Building Information Modeling e software de análise estrutural: cenários e fatores de sucesso para a troca de dados

Artigo técnico

O Building Information Modeling descreve um dos mais importantes temas de hoje em dia no ramo dos softwares para construção. Este processo não é novo e é do conhecimento geral, que um planeamento fiável nas fases iniciais de um projeto tem um efeito positivo no custos totais. Há já mais de 20 anos que, por exemplo, na construção em aço são criados modelos 3D para poder gerar a partir daí automaticamente documentos 2D ou os dados NC poderem ser enviados para produção automática.

Igualmente fazem parte do estado de arte atual os cálculos estáticos em modelos 3D. Para os softwares de construção, os modelos digitais desencadeiam sobretudo temas relacionados com troca de dados e como estes modelos podem ser utilizados de forma eficaz para diferentes softwares de engenharia. Os modelos puramente geométricos e físicos não são os únicos relevantes, existem ainda vários outros modelos com componentes estruturais adicionais a serem considerados. Um modelo desse tipo é um modelo estático ou analítico, que incluem propriedades mecânicas de materiais, condições de fronteira ou cargas, ou seja, coisas, que não podem ser retiradas imediatamente de um modelo arquitetónico puramente físico. 

A partir destas diferenças resultam dificuldades na troca de dados entre modelos BIM no planeamento estrutural. As expetativas na análise estrutural que recaem sobre o BIM são elevadas. Da mesma maneira, isto é um enorme desafio para os programadores de software. Neste artigo são enumerados os problemas fundamentais na troca de dados e, de seguida, são apresentadas soluções já testadas na prática.

Planeamento estrutural no processo BIM

O Building Information Modeling baseia-se numa apreciação integral de todo o ciclo de vida da estrutura, começando com a primeira ideia e o esboço (arquiteto, dono de obra) passando pelo planeamento de execução (engenheiros) até ao início de operação do edifício e a sua demolição. Entre outros, o objetivo é otimizar os custos ao longo do ciclo de vida da estrutura. O dimensionamento estrutural em si, é só uma parte pequena do BIM, cuja influência nos custos totais ao longo do ciclo de vida é secundária. Por isso, a maior "revolução" do BIM está a acontecer mais na área de influência dos arquitetos.

Mesmo assim, o cálculo estrutural tem um papel significante num período de tempo relativamente curto do planeamento final. O dimensionamento determina a exequibilidade de um conceito estrutural em particular e é um ponto de referência no planeamento, visto que a sua não existência bloqueia outros procedimentos. A influência na segurança de planeamento e os seus custos também é de relevância. 

Resumindo, a análise estrutural tem de estar disponível de forma célere e ser fiável, e de preferência também para as alterações posteriores. Os seguintes modelos BIM tridimensionais podem fornecer uma entrada de dados valiosa em termos de comunicação ou ser os meios de comunicação para uma melhor compreensão.

Figura 01 - Cenário típico de troca de dados para o processo BIM no dimensionamento estrutural

Modelo BIM e modelo estrutural

Geralmente, um modelo BIM inclui toda a informação sobre a geometria, os materiais e produtos semi-acabados de uma estrutura. Eles descrevem a função de uma estrutura e podem também conter informação sobre a execução temporal, por exemplo sobre a fase de montagem. Por isso, os modelo BIM são adequados como meio de comunicação visual para todas as partes envolvidas na construção, servem como instrumento para determinação de material e custos e, por fim, são um instrumento para evitar erros de planeamento devido a colisões de componentes individuais ou subsecções. A troca de dados incide sobretudo na descrição paramétrica da geometria exata da estrutura. As componentes estruturais são representadas através de modelos de superfície de borda ou superfícies extrudidas, que originam um sólido.

Em contraste com isto, o foco do modelo estrutural está na representação mecânica correta da estrutura portante. A geometria é simplificada e reduz-se aos elementos portantes relevantes para a estática. Só em casos necessários e em que se justifique, é que se utiliza uma descrição mais detalhada da geometria. Os pilares e as vigas são calculados como barras (elemento 1D), as paredes e os tetos como lajes ou placas (elementos 2D). Estes elementos de barras e superfícies podem também ser combinados nos modelos estáticos 3D.

Para calcular estes modelos idealizados de forma numérica, é necessário que todos os elementos estruturais estejam ligados e que as condições de transição sejam conhecidas. No entanto, devido à redução dos elementos estruturais de sólidos para linhas médios (em barras) e planos médios (em superfícies), nem sempre uma interseção automática está disponível.

Outros elementos essenciais para o modelo estrutural:

  • definições de apoios e articulações
  • propriedades mecânicas de materiais e secções transversais
  • cargas exteriores (vento, neve, cargas impostas etc.) e combinações de cargas
  • ações de atividade sísmica ou outras ações acidentais
  • especificações de dimensionamento
  • métodos e teorias de cálculo lineares e não-lineares

A partir da informação geométrica pura de um modelo BIM, não é possível deduzir um modelo estrutural, sem a intervenção de um engenheiro qualificado. A criação de um modelo geométrico idêntico também requereria a representação de um modelo sólido de estática. Mas mesmo com as capacidades de cálculo disponíveis hoje em dia, o cálculo de uma estrutura na forma de um modelo sólido é impensável.

Cenários de troca de dados BIM relevantes na prática

Na troca de dados faz-se a distinção entre aplicação de software da mesma disciplina e de disciplina diferente. Numa troca de dados entre um software de arquitetura e um software de construção, trata-se dos mesmos objetos e a informação e os respetivos dados de modelo serão muito idênticos. As aplicações de software distintas podem processar a informação diretamente e traduzi-la para os objetos inteligentes específicos do software. Esta troca de dados é também designada como sendo horizontal.

Se os dados forem transferidos para outra disciplina, por exemplo de um software de arquitetura para um software de análise estrutural, então o foco está numa visão diferente dos dados (só são considerados elementos estruturais como pilares, paredes, vigas ou tetos). Outro tipo de informação necessário, como a posição das linhas de ação estática, a elasticidade das ligações de elementos ou dados exatos sobre materiais e secções transversais, continuarão a faltar. Esta troca de dados é também designada como sendo vertical. 

Permanecendo numa disciplina, facilmente podem ser evitadas eventuais perdas de dados ou erros de interpretação. Para o BIM no planeamento estrutural, por norma é utilizada a troca de dados vertical, uma vez que em muitos casos se começa com um modelo de arquitetura, a partir do qual se desenvolve um modelo estático. No entanto, também ocorre frequentemente a troca de dados de dados entre softwares de cálculo estrutural, por exemplo para a verificação de cálculos estáticos.

Figura 02 - Troca de dados horizontal e vertical

Os mais importantes cenários podem ser resumidos da seguinte maneira:

  • arquiteturas → análise estrutural →construção
  • análise estrutural → arquitetura para sincronização de alterações após o cálculo estrutural
  • análise estrutural → verificação de análise estrutural
  • exportação opcional de toda a estrutura ou subestruturas
  • opção de atualização de materiais, espessuras e secções transversais (bidirecional) e saída de resultados de cálculo

Figura 03 - Cenário BIM: Transferência de modelo de software BIM para software de estática, atualização de secções e transferência de resultados de cálculo (esforços internos) para modelo BIM

Existem várias opções para os formatos de ficheiro de troca de dados. O formato IFC é um formato global, que está dividido em vistas diferentes e cada disciplina tem a sua vista própria. A vista mais importante é a Coordination View, para a qual é possível para os produtos de software adquirir certificação. Quando se fala no formato IFC sem mencionar as vistas individuais, por norma trata-se da Coordination View, a qual é suportada pela maioria dos programas de arquitetura.

Em contraste, para a análise estrutural existe a vista Structural Analysis View, a qual inclui a descrição do modelo estrutural com o carregamento e as combinações de cargas. De momento, esta vista não permite uma certificação e só é utilizada por um número limitado de programas de cálculo estrutural. De uma forma geral é de salientar, que o formato IFC, embora definido como padrão, pode ser interpretado de forma distinta, de maneira que é sempre necessário análises próprias com os dados nas devidas aplicações de software.

Figura 04 - Modelos de coordenação de vista IFC no RFEM, visualização e conversão seletiva para objeto RFEM nativo inteligente

Para além do formato IFC, podem também ser utilizados os já estabelecidos formatos DXF/DWG, Interface de Produto para Construções em Aço ou outros formatos com base em texto. As interfaces diretas também têm um papel importante. Elas não necessitam de ficheiros de troca de dados, uma vez que os programas comunicam diretamente uns com uns outros através de interfaces programáveis (APIs).

Fatores de sucesso importantes para a troca de dados

O ponto fundamental consiste em clarificar qual o cenário de troca de dados disponível. Conhecendo as aplicações de software individuais, então as possíveis interfaces também são conhecidas. Com base nisto, é necessário efetuar testes através de trocas de dados cirúrgicas com modelos de tamanho compreensível. Em muitos casos, as propriedades de materiais e secções transversais requerem cuidados adicionais.

Geralmente, cada software fornece base de dados individualizadas, que no caso dos softwares para planeamento estrutural incluem parâmetros específicos das normas. A correlação destas bases de dados entre si é através de ficheiros de mapeamento, as quais descrevem tabelas simples com as respetivas designações. Estes ficheiros de mapeamento são, em parte, dados pelo fabricante de software. É recomendável internamente unificar e integrar estes ficheiros, de acordo com os programas envolvidos.

Existem também softwares BIM que incluem um modelo analítico (modelo estrutural) no modelo arquitetónico. Isto tem a vantagem, que ambos os modelos estão sobrepostos e referenciados, podendo assim mais facilmente ser verificados. Além dos dados de sistema, é também possível especificar cargas. Um utilizador desse tipo software tem de ser capaz de criar ambos os modelos corretamente. Para tal, é necessária uma cooperação ajustada entre todas as partes envolvidas.

Como, em muitos casos, os envolvidos no trabalho com os modelos não são dos mesmos gabinetes de planeamento, surgem questões como: "Quem acarreta os custos para o cruzamento de disciplinas dos modelos?" e "Quem é o responsável pela precisão e exatidão dos modelos?". Estes pontos têm de ser combinados de antemão. Sem duvida, aqui surgem grandes oportunidades para o BIM, e as empresas de maior dimensão reconheceram isso. Se for possível criar o encadeamento de todo o planeamento, os modelos BIM podem preparados de forma já antecipada, mas também numa fase posterior para o cálculo estrutural.

Um aspeto importante na escolha do software mais adequado, é a compatibilidade para diferentes formatos de dados. Aí é necessário ter em atenção, que a descrição no formato de dados existente tem de ser transferida para objetos específicos para este software. A simples visualização dos modelos de dados não é suficiente para o planeamento estrutural e só servem para uma verificação visual. Se o software permitir a importação de vários modelos e a transferência deles para o próprio modelo de objetos, então a flexibilidade aumenta consideravelmente e as hipóteses de uma troca de dados eficaz também aumentam. Este é um fator de sucesso chave, se por exemplo, é suposto utilizar ficheiros do IFC Coordination View no software de análise estrutural.

Apesar de exigir inicialmente mais trabalho, a possibilidade de programar ferramentas próprias simples para a troca de dados, não deve ser excluída a priori, pois permite uma transferência eficaz de informação adicional em forma de parâmetros. Assim é possível, por exemplo, representar itens de um modelo estrutural num software de BIM, comunicar possíveis alterações ou implementar fluxos de trabalho específicos da empresa no software. Para isso é necessário que os softwares envolvidos estejam munidos das respetivas APIs, que são operados pelas linguagens de programação simples convencionais (VBA, C# etc.).

Fatores de sucesso importantes para uma troca de dados bem sucedida e eficaz:

Criação de modelo BIM com pontos de vista do planeamento estrutural
  • Envolvimento atempado dos engenheiros de estruturas e acordo sobre datas de entrega e conteúdos
  • Definição de padrões para a definição de descrições de materiais e secções transversais (tabelas de mapeamento)
  • Modelação funcional e consistente de elementos estruturais (pilares, vigas como objetos de barras, paredes e tetos como objetos de superfícies)
  • Modelação de paredes, tetos e pilares em secções e pisos
Definição de âmbito e do conteúdo da troca de dados
  • Quem cria o modelo estrutural idealizado e em qual software (software de BIM ou cálculo estrutural)?
  • Ocorrerá somente uma transferência das dimensões geométricas e das linhas de ação estruturais ou também outras informações estruturais como apoios ou articulações?
  • Quem define os casos de carga, as combinações de cargas e as cargas?
  • Quem está autorizado a efetuar alterações, como adicionar ou retirar componentes estruturais ou definir secções transversais e espessuras de elementos estruturais?
  • Como e quando será feito o potencial alinhamento automático do modelo?
Definição de fases de trabalho
  • Quem trabalha quando e em qual parte do modelo?
  • Evitar que as mesmas componentes sejam editadas em simultâneo, sempre quando possível
Testar cenários de troca de dados e os formatos de troca de dados e interfaces utilizados
  • O software de BIM e o software de cálculo estrutural suportam as mesmas interfaces e em que extensão?
  • Efetuar testes em modelos mais simples com objetos de troca definidos
Regra vinculativa para tornar modelos BIM disponíveis
  • Preferencialmente em vários modelos (IFC, formato de ficheiro próprio do software, DWG/DXF, SDNF, STEP…)
  • Aumenta as possibilidades de troca de dados e permite verificações comparações de modelos

Resumo

O planeamento estrutural é uma parte integrante do Building Information Modeling. Devido à cada vez maior utilização de métodos de planeamento orientado BIM, surgem novas cadeias de processos digitais, com possibilidade de aumento de eficácia. O modelo BIM e o modelo estrutural são diferentes nas suas características, e a dedução de um modelo estrutural a partir de um modelo BIM nem sempre é automaticamente possível. Um processo de planeamento eficaz, no que diz respeito ao planeamento estrutural, requer um envolvimento logo de início dos respetivos engenheiros civis e a consideração de aspetos do cálculo estrutural e da troca de dados aquando da criação do modelo BIM. O software utilizado, através de interfaces, deve ser capaz de transformar a informação parametrizada da geometria em objetos inteligentes, próprios do software. Por fim, o planemaneto estrutural pode ser bem integrado no processo BIM através de uma estratégia de troca de dados ajustado ao software utilizado.

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Software de engenharia estrutural para análises de elementos finitos (AEF) de estruturas planas e espaciais constituídas por lajes, paredes, vigas, sólidos e elementos de contacto

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Software de engenharia para o dimensionamento de estruturas reticuladas de pórticos, barras e treliças, com cálculos lineares e não-lineares de esforços internos, deformações e reações de apoio

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