de, por exemplo, perfis de carga de vento, cargas de neve ou cargas de pressão do solo tornou-se consideravelmente mais complexa devido aos Eurocódigos introduzidos nos últimos anos. O mesmo se aplica às regras para criar combinações de carga de acordo com diferentes situações de dimensionamento. Naturalmente, os programas de cálculo estrutural são mais adequados para essas tarefas; são mais versáteis e oferecem ferramentas de geração abrangentes. Por isso, é óbvio que a entrada de carga e as combinações são realizadas na aplicação de cálculo estrutural. Se as cargas e combinações resultantes são transferidas de volta para o modelo BIM, os parâmetros baseados na geração automática geralmente são perdidos e, assim, a inteligência dos objetos de carga está faltando no caso de novas alterações.

Considerações para o cálculo de sistemas estruturais

Se um modelo de análise adequado for derivado do modelo BIM, ele poderá ser calculado no software de cálculo estrutural. É necessário decidir qual a teoria de cálculo e os modelos de material que serão utilizados. Após o cálculo, pode ser necessário ajustar o modelo, criar variantes da modelação ou adicionar ou remover novos elementos. As libertações e os apoios têm de ser verificados. Para o dimensionamento do sistema estrutural, tem de ser introduzidos outros parâmetros e suposições. As secções e as dimensões podem ser alteradas. O conceito BIM clássico exigiria que essas especificações e suposições também fossem armazenadas no modelo BIM central. No entanto, isso não é completamente viável atualmente; não é suportado com as interfaces usuais ou só é possível se a inteligência dos objetos se perder.

A consideração das fases de construção desempenha por vezes um papel muito importante para os modelos espaciais e determina a utilidade dos resultados do cálculo. Por isso, é absolutamente necessário assegurar antes do cálculo se um cálculo no modelo completo requer a consideração das fases de construção ou se os modelos parciais devem ser calculados em secções. Neste contexto, deve ser mencionado que BIM não significa automaticamente que todo o modelo de edifício é sempre calculado espacialmente. Uma boa estratégia é destacar sucessivamente as unidades estruturais individuais de um modelo BIM global e calculá-las separadamente.

Alteração no modelo BIM devido a análise estrutural

Após a conclusão do cálculo, podem ocorrer alterações de material e secção, ou componentes como contraventamentos ou vigas de piso podem ser movidos, removidos ou adicionados. Essas alterações têm de estar refletidas no modelo BIM e atualizadas. Mas o que acontece se também houver alterações no modelo BIM original que necessitam de ser sincronizadas? Como é que se decide qual é o último estado de revisão? Este processo deve estar sujeito a determinadas regras e as alterações existentes devem ser aprovadas pelos colaboradores responsáveis. Entretanto, tem de ser garantido que as alterações no modelo BIM são retomadas após a importação para o software de cálculo estrutural. As alterações podem ocorrer ao mesmo tempo no mesmo componente estrutural no BIM e no modelo de análise. Tais situações podem ser aliviadas bloqueando partes específicas no modelo ou por acordo das partes envolvidas. A transferência automática de alterações de perfil, espessuras de superfícies ou a adição e remoção de novos componentes no respetivo outro modelo geralmente é possível e é suportada, por exemplo, pelo software da Dlubal. Note-se que as atualizações resultantes da análise estrutural não substituem outras informações no modelo BIM que não sejam relevantes para a análise estrutural.

Interface IFC e acoplamento direto de software

Para um planeamento consistente, são necessárias interfaces funcionais. Se tiver livre acesso aos dados dos programas de troca através de interfaces programáveis, eles poderão ser acoplados diretamente sem troca de ficheiros. Ambos os programas tem de estar instalados no mesmo computador. A implementação de tais interfaces pode ser dimensionada de forma muito flexível e não está ligada à sintaxe e aos modelos de dados dos formatos de interface comuns, uma vez que são necessários para a troca de ficheiros. Na troca de dados através de formatos de ficheiro neutros e independentes do fabricante, o formato IFC desempenha um importante papel.

No entanto, se um software é certificado pela IFC, isso não significa necessariamente que a transferência para o software de cálculo estrutural também é possível. De momento, só está disponível uma certificação para a "Vista de coordenação". Descreve principalmente a geometria da estrutura com base em modelos sólidos; ou seja, o modelo estrutural físico mencionado acima. Para o modelo estrutural, é fornecida a "Vista de análise estrutural", a qual também permite a transferência de apoios, libertações e cargas. Para uma troca de dados baseada em IFC com base num programa de dimensionamento de arquitectura, é necessário verificar qual vista pode ser exportada.

Resumo e conclusão

Os modelos BIM 3D ajudam o engenheiro de estruturas a compreender sistemas estruturais complexos e a criar modelos de análise mais rapidamente com a transferência de dados. Geralmente, o modelo BIM e o modelo de análise são diferentes e geometricamente não são idênticos. Os modelos de análise gerados automaticamente têm de ser verificados cuidadosamente e o cálculo para o modelo completo pode exigir a consideração de fases de construção. A análise estrutural pode requerer uma modelação especial em pontos específicos e geralmente necessita de informação adicional que não pode, ou só pode ser parcialmente armazenada no modelo BIM. Devido às possíveis modificações durante a fase de planeamento, é necessário definir regras sobre quem pode fazer alterações no modelo, em que momento e exatamente onde. Os softwares BIM e BIM requerem por arquitetos e engenheiros de estruturas um conhecimento mais amplo e abrangente de todas as fases de planeamento, além da vontade de repensar a tradicional divisão do trabalho e de compreender a tarefa de planeamento como um trabalho de equipa. Se um esforço adicional inicial e administrável é aceite, tendo também em consideração as etapas de planeamento subsequentes, as economias podem ser consideráveis e os resultados do planeamento podem ser melhores. Os gabinetes de planeamento que se dedicaram ao processo BIM nos últimos anos podem confirmar isso. Devido a este facto, mas também ao facto de as entidades adjudicantes especificarem o BIM como método de planeamento, o BIM continuará a ser difundido nos próximos anos. A engenharia estrutural é parte integrante e essencial da Modelação da Informação da Construção; por isso, será cada vez mais importante um software de cálculo estrutural compatível com BIM e o manuseamento de modelos completos.

A Dlubal Software foca-se no processo de planeamento baseado em BIM; oferece uma variedade de formatos de interface e ligações diretas a produtos de software BIM comuns. Com a sua interface aberta e programável, o software pode ser integrado facilmente nos processos de planeamento específicos da empresa. Desta forma, é possível automatizar as tarefas de modelação e processar os resultados dos cálculos.