Modelowanie analityczno-fizyczne i efektywność wymiany danych napędza postępy w BIM

Transkrypt

1 Modelowanie analityczno-fizyczne i efektywność wymiany danych napędza postępy w BIM Dokumentacja firmy Bentley Raoul Karp, S.E. Vice President, Product Development Bentley Systems, Incorporated Josh Taylor, P.E. Senior Product Manager, Structural Bentley Systems, Incorporated Opublikowano Listopad 2017 r.

2 Inżynieria budowlana dla świata fizycznego Postępy w modelowaniu informacji o budynkach (BIM) W miarę jak BIM coraz częściej pojawia się we wszelkich rodzajach projektów inżynierskich, inżynierowie budowlani modyfikują swoje procesy prac i oprogramowanie, aby dostosować się do wyzwań i skorzystać z możliwości, jakie przynosi ze sobą ta technologia. Ale co inżynierowie budowlani powinni robić nadal, a co powinni robić inaczej? I, co ważniejsze, jakich wyników i korzyści mogą się spodziewać, jeśli w pełni wykorzystają budowlane procesy prac BIM? Niniejszy dokument bada podejścia do modelowania konstrukcyjnego, które mogą przynieść zespołom inżynierów budowlanych istotne korzyści. Nowe technologie, takie jak wersja STAAD CONNECT Edition aplikacji do projektowania i analizy konstrukcji firmy Bentley Systems, wdrażają te podejścia. Na skutek tego inżynierowie mogą utrzymać jakość modelu przy reagowaniu na zmiany i rozważać więcej alternatyw projektowych w krótkim czasie. Trendy w konstrukcyjnym BIM Każdego dnia liczba projektów konstrukcyjnych wywodzących się z modelu BIM rośnie. McGraw-Hill donosi, że w ciągu minionej dekady liczba firm inżynierskich używających BIM przekroczyła 65 procent wszystkich firm. Zgodnie z tym raportem stanowi to wzrost o 300 procent. Rozpowszechnione wykorzystanie BIM mogłoby być uznane za miecz obusieczny dla branży inżynierskiej. Oprogramowanie pozwala na bardziej wnikliwe badanie alternatyw projektowych z realistyczną wizualizacją w celu pomocy w procesie decyzyjnym, ale umożliwia również bardziej egzotyczne projekty architektoniczne, wymagające bardziej złożonej idealizacji konstrukcyjnej. Unikalna architektura projektów bardziej obciąża inżynierów budowlanych pod kątem rozważania złożonych geometrii oraz rosnących wymagań środowiskowych i wydajnościowych. BIM ułatwia tworzenie bardziej złożonych projektów architektonicznych wymagających usprawnionej wymiany danych konstrukcyjnych. 1 Wartość biznesowa technologii BIM w Ameryce Północnej, analiza wieloletnich trendów ( ), McGraw Hill Construction. 2

3 Z uwagi na wzrost poziomu szczegółowości modeli BIM konieczność automatyzacji przy tworzeniu dokładnych idealizacji modeli do analizy konstrukcji jest niezbędna dla konkurencyjności inżynierów. Bez skutecznej automatyzacji inżynier musi poświęcić czas na przekształcenie wizji architektury fizycznej na analityczną idealizację konstrukcji wymaganą do dokładnego określenia wymagań konstrukcyjnych i zachowania konstrukcji. W ciągu minionej dekady poczyniono istotne postępy w efektywności wymiany danych między oprogramowaniem do analizy konstrukcji a oprogramowaniem do projektowania, aby zająć się przekształcaniem coraz bardziej złożonych projektów architektury i konstrukcji fizycznej w analityczną, idealizowaną (złożoną z elementów skończonych) konstrukcję. Z uwagi na to, że wszystkie aplikacje BIM pozwalają na modelowanie odrębnych części konstrukcji, nasze aplikacje konstrukcyjne muszą posiadać fundamentalną koncepcję części fizycznej, która będzie łatwiej mapowana w modelach architektonicznych w zakresie geometrii, materiałów i obciążeń. Dyskretyzacja elementów fizycznych do skończonych w STAAD.Pro CONNECT Edition. Inżynierowie używają metody elementów skończonych (finite element method FEM) do symulowania zachowania konstrukcji pod wpływem obciążeń już od ponad pół wieku. Jednak wraz ze swoją elastycznością i użytecznością FEM wiąże się z koniecznością generowania siatki elementów skończonych i zarządzania nią. Odpowiedzialność za przekształcenie tego modelu fizycznego w model elementów skończonych spoczywa w całości na oprogramowaniu do analizy konstrukcji i pozwala inżynierom spędzić więcej czasu na badaniu zachowania konstrukcji lub alternatywnych projektów i mniej czasu na tworzeniu lub manipulowaniu obiektami ze skończonymi elementami. Czym jest model analityczno-fizyczny w kontekście konstrukcyjnym? Inżynierowie używali metody skończonych elementów (FEM) do symulowania zachowania konstrukcji pod wpływem obciążeń przez ponad pół wieku. Jednak wraz ze swoją elastycznością i użytecznością FEM przynosi również narzut czasowy związany z generowaniem i zarządzaniem siatką elementów skończonych. Dużo czasu spędza się tworząc siatkę i ją przerabiając, szczególnie w sytuacji, gdy zmiany architektoniczne prowadzą do wielu zmian w modelu konstrukcji. W przypadku modeli belkowo-kolumnowych ten narzut czasowy jest zarządzany i częściowo zmniejszany przy użyciu pojedynczych elementów FEM w celu przedstawiania całych obiektów fizycznych. Jednakże nawet w tym przypadku skrzyżowania belek i dźwigarów, tężników łącznikowych, pach sklepienia i innych detali zwiększa złożoność produkcji idealizowanego modelu elementów skończonych i zachowuje wierność fizycznego modelu BIM. 3

4 Branżowa logika jest niezbędna do stworzenia odpowiedniej idealizacji elementów skończonych modelu fizycznego. Problem ten jest pogorszony, gdy elementy płyt dodawane są do ścian, płyt i innych elementów płaskich. Złożoność modelu znacząco rośnie, a zarządzanie siatką staje się dużym narzutem czasowym w miarę jak kompatybilność siatki skończonych elementów pomiędzy krzyżującymi się elementami płaskimi i liniowymi oraz różnice między geometrią fizyczną i elementów skończonych stają się głównym przedmiotem uwagi. Jest to o wiele bardziej złożone w modelach 3D z fizycznymi ścianami, płytami i belkami krzyżującymi się pod różnymi kątami, w którym to przypadku tworzenie siatki staje się czasochłonnym, złożonym zadaniem, które trzeba wykonać ręcznie. Model analityczno-fizyczny na przecięciu licznych przesuniętych płyt, ścian, belek. Model analityczno-fizyczny jest, dokładniej mówiąc, fizycznym odzwierciedleniem modelu elementów skończonych. Model analityczno-fizyczny wciąż jest idealizacją precyzyjnego modelu fizycznego stworzonego przy użyciu aplikacji BIM. Jednakże jest on na poziomie dokładności obiektów fizycznych, a nie węzłów, warunków brzegowych czy też jedno- lub dwuwymiarowych elementów skończonych. 4

5 Przekazując dużą część odpowiedzialności za wyodrębnianie (przekształcenie obiektów analityczno-fizycznych w podmioty skończonych elementów) do oprogramowania konstrukcyjnego, inżynier może bardziej wydajnie dostosować się do zmian w modelu i jego obciążeniach, ponieważ jego elementy, powierzchnie i obciążenia nie muszą być już poddane dyskretyzacji w celu zastosowania modelu elementów skończonych. Taki model analityczno-fizyczny wciąż jest idealizacją precyzyjnego modelu fizycznego stworzonego przy użyciu aplikacji BIM. Aplikacja firmy Bentley do analizy konstrukcji STAAD.Pro włącza te filozofie w celu obsługi bardziej fizycznego procesu prac, w którym łatwiej wprowadza się zmiany. Niedawno wydana wersja STAAD.Pro CONNECT Edition zawiera nowe środowisko do modelowania fizycznego na potrzeby tworzenia i utrzymywania modelu analityczno-fizycznego. Użytkownik może modelować w narzędziu do modelowania fizycznego lub użyć tradycyjnego podejścia opartego na modelowaniu elementów skończonych. Kiedy zastosowane jest podejście oparte na modelowaniu fizycznym, STAAD.Pro automatyzuje proces w celu idealizowania konstrukcji i obciążeń do modelu skończonych elementów. W tym procesie prac zmiany geometryczne są dokonywane jedynie w modelu analityczno-fizycznym, a model elementów skończonych jest odtwarzany w razie potrzeby w miarę jak rozwija się model fizyczny. Użytkownik może w dowolnym momencie postanowić odłączyć model elementów skończonych od modelu fizycznego i przejść do używania tradycyjnego podejścia do modelowania elementów skończonych STAAD.Pro. To podejście łączące zalety obu systemów pozwala inżynierom wykorzystać nowe możliwości procesów pracy BIM bez utraty elastyczności manipulowania modelem skończonych elementów, którą zawsze dysponowali. W szczególności w przypadku ścian i płyt podejście oparte na modelowaniu fizycznym zapewnia nie tylko usprawnienie procesów pracy BIM, ale również przewagę w wydajności modelowania w porównaniu do poprzednich wersji STAAD.Pro. Kiedy w STAAD.Pro elementy powierzchni lub płyt są poddane dyskretyzacji do siatki skończonych elementów, pierwotny obiekt, z którego tworzy się elementy skończone, jest tracony. Wszelkie dalsze manipulowanie powierzchnią lub płytą musi być od tego momentu wykonywane na pojedynczych elementach skończonych. Załóżmy, że użytkownik chce następnie dodać lub przesunąć otwory w płycie podłogi. Aby zrobić to w ramach procesu STAAD.Pro opartego jedynie na elementach skończonych, użytkownik musiałby mozolnie manipulować pojedynczymi węzłami, elementami i obciążeniami w ramach siatki elementów skończonych. Weryfikowanie otworów w modelach skończonych elementów może być uciążliwe. 5

6 Proces modelowania fizycznego STAAD.Pro znosi to ograniczenie. Zmian dokonuje się w fizycznej płycie podłogi, a siatka skończonych elementów jest następnie odtwarzana. Otwory można stworzyć przez wskazanie nowych węzłów w dowolnym miejscu podłogi. Otwór jest zdefiniowany jako szereg węzłów tworzących granicę otworu. Otwór może być przeniesiony lub jego rozmiar może być zmieniony przez zwykłą zmianę współrzędnych odpowiednich węzłów. Po dodaniu otworu model skończonych elementów jest odtworzony w granicach modelu fizycznego przez zwykłe zregenerowanie modelu analitycznego. Narzędzie do modelowania fizycznego i zautomatyzowana siatka skończonych elementów w STAAD.Pro CONNECT Edition. Rozmiar i konfiguracja (elementy trójkątne a elementy kwadratowe) siatki elementów skończonych mogą być określone w narzędziu do modelowania fizycznego STAAD.Pro, w którym dostępne są ustawienia globalne. Ponadto rozmiar siatki może być kontrolowany przy użyciu parametru Rozmiar Siatki powiązanego z każdym elementem fizycznej powierzchni. Do każdego elementu można przypisać inną wartość. Rozmiar siatki modelu skończonych elementów kontrolowany za pomocą narzędzia do modelowania fizycznego STAAD.Pro CONNECT Edition. 6

7 Korzyści płynące z modelu analityczno-fizycznego Istotna zaleta pracy na modelu analityczno-fizycznym wiąże się z szybkością i dokładnością, z jakimi można wprowadzać zmiany, czy to ręcznie czy za pośrednictwem modelu BIM. Na przykład w przypadku narzędzia do modelowania fizycznego aplikacji STAAD.Pro CONNECT Edition obciążenia powierzchni i linii nie są już podzielone i stosowane wobec pojedynczych elementów skończonych, ale mogą być powiązane z podpierającymi elementami fizycznymi w celu automatycznego dostosowywania w miarę jak strefy pomocnicze czy geometrie elementów ulegają zmianom. Inną istotną korzyścią działania na fizycznym modelu konstrukcji jest bliska, ale nie ścisła, korelacja z fizycznym modelem BIM. Ta bliska korelacja pozwala na osiągnięcie zdecydowanie wyższego poziomu wierności wymiany danych pomiędzy oprogramowaniem konstrukcyjnym a fizycznym modelem BIM. Nie jest to jednak idealne rozwiązanie. Wyzwania związane z efektywną wymianą danych BIM Fundamentalne konstrukty danych różnią się miedzy aplikacjami. Na przykład to, co w jednej aplikacji jest otworem w płycie, w innej nazywane jest szybem wychodzącym. Podczas gdy, co do zasady, wygląd fizyczny jest taki sam, potrzeba transformacji między otworem w jednej fizycznej płycie do konstrukcji wytłoczenia przestrzeni negatywnej przez wiele poziomów nie jest łatwa. Kolejnym powszechnym wyzwaniem związanym z różnicami między podejściem fizycznym a podejściem opartym na elementach skończonych w oprogramowaniu jest to, w jaki sposób obsługują one niektóre profile elementów (kształty). Poza różnymi konwencjami nazywania odcinków, do których musi odnieść się inżynier, niektóre aplikacje różnie podchodzą do kształtów złożonych. Kąt podwójny w jednej aplikacji może być dwoma pojedynczymi kątami w innej. Są to tylko niektóre przykłady problemów z przejściem od modeli analitycznych do modeli elementów skończonych, które należy zrozumieć i którymi należy się zająć przy pomocy procesu wymiany danych. Problemy te prawdopodobnie będą się utrzymywać tak długo, jak będzie istniało różne oprogramowanie, którego przewagi konkurencyjne będą opierały się na tym, jak ich dane są organizowane i modelowane. Te różnice w rozwiązaniach konstrukcyjnych są pozytywne i powinny być zrozumiane w takim świetle w przypadkach, gdy pojawiają się problemy z przekształcaniem danych. Interfejs Integrated Structural Modeling (ISM) firmy Bentley służący do zarządzania efektywną wymianą danych. 7

8 Technologia, za której pośrednictwem dochodzi do wymiany danych, ma również istotne znaczenie dla wierności tej wymiany. Otwarte standardy, takie jak IFC, zapewniają interesujące archiwum i format gromadzenia/ przeglądania, ale specjalne cechy IFC dla szczególnych procesów prac sprawiają, że wymiana danych o wyższej wierności stanowi wyzwanie. Wspólne platformy, takie jak Integrated Structural Modeling (ISM) firmy Bentley, zapewniają poziom kontroli w trakcie wymiany danych w oparciu o identyfikację zmian we wspólnym modelu. Pozwala to inżynierowi kontrolować zmiany, jakie są przekazywane między aplikacjami i pozwala aplikacjom wykorzystywać lub przekazywać jedynie te informacje we wspólnym modelu, o które mu chodzi. W niektórych przypadkach bezpośrednia integracja między dwoma produktami jest ułatwiona i może zapewnić wysoki poziom wierności, ale będzie wymagać dostępności określonych wersji obu produktów na tym samym urządzeniu i ciągłego utrzymywania połączeń między punktami przez dostawców. ISM stanowi przykład użycia BIM istotny dla nowej wersji STAAD.Pro CONNECT Edition. Podczas gdy stare połączenie między STAAD.Pro a ISM nadal jest dostępne, STAAD.Pro CONNECT Edition oferuje teraz połączenie między narzędziem do modelowania fizycznego a ISM. To nowe połączenie oparte na modelu analitycznofizycznym obsługuje wymianę dwuwymiarowych elementów konstrukcyjnych, takich jak podłogi i ściany, które nie są obecne w poprzednich wersjach. Rozszerza to zakres informacji, jakie STAAD.Pro może wymieniać z aplikacjami BIM, takimi jak AECOsim Building Designer, ProStructures, Revit Structure i Tekla Structures. Model Revit (po lewej stronie) przekonwertowany do STAAD.Pro przy użyciu efektywnej wymiany danych opartej na ISM. Modele BIM mogą być odczytywane przez narzędzie do modelowania fizycznego STAAD.Pro i vice-versa. Ponadto ISM pozwala, aby zmiany w wielkościach i konfiguracjach elementów w narzędziu do modelowania fizycznego STAAD.Pro, w tym w elementach powierzchni, był aktualizowane w innych używających je aplikacjach. Połączenie STAAD.Pro z aplikacjami BIM może działać w trakcie projektu i może być wykorzystywane jako potężny środek do zarządzania poprawkami. Niezależnie od technologii wykorzystanej do ułatwienia wymiany danych, konstrukcja modelu analityczno-fizycznego w oprogramowaniu strukturalnym była najważniejszym elementem umożliwiającym skuteczną wymianę danych między fizycznymi modelami BIM a rozwiązaniami do analizy strukturalnej i projektowania. 8

9 Rosnące zastosowanie BIM jako wybranej metody dla koncepcyjnego i szczegółowego projektowania architektonicznego skutkuje projektami bardziej wymyślnymi i złożonymi niż kiedykolwiek wcześniej. Wraz z tą złożonością istnieje potrzeba bardziej skutecznej i zautomatyzowanej wymiany danych między BIM a analizą konstrukcji. Fundamentalna ideą umożliwiającą tę ewolucję BIM jest zdolność aplikacji do analizy konstrukcji, takich jak STAAD.Pro CONNECT Edition, do solidnego przekształcania projektów fizycznych ze świata rzeczywistego w idealizowane modele analityczno-fizyczne bez potrzeby dyskretyzacji (łączenia w siatkę) elementów konstrukcji podczas efektywnej wymiany danych. Te modele analityczno-fizyczne pozwalają na szybsze dostosowanie do geometrii i obciążeń, pozwalając na bardziej skuteczne weryfikowanie i optymalizowanie alternatyw projektowych. Efektywność wymiany danych BIM jest jeszcze bardziej rozszerzona przez wykorzystanie standardów takich jak procesy prac IFC czy Integrated Structural Modeling (ISM) firmy Bentley, które zapewniają historię projektu i kontrolę zarządzania zmianami w trakcie procesu projektowania. Oprogramowanie do analizy konstrukcji i projektowania znacząco rozwinęło się w ciągu ostatnich dziesięciu lat i umożliwia bardziej solidną i zautomatyzowaną wymianę danych, co pozwala na nadążanie za rosnącą złożonością projektów umożliwianą przez rewolucję w BIM Bentley Systems Incorporated. Bentley, logo B, Integrated Structural Modeling, STAAD, STAAD.Pro, AECOsim Building Designer i ProStructures są zastrzeżonymi lub niezastrzeżonymi znakami towarowymi lub usługowymi firmy Bentley Systems, Incorporated lub jednej z jej bezpośrednich lub pośrednich spółek zależnych. Inne marki i nazwy produktów są znakami towarowymi ich poszczególnych właścicieli /17 9