Spotkanie branżowe: digitalBau
W lutym 2020 r., w Kolonii, po raz pierwszy odbyły się nowe targi „Digitization in the Construction Industry”. Po wielu latach kiedy imprezy branży budowlanej skupiały się zwykle na dostawcach materiałów i systemów, jest to pierwsza udana zmiana koncepcji targów w tym sektorze przemysłu. Sukcesem jest fakt, że wydarzenie skupiło się wyłącznie na oprogramowaniu, a zatem segment ten nie został zdominowany przez innych wystawców. Było to spotkanie wszystkich znanych producentów oprogramowania w branży budowlanej, w szczególności w zakresie analizy i projektowania konstrukcji. Jeśli uważnie prześledzić wydarzenia ostatnich lat, można zauważyć pewne trendy, a digitalBau było świetną okazją do ich wychwycenia.
Modelowanie BIM staje się coraz ważniejsze
Od ponad 20 lat inżynierowie budowlani analizują, w jaki sposób można wykorzystać możliwości komputerów do prześledzenia i zaplanowania całego cyklu życia obiektów budowlanych. Ale wydaje się, że póki co zajmuje się tym nie więcej niż kilku pionierów. Konstruktorzy coraz częściej uznają to zagadnienie za potencjalnie atrakcyjne i rozwój w tym kierunku traktują jako okazję do pozyskania nowych klientów, bardziej efektywnej pracy i zaprezentowania swojego biura inżynierskiego jako innowacyjnego oraz postępowego. Ten ostatni aspekt pozostaje nieoceniony, jeśli chodzi o zatrudnienie trudnych do pozyskania pracowników o specjalistycznej wiedzy inżynierskiej oraz zatrzymanie ich na dłużej.
Nowe wersje oprogramowania zawierają coraz więcej narzędzi do lepszej obróbki danych 3D i do komunikacji z innym programami. Wynika to z kilku poprzednich lat, kiedy to architekci coraz bardziej zaczęli doceniać zalety pełnych modeli cyfrowych (ang. digital twin). Pomagają one tworzyć atrakcyjne wizualizacje oraz umożliwiają szybkie i dość precyzyjne oszacowanie kosztów. Po utworzeniu odpowiednich modeli 3D, można je wykorzystać do innych zadań, takich jak analiza statyczno-wytrzymałościowa i projektowanie.
Dlaczego zaczynać modelowanie od początku jeśli można importować modele z certyfikowanym interfejsem Open BIM? Takie było dotychczasowe podejście. Jednak obecnie jasne jest, że cyfrowy model obliczeniowy zasadniczo różni się od modelu 3D stworzonego przez architekta, nawet jeżeli na pierwszy rzut oka wygląda tak samo. Mimo że dane oparte są na wymiarach i danych geometrycznych modelu typu „digital twin”, niekoniecznie zawierają informacje o podporach, przegubach oraz obciążenia i kombinacje obciążeń, konieczne dla przeprowadzenia obliczeń. Ponadto model analityczny zawiera znaczne uproszczenia, bez których nie byłoby możliwe przeprowadzenie efektywnych obliczeń nawet przy obecnej mocy komputerów. Na przykład w modelu BIM wszystkie komponenty konstrukcyjne są opisywane jako bryły.
W modelach do analizy statycznej elementy bryłowe są jednak rzadko stosowane w obliczeniach. Zamiast tego słupy i belki są modelowane jako elementy skończone 1D, tzn. z węzłem początkowym i końcowym oraz linią pomiędzy tymi punktami. Sztywność elementu opisywana jest przez parametry przekroju oraz długość linii. Geometria bryły 3D ulega zatem znacznemu uproszczeniu do prostych modeli szkieletowych. To z kolei oznacza, że linie środkowe i powierzchnie słupów, belek, stropów lub ścian nie zawsze stykają się we wspólnym węźle lub linii, dzięki czemu można łatwo przejść do wspomnianego modelu szkieletowego. Zamiast tego często konieczne jest przesuwanie i ponowne definiowanie położenia linii konstrukcyjnych elementów, aby uzyskać spójny model analityczny umożliwiający tworzenie siatki MES.
Ponieważ wymaga to wiedzy inżynierskiej, proces ten nie zawsze można w pełni zautomatyzować przez algorytmy oprogramowania. Nowoczesne oprogramowanie BIM informuje użytkownika o niekompatybilnościach, a oba modele - w tym analityczny model konstrukcyjny - są dostępne w podglądzie. Specjalne narzędzia wydłużają, skracają lub wyszukują pobliskie punkty i definiują je jako węzły konstrukcyjne. Jeżeli modele te zostaną w kolejnym kroku przeniesione do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej, wymagany jest wspólny format wymiany danych. Nie zawsze musi to być format IFC niezależny od producenta. Istnieje wiele formatów, a także bezpośrednie interfejsy między BIM a oprogramowaniem do analizy statyczno-wytrzymałościowej, w których dane są importowane bezpośrednio z jednego programu do drugiego, bez użycia pliku pośredniego.
Nowe cyfrowe rozwiązania do symulacji obciążenia wiatrem
Po zaimportowaniu modelu do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej należy go dodatkowo dostosować. Oprócz podpór, przegubów i innych parametrów mechanicznych, przyłożenie obciążenia to duży krok naprzód. W tradycyjnym podejściu przyjmuje się pewne założenia dotyczące obciążenia i wprowadza do modelu analitycznego jako obciążenia prętowe lub powierzchniowe. W przypadku budynków o regularnych kształtach normy dotyczące obciążeń wskazują, jakie obciążenia należy zastosować. Zastosowanie obciążeń od ciężaru własnego, użytkowego i obciążenia śniegiem zazwyczaj powoduje tylko kilka problemów. W przypadku obciążeń wiatrem sytuacja jest inna. Przepływy wiatru i turbulencje są regulowane tylko w przypadku prostych obiektów budowlanych. Nawet najbardziej powszechne elementy, takie jak lukarny, okapy, zadaszenia lub częściowo otwarte budynki, mogą szybko doprowadzić do sytuacji, w których nie będzie jasne, czy występują obciążenia ssące lub ściskające oraz ich wielkość. Jednak dzięki możliwości planowania przestrzennego można projektować budynki o skomplikowanych i ekstrawaganckich kształtach. Nawet jeśli można tu przyjąć założenia dotyczące obciążenia, ich stosowanie jest bardzo uciążliwe i czasochłonne. Podobnie jak w przypadku wykorzystania analizy statyczno-wytrzymałościowej do symulacji przepływu wiatru, można również wykorzystać metody MES, które są zwykle stosowane na przykład w inżynierii mechanicznej do analizy przepływów. Metody te są powszechnie stosowane na przykład w inżynierii mechanicznej do analizy przepływów.
Dlatego symulacja obciążeń wiatrem była głównym tematem stoiska firmy Dlubal, producenta oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej, na targach digitalBau w Kolonii. Odpowiedni program RWIND Simulation można interpretować jako cyfrowy tunel aerodynamiczny. To, co było analizowane na modelach-kopiach w jednym z niewielu tuneli aerodynamicznych w Niemczech, było analizowane w sposób czasochłonny i kosztowny, teraz może zostać przeanalizowane znacznie szybciej. Modele cyfrowe, które są już dostępne w przypadku korzystania z metody BIM, są importowane do oprogramowania i mogą być wyświetlane z dużą szczegółowością. Ponadto, topografia otoczenia i sąsiednich budynków jest istotna w symulacjach wiatru. Można je dodatkowo zaimportować i wyrównać względem budynku. Stosowne normy określają podstawowe prędkości wiatru i turbulencje, które stanowią dane wejściowe przy symulacji. W zależności od normy można je zdefiniować w programie jako pionowy profil wiatru. Od tych ustawień rozpoczyna się symulacja przepływu wiatru z różnych kierunków. W rezultacie otrzymujemy animowane wizualizacje przepływów i prędkości wiatru, a także wynikających z tego nacisków na powierzchnię konstrukcji, które następnie można wykorzystać jako obciążenie konstrukcyjne.
Cyfrowy tunel aerodynamiczny można wykorzystać jeszcze efektywniej w połączeniu z oprogramowaniem do analizy statyczno-wytrzymałościowej RFEM. Modele analityczne 3D można przenieść bezpośrednio do cyfrowego tunelu aerodynamicznego. Po zakończeniu symulacji obciążenia są automatycznie przenoszone jako przypadek obciążenia konstrukcyjnego. Korzystając z oprogramowania CFD, takiego jak RWIND Simulation, znaczna część analizy statyczno-wytrzymałościowej przenosi się na zupełnie inny poziom. Symulacje oparte na CFD umożliwiają określenie bardziej realistycznych, być może również bardziej ekonomicznych i bezpiecznych oddziaływań dla konstrukcji wsporczych. Wykorzystanie modeli 3D w analizie statyczno-wytrzymałościowej i symulacji wiatru pozwala również zaoszczędzić czas podczas wprowadzania obciążeń wiatrem. Z drugiej strony istnieje rozbieżność polegająca na tym, że obciążenia oparte na normach obciążeniowych nie odpowiadają obciążeniom wyznaczonym numerycznie z analizy CFD. Rodzi to wątpliwości, zwłaszcza gdy poziom obciążenia z symulacji jest niższy niż w normie. Niezbędne są tutaj obliczenia referencyjne i weryfikacja wyników numerycznych w stosunku do znanych standardów.
Jednakże testy w rzeczywistym tunelu aerodynamicznym również odwzorowują rzeczywistość tylko w przybliżeniu ze względu na skalę modeli inną niż 1:1, błędy pomiarowe oraz rozmieszczenia czujników. Ponadto trudno jest określić sprężystość budynków w prawdziwym teście w tunelu aerodynamicznym. Ogromny potencjał tkwią w rozwiązaniach numerycznych. Ponadto, normy obciążeniowe stosują zwykle metody bardzo uproszczone, zazwyczaj uważane za bardzo konserwatywne. Obie metody określania obciążenia - test w rzeczywistym tunelu aerodynamicznym oraz metody uproszczone z norm obciążeniowych - stanowią zatem jedynie przybliżenie rzeczywistości. Z tego względu obciążenia wyznaczone za pomocą CFD i RWIND są co najmniej dobrą alternatywą i pomagają użytkownikowi zrozumieć rzeczywiste warunki. To dobry przykład tego, w jaki sposób branża budowlana może skorzystać z cyfryzacji i BIM, a także innowacyjnych i nowych produktów. Oprócz modelu architektonicznego i analitycznego wymagany jest cyfrowy model wiatru. Miejmy nadzieję, że uwarunkowania prawne i metody kontroli analizy statyczno-wytrzymałościowej zostaną dostosowane do nowych możliwości i będą aktywnie wpływać na postęp techniczny.
Usługi w chmurze
Kolejnym często poruszanym tematem jest wykorzystanie usług chmurowych do analizy statyczno-wytrzymałościowej i projektowania. Nie chodzi tu jednak tylko o zapisywanie danych na serwerach, ale także o udostępnianie informacji w sieci i zautomatyzowane korzystanie z nich. W związku z analizą statyczno-wytrzymałościową istnieje już wiele przykładów, w których obliczenia można przeprowadzić w Internecie. Przykładem tego, w jaki sposób planowanie konstrukcyjne może skorzystać z usług w chmurze, jest narzędzie Geo-Zone Tool firmy Dlubal Software. Usługa obejmuje mapy stref obciążenia śniegiem i wiatrem, a także dane dotyczące trzęsienia ziemi i tornad dla wielu krajów na całym świecie.
Oddziaływania na fale tsunami, temperaturę, deszcz i lód są obecnie w opracowaniu. Mapy stref są oparte na cyfrowych mapach usług mapowych online, takich jak Google Maps i OpenStreetMap. Dla każdego kraju dostępne są odpowiednie normy. Ograniczona liczba wniosków jest dostępna bezpłatnie. Dostęp do wszystkich map stref zostaje aktywowany po zalogowaniu. Dostępna jest dodatkowa aplikacja internetowa do automatycznego przesyłania danych ze stron internetowych innych firm do dowolnej lokalizacji. W ten sposób usługa może zostać dodana do innych aplikacji.
Ponadto można korzystać z tabel przekrojów online. Wcześniej należało regularnie aktualizować dokumenty lub uzyskiwać właściwości przekrojów w formie drukowanej, ale teraz można uzyskać dostęp do najnowszych wersji online. Dostępne są nie tylko przekroje standardowe, ale także kształty przekrojów, które można wprowadzić za pomocą wymiarów. Dzięki temu usługa online to znacznie więcej niż tylko niezmienna książka w formie drukowanej.
Programy MES i obliczone za ich pomocą projekty są czasami tak złożone, że w niektórych przypadkach konieczny jest intensywny kontakt z producentem oprogramowania. Pojawia się zatem tendencja do nieplanowanych szkoleń online oraz indywidualnego wsparcia technicznego. Podobnie jak w życiu prywatnym, z zespołem wsparcia i użytkownikami można skontaktować się bezpośrednio, przynajmniej w przypadku pierwszych prostych pytań. Teraz wykracza to znacznie poza zwykłe prośby e-mailowe, a do skontaktowania się z firmą można użyć funkcji komentowania w mediach społecznościowych, takich jak Facebook i Instagram. Niektórzy producenci oferują również funkcje czatu na swoich stronach internetowych, które wykorzystują sztuczną inteligencję do automatycznego wyszukiwania możliwych odpowiedzi na zadawane pytania. Jeśli wcześniej zarezerwowałeś szkolenie z kilkudniową wycieczką, możesz teraz poszerzyć swoją wiedzę na kanale YouTube o nagrane webinarium lub wydarzenie dla klienta.
Strony internetowe, na przykład firmy Dlubal Software, zostały przekształcone w obszerny portal do analizy statyczno-wytrzymałościowej. Oprócz tradycyjnego forum, istnieje wiele najczęściej zadawanych pytań (FAQ), które pomagają użytkownikom w rozwiązywaniu problemów poza godzinami pracy biura. Wiedzę techniczną na wybrane tematy zapewniają też fachowe artykuły techniczne. Wszystkie treści są dostępne bezpłatnie, a dodatkowo można skorzystać z obszernych opcji wyszukiwania, aby znaleźć odpowiedni artykuł.
