结构工程中的BIM:

技术文章

在建筑规划中越来越多地使用BIM方法也为结构设计师开辟了新的可能性。 一旦建立了建筑物的综合三维模型,人们就会继续将其用于静态计算并从中获得最大的收益。 但是结构工程师和使用的软件也存在一些新的挑战,本文将对此进行讨论。

消除非结构性组件

3D BIM模型的主要优点之一是所有信息都集中存储在数据库中。 假设最初建筑师的草稿是由建筑师创建的,那么焦点主要不在于静态结构。 他的工作重点主要是建筑的使用和设计以及与客户密切合作的预算合规性。 在此基础上,设计了必要的建筑支撑结构。 这种结构模型实际上代表了建筑物的承重骨架,并且是结构工程师特别感兴趣的。 建筑物的其余非结构部分对他来说要么微不足道(例如,门窗的细节,精确的地板结构,电气和管道安装等),要么是最重要的负荷假设。 因此,只有BIM模型的一部分要为结构工程师进行评估,他必须将静态相关的对象与不相关的对象分开。 但是,关于BIM模型中存在的组件是否有助于结构静态的信息并不一定是每个BIM模型中固有的,必须由结构工程师提供给模型,或者必须通过适当的过滤器过滤掉删除结构模型。 市场上有BIM软件,它已经允许建筑元素将组件标记为承载。 假设架构师将其视为制作此标记的任务,这有助于自动模型转移到静态软件。

物理结构模型和理想化分析模型

一旦从全局BIM模型中消除了支持组件,就存在物理结构模型,其在位置和形状上对应于后来的实际(体积)模型。 然而,由于有限的计算能力和计算的必要简化,并非所有组件通常都被计算为体积模型,而是简化为杆和表面元件,其结果(例如,杆和表面截面尺寸)也参考当前标准。 实体模型的使用通常仅限于非常厚的部件或特殊子区域的分析,例如钢结构连接,其中映射了诸如螺钉,焊接或接触条件的细节。 杆和表面的减少引起了这些部件的重轴位置以及它们如何相互连接的问题。 由于不同的部件高度,空白和连接,在某些情况下,可能不会出现连接在一个点上的一致的重力线模型,必须进一步调整这些模型以用作分析计算模型。 这为结构工程师提出了进一步的问题。

  • 系统线应该放在哪里?
  • 如何处理任何杆和区域的偏心?
  • 是否需要缩短或延长系统线路,以及对负载(自重,线路负载,区域负载等)有何影响?
  • 使用简单的分析结进行建模是否足够,或者您是否需要构建可适用于工程的任何高级模型(例如,支持仅在一个节点中连接到天花板: 奇点问题)?
  • 杆和表面的连接是否铰接,屈服或刚性?
  • 哪些位置被理解为支持哪些存储条件?
  • 如有必要,细分条形或区域以获得有意义的分析模型。

在决定所有这些问题时,软件通常几乎不提供支持,而这些决策最终必须由结构工程师做出。 然而,架构和设计软件的一个新趋势是静态程序已经包含在程序中,有时也会自动形成。 优点是,一旦正确定义的基本静态系统可以转移到结构分析程序,理想情况下包括加载,而无需重大改造。

然而,前提条件是该BIM软件由具有适当的静力学知识和计算程序应用的用户操作。 从传统观点来看,由于德国建筑公司和静态办公室的通常职责,这种情况往往是数据交换和BIM工作流停滞的原因。 毕竟,建筑师没有报酬来创建静态模型。

建模的特殊方面

在制造有限元模型时,在从表面到条形元素的过渡处或者例如在托梁中可能需要特殊的辅助结构。 这些辅助设计需要手动重新加工进口结构。 这不可避免地导致这样的事实:初始BIM模型和理想化分析模型进一步分开,并且在不同学科的用户程序中分配相关组件要困难得多。

特别是在调整两种模型的变化时都会反映出这个问题。 通常,刚性连接杆用于在静态建模中连接固定连接的部件。 根据静态软件的实施情况,如果这些杆非常短且非常坚硬,这些特殊的杆类型会导致数值问题。 因此,应特别注意从BIM软件自动形成这种耦合元件。 一个大的,有时不容易识别的问题可以代表分析模型中所谓的连通组件。 BIM软件中的建模不准确或数值精度约束也可导致非常接近的FEM节点。 这些要么导致联网困难,要么提供连接的组件,然后在计算机模型中不连接。 这导致不正确的计算结果。 因此,应特别注意进口模型的控制。

负载假设和负载组合

在某些BIM应用程序中,还可以指定载荷和载荷组合。 由于近年来新引入的欧洲规范,确定例如风荷载剖面,雪荷载或土压力负荷变得相当复杂。 这同样适用于根据不同设计情况形成负载组合的规则。 从本质上讲,结构分析程序更适合,更通用,并提供全面的生成工具。 因此,显然负载输入和组合在静态应用程序中完成。 如果将得到的载荷和组合写回BIM模型,则自动生成的基础参数通常会丢失,因此在进一步更改时缺少载荷对象的智能。

计算结构的方面

如果从BIM模型导出适当的分析模型,则可以在静态软件中计算。 必须决定使用哪种计算理论和材料模型。 在计算之后,可能需要调整模型并且出现建模的变体或添加或移除新元素。 必须检查关节和支撑。 对于结构的设计,必须进行进一步的假设并输入参数。 横截面和尺寸可能会发生变化。 经典的BIM理念需要将这些预设和假设存储在中央BIM模型中。 然而,这当前不是完全可行的,并且在通常的接口中不受支持,或者仅在物体智能丧失的情况下才可能。

建筑阶段的考虑在空间模型中起着非常重要的作用,并决定了计算结果的可用性。 因此,必须在计算之前确定整体模型的计算是否需要考虑施工阶段,或者必要时应计算子模型的部分。 在这种情况下,应该提到的是,BIM并不自动意味着您总是在空间上计算整个建筑模型。 一个好的策略也可以是从BIM整体模型中连续提取单个静态项目并单独计算它们。

由静态计算引起的BIM模型的变化

完成计算后,可能会导致材料和横截面变化,或者可能会移动,移除或添加诸如敷料或托梁等组件。 这些更改必须反映在BIM模型中并进行更新。 但是,如果必须对原始BIM模型进行更改并进行比较,会发生什么? 你如何决定最后一个变化的状态? 此流程必须遵守规则,更改必须由负责人员批准。 同时必须确保在导入静态软件后导入BIM模型中的更改。 在BIM模型和分析模型中,同一部件可能同时发生变化。 这种情况可以通过模型中的障碍或相关方的协议来缓解。 自动转移轮廓变化,表面厚度或在另一模型中添加和移除新组件通常是可行的,并且例如由Dlubal软件支持。 应该注意的是,静态导致的更新不会覆盖BIM模型中与静态无关的其他信息。

IFC接口和软件的直接耦合

为了实现一致的规划,需要有功能的接口 如果可以通过可编程接口对交换程序的数据进行开放访问,则可以直接耦合这些数据而无需交换文件。 两个程序必须安装在同一台计算机上。 这些接口的实现非常灵活,并且不受通用接口格式的语法和数据模型的约束,因为它们是文件交换所必需的。 在交换有关中性,制造商独立文件格式的数据时,IFC格式起着重要作用。

如果软件是IFC认证的,这并不一定意味着也可以转移到静态软件。 目前,认证仅适用于“协调视图”。 这首先描述了基于实体模型的结构的几何形状,即上面讨论的物理结构模型。 对于静态模型,提供了所谓的“结构分析视图”,其还允许轴承,接头和负载的传递。 在基于体系结构程序的基于IFC的数据交换的情况下,因此有必要检查可以导出哪个视图。

总结和结论

3D BIM模型帮助结构工程师了解复杂结构并通过数据采集更快地生成分析模型。 通常,BIM模型和分析模型是不同的,并且在几何上不相同。 应仔细检查自动生成的分析模型,并且整体模型的计算可能需要考虑施工阶段。 静力学可能需要在特定点进行特殊建模,并且通常需要无法存储或仅限于BIM模型的其他信息。 由于在规划阶段可能发生变化,因此必须定义规则,谁可以在模型上何时何地进行更改。 BIM和BIM软件需要更广泛和更全面的建筑师和结构工程师的所有设计阶段的知识,重新思考传统的工作分工的意愿,并将规划任务理解为团队合作。 接受初始的,可管理的开销,同时还考虑后续的计划步骤,可以带来显着的节省和更好的计划结果。 近年来致力于BIM流程的设计办公室证实了这一点。 尤其是因为这一点,也因为订约当局规定BIM作为一种规划方法,BIM将在未来几年继续扩散。 结构设计是建筑信息模型不可或缺的组成部分,因此BIM结构分析软件和整体模型的处理将变得更加重要。

Dlubal软件与基于BIM的规划流程保持一致,提供各种界面格式并直接连接到流行的BIM软件产品。 通过开放的可编程界面,该软件可以无缝集成到公司特定的计划流程中。 这允许建模任务的自动化和计算结果的处理。

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