Статическая концепция и устойчивость
В начале строительного проекта необходимо принять всесторонние решения о том, как должна функционировать конструкция. Возникают вопросы, такие как максимальные возможные расстояния для колонн и балок, расположение крыш и стеновых связей, исполнение фундаментов. Несущая структура здания должна быть спроектирована.
Однако даже в случае кажущихся простыми зданий могут возникнуть вопросы о возможном отказе от жёстких элементов или об их оптимальном расположении. Работа с планом этажа, видом и разрезом не облегчает понимание передачи нагрузок и путей их прохождения. В конечном итоге, благодаря 3D-модели, лучше можно себе представить, где проходят силы и куда они передаются в фундаменты. Понимание функции конструкции является основой для экономичного проектирования всей конструкции. Распознавание дефицитов устойчивости также имеет решающее значение для безопасности.
В упрощенной, плоской 2D-модели проблемы устойчивости, такие как выпучивание из плоскости или простое опрокидывание, по определению исключаются. Такие проблемы не возникают при расчёте и могут быть упущены из виду. Однако при трёхмерных расчётах проектировщик конструкции обязан учитывать пространственные механизмы отказа. Ошибки в конструкции становятся, таким образом, в большинстве случаев неизбежно видны при расчётах.
В 3D-модели также можно лучше оценить глобальную потерю устойчивости всей модели.
Информационное моделирование зданий предоставляет 3D-модели
Использование современных методов проектирования, таких как информационное моделирование зданий (BIM), основывается на 3D-моделях. Они также являются основой для проектирования конструкций и могут предоставлять хорошо идеализированные исходные модели для расчёта. В идеальном случае 3D-модель для статических расчётов уже предоставляется и позволяет сэкономить время.
Для многих случаев предварительных расчётов или простых статических оценок для определения правильной конструкции это может быть очень быстрым и полезным путём. Другой тренд заключается в полном параметрическом проектировании, где статические расчёты полностью интегрированы с архитектурным программным обеспечением. С помощью целенаправленного изменения параметров можно исследовать и автоматически рассчитывать множество вариантов.
2D не подходит для всех конструкций и типов зданий
Если здание не может быть просто разделено на подсистемы, где передача нагрузки очевидна, то часто остается только использовать 3D-модель. Не каждое здание следует регулярной сетке. Это делает передачу нагрузки сложной и трудно контролируемой. Из-за неопределённостей используются максимальные допущения по нагрузке, чтобы быть на безопасной стороне. Однако это приводит к неэкономичным результатам.
Симуляция воздействий на общую модель часто нагляднее и проще
3D-программы для расчёта могут автоматически генерировать нагрузки для таких воздействий, как собственный вес, ветер или снег для стандартизированных форм зданий. Предпосылкой для этого является знание размеров здания. Использование общего моделирования позволяет легко извлечь эти размеры из модели. Профили ветровой и снеговой нагрузки можно автоматически установить на конструкцию. При изменении геометрии нагрузки автоматически изменяются. Симуляции в цифровой аэродинамической трубе возможны только с 3D-моделями.
Динамические анализы для 2D-моделей часто недостаточны
При расчётах на землетрясения или других динамических анализах возникают пространственные собственные формы, которые необходимо учитывать.
Также следует правильно сочетать сейсмические возбуждения в направлениях x и y. Случайные торсионные нагрузки играют роль. Поэтому использование 3D-моделей неизбежно, кроме как в самых простых случаях.
Гибкость при изменениях
Процесс проектирования характеризуется изменениями. Для строительства важно всегда иметь ясность в том, что возможно с точки зрения статических расчётов и какие изменения необходимо вносить. В традиционной позиции статических расчётов это может означать, что все допущения по нагрузкам необходимо пересматривать.
При полной 3D-статической модели изменяющиеся силы автоматически отслеживаются в системе и передаются с одного элемента на другой. С новым расчётным запуском все доказательства обновляются. Начальные более высокие усилия на ввод обычно компенсируются.
Проблематичны условия хранения при создании частичных моделей
При извлечении частичных моделей из общей модели точки подключения частичной модели необходимо снабжать определениями подшипников. Поскольку в большинстве случаев жёсткости в этих точках неизвестны или трудно определить, используются упрощённо шарнирные или жёсткие опоры. Эти допущения только условно корректны и неизбежно приводят к иным результатам по сравнению с моделями, которые получают жёсткости в этих точках связи из общей модели.
Детальная статика разумна только в 3D-модели
Применение 3D-моделей оболочек, например, при проектировании соединений в стальных конструкциях, является стандартом. Без 3D-решений такие анализы были бы невозможны. В этих случаях использование 3D-моделей даже не ставится под сомнение, а наоборот, является обязательным. Поэтому в обратном случае неясно, почему 3D-расчёты не должны применяться при расчёте всего здания.
Побочные эффекты 3D-мира
3D-расчётная модель часто визуализирует результат намного понятнее, чем множество мелких частичных моделей. Поведение конструкции, например, может быть лучше понято с визуализированными изображениями деформаций, напряжений и сил.
Эти модели также производят профессиональное впечатление на участников и, косвенно, создают хорошую репутацию проектировщика конструкций. Модели можно использовать напрямую для первых оценок массы и затрат. За счет упомянутой гибкости можно оптимизировать форму, функцию и вес.
Резюме
Многочисленные причины говорят в пользу использования 3D-моделей в статике. 2D и 3D не конкурируют, а дополняют друг друга. Конечно, есть и простые случаи, когда 3D-модель не приносит преимуществ и дает правильные результаты. В обоих случаях в конечном итоге инженер решает, какая форма моделирования будет выбрана.
