结构分析与设计数字趋势

digitalBau作为行业会议

2020年2月，在德国科隆举办了一个新的展览会“建筑数字化”。 在经历了典型建筑软件交易会的艰辛岁月之后，这是该行业首次成功重新定位交易会。 值得一提的是，此次展会的焦点就是建筑结构设计软件，让这一行业产品的展览未受到其他建筑产品的影响。 这是一次所有建筑行业知名软件制造商的盛会 特别是结构设计与分析软件。 如果您密切关注近年来的发展趋势，那么您已经看到了这些趋势。此外，digitalBau也是一个很好的机会来实现这一目标。

建筑信息模型越来越重要

20多年来，土木工程师们一直在研究如何使用数字期权来表示建筑物的整个生命周期。 直到现在，似乎还有更多的先驱在使用它。 此外，结构工程师们还认为，这个主题是招揽新客户，提高工作效率和使他们的工程团队创新和进取的机会。 雇用难以找到的专业工程师并长期留任，最后一点还是不能被低估。

新发布的软件版本中包含更多工具，可以更好地处理3D数据和进行数字通信。 在此之前的几年里，建筑师在实践中体会到了数字双胞胎的优点。 它们有助于创建美观的可视化文件并快速准确地进行成本估算。 在3D模型创建完成后，您现在想要将其用于其他工作，例如结构分析和设计。

图片 01 - 各种BIM应用程序和IFC查看器中的建筑模型以及RFEM中的计算模型（变形，底部）

为什么要使用经过认证的Open BIM接口来导入模型，为什么又要从头开始？ 到目前为止，都是这样。 然而，众所周知，数字计算模型与建筑师创建的3D模型从根本上来说是一样的。 虽然是数字双胞胎的模型和模型数据的计算对象，但不一定包含关于支座，铰接件的信息，例如相关的荷载和荷载组合。 此外，该分析模型中的简化数据有很大的简化空间，即使在今天，也不能继续高效计算。 例如，在BIM模型中，所有结构构件都被描述为实体。

但是在结构分析模型中很少使用实体单元。 而是将柱和梁作为一维有限元建模（即始端和末端节点以及之间的一条线）。 单元的刚度由截面值和线的长度来描述。 因此，3D实体几何结构可以退化为简单的线框模型。 这意味着柱子，梁，天花板和墙的中线和面都不总是在节点或线上相交。因此，你可以很容易地转到提到的线框模型。 取而代之的是，通常必须更精确地移动和定义结构作用线的位置，以便获得一个连贯的，网格化的分析模型。

图片 02 - 结构分析和设计用不同节点螺栓连接模型（红线和节点）的选项

因为这需要工程知识，所以不能总是通过软件完全自动化，而且非常耗时。 最新的BIM软件就可以解决这个问题，并且提供两种模型-包括结构模型。 特殊的工具可以通过拉长，缩短或者找形来确定附近的节点为结构节点。 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有直接连接的多种格式，可以将数据从一个程序直接导入到另一个程序中，而无需中间文件。

新的风荷载模拟数字解决方案

在将模型导入结构分析软件后，您需要进一步优化。 除了支座，铰等多种机械参数外，施加荷载也是很大的一步。 在传统方法中，荷载假设作为杆件或面荷载输入到分析模型中。 对于常规的建筑形状，荷载标准指出需要施加的荷载。 使用自重，雪荷载和自重荷载施加荷载通常只会导致一些问题。 风荷载的情况则不同。 风和湍流仅针对简单的建筑对象。 即使是最平凡的事物，例如天窗，屋檐，顶棚或建筑物的半开放式，也可以迅速导致无法确定是否存在吸力或压力荷载，以及其大小如何。 但是，如果选择数字化设计，您可能需要设计复杂的建筑模型。 即使在这里可以进行荷载假设，应用它们也非常麻烦和费时。 与使用结构分析来模拟风流一样，您也可以使用有限元法，例如在机械工程中通常用于分析风流。 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，Dlubal结构分析与设计软件公司'在德国科隆举办的digitalBau展览会上的风荷载模拟是一个主题。 相应的程序RWIND Simulation可以看作是一个数字风洞。 相比之下，在德国少数风洞之一中使用复制模型来进行分析是耗时且昂贵的，现在可以更快的速度进行分析了。 使用BIM方法的数字模型将被导入到软件中，以便以更高的细节显示。 此外，在风洞模拟中，周围环境和相邻建筑物的地形非常重要。 它们可以额外导入并相对于建筑物对齐。 相关标准规定了在图表中应用的基本风速和湍流。 您可以根据标准在软件中将其定义为垂直风廓线。 从不同方向进行风洞模拟首先需要遵循这些规范。 动画时可视化的是风和风的速度，以及结构表面的压力，然后可以作为结构荷载使用。

图片 03 - CIMU -ILE DE SEGUIN的风荷载模拟在巴黎的RWIND Simulation中的数字风洞中（©www.bouygues.com）

数字风洞与结构分析软件 RFEM 结合使用可以更加有效。 3D分析模型可以直接传输到数字风洞中。 模拟完成后，荷载自动作为结构荷载工况传递。 当使用例如RWIND Simulation的CFD软件时，结构分析的很大一部分都提升到了一个完全不同的水平。 基于CFD的荷载假设为确定支撑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模型还可以节省输入风荷载的时间。 另一方面，存在一种差异，即基于荷载标准的荷载应用与在CFD分析中计算得出的荷载没有对应。 这引起了疑问，特别是在荷载水平较低的情况下。 在这里需要参考计算和根据已知的基准验证数值结果。

然而，也可以说，实际的风洞试验仅表示实际情况，这是因为模型的比例非常小，测量误差较大以及传感器的分布情况。 此外，在真实的风洞试验中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-都只代表实际情况。 因此，分别使用CFD和RWIND计算的荷载是一个很好的选择，并且可以帮助用户理解实际情况。 这是一个很好的例子，证明建筑行业如何从数字化和BIM，创新产品中受益。 除了结构设计和分析模型外，还需要数字风荷载模型。 让我们希望，结构的检查的法律条件和方法将适应新的可能，并积极影响技术的进步。

图片 04 - 基于RWIND模拟的数字风洞中住宅建筑车库压力分布

基于云的服务

另一个经常讨论的主题是使用基于云的服务进行结构分析和设计。 然而，这不仅是保存数据到服务器上，还涉及到在Web上提供信息及其自动使用。 关于结构分析，已经有很多实例可以在网上进行计算。 Dlubal Software的Geo Zone Tool是如何从基于云的服务中受益的示例。 该服务包含用于快速确定雪荷载和风速的分区图，以及全球许多国家的地震和龙卷风数据。 目前已经开发了由海啸，温度，雨水和冰冻荷载共同作用产生的各种作用规范。 分区图是基于在线地图服务（例如Google Maps和OpenStreetMap）的数字地图得出的。 每个国家都提供相应的规范。 有限数量的请求是免费的。 登录后您的权限可以访问所有分区图。 另外一个Web应用程序可用于从任何位置的第三方网站自动传输数据。 这样，该服务也可以包含在其他应用程序中。

图片 05 - Dlubal在线服务，基于云计算地图，确定风荷载

截面图可以在网上直接搜索到。 以前，您需要定期更新文档或获取打印形式的截面属性，但是现在您可以在线访问最新版本。 不仅提供标准截面，而且提供可以通过尺寸输入的截面形状。 因此，在线服务提供的内容远远超过了不可更改的印刷表格。

图片 06 - Dlubal在线服务拥有全面的截面库和计算截面值用于结构分析和设计

FEA程序和使用它们计算的项目有时是如此复杂，以至于在某些情况下必须与软件制造商进行深入的联系。 同样，越来越多的自发在线培训和支持会议成为趋势。 就像在私人生活中一样，可以直接联系支持团队和用户，至少可以解决最初的简单问题。 现在，这已经超出了通常的电子邮件请求，您可以在社交媒体渠道（例如Facebook和Instagram）中使用评论功能与公司联系。 一些制造商在他们的网站上提供了聊天功能，这些聊天功能使用人工智能可以自动搜索询问的问题。 如果您过去经常参加培训，那么现在您可以在YouTube频道举办录制的网络课堂或客户活动来扩展您的知识领域。

图片 07 - Dlubal YouTube频道，以及关于各种结构主题的详细网络课堂

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。 除了传统的论坛服务之外，还有很多常见问题解答（FAQ），可以帮助用户在办公时间以外解决问题。 技术文章提供了有关特定主题的专业知识。 所有的内容都是免费的，此外，您还可以使用大量的搜索选项来查找相关的文章。

图片 08 - Dlubal网站介绍了技术文章和计算示例