结构设计的数字趋势

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建筑的数字化随着动力学的发展而发展。 结构工程师(在建筑行业中属于一小部分)并不总是被视为立即加入所有新列车的工程师。 通常是有充分理由的。 这不是常见的原因,在这里BIM方法的应用等主题还不是标准。 然而,过去的几年显示出重新思考的开始,新的数字化趋势被公开吸收和应用。

digitalBau作为行业的聚会场所

2020年2月,在科隆首次举办了一个新的贸易展览会,主题是“建筑工程数字化”。 在经历了典型建筑软件交易会的艰难历程之后,这是该行业首次成功重新定位交易会。 值得一提的是,本次活动的重点是软件,因此,这一行业领域并没有被其他许多建筑产品制造商所迷失,从砖块到天沟。 有趣的是,由于参展商和参观者的数量不断增加,未来两年是否能继续成功启动。 很明显,这里是建筑行业所有知名软件制造商的聚会场所,尤其是结构设计的聚会场所。 如果您密切关注最近几年的发展,您会发现一些趋势,digitalBau也是一个很好的机会。

建筑信息模型越来越重要

20多年来,土木工程师一直在研究如何使用数字可能性来表示建筑物的整个使用寿命。 但是直到现在,似乎还不止一些先驱者。 不仅如此,结构工程师们还认识到该主题是一个新的机会,可以帮助您开发新的客户,更有效地工作,以及为他们的规划办公室提供创新和进步。 在雇用难以找到的专业工程师并保留更长的时间时,后者是不可低估的。

新的软件版本包含更多工具,可以更好地处理3D数据并进行数字通信。 在此之前的几年中,建筑师们开始意识到数字孪生的优势。 是否可以快速准确地创建有吸引力的可视化和成本估算? 一旦创建了三维模型,您就可以将其用于其他任务,例如结构分析。

图片 01 - 各种BIM应用程序和IFC Viewer中的建筑模型以及RFEM中的计算模型(变形见下文)

为什么可以使用经过认证的Open BIM接口导入模型? 这些是到目前为止的想法。 然而,人们已经发现数字计算模型与建筑师创建的3D模型在本质上是不同的,即使乍一看看上去是一样的。 尽管它是基于数字孪生模型的尺寸和模型数据,但是它并不一定包含有关支座,铰链以及例如计算所必需的相关荷载和荷载组合的信息。 此外,在分析模型中存在大量的简化,如果没有的话,直到现在仍然无法进行有效的计算。 例如,在BIM模型中,所有结构构件都描述为实体。

但是在结构分析模型中很少计算实体单元。 取而代之的是,柱子和梁被建模为一维有限元单元,即一个起点和一个末端节点以及一条线。 单元的刚度由截面值和线的长度来描述。 因此,3D实体几何可以退化为简单的线框。 这意味着柱子,梁,天花板或墙体的中心线和面并不总是在节点或线中相交,因此可以很容易地找到所提到的线模型。 静态作用线的位置通常必须更精确地移动和定义,以便获得一个连贯的,网格化的分析模型。

图片 02 - 螺栓连接的分析模型(红线和节点)的推导的不同形式,用于框架程序中的计算

因为这需要工程知识,所以它不能总是完全由软件自动完成,这需要大量的工作。 在现代的BIM软件中,这个问题被映射,并且包括结构模型在内的两个模型都被包括在内。 使用特殊工具加长,缩短或查找附近的点并将其定义为静态节点。 如果下一步将这些结构模型传输到结构分析软件中,则需要通用的交换格式。 这不一定是独立于制造商的IFC格式。 BIM和结构分析软件之间存在多种格式以及直接链接,数据可以直接从一个程序写入另一个程序,而无需中间文件。

新的风荷载模拟数字解决方案

一旦模型被输入到结构分析软件中,就需要进一步的完善。 除了支座,铰链等力学参数外,施加荷载也是一大步骤。 在传统方法中,荷载假设作为杆件荷载或面荷载输入到分析模型中。 对于常规的建筑形状,在荷载标准中有使用荷载的说明。 施加自重,有效载荷和雪荷载的荷载通常只引起很少的问题。 风荷载的情况则不同。 风和湍流仅针对简单实体进行调整。 即使是最常见的事物,例如屋顶窗,屋檐,檐篷或部分开放的建筑物,也可能很快导致无法确定吸力或压缩力的大小以及大小。 然而,数字化设计的可能性也激发了人们对复杂的建筑设计的渴望。 即使在这里可以进行荷载假设,将其应用到结构分析模型中也很繁琐和费力。 就像在结构分析中一样,基于有限元分析的方法也可以在风流模拟中使用,例如在机械设计中默认用于风流分析。 显然可以使用数字模拟来计算风速和确定建筑物的风压。

因此,在科隆举行的digitalBau上,在结构工程软件公司Dlubal的展位上进行风荷载模拟是一个重要的课题。 相应的名为RWIND Simulation的程序可以解释为数字风洞。 现在,在德国为数不多的风洞之一中使用复制模型进行分析的过程既费时又费钱,现在可以更快地进行分析。 使用BIM方法时已经可以使用的数字模型被导入到软件中,因此可以非常详细地显示。 此外,周围环境和邻近建筑物的地形在风荷载模拟中也起着重要作用。 这些也可以附加导入并与建筑物对齐。 相关标准规定了在图表中应用的基本风速和湍流。 这些可以在软件中根据标准定义为垂直风廓线。 使用这些规范,可以模拟不同方向的风。 因此,我们可以对风速和风速以及结构面上的压力进行可视化处理,然后将其用作静荷载。

图片 03 - RWIND Simulation中数字风洞中CIMU-ILE DE SEGUIN的风荷载模拟(©www.bouygues.com)

数字风洞可以与结构分析软件RFEM结合使用。 3D分析模型可以直接传输到数字风洞中。 模拟完成后,荷载自动作为静荷载工况传递。 使用RWIND Simulation等CFD软件可以将结构分析的重要部分提升到完全不同的水平。 基于CFD的荷载假设为确定支座结构的荷载作用提供了更为现实的方法,并且可能更加经济和安全。 在结构分析和风荷载模拟中使用3D模型也可以节省输入风荷载的时间。 另一方面,基于荷载标准的荷载法与CFD分析中计算得出的荷载不符。 这引起了疑问,特别是在荷载水平较低的情况下。 在此需要参考计算和数值结果的验证。

但是也可以说,实际的风洞试验仅仅代表了实际情况,这是因为模型的缩小,测量误差以及传感器的分布。 另外,实际的风洞试验很难确定建筑物的弹性。 数值解在这里具有很大的潜力。 此外,荷载标准是非常简化的方法,通常被认为是一种安全的工具。 两种确定荷载的方法-实际风洞试验和简化的荷载标准方法-都只代表真实状态。 因此,通过CFD和RWIND确定的荷载至少是一个很好的选择,并且有助于理解实际情况。 这是建筑行业如何从数字化,BIM,创新和新产品中受益的一个很好的例子。 除了结构和分析模型外,还需要数字风模型。 仍然有希望的是,结构分析的法律条件和检查方法将适应新的可能性,并有助于塑造技术进步。

图片 04 - 数字风洞中带车库的住宅楼的压力分布

基于云的服务

另一个被广泛讨论的主题是在结构设计中使用基于云的服务。 但是,这不仅涉及到服务器上的数据存储,还涉及到Internet上信息的提供及其自动使用。 关于结构分析,已经有很多实例可以在Internet上进行计算。 Dlubal Software的Geo-Zone Tool是如何从基于云的服务中受益的示例。 通过该服务,可以计算全球许多国家的风荷载,雪荷载,地震荷载和龙卷风荷载。 还计划扩展海啸,温度,降雨和结冰事件的作用。 荷载图基于在线地图服务(例如Google Maps或OpenStreetMap)的数字地图。 每个国家都有相应的标准。 用户可以自由访问有限数量的请求。 然后您可以通过登录打开对所有荷载卡的访问。 第三方网站还可以通过界面(网络服务)自动查询任意位置的荷载值。 这样,该服务也可以集成到其他应用程序中。

图片 05 - Dlubal在线服务,用于基于云的地图服务确定风荷载

此外,可以在Internet上在线使用轮廓表 。 到现在为止,您必须定期更新文档或获取打印形式的截面图。 不仅可以使用标准截面,还可以通过尺寸自由输入截面形状。 因此,在线服务所提供的功能远远超出了无法更改的印刷表格。

图片 06 - Dlubal在线服务包含完整的截面库和结构设计的截面值计算

FEA程序和使用它们计算的项目有时非常复杂,在某些情况下需要与软件制造商进行深入的联系。 同样,越来越多的在线培训和技术支持会议成为趋势。 在私人生活中,可以直接联系技术支持人员和用户,至少可以解决最初的一些简单问题。 如今,这已经超出了通常的电子邮件请求范围,您可以在社交媒体渠道(例如Facebook或Instagram)中使用注释功能与我们联系。 一些制造商还在网站上提供了聊天功能,可以通过人工智能自动搜索可能出现的问题的答案。 如果您之前预定的培训课程是在几天之内完成的,那么现在您可以在YouTube频道上以“网络研讨会”或“客户活动”的形式进行“自我培训”。

图片 07 - Dlubal Youtube频道提供详细的技术网络讲座,可针对各种结构主题进行自学

该网页例如由Dlubal Software开发,已经发展成为一个全面的结构分析门户。 除了传统的论坛之外,还有许多常见问题解答(FAQ)可以帮助您在办公时间以外解决问题。 技术文章提供了特定主题的专业知识。 所有内容都是免费的,可以在互联网上通过基于文本的搜索和关键词搜索找到。

图片 08 - Dlubal网站提供技术文章和计算示例

关键词

BIM 建筑信息模型 RWIND 风荷载 风荷载模拟 差价合约 Engineering Office

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RFEM 主程序 RFEM
RFEM 5.xx

主程序

结构设计与有限元­分析软件(FEA)可以用于建立 平面与空间结构模型,适用于由杆件、面、 板、墙、折板、膜、壳、实体以及接触单元等的建模与分析计算。

首个许可价格
3,540.00 USD
Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

独立程序

Stand-alone program for numerical simulations of wind flow around buildings or any other objects. The generated wind loads acting on these objects can be imported into RFEM / RSTAB programs for static and dynamic analysis.

首个许可价格
2,690.00 USD