BIM и анализ конструкций

От гл.редактора isicad.ru: С любезного разрешения автора, мы перепечатываем из его блога статью "BIM и анализ конструкций". Одна из причин - гордость за то, что тема, родившаяся в недрах isicad-дискусий, выросла в отдельную статью. Так фактически уже поступал, например, Владимир Талапов, предлагаю всем чувствующим в себе силы, последовать примеру наших ярких полемистов. В каком-то смысле их примеру уже последовал и я сам: заметив, что это предисловие перешло границы размера и жанра, я развернулся уже в блоге, см. только что опубликованную заметку "Вовсе не про БИМ".

Для тех, кто не в курсе

Если вы не следили за тем длящимся уже не первый год действом, которое когда-то называлось “дискуссия о BIM”, то знайте: источник вдохновения для этого текста лежит в статьях В. Талапова “Технология BIM: что можно считать по модели здания” и “Технология BIM: в основе лежит единая модель!” и в комментариях к ним, а также в некоторых ныне закрытых постах в блоге у Д. Левина.

Суть проблемы состоит в следующем: в статьях и комментариях был словесно оформлен вариант парадигмы BIM, который допускает ряд неверных суждений о природе отношений BIM и дисциплины расчетного моделирования и анализа моделей конструкций (проще говоря, “расчеты несущих конструкций”). Согласно этим суждениям:

• всю информацию о цифровом представлении здания и его систем можно и нужно собрать в единую информационную модель (при этом те же авторы в последнее время публикуют и противоположные мнения, что уже совсем странно, см. комментарий 3661 к статье);
• архитектурную модель можно полностью интегрировать с “конструкторской” моделью в такую единую модель и бесшовно переходить между этими разновидностями представлений модели сооружения; а также
• реализующий такой подход техпроцесс существует и внедрён для множества объектов строительства, включая, например, новый олимпийский стадион в Лондоне и почему-то Сиднейскую оперу.

Итак, давайте разберёмся, что в приведённых утверждениях неверно и почему неверное понимание роли конструктивной модели в BIM может в будущем сильно навредить дисциплине расчета.

А для этого нам нужно…

Определиться с терминами!

Очень большая, самая большая путаница всегда бывает от терминов. Давайте определимся с двумя вещами: с терминами и с самой архитектурой расчетного моделирования сооружений произвольной степени сложности.

Итак, мы с вами говорим о моделировании конструкций. Бывает три вида моделей конструкций.

1. Физическая модель, она же архитектурная модель. Её главный признак – строгое соответствие формы элементов модели тому, что должно быть возведено в реальности. Физическая модель — распространенный результат работы архитектурных BIM-пакетов, Строго говоря, даже плоские планы здания можно считать очень простой физической моделью, но мы ограничимся пониманием того, что результат моделирования конструкций в BIM со всеми атрибутами (перегородки, “пироги” стен, оборудование, даже мебель) – это физическая модель.
2. Конструктивная модель, она же неправильно называемая “аналитической” в материалах, относящихся к программе Revit Structure. Конструктивная модель состоит из конструктивных элементов (колонны, балки, пластины, грунтовые массивы и т.д.), специальных элементов (связи, жесткие вставки, нуль-элементы, шарниры и великое множество зависящих от среды реализации тонкостей) и целого набора свойств и параметров для анализа. Конструктивная модель – это (очень грубо говоря) то, что раньше рисовали на бумаге и называли “расчетной схемой”. Конструктивная модель – это не воспроизведение формы объекта, а абстракция, призванная наилучшим и наипростейшим образом передать механические особенности деформирования конструкции. В классическом образовании самым близким предметом для конструктивной модели является строительная механика.
3. Расчетная модель, которая для нас сейчас почти соответствует понятию “конечно-элементная модель”, она же численная модель – строится на базе конструктивной и передаётся непосредственно на расчет в специализированную программу анализа. Строго говоря, все расчетные модели делятся на два больших математических класса задач: аналитические модели (не путать с термином из Revit) и численные модели. Аналитическая модель (en:wiki) – это, например, символьная формула, или лист в MathCAD, или расчет по нормативам, – реализуется аналитическими методами. Численная модель – требует итерационного процесса решения. Все конечно-элементные решатели (например, ЛИРА, Autodesk Robot, ETABS) используют численное моделирование конструкций.

Вот от этих определений мы теперь и будем отталкиваться. Я сознательно для простоты не рассматриваю другие виды моделей – например, конструкторские модели, к которым относятся, например, смоделированные в 3D результаты расчета армирования по нормам. По выбранным нами критериям такая модель будет относиться к категории физических моделей, поскольку отображает действительную форму элементов. Мы сейчас не пытаемся отобразить реальную сложность процесса моделирования конструкций, а только устанавливаем некоторые базовые понятия: три категории моделей и их упрощенные отношения между собой.

Ну как? Имеет всё это смысл? Тогда поздравляю: мы дошли до сути.

Суть: у конструкционного BIM есть проблемы.

Итак, у нас есть трехуровневая категоризация моделей.

Теперь вспомним, что мы разговариваем о парадигме BIM, и покажем, как в рамках BIM (да и любого интегрированного техпроцесса моделирования) эти категории моделей сообщаются между собой (см. илл.).

Стоп, стоп! А почему на рисунке конструктивная модель появляется два раза?

Это не ошибка. Дело в том, что конструктивные модели бывают разные. Есть конструктивная модель, интегрированная в состав BIM и полностью соответствующая физической (т.е. архитектурной модели). Именно об этом виде конструктивной модели говорят BIM-евангелисты, когда рассуждают о единой информационной модели сооружения.

Совместимая с BIM конструктивная модель

Построить такую конструктивную модель сложно, но можно. Программы, которые претендуют на хотя бы минимальные функции вывода данных из BIM в каком-то подобии инфомодели, можно посмотреть в списке совместимости IFC.

Основные проблемы, возникающие на этом этапе – технические. Трудно бесшовно работать с конструктивной моделью на уровне BIM, поскольку у анализа конструкций есть масса технических нюансов, реализация которых зависит от конечной программы, в которой будет выполняться расчет (на этапе численной модели). Продуктов, действительно предназначенных для работы именно с этим видом конструктивной модели (например, Revit Structure), на самом деле немного (позже в цикле мы узнаем, почему).

Возможна работа с такой конструктивной моделью с использованием средств моделирования от разных вендоров (с целью реализации главного принципа эффективной интеграции в AEC: выполнять работу в том продукте, который лучше всего для неё предназначен), но сколько-нибудь эффективные результаты получаются, конечно, при использовании линейки программ одного производителя.

Совместимая с расчетами конструктивная модель

А что же другой вид конструктивной модели, отсечённый от остального BIM-процесса корявой красной молнией?

Дело в том, что для качественного анализа конструкции недостаточно попросту преобразовать полученную из BIM конструктивную модель в расчетную модель для нашей FEA-программы. Совместимая с BIM конструктивная модель ведь полностью аналогична физической модели, и следовательно, отражает точную форму конструкции.

Парадокс расчетного анализа состоит в том, что нам не надо отражать точную форму конструкции. Ведь, как мы уже писали, предназначение расчетной модели – абстракция от действительной конструкции с целью максимально просто смоделировать её механическую работу.

Из-за такого абстрагирования от реальной формы конструктивная модель, пригодная для расчетов, становится топологически несовместимой с моделью из BIM. Это значит, что мы не просто переходим к конструктивной модели при помощи инструмента вроде Structural Adjust (из продукта Autodesk Revit). Мы нарушаем целостность связей, номенклатуру объектов – всё, что можно нарушить в модели. Мы можем поменять колонны на стены и наоборот, заменить два объекта одним, разнести элементы в пространстве из-за особенностей расчета конкретной FEA-программы, убрать связи между элементами и смоделировать их через подходящую специальную функцию, доступную только в избранной нами программе анализа – короче говоря, сделать всё, чтобы результат так же мало походил на исходную подложку из BIM, как BIM мало походит на исходные двумерные DWG-кальки.

Напоследок в качестве примера приведем два относительно простых случая топологической несовместимости, которые оказались у меня под рукой.

1. Учет разбиения на конечные элементы соединений. На рисунке показана, допустим, железобетонная рампа с окружающими её стенами. В местах с плохой сеткой потребуется видоизменять конструкцию, причем приёмы её изменения могут зависеть от выбранной инженером конечной расчетной программы.


2. Более серьёзный случай топологической несовместимости с исходной моделью. Серый цвет – это монолитные стены реакторного отделения унифицированного энергоблока ВВЭР-1000 (т.е. физическая модель). Цветные жирные линии – это проекции стен в том положении, в котором они пойдут в конструктивную модель для динамического анализа. При этом целью была минимизация “плохих” пересечений стен между собой и со стенами следующего этажа, который имеет совершенно другую планировку. Второстепенные несущие элементы отбрасывались вовсе, иногда их свойства включались в соседние элементы по широко распространённой в анализе конструкций методике “размазывания” сечений.

А дальше

В этой заметке мы с вами выяснили, что у конструктивного BIM есть серьёзные проблемы и их ровно две. Одна – техническая (сложность автоматизации модели и передачи информации без потерь на расчет) и другая – концептуальная, на уровне топологии моделей (непригодность BIM-совместимой модели для анализа в силу принципиальной разницы исполняемых ролей – в одном случае точного воспроизведения формы, в другом случае – абстракции, схватывающей механическую работу конструкции).

Это первая часть цикла о BIM, в котором мы с вами, дорогой читатель, попробуем вынести на передний край обсуждения вопросов информационного моделирования дисциплину анализа конструкций. Дальше в цикле мы подробнее обсудим парадигму BIM и определения BIM, составим впечатление о перспективах BIM на англоязычном Западе на основе реальных сведений от практикующих инженеров и евангелистов технологии, узнаем, почему BIM имеет мало общего с анализом лондонского олимпийского стадиона, а ещё попробуем выяснить , как приверженцы единой модели относятся к завязке BIM на одного вендора.

Stay tuned, перерывов на рекламу у нас не будет.

Чтение на дом