digitalBau: встреча профессионалов
В феврале 2020 года в Кельне впервые состоялась новая выставка «Переход на цифровой формат в строительстве». После нескольких трудных лет для типовых выставок программного обеспечения в строительстве это стало первым успешным проведением новой выставки в данной индустрии. Стоит отметить, что данное мероприятие было посвящено исключительно программному обеспечению, и благодаря чему этот аспект не потерялся среди других многочисленных производителей строительных изделий, как это часто бывает. Для всех разработчиков строительных программы это было долгожданное событие, потому что основное внимание уделялось именно проектированию и расчету конструкций. Если вы внимательно следите за событиями последних лет, то можете наблюдать определенные тенденции, для которых digitalBau была хорошей возможностью реализации.
Информационное моделирование зданий становится все более значимым
Уже более 20 лет инженеры-проектировщики изучают возможности применения цифровых технологий для отображения всего жизненного цикла зданий. Но только сейчас оказывается, что речь идет не только о нескольких новаторах. Более того, инженеры-проектировщики воспринимают данный метод как возможность приобретения новых заказчиков, повышения эффективности работы и представления своей проектной компании в качестве инновационного и прогрессивного предприятия. Последний пункт нельзя недооценивать при найме на работу редких специалистов, которых трудно найти, и их сохранении в компании на длительный срок.
Новые версии программ содержат все больше инструментов для более эффективной обработки 3D-данных и обмена цифровыми данными. Этому предшествовало несколько лет, в течение которых архитекторы научились ценить преимущества цифровых двойников. С их помощью можно создать привлекательную визуализацию и быстро и точно выполнить оценку затрат. После создания 3D моделей целесообразно применить их и для других задач, таких как расчет и проектирование конструкций.
Зачем начинать все с самого начала, если можно импортировать все модели с помощью сертифицированного интерфейса Open BIM? Это являлось основной идеей. Тем не менее, на сегодняшний день хорошо известно, что цифровая расчетная модель принципиально отличается от 3D модели, созданной архитектором, даже если на первый взгляд выглядит одинаково. Хотя модель основана на размерах и данных цифрового двойника, она не обязательно содержит информацию об опорах, шарнирах и, например, связанных с ними нагрузках и сочетаниях нагрузок, которые необходимы для расчета. Кроме того, модель для расчета содержит значительные упрощения, без которых даже сегодня эффективные расчеты не возможны. Например, в модели BIM все конструктивные элементы обозначены в виде твердых тел.
При этом в модели расчета конструкций твердые тела используются редко. Вместо этого колонны и балки моделируются в виде одномерных конечных элементов, то есть с начальным и конечным узлом и линией между ними. Жесткость элемента обозначается характеристиками сечения и длиной линии. Таким образом, трехмерная геометрия тел преобразуется в простые каркасные модели. Это, в свою очередь, означает, что осевые линии и поверхности колонн, балок, перекрытий или стен не всегда пересекаются в узле или линии, чтобы можно было легко перейти на упомянутую каркасную модель. Вместо этого, часто требуется изменить расположение конструктивных линий действия и задать их более точно для того, чтобы получить связную, исчисляемую расчетную модель.
Поскольку для этого требуются инженерные знания, то данный процесс не всегда может быть полностью автоматизирован в программе и может быть чрезвычайно трудоемким. Современные программы BIM отображают данное несоответствие и содержат обе модели, включая конструктивную. Специальные инструменты удлиняют, укорачивают линии или находят близлежащие точки и назначают их в качестве конструктивных узлов. Если такие конструктивные модели на следующем этапе нужно передать в программу для расчета конструкций, то необходим общий формат обмена. Это не обязательно должен быть независимый от производителя формат IFC. Для BIM и программ для расчета конструкций имеется множество форматов и прямых интерфейсов, через которые данные импортируются непосредственно из одной программы в другую без промежуточного файла.
Новые цифровые решения для моделирования ветровых нагрузок
После импорта модели в программу для расчета конструкций требуется ее дальнейшая обработка. В дополнение к опорам, шарнирам и другим механическим параметрам, приложение нагрузки - это большой шаг. При традиционном подходе выполняются предположения к нагрузкам, которые заносятся в аналитическую модель в качестве нагрузок на стержни или поверхности. Для стандартных форм здания в нормах указано, какие нагрузки необходимо применить. Ввод нагрузок собственного веса, вынужденных и снеговых нагрузок обычно не вызывает особых проблем. У ветровых нагрузок это не так. Ветровые потоки и турбулентность нормированы только для простых строительных объектов. Даже самые обычные элементы, такие как мансардные окна, выступы крыши, навесы или частично открытые здания, могут быстро привести к случаям, в которых неясно, присутствуют ли втягивающие или сжимающие нагрузки и насколько они велики. Не смотря на это, с возможностями цифрового проектирования, вы можете спроектировать сложные и экстравагантные архитектурные формы зданий. Даже при условии, что будут сделаны допущения по нагрузкам, их применение в данном случае является весьма громоздким и длительным. Как и в расчете конструкций, для моделирования воздушных потоков можно применить методы конечных элементов, которые обычно применяются, например, в машиностроении для расчета потоков. Разумеется, для воздушных потоков и для определения давления ветра на здания применяется цифровое моделирование.
Именно поэтому моделирование ветровых нагрузок было главной темой на стенде компании Dlubal, занимающейся разработкой программ для расчета и проектирования конструкций, на выставке digitalBau в Кельне. Соответствующую программу RWIND Simulation можно интерпретировать как цифровую аэродинамическую трубу То, что анализируется на моделях-копиях в одной из немногих аэродинамических труб в Германии с большими временными и финансовыми затратами, теперь можно рассчитать гораздо быстрее. Цифровые модели, которые всегда присутствуют в работе с методом BIM, импортируются в программу и могут быть отображены с высокой степенью детализации. Кроме того, для моделирования ветровых воздействий важна топография окрестностей и прилегающей застройки. Ее можно дополнительно импортировать и правильно сориентировать по отношению к зданию. Соответствующие нормы определяют основные скорости ветра и турбулентность, которые должны быть применены в диаграммах. Они могут быть заданы в программе в качестве вертикального профиля ветра, в зависимости от нормы. На основе данных спецификаций начинается моделирование воздушных потоков из разных направлений. В результате мы получим анимационную визуализацию воздушных потоков и скоростей ветра, а также результирующее давление на поверхности конструкции, которые затем можно применить в качестве статической нагрузки.
Цифровая аэродинамическая труба может применяться еще более эффективно в сочетании с программой для расчета конструкций RFEM. Расчетные модели в 3D можно перенести прямо в цифровую аэродинамическую трубу. После завершения моделирования нагрузки будут автоматически переданы в качестве нагружения конструкции. При использовании программ CFD, таких как RWIND Simulation, значительная часть расчета конструкций переносится на совершенно другой уровень. Условия нагружения, основанные на CFD, дают возможность задать более реалистичные и, возможно, более экономичные и эффективные воздействия нагрузок для несущих конструкций. Кроме того, использование 3D-моделей в расчете конструкций и моделировании ветровых потоков экономит время при вводе ветровых нагрузок. С другой стороны, существует несоответствие в том, что применение нагрузок, основанных на нормах, не соответствует численно найденным нагрузкам из расчета CFD. Это вызывает сомнения, особенно если уровень нагружения ниже. Здесь необходимы контрольные расчеты и проверка численных результатов по известным эталонным параметрам.
Тем не менее, можно также утверждать, что реальные испытания в аэродинамических трубах лишь приблизительно соответствуют реальности из-за сильно уменьшенных моделей, ошибок в измерениях и распределении датчиков. Кроме того, в реальных испытаниях в аэродинамической трубе сложно определить упругость конструкции. В данном случае численные решения имеют большой потенциал. Более того, нормативы нагрузок представляют собой очень упрощенные методы, которые обычно считаются безопасным инструментом. Оба метода определения значений нагрузки - реальные испытания в аэродинамической трубе и упрощенные методы нормирования нагрузки - представляют собой лишь приближенность реальному состоянию. Поэтому нагрузки, найденные с помощью CFD и RWIND, являются, по крайней мере, хорошей альтернативой и помогают пользователю понять фактические условия. Это хороший пример того, как цифровые форматы, BIM и инновационные, новые продукты могут быть полезны в строительстве. Кроме архитектурной и расчетной модели, требуется также цифровая модель ветра. Будем надеяться, что правовые условия и методы проверки расчета конструкций будут соответствовать новым возможностям и активно участвовать в развитии технического прогресса.
Облачные сервисы
Еще одна широко обсуждаемая тема - использование облачных сервисов для расчета и проектирования конструкций. Речь идет не только о сохранении данных на серверах, но и о предоставлении информации на сайте и ее автоматическом применении. Что касается расчета конструкций, то уже имеется множество примеров, в которых можно выполнить расчеты в интернете. Примером того, каким образом проектирование конструкций может извлечь пользу из облачных услуг, является инструмент геолокации Dlubal Software. Данный сервис включает в себя карты зонирования для быстрого определения снеговой нагрузки, скорости ветра, а также сейсмические данные и данные по торнадо во многих странах по всему миру.
В настоящее время в процессе разработки находятся воздействия от цунами, температуры, дождей или обледенения. Карты зонирования основаны на цифровых картах онлайн-сервисов, таких как Google Maps или OpenStreetMap. Для каждой страны доступны к применению соответствующие нормы. Ограниченное количество запросов можно выполнить бесплатно. Ваш доступ ко всем картам зонирования будет активирован после входа в систему. Кроме того, через интерфейс (веб-приложение) сторонние веб-сайты могут автоматически запрашивать данные о нагрузках в любом месте на карте. Таким образом, данный сервис может быть включен в другие приложения.
В интернете вы можете также онлайн использовать таблицы характеристик сечений. Если раньше приходилось регулярно обновлять документы или получать характеристики сечений в печатном виде, то теперь вы можете считать последние данные в режиме онлайн. Имеются не только стандартные сечения, но и формы сечений, которые можно свободно задать с помощью размеров. Таким образом, онлайн-сервис предоставит вам гораздо больше, чем неизменные печатные таблицы.
Программы расчетов по МКЭ и рассчитанные по ним проекты иногда оказываются настолько сложными, что, в некоторых случаях, требуется интенсивная коммуникация с производителем программы. Здесь тоже наметилась тенденция к более спонтанному онлайн-обучению и встречам со службой техподдержки. Как и в личной коммуникации, со службой поддержки и пользователями можно связаться напрямую, по крайней мере, по первоначальным простым вопросам. Теперь это выходит за рамки обычного запроса по электронной почте, и вы можете использовать функции комментариев в социальных сетях, например в Facebook или Instagram, чтобы связаться с компанией. Некоторые производители также предлагают на своих сайтах функции чатов, которые автоматически выполняют поиск возможных ответов на вопросы с помощью искусственного интеллекта. Если раньше вы заказывали обучение, которое представляло собой многодневную поездку, то теперь вы можете расширить свои знания на канале Youtube, следуя записанные вебинары или мероприятия для заказчиков.
Веб-сайты, например Dlubal Software, превратились в комплексный портал для расчета конструкций. Кроме традиционного форума, мы предлагаем вам множество часто задаваемых вопросов (FAQ), которые помогут пользователям решить проблемы в нерабочее время. Профессиональные знания на конкретные темы предоставляют технические статьи. Целое содержание при этом доступно бесплатно, и кроме того, вы можете воспользоваться широкими возможностями поиска на основе текста или ключевых слов.
