Цифровые тренды в проектировании конструкций

Техническая статья

Эта статья была переведена Google Translator

Посмотреть исходный текст

Оцифровка в строительстве прогрессирует с ростом динамики. Инженеры-строители, являющиеся небольшой группой в строительной отрасли, не всегда считаются инженерами, которые сразу же прыгают на всех новых поездах. Часто по уважительной причине. Нередко это является причиной того, что такие темы, как применение метода BIM, не являются здесь стандартом. Однако, последние несколько лет показали, что переосмысление начинается, и новые цифровые тренды открыто воспринимаются и применяются.

digitalBau как место встречи промышленности

В феврале 2020 года в Кельне впервые была проведена новая выставка-ярмарка на тему «Оцифровка в строительстве». После многих трудных лет для типовых выставок строительной техники, это первое успешное перенесение выставки в этой отрасли. Следует также отметить, что данное мероприятие было посвящено исключительно программному обеспечению и, таким образом, как это часто бывает, этот отраслевой сегмент не был потерян во множестве других производителей строительных изделий - от кирпичей до желобов. Будет интересно посмотреть, будет ли успешный старт продолжаться в ближайшие два года из-за растущего числа экспонентов и посетителей. Уже ясно, что это было место встречи всех известных производителей программного обеспечения в строительной отрасли в целом и для проектирования конструкций в частности. Если вы внимательно следите за событиями последних лет, вы можете увидеть некоторые тенденции, и DigitalBau также была хорошей возможностью для этого.

Информационное моделирование зданий становится все более важным

Уже более 20 лет инженеры-строители изучают, как можно использовать цифровые возможности для представления всего срока службы зданий. Но только сейчас кажется, что этим занимаются не только несколько пионеров. Более того, инженеры-строители также признают эту тему как возможность открыть новых клиентов, работать более эффективно и представить свой проектный офис как инновационный и прогрессивный. Последний момент нельзя недооценивать, когда речь идет о найме труднодоступных специализированных инженеров и их длительном сохранении.

Новые версии программного обеспечения включают в себя больше инструментов для более удобной работы с 3D-данными и обмена цифровыми данными. Этому предшествовали несколько лет, в течение которых архитекторы стали ценить преимущества цифровых двойников. Можно ли быстро и точно создавать привлекательные визуализации и выполнять расчет затрат? После создания трехмерных моделей их необходимо использовать для других задач, таких как расчет конструкций.

Pисунок 01 - Построение модели в различных приложениях BIM и IFC Viewer, а также расчетной модели в RFEM (Деформации, ниже)

Зачем начинать заново, если можно импортировать модели с сертифицированным интерфейсом Open BIM? Это были мысли до сих пор. Однако стало известно, что цифровая расчетная модель принципиально отличается от 3D-модели, созданной архитектором, даже если на первый взгляд она выглядит одинаково. Хотя он основан на размерах и данных модели цифрового двойника, он не обязательно содержит информацию о опорах, шарнирах и, например, соответствующих нагрузках и сочетаниях нагрузок, которые необходимы для расчета. Кроме того, в расчетной модели имеются существенные упрощения, без которых эффективный расчет невозможен даже сегодня. Например, в модели BIM все конструктивные элементы описаны как твердые тела.

В модели расчета конструкций, однако, твердые элементы рассчитываются редко. Вместо этого, столбцы и балки моделируются как одномерные конечные элементы, то есть с начальным и конечным узлами и линией между ними. Жесткость элемента описывается значениями сечения и длиной линии. Таким образом, трехмерные геометрические тела вырождаются в простые каркасы. Это, в свою очередь, означает, что центральные линии и поверхности колонн, балок, потолков или стен не всегда встречаются в узле или линии, и, таким образом, вы можете легко добраться до упомянутой модели проводов. Скорее, положение статической линии действия часто должно быть смещено и определено более точно, чтобы получить когерентную, измеримую модель расчета.

Pисунок 02 - Различные варианты построения расчетной модели для стального болтового соединения (красные линии и узлы) для расчета в рамочной программе

Поскольку для этого требуются технические знания, его не всегда можно полностью автоматизировать с помощью программного обеспечения, что может потребовать значительных усилий. В современном программном обеспечении BIM эта проблема отображается, и обе модели, включая структурную модель, включены. Специальные инструменты удлиняют, укорачивают или находят близлежащие точки и определяют их как статические узлы. Если на следующем этапе эти конструктивные модели будут перенесены в программу для расчета конструкций, потребуется общий формат обмена. Это не обязательно должен быть независимый от производителя формат IFC. Существует ряд форматов, а также прямые связи между BIM и программным обеспечением для расчета конструкций, где данные записываются непосредственно из одной программы в другую без промежуточного файла.

Новые цифровые решения для моделирования ветровой нагрузки

После того, как модель поступит в программу расчета конструкций, ее необходимо доработать. Помимо опор, шарниров и других механических параметров, приложением нагрузки является большой шаг. В традиционном подходе, предположения о нагрузке делаются и вводятся в аналитическую модель как нагрузки на стержни или площади. Для стандартных строительных конструкций в стандартах нагрузок есть инструкции, которые применяют нагрузки. Применение нагрузок от собственного веса, полезных нагрузок и снеговых нагрузок, как правило, вызывает лишь некоторые проблемы. Ситуация иная для ветровых нагрузок. Ветровые потоки и турбулентность регулируются только для простых тел. Даже самые обычные вещи, такие как слуховые окна, карнизы, навесы или частично открытые здания, могут быстро привести к ситуациям, в которых неясно, преобладают ли всасывающие или сжимающие нагрузки и насколько они велики. Тем не менее, возможность планирования в цифровом виде может также стимулировать желание проектировать сложные архитектурные и экстравагантные формы зданий. Даже если здесь можно сделать предположения о нагрузке, их применение в модели расчета конструкций часто является утомительным и трудоемким. Как и в самом структурном анализе, возможно применение методов моделирования на основе ВЭД при моделировании ветровых потоков, которые по умолчанию используются, например, в машиностроении для расчета потоков. Очевидно, что для расчета ветровых потоков и для определения давления ветра в зданиях необходимо использовать цифровое моделирование.

Таким образом, моделирование ветровых нагрузок на стенде компании Dlubal, занимающейся программным обеспечением для расчета конструкций, было основной темой на digitalBau в Кельне. Соответствующую программу с именем RWIND Simulation можно интерпретировать как цифровую аэродинамическую трубу. То, что иначе анализируется на моделях реплик в одной из немногих аэродинамических труб в Германии трудоемким и дорогостоящим способом, теперь можно проанализировать гораздо быстрее. Цифровые модели, поскольку они уже доступны при использовании метода BIM, импортируются в программное обеспечение и, таким образом, могут отображаться с высокой степенью детализации. Кроме того, рельеф местности и соседних зданий играет важную роль в моделировании ветра. Они также могут быть дополнительно импортированы и выровнены относительно здания. Соответствующие стандарты определяют основные скорости ветра и турбулентность, которые будут применяться в диаграммах. Они могут быть определены в программном обеспечении как вертикальный профиль ветра в зависимости от стандартов. С этими характеристиками начинается моделирование ветровых потоков с разных направлений. В результате мы получаем анимированные визуализации потоков и скоростей ветра, а также результирующих давлений на поверхности конструкции, которые затем можно использовать в качестве статической нагрузки.

Pисунок 03 - Моделирование ветровой нагрузки CIMU - ILE DE SEGUIN, Париж, в цифровой аэродинамической трубе в RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

Цифровая аэродинамическая труба может использоваться еще более эффективно в сочетании с программным обеспечением для расчета конструкций RFEM. Трехмерные аналитические модели можно перенести непосредственно в цифровую аэродинамическую трубу. После завершения моделирования, нагрузки автоматически передаются в качестве статической нагрузки. С помощью программного обеспечения CFD, такого как RWIND Simulation, значительная часть расчета конструкций поднимается на совершенно другой уровень. Допущения нагрузки, основанные на CFD, дают возможность определить более реалистичные и, возможно, более экономичные и безопасные действия нагрузки для несущих конструкций. Использование 3D-моделей в расчетах конструкций и моделировании ветра также экономит время при вводе ветровых нагрузок. С другой стороны, существует расхождение в том, что нагрузочные подходы, основанные на стандартах нагрузок, не соответствуют численно определенным нагрузкам из расчета CFD. Это вызывает сомнения, особенно если уровень нагрузки ниже. Здесь необходимы базовые расчеты и проверка численных результатов по известным эталонам.

Тем не менее, можно также утверждать, что реальные испытания в аэродинамической трубе представляют реальность только приблизительно из-за очень уменьшенных моделей, погрешностей измерений и распределения датчиков. Кроме того, в реальных испытаниях в аэродинамической трубе сложно определить упругость зданий. Численные решения имеют здесь большой потенциал. Кроме того, нормы нагрузки представляют собой очень упрощенные методы, которые обычно считаются безопасным инструментом. Оба метода определения нагрузки - реальное испытание в аэродинамической трубе и упрощенные методы эталона нагрузки - представляют собой лишь приблизительные значения реального состояния. Поэтому нагрузки, определенные с помощью CFD и RWIND, являются, по крайней мере, хорошей альтернативой и помогают понять фактические условия. Это хороший пример того, как строительная отрасль может извлечь выгоду из оцифровки, BIM и инновационных и новых продуктов. В дополнение к модели архитектуры и анализа, требуется также цифровая модель ветра. Остается надеяться, что правовые условия и методы проверки расчета конструкций будут адаптированы к новым возможностям и помогут сформировать технический прогресс.

Pисунок 04 - Распределение давления в жилом здании с гаражом в цифровой аэродинамической трубе от RWIND Simulation

Облачные сервисы

Еще одна широко обсуждаемая тема - использование облачных сервисов для проектирования конструкций. Однако речь идет не только о хранении данных на серверах, но и о предоставлении информации в Интернете и ее автоматическом использовании. Что касается расчета конструкций, то уже есть много примеров, когда расчеты можно проводить в Интернете. Примером того, как структурное планирование может извлечь выгоду из облачных услуг, является Geo-Zone Tool от Dlubal Software. С помощью этой услуги можно измерять ветровые, снеговые, сейсмические и торнадо нагрузки во многих странах мира. Существуют также планы для расширений для воздействия цунами, температуры, дождя и обледенения. Карты нагрузок основаны на цифровых картах сетевых картографических сервисов, таких как Google Maps или OpenStreetMap. Для каждой страны доступны соответствующие стандарты. Пользователь имеет свободный доступ к ограниченному количеству запросов. Затем вы можете открыть доступ ко всем загрузочным картам, войдя в систему. Через интерфейс (веб-сервисы) сторонние веб-сайты могут также автоматически запрашивать значения нагрузки для любого местоположения. Таким образом, сервис также может быть интегрирован в другие приложения.

Pисунок 05 - Онлайн-сервис Dlubal для определения ветровых нагрузок на основе облачных картографических сервисов

Кроме того, вы можете использовать таблицы профилей онлайн в Интернете. До сих пор приходилось регулярно обновлять документы или получать таблицы профилей в печатном виде. Доступны не только стандартные сечения, но и формы сечений, которые можно свободно вводить с помощью размеров. Таким образом, онлайн-сервис может предоставить гораздо больше, чем неизменяемая печатная настольная книга.

Pисунок 06 - Онлайн-сервис Dlubal с обширными библиотеками сечений и определением значений сечений для расчета конструкций

Программы FEA и рассчитанные по ним проекты иногда настолько сложны, что в некоторых случаях требуется интенсивный контакт с производителем программного обеспечения. Опять же, существует тенденция к более спонтанным обучающим онлайн-встречам. Как и в личной жизни, со службой поддержки и пользователями можно связаться напрямую, по крайней мере, для первоначальных простых вопросов. Сегодня это выходит далеко за рамки обычного запроса электронной почты, и вы можете связаться с нами с помощью функций комментариев в социальных сетях, таких как Facebook или Instagram. Некоторые производители также предлагают функции чата на веб-сайтах, которые автоматически ищут возможные ответы на вопросы, задаваемые с помощью искусственного интеллекта. Если раньше вы бронировали учебный курс, который с момента прибытия стал считаться в течение нескольких дней, теперь на канале Youtube можно найти «Самообучение» в виде записанного вебинара или мероприятия для клиента.

Pисунок 07 - Канал Dlubal Youtube с подробными техническими вебинарами для самостоятельного изучения различных конструктивных тем

Веб-страницы, например, Dlubal Software, превратились в комплексный портал для расчета конструкций. В дополнение к традиционному форуму, существует множество часто задаваемых вопросов (FAQ), которые помогут решить проблемы вне рабочего времени. Экспертиза по конкретным темам обеспечивается техническими статьями. Весь контент является бесплатным и может быть найден с помощью текстового поиска и поиска по ключевым словам в Интернете.

Pисунок 08 - Сайт Dlubal с техническими статьями и примерами расчетов

Ключевые слова

BIM Информационное моделирование строительства RWIND Ветровая нагрузка Моделирование ветровой нагрузки CFD Ingenieurgesellschaft

Ссылки

Контакты

У вас есть какие-либо вопросы по нашим программам или вам просто нужен совет?
Тогда свяжитесь с нами через бесплатную поддержку по электронной почте, в чате или на форуме или ознакомьтесь с различными решениями и полезными предложениями на страницах часто задаваемых вопросов.

+49 9673 9203 0

info@dlubal.com

RFEM Основная программа
RFEM 5.xx

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций методом конечных элементов (МКЭ) плоских и пространственных конструктивных систем, состоящих из плит, стен, оболочек, стержней (балок), тел и контактных элементов

Цена первой лицензии
3 540,00 USD
Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Автономная программа

Автономная программа для численного моделирования воздушного потока вокруг зданий и любых других объектов. Все созданные ветровые нагрузки, действующие на данных объектах, затем можно легко импортировать обратно в программу для статического и динамического расчета RFEM и RSTAB.

Цена первой лицензии
2 690,00 USD