Los modelos en 3D se han creado durante más de veinte años (por ejemplo, en la construcción de acero) y se utilizan para derivar datos de ingeniería 2D automáticamente o para acceder y controlar las máquinas de producción directamente a través de datos NC. Asimismo, los cálculos estructurales en modelos 3D son lo último en tecnología. Para el software de construcción, el desarrollo de modelos digitales se traduce principalmente en temas de intercambio de datos y cómo estos modelos se pueden utilizar de manera eficiente en el tiempo en software de diferentes planificadores técnicos. No solo los modelos geométricos y físicos desempeñan un papel, sino que también hay una serie de otros modelos que contienen más que la información del componente físicamente visible. Dicho modelo es el modelo estructural o analítico, que contiene propiedades de materiales mecánicos, condiciones de contorno o supuestos de carga, es decir, cosas que no se pueden leer inmediatamente de un modelo arquitectónico físico puro. Estas diferencias resultan en dificultades al intercambiar datos de modelos BIM en ingeniería estructural. Las expectativas de BIM en el análisis estructural son enormes. La tarea para los fabricantes de software de construcción es igual de grande. En este artículo, primero explicaremos los problemas básicos del intercambio de datos y luego mostraremos soluciones probadas.
Ingeniería estructural en el proceso BIM
El modelado de información de construcción se basa en una visión holística del ciclo de vida completo de un edificio, comenzando con la idea inicial y la planificación del diseño (arquitecto, cliente), la planificación de la ejecución (ingenieros especializados) para la operación del edificio y su demolición. Los objetivos incluyen la optimización de costes durante toda la vida útil. La ingeniería estructural en sí misma es solo una pequeña parte de BIM, cuya influencia en los costes de todo el ciclo de vida del edificio suele ser de menor importancia. Por lo tanto, la gran "revolución" de BIM está ocurriendo actualmente más en las áreas de responsabilidad de los arquitectos. Sin embargo, la ingeniería estructural juega un papel principal en el período relativamente corto de planificación detallada. Decide sobre la viabilidad de un concepto particular de carga y es un hito en la planificación sin el cual se bloquearán otros procesos sin su publicación. Tiene una influencia considerable en la seguridad adicional de la planificación y los costes asociados para los cambios necesarios. En resumen: El análisis estructural debe estar disponible rápidamente y ser confiable y, si es posible, también en caso de modificaciones posteriores. Los modelos BIM tridimensionales existentes pueden proporcionar datos valiosos o ser un medio de comunicación y para una mejor comprensión.
Modelo BIM y modelo estructural
Generalmente se utilizan los modelos BIM en el sentido que incluyan toda la información geométrica, los detalles de los materiales y los productos semi-finalizados de una estructura. Describen la función de una estructura y también pueden contener información sobre la secuencia de tiempo, por ejemplo del montaje. Por lo tanto, son ideales como medios visuales de comunicación para aquellos involucrados en la construcción, son un instrumento para determinar la masa y los costes y, en última instancia, sirven como una herramienta para evitar errores de planificación debido a colisiones de componentes o estructuras individuales. El intercambio de datos se refiere principalmente a una descripción paramétrica de la geometría exacta del edificio. Los componentes se describen mediante modelos de superficie límite o superficies extruidas, que finalmente resultan en un sólido.
Al contrario que esto, el análisis estructural se centra en la representación mecánicamente correcta de la estructura de soporte. La geometría se simplifica y se reduce a los componentes estructurales estáticamente relevantes. Las descripciones de geometría voluminosa solo se utilizan cuando es necesario y el mayor esfuerzo de cálculo parece justificado. Los pilares y vigas se calculan como elementos (elemento 1D) y los muros y pisos como losas y placas (elementos 2D). Estos elementos de barras y superficies también se pueden combinar en los modelos estructurales 3D. Para que estos modelos idealizados puedan calcularse numéricamente, es necesario que todos los componentes estén conectados entre sí y que se conozcan las condiciones de transición. Debido a la reducción de componentes estructurales de sólidos a líneas centrales (para barras) y planos centrales (para superficies), no siempre es posible una intersección automática.
Además, los componentes esenciales del modelo de análisis estructural incluyen:
- Apoyo y definiciones de articulaciones
- Propiedades mecánicas de materiales y secciones
- Cargas externas (viento, nieve, sobrecarga de uso, etc.) y combinaciones de cargas
- Acciones de actividad sísmica u otras acciones extraordinarias
- Especificaciones de cálculo
- Métodos y teorías de cálculo lineales y no lineales
Por lo tanto, no es posible derivar un modelo de análisis automáticamente de la información de geometría pura de un modelo BIM, que se entiende en el sentido convencional sin la intervención de un ingeniero calificado. Un modelado geométricamente idéntico también necesitaría una representación como modelo sólido en el análisis estructural. Sin embargo, incluso con las capacidades informáticas disponibles en la actualidad, no es posible calcular un edificio como un modelo sólido.
Escenarios de intercambio BIM relevantes para la práctica
Básicamente, es posible distinguir el intercambio de datos entre aplicaciones de programas de la misma y diferentes disciplinas. Si se intercambian datos entre software de arquitectura o software de construcción, los objetos son los mismos y el contenido de la información y sus modelos de datos serán muy similares en ambos programas. Las diferentes aplicaciones de software pueden procesar directamente la información y traducirla en los objetos inteligentes específicos del software. Esto también se conoce como intercambio de datos horizontal.
Si los datos se transfieren a otra disciplina, por ejemplo, desde un software de arquitectura a la aplicación de análisis estructural, la atención se centra en una vista diferente de los datos (solo componentes estructurales, como pilares, muros, vigas, losas). Todavía falta información adicional necesaria, como la posición de la línea eficaz estática, la flexibilidad de las conexiones del elemento o datos mecánicos precisos sobre el material y las secciones. Esto también se conoce como intercambio de datos vertical. Si permanece dentro de una disciplina, es más fácil evitar una posible pérdida de datos o un error de interpretación. El BIM en ingeniería estructural generalmente implica un intercambio vertical de datos, porque en muchos casos se dispone inicialmente de un modelo de arquitectura a partir del cual se desarrolla un modelo de análisis estructural. Sin embargo, también se produce la transferencia del software de análisis estructural al software de análisis estructural, por ejemplo, para comprobar los cálculos estructurales.
Los escenarios individuales más importantes se pueden resumir de la siguiente manera:
- Arquitectura → Análisis estructural → Construcción
- Análisis estructural → Arquitectura para ajustar los cambios después del análisis estructural
- Análisis estructural → Análisis estructural para verificación
- Opcionalmente, se exportan sistemas completos o subsistemas
- De forma alternativa, con actualización de materiales, espesores y secciones (bidireccional) y devolución de resultados de cálculo
Hay varias opciones para el formato de intercambio de datos. El formato IFC como estándar global juega un papel especial. El formato IFC se divide en diferentes vistas y cada disciplina tiene su propia vista. La vista más importante es la "Coordination View", para la cual también se pueden certificar productos de software individuales. Si habla del formato IFC sin tener que entrar en más detalles sobre las vistas individuales, generalmente se refiere a la Coordination View. Es compatible con la mayoría de los programas de arquitectura. En contraste con esto, Structural Analysis View proporciona una descripción del modelo estructural que incluye cargas y combinaciones de cargas. Actualmente, esta vista no es certificable y solo está respaldada por un pequeño número de programas de análisis estructural. En general, se debe tener en cuenta que el formato IFC, aunque se define como un estándar, se puede interpretar de manera diferente y, para hacer un intercambio con éxito, las propias pruebas con los datos de los respectivos productos de software son siempre necesarias.
Además del formato IFC, se utilizan formatos establecidos como DXF/DWG, la interfaz del producto de construcción de acero u otros formatos basados en texto. Las interfaces directas que no requieren archivos de intercambio también juegan un papel importante. Los programas individuales se comunican directamente a través de interfaces programables (API).
Factores importantes de éxito para el intercambio de datos
Básicamente, es necesario aclarar qué escenario de intercambio existe. Si se conocen los productos de software individuales, también se conocen las posibles interfaces compatibles. En base a esto, son necesarias pruebas de intercambio específicas con sistemas de tamaño manejable. Las especificaciones de material y sección a menudo requieren mayor atención. Por lo general, cada software proporciona sus propias bases de datos, que contienen todos los parámetros dependientes de las normas en el caso de la ingeniería estructural. Las bases de datos se asignan entre sí en los llamados archivos de conversión, que describen tablas simples con las descripciones correspondientes. Algunos de estos archivos de asignación son suministrados por el fabricante del programa. Se recomienda estandarizar estos archivos internamente según los programas involucrados y coordinarlos entre sí.
También hay un software BIM que ya lleva un modelo analítico (modelo estructural) en el modelo arquitectónico. Esto tiene la ventaja de que ambos modelos están superpuestos, referenciados y, por lo tanto, son más fáciles de comprobar. Además de los datos del sistema, también es posible especificar la carga. El usuario de dicho software debe poder configurar ambos modelos correctamente. Esto requiere una coordinación correspondiente entre las partes involucradas. Dado que los ingenieros de los modelos a menudo no provienen de la misma oficina de planificación, surge la pregunta de quién paga los costes correspondientes de los modelos interdisciplinarios y las garantías para la corrección. Esto tiene que hacerse por adelantado. Indudablemente, aquí hay grandes oportunidades para BIM y las grandes empresas lo han reconocido. Si pueden representar la cadena de planificación completa, entonces los modelos BIM se pueden preparar de manera óptima con anticipación para su uso posterior para el análisis estructural.
Un aspecto importante al seleccionar el software adecuado es el soporte de diferentes formatos de datos. Cabe señalar que la descripción en el formato de datos actual debe convertirse en los objetos específicos del software. Una sola visualización o sólo referenciar los modelos de datos no es suficiente para el cálculo estructural y sólo puede contribuir a la verificación visual. Si el software puede importar varios modelos e interpretarlos en el propio modelo de objeto de datos, esto aumenta enormemente la flexibilidad y aumentan las posibilidades de un intercambio de datos con éxito y eficiente. Este es un factor de éxito crucial si, por ejemplo, los archivos de IFC Coordination View se van a utilizar en el software de análisis estructural.
Incluso si el esfuerzo parece ser un poco mayor al principio, la programación de herramientas propias simples para el intercambio de datos no se debe excluir desde el principio. Por lo tanto, es posible transferir fácilmente información adicional en forma de parámetros. Por ejemplo, es posible visualizar planos de posición a partir del análisis estructural en el software BIM, comunicar cambios o mostrar flujos de trabajo específicos de la empresa en el software. Para esto, es necesario que los productos de software participantes tengan APIs correspondientes que se puedan usar en lenguajes de programación simples comunes y conocidos (VBA, C #, etc.).
Los factores de éxito importantes para un intercambio de datos con éxito y eficiente son:
Estructura del modelo BIM también en términos de ingeniería estructural
- Integración temprana del ingeniero estructural y acuerdo sobre los tiempos de transferencia y los contenidos
- Definición de normas para descripciones de materiales y secciones (tablas de conversión)
- Modelado funcionalmente correcto y uniforme de componentes estructurales (pilares, vigas como objetos de barras, muros, techos como objetos de superficie)
- Modelado sección por sección de muros, techos y pilares por nivel
Definir el alcance y el contenido de la transferencia de datos
- ¿Quién crea el modelo estructural idealizado y en qué software (BIM o software de análisis estructural)?
- ¿Solo se transfieren dimensiones geométricas, líneas de acción estáticas u otra información estática como apoyos o uniones?
- ¿Quién define los casos de carga, las combinaciones de carga y las cargas?
- Quién está autorizado a cambiar qué: ¿Desplazamiento de componentes estructurales, adición o eliminación de componentes estructurales, definición de secciones y espesores de componentes?
- ¿Cómo y cuándo se realiza una comparación de modelo automatizada, si es necesario?
Definir etapas de trabajo
- ¿Quién trabaja cuándo y en qué área de modelo?
- Evite el procesamiento simultáneo de componentes idénticos siempre que sea posible
Prueba de los escenarios de intercambio y los formatos e interfaces de intercambio utilizados
- ¿BIM y el software de análisis estructural son compatibles con las mismas interfaces y en qué medida?
- Realización de pruebas en modelos manejables con objetos de reemplazo definidos
Disposición vinculante para que los modelos BIM estén disponibles
- Si es posible en varios formatos (IFC, formato de archivo propio del software, DWG/DXF, SDNF, STEP ...)
- Amplía las posibilidades de intercambio y permite comprobar y comparar los modelos
Resumen
La ingeniería estructural es una parte integral del modelado de información de construcción. El uso creciente de métodos de planificación orientados a BIM da como resultado nuevas cadenas de procesos digitales con la posibilidad de aumentar la eficiencia. El modelo BIM y el modelo estructural son de naturaleza diferente y la derivación de los modelos estructurales desde los modelos BIM no siempre es posible de forma automática y clara. Un cálculo eficaz del proceso de planificación en relación con el diseño estructural requiere una integración temprana del diseñador estructural, la consideración de aspectos de la planificación estructural y el intercambio de datos ya al crear el modelo BIM. El software utilizado debería ser capaz de convertir la información de geometría paramétrica proporcionada por las interfaces en objetos inteligentes específicos del software. En última instancia, la ingeniería estructural puede integrarse muy bien en el proceso BIM mediante una buena estrategia de intercambio de datos que se adapta al software utilizado.