Pastato informacinis modeliavimas ir programinė įranga konstrukcijų analizei: sėkmingi duomenų keitimosi scenarijai

Pastato informacinis modeliavimas – vienas iš svarbiausių klausimų statybų programinės įrangos pramonėje. Šis procesas nėra naujas, ir jau visiems gerai žinomas faktas, kad patikimas ankstyvų projekto etapų planavimas turi žymų teigiamą poveikį visai projekto kainai. 3D modeliai plieno statybų pramonėje naudojami jau daugiau nei 20 metų – automatiškai kuriami gamybai reikalingi 2D dokumentai arba susiję NC duomenys gali būti tiesiogiai siunčiami į automatinius gamybos įrenginius.


Visgi konstrukciniai skaičiavimai visiems 3D modeliams vis dar laikomi aukštuoju pilotažu. Kalbant apie programinę įrangą konstrukcijų projektavimui ir skaitmeninius modelius, kyla keli svarbūs klausimai dėl keitimosi duomenimis bei dėl to, kaip įvairi inžinerinė programinė įranga gali efektyviai naudoti šiuos modelius. Ne tik grynai fizinės geometrijos modeliai yra svarbūs, turi būti atsižvelgta ir į daug kitų modelių su papildomais konstrukciniais komponentais. Šie modeliai susideda iš konstrukcinių ar analitinių modelių, apima mechanines medžiagų savybes, ribinius būvius ar apkrovas, kurias sunku vertinti grynai fiziniame architektūros modelyje.

Tokie skirtumai gali kelti problemų keičiantis informacija, kai BIM naudojamas konstrukcijų inžinerijoje. Priedo, atsiranda dideli lūkesčiai, kai kalbama apie BIM ir konstrukcinę analizę. Tokios kliūtys yra didelis iššūkis inžinerinės programinės įrangos vystytojams. Šiuo straipsniu siekiama paaiškinti fundamentalias duomenų keitimosi problemas ir pasiūlyti pritaikomus, praktikoje patikrintus sprendimus.

Konstrukcijų projektavimas BIM procese

Pastatų informacinis modeliavimas paremtas holistiniu požiūriu į konstrukcijos gyvavimo ciklą. Nuo pirminės idėjos ir projektavimo planavimo (architektas, pastato savininkas), iki detalaus projektavimo ir finalinio projektavimo (inžinieriai), bei pastato eksploatacijos ir nugriovimo. Vienas iš tikslų yra optimizuoti kaštus konstrukcijų gyvavimo ciklo metu. Tačiau konstrukcijų projektavimas yra tik maža BIM dalis ir jos poveikis konstrukcijų kainoms dažniausiai yra antrinės svarbos. Todėl turbūt architektai turi daugiau realios įtakos didžiajai BIM „revoliucijai“.

Nepaisant to, konstrukcijų inžinerija vaidina reikšmingą vaidmenį palyginus trumpame finalinio projektavimo etape. Projektuotojai sprendžia, ar įmanoma įgyvendinti tam tikrą konstrukcijos idėją, todėl projektavimas yra kertinis akmuo visame planavimo procese – be tinkamo projektavimo visi kiti darbai gali būti atidėti. Jis taip pat turi didelę įtaką tolimesniam planavimo patikimumui ir visoms išlaidoms, susijusioms su neišvengiamais pakeitimais.

Taigi apibendrinant, konstrukcijų analizė turi būti efektyvi ir patikima. Šiuolaikiniai trijų dimensijų BIM modeliai gali suteikti daug vertingos informacijos ar priemonių komunikacijai bei geresniam bendram konstrukcijų inžinerijos supratimui.

BIM modelis ir Konstrukcinis modelis

Paprastai, BIM modeliuose laikoma informacija apie pastato geometriją, medžiagas ir nebaigtas pastato dalis, pastato paskirtį, taip pat gali būti suteikti duomenys, pavyzdžiui, apie surinkimo laiką. BIM modeliai yra tinkamas vizualinės komunikacijos įrankis statybose visoms susijusioms šalims. Jie tarnauja kaip priemonė medžiagoms ir kainoms numatyti. Galiausiai, padeda išvengti planavimo klaidų, atsirandančių dėl komponentų susikirtimų. Duomenų mainai daugiausia susiję su tikslios pastato geometrijos parametrų aprašymu. Konstrukciniai komponentai apibūdinami paviršiniais modeliais arba ekstruziniu būdu sudarytais trimačiais elementais.

Pagrindinis dėmesys konstrukciniuose modeliuose, priešingai, yra projekcija ant mechaniškai teisingos atraminės konstrukcijos. Geometrija supaprastinama ir sumažinama iki kol konstrukciniai komponentai yra tinkami konstrukcinei analizei. Detalizuotas geometrijos aprašas naudojamas tik jei būtina, ir tuomet skaičiavimų laikas neišvengiamai padidės. Kolonos ir sijos yra skaičiuojamos kaip konstrukciniai elementai (1D elementai) , tuo tarpu sienos ir lubos skaičiuojami kaip plokštės ir lakštai (2D elementai). Šie konstrukciniai ir paviršiaus elementai taip pat gali būti jungiami vienas su kitu 3D konstrukciniame modelyje.

Norint apskaičiuoti šiuos modelius skaitmeniniu būdu, būtina sujungti visus konstrukcinius komponentus kartu ir patvirtinti perskaičiavimo sąlygas. Bet dėl komponentų redukcijos iš trimačių į linijinius (konstrukcinių elementų atvejais) ir į vidurinių plokštumų (paviršių atveju), automatiniai sujungimai ne visada galimi.

Būtini konstrukcinio modelio komponentai:

• Atramų ir lankstų apibrėžimai
• Skerspjūvių ir medžiagų mechaninės savybės
• Išorinės apkrovos (pvz. vėjas, sniegas, kintamos apkrovos) ir apkrovų deriniai
• Seisminio aktyvumo ir kitų nelaimingų atsitikimų efektai
• Projektavimo specifikacijos
• Tiesiniai ir netiesiniai skaičiavimų metodai ir analizės

Neįmanoma kalbėti apie konstrukcinį modelį, kuriame tik gryna BIM modelio geometrinė informacija, be kvalifikuoto inžinieriaus įsikišimo. Geometriškai tas pats fizinis modelis turėtų būti atvaizduojamas ir konstrukcijų analizavimo programinėje įrangoje. Tačiau net su šiuo metu galimais skaičiavimo pajėgumais, neįmanoma apskaičiuoti pastato kaip fizinio modelio.

Praktika paremti BIM mainų scenarijai

Galima atskirti duomenų pasikeitimą tarp tos pačios srities programų ir keitimąsi tarp skirtingų sričių. Jei keičiamasi duomenimis tarp vienos srities (tarp architektūrinių ar tarp konstrukcinių) programų, bus svarbūs tie patys objektai, taigi informacija ir duomenų modeliai bus labai panašūs abiejose programose. Skirtingos programinės įrangos įrankiai gali tučtuojau apdoroti informaciją ir paversti ją specialiai programai pritaikytu sumaniu objektu. Tai kitaip žinomas horizontalus duomenų keitimasis.

Jei informacija yra perduodama kitai sričiai, tarkim iš architektūrinės programos persiunčiama į konstrukcijų analizės programą, kitaip bus fokusuojamasi į tuos pačius duomenis. Būtų kreipiamas dėmesys į atraminius komponentus, tokius kaip kolonos, sienos, gegnės, plokštės. Trūktų tokios reikalingos papildomos informacijos, kaip jėgų veikimo linijų lokacija, elementų jungčių tamprumas, medžiagų ir jungčių preciziškos mechaninės detalės. Tai kitaip žinomas vertikalus informacijos pasikeitimas.

Esant vienoj srity, galima lengvai išvengti galimų duomenų praradimų ar interpretacijos klaidų. Vis tik BIM konstrukcijų inžinerijoje, vertikalus duomenų pasikeitimas yra naudojamas dažnai, nes konstrukcinis modelis yra dažniausiai sugeneruotas iš architektūrinio modelio. Ir netgi kopijuojant iš vienos konstrukcinės analizės programos į kitą, reikalingas konstrukcinių skaičiavimų patikrinimas.

Svarbiausi scenarijai gali būti apibendrinti taip:

• Architektūra →Konstrukcijų analizė → Statybos
• Konstrukcijų analizė → Architektūra pakeitimų sinchronizacijai, po konstrukcinių paskaičiavimų
• Konstrukcijų analizė → Statikos patikrinimas
• Pasirinktinis visos konstrukcijos ar pamato eksportas
• Pasirinktinis medžiagų, storių ir jungčių atnaujinimas, skaičiavimo rezultatų ataskaita

Yra įvairios informacijos keitimosi failų formatų opcijos. IFC formatas yra tarptautinis standartas, kuris pritaikytas kiekvienos srities specifiniams poreikiams. Pagrindinis vaizdas yra Coordination View, individualūs programos produktai gali būti sertifikuoti. Kai naudojamasi IFC formatu nenustatant individualaus vaizdo, Coordination View paprastai yra naudojamas pagal nutylėjimą. Jis palaikomas daugumos architektūrinių programų.

Structural Analysis View, priešingai, skirtas konstrukcijų inžinerijai, jame yra struktūrinio modelio aprašymas, apkrovos ir apkrovų kombinacijos. Šis vaizdas vis dar nėra sertifikuotas ir yra palaikomas tik riboto skaičiaus konstrukcinės analizės programų. Nors ir apibūdintas kaip standartinis, IFC formatas gali būti interpretuojamas skirtingais būdais. Priedo, yra būtina pasitikrinti formatą su atitinkama programinės įrangos informacija, norint sėkmingai keistis duomenimis.

 

Papildomai prie IFC formato, galite naudoti tokius žinomus failų formatus kaip DXF/DWG, Product Interface for Steel Construction, ar kitas tekstines sąsajos programas. Tiesioginės sąsajos taip pat atlieka svarbų vaidmenį. Jos neturi jokių pasikeitimo failų, nes individualios programos komunikuoja tiesiogiai viena su kita per aplikacijų programavimo sąsajas (API).

Pagrindiniai veiksniai sėkmingam duomenų pasikeitimui

Esminis dalykas yra išsiaiškinti, koks yra įmanomas keitimosi scenarijus. Jei susipažinote su programa, galbūt aiškios ir palaikomos sąsajos. Tuomet būtina atlikti norimo pasikeitimo testus, naudojant operuojamo dydžio modelius. Reikėtų labiau atkreipti dėmesį į medžiagas bei skerspjūvių savybes.

Kiekviena programa suteikia individualizuotas konstrukcinės inžinerijos duomenų bazes, kurias sudaro visi standartiškai priklausantys parametrai. Tos duomenų bazės yra susijusios viena su kita pagal susisiejančius failus (mapping files), kurie yra paprasčiausios susijusių aprašymų lentelės. Šie susisiejantys failai yra dalinai suteikiami programinės įrangos vystytojų. Rekomenduojama unifikuoti ir suintegruoti šiuos failus pagal tai, kokias programas naudosite.

Yra BIM programinė įranga, kurios architektūros modelyje jau įtrauktas analitinis modelis (struktūrinis modelis). Tokios programos privalumai yra modelių sutapimas ir jų rėmimasis vienas kitu. Taip pat, šie modeliai gali būti efektyviai ir lengvai analizuojami. Kartu su sistemos duomenimis galimos apkrovų specifikacijos. Naudojant tokią programinę įrangą reikia kruopščiai sudarinėti abu modelius. Tinkama koordinacija, įtraukianti visas susijusias šalis, yra būtina.

Asmuo, kuris prižiūri modelio redagavimą, dažnai gali būti iš kito projektavimo padalinio. Tuomet iškyla klausimas, kas nustato kainą ir kas yra atsakingas už tikslumą bei kruopštumą. O dėl to turėtų būti susitarta iš anksto. Be jokios abejonės, BIM turi begalę galimybių, ir į tai vis labiau atkreipia dėmesį gerai žinomos įmonės. Jei galima sukurti visą planavimo grandinę, BIM modeliai gali būti paruošiami ankstyvajame etape ir taip pat vėliau panaudojami konstrukcijų analizei.

Kitas svarbus aspektas renkantis teisingą programinę įranga yra įvairių formatų palaikymas. Egzistuojančio duomenų formato aprašymas turi būti perkeltas į objektus specialiai programinei įrangai. Tik vizualizacijos ar informacijos modelio nuorodos nepakanka konstrukcijų projektavimui – jie padeda tik vizualiniams patikrinimams. Jei programinė įranga gali importuoti keletą modelių ir paversti juos objektiniais modeliais su tinkama informacija, tai žymiai padidina lankstumą, išauga galimybės sėkmingai bei efektyviai keistis informacija. Taigi IFC Coordination View failų naudojimas konstrukcijų analizės programoje ir yra pagrindinis sėkmės faktorius.

Nepaisant papildomų pastangų, paprastų patentuotų įrankių, skirtų duomenų pasikeitimui, programavimas visada turėtų būti įtrauktas jau pačioje pradžioje. Tai įgalina efektyvų papildomos informacijos perdavimą parametrų formoje. Pavyzdžiui, galima rodyti konstrukcinio modelio elementus ekrane, naudojant BIM programinę įrangą, komunikuoti galimas modifikacijas arba suplanuoti pritaikytą, specifišką darbo eigą. Tam reikia visiems susijusiems programinės įrangos produktams turėti atitinkamas API (aplikacijų programavimo sąsajas), veikiančias sutartinėmis ir paprastomis programavimo kalbomis (pvz., VBA, C#).

Sėkmės faktoriai sėkmingam ir efektyviam duomenų keitimuisi:

• BIM modelio generavimas konstrukcijų projektavime
• Konstruktoriaus ankstyvas įsitraukimas, konsultacijos dėl turinio ir terminų
• Standartų nustatymas medžiagoms ir skerspjūvių aprašymams (susisiejančiuose failuose)
• Funkcionalus ir nuoseklus konstrukcinių komponentų projektavimas (kolonos, sijos – kaip konstrukcinių elementų objektai; sienos, plokštės – kaip paviršiaus objektai)
• Sienų, plokščių ir kolonų projektavimas dalimis ir lygmenimis

Duomenų persiuntimo apimties ir turinio nustatymas

• Kas sukuria konstrukcinį modelį ir kokia programinė įranga naudojama (BIM ar konstrukcinės analizės programinė įranga)?
• Ar tik geometrinės dimensijos ir jėgų veikimo linijos bus perduotos, ar taip pat ir kitos konstrukcinės savybės, kaip atramos ir lankstai?
• Kas apibrėžia apkrovas, apkrovų tipus ir apkrovų derinius?
• Kam leidžiama daryti tokius pakeitimus, kaip pridėti arba pašalinti konstrukcinius komponentus, nustatyti skerspjūvius ar komponentų storius?
• Kaip ir kada bus atliktas automatinis modelio padėties nustatymas?

Darbo etapų nustatymas

• Kas dirba kurioje modelio erdvėje ir kada?
• Kai tik įmanoma vengti redaguoti tuos pačius komponentus tuo pačiu metu

Duomenų pasikeitimo scenarijaus testavimas ir duomenų keitimosi formatų bei sąsajų naudojimas:

• Ar BIM ir konstrukcijų analizės programa suteikia tas pačias sąsajas ir iki kokio lygio?
• Atlikti testus operuojamiems modeliams naudojant apibrėžtus pasikeitimo objektus.

Taisyklės kuriant tinkamus BIM modelius

• Pageidaujami keletas formatų (IFC, DWG/DXF, SDNF, STEP, ar kiti formatai)
• Sudarytos galimybės keistis duomenimis, modelių verifikavimas bei palyginimas.

Apibendrinimas

– Konstrukcijų inžinerija vaidina reikšmingą vaidmenį Pastato Informacijos Modeliavime. Dėl augančio BIM orientuotų metodų pritaikymo bei naujų skaitmeninių procesų atsiranda vis daugiau galimybių didinti produktyvumą.
– BIM modelis ir konstrukcinis modelis yra skirtingi savo charakteristikomis.
– Efektyvus planavimo procesas reikalauja konstruktoriaus įsitraukimo jau ankstyvajame etape dėl visų konstrukcinių aspektų ir duomenų keitimosi kuriant BIM modelį.
– Naudojama programinė įranga turėtų leisti persiųsti esamą sumanių objektų parametrų geometrijos informaciją kitai specialiai programinei įrangai naudojant atitinkamas sąsajas.

Galiausiai, tinkama duomenų keitimosi strategija, naudojant atitinkamą programinę įrangą, leidžia be didelių pastangų integruoti konstrukcijų projektavimą į visą BIM procesą.