isicad: IDEA StatiCa в рабочем BIM процессе

Первая статья автора о программе IDEA StatiCa: Расчёт узлов стальных конструкций компонентным методом конечных элементов.

Ключевые слова:

IDEA StatiCa, КМКЭ, компонентный метод конечных элементов, расчёт узлов стальных конструкций, расчётная модель, прямая интеграция, конструирование, облачный ресурс, узлы стальных конструкций, информационное моделирование, BIM.

Расчёт стальных узлов за несколько минут
Преимущества IDEA StatiCa
Взаимодействие IDEA StatiCa с другими программами
Заключение

Аннотация

В статье описаны функциональные возможности программы IDEA StatiCa Connection для расчёта и проверки узлов стальных конструкций в соответствии с нормами РФ и других стран. Отдельно рассмотрены возможности IDEA StatiCa, позволяющие снизить трудоемкость проектирования, а также интерфейсы, осуществляющие обмен данными с другими программами, что является одним из основополагающих принципов реализации технологии информационного моделирования (BIM).

1 Расчёт стальных узлов за несколько минут

1.1 Автоматизация в расчётах и проектировании

В настоящее время трудно представить проектную организацию, не использующую компьютерные программы для автоматизации расчётов. Количество программ для инженерного анализа велико, и пользователь стоит перед трудным выбором. К основным свойствам расчетной программы, которые влияют на выбор пользователя, можно отнести:

Надежность программы и достоверность результатов;
Соответствие нормам и правилам, принятым на данной территории или в отрасли;
Оперативность получения результатов и удобство работы.

Эти критерии носят субъективный характер, но в целом не противоречат общим принципам выбора такого программного обеспечения.

Остановимся на расчётах узлов соединений элементов, которые являются одними из наиболее уязвимых частей конструктивных систем любых зданий и сооружений. Широко известные универсальные программно-вычислительные комплексы (ПВК) могут справиться с подобной задачей, но не могут удовлетворить вышеуказанным критериям в полной мере. Процесс создания модели узла, её расчёт и получение результатов могут занимать несколько часов, а работа с нестандартными узлами – несколько дней. Это связано с тем, что такие ПВК предназначены для расчёта конструктивных систем в целом, а не для анализа соединений отдельных элементов. Перед разработчиками программного обеспечения была поставлена непростая задача: реализация быстрого и точного расчёта узлов стальных конструкций, удовлетворяющего требованиям строительных норм и правил. Решить её первыми удалось специалистам из Чешской республики, где появилось специализированное программное обеспечение IDEA StatiCa. Теперь расчёт и проверки стальных узлов по нормам занимают всего несколько минут.

1.2 Расчёт стальных узлов в IDEA StatiCa

В IDEA StatiCa реализован так называемый компонентный метод конечных элементов (КМКЭ). Он был разработан кафедрой стальных и деревянных конструкций факультета Гражданского строительства Чешского технического университета в Праге и факультетом металлических и деревянных конструкций Технологического университета в Брно в рамках гранта на научно-исследовательскую работу и защищён патентом. КМКЭ сочетает в себе следующие преимущества:

Надёжность получаемых результатов
В процессе разработки моделей компонентов, реализованных в IDEA StatiCa, было выполнено большое количество тестовых расчётов, натурных и численных экспериментов. Результаты этой работы собраны в книгу «Benchmark cases for advanced design of structural steel connections» [2]. КМКЭ модель даёт инженеру точное и проверенное решение поставленной задачи.
Универсальность
КМКЭ подходит для большинства соединений различной конфигурации – опорных и рамных узлов, узлов покрытия и других, распространённых в инженерной практике. Пользователь не ограничен стандартной геометрией.
Наглядность
КМКЭ модель (рис. 1-1) даёт современному инженеру достаточное количество информации о поведении узла, его напряжённо-деформированном состоянии и коэффициентах использования отдельных компонентов, а также результатах общих проверок [1].

Кроме этого, программа обладает такими функциональными особенностями, как:

Интуитивный пользовательский интерфейс;
Встроенный редактор соединений;
Пользовательские шаблоны узлов;
Интерфейсы взаимодействия с CAD и FEA программами.

Рис. 1-1. КМКЭ модель сложного узла в IDEA StatiCa Connection

Благодаря этому IDEA StatiCa позволяет выполнять расчёт и проверки стальных узлов различной конфигурации в соответствии с нормами всего за несколько минут.

2 Преимущества IDEA StatiCa

2.1 Пользовательский интерфейс

Основным отличием IDEA StatiCa от других МКЭ программ является инженерный подход к созданию модели узла, что делает интерфейс программы простым и понятным. Рассмотрим этот вопрос более детально.

Материалы и их модели
Пользователь не тратит время на ввод диаграмм материалов с нужными характеристиками – в IDEA StatiCa есть встроенная библиотека марок стали, классов бетона, болтовых соединений и электродов. Инженер-конструктор работает с привычными ему понятиями.
Конструирование узла
Расчётная модель не собирается вручную из конечных элементов – стержней, пластин и объёмных тел. Все объекты модели создаются с помощью так называемых монтажных операций, понятных каждому инженеру-конструктору. К примеру, требуется соединить две детали сварным швом, для этого достаточно добавить операцию «Сварка» и сказать, какие детали нужно соединить. Создавать для этого конечные элементы или вводить в схему объединения перемещений не нужно [1].
Загружения
В IDEA StatiCa Connection пользователь работает с моделью узла, который выделяется из общей схемы. Поэтому действие отброшенной части заменяется внутренними усилиями, которые прикладываются к элементам, сходящимся в узле, и удовлетворяют фундаментальному принципу равновесия. Их можно задать вручную или импортировать из сторонних программ.
Сетка конечных элементов и расчёт
Чтобы выполнить расчёт модели, достаточно нажать на соответствующую кнопку ленты. Сетка конечных элементов будет сгенерирована автоматически. В IDEA StatiCa имеется 5 встроенных режимов расчёта: упругопластический (основной), линейный расчёт устойчивости, расчёт жёсткости прикрепления, расчёт с учётом появления пластического шарнира и расчёт несущей способности узла [1]).
Отчёт по результатам
После выполнения расчёта программа выдаёт не только таблицы с усилиями и напряжениями в отдельных элементах, но и необходимые коэффициенты использования компонентов узла, которые вычисляются в соответствии с СП 16.13330.2017 или другими нормами проектирования. Данные из отчёта можно экспортировать в DOC, PDF или DXF формат.

2.2 Встроенный редактор узлов

Встроенный редактор узлов – это первое окно, которое видит пользователь при запуске IDEA StatiCa Connection (рис. 2-1).

Рис. 2-1. Встроенный редактор узлов

В программе имеется обширная библиотека встроенных шаблонов узлов (более 150), благодаря которым создание модели занимает всего пару минут. Пользователь только выбирает класс, или тип узла (балочный, рамный, ферменный, опорный), затем его топологию (взаимное расположение элементов), подходящую конструкцию узла или его исполнение и нужные характеристики используемых болтов, анкеров, сварных швов, марки стали и нормы проектирования, по которым будут выполняться проверки. Далее остаётся только нажать на кнопку «Создать проект». После этого конструкцию узла можно доработать вручную, если это необходимо.

2.3 Пользовательские шаблоны узлов

В инженерной практике часто используются типовые решения. Этот вопрос особенно актуален при конструировании стальных узлов. В IDEA StatiCa Connection можно создавать свои собственные шаблоны узлов, добавлять их в базу данных и затем использовать в рабочих проектах. Благодаря этой функции можно существенно сократить трудозатраты на моделирование и расчёт однотипных соединений, сделав их параметрическими.

Рис. 2-2. Диспетчер шаблонов узлов IDEA StatiCa

Все создаваемые шаблоны хранятся в пользовательской библиотеке (рис. 2-2), их можно импортировать (подгружать в библиотеку извне) и экспортировать (выгружать из программы на рабочий компьютер).

3 Взаимодействие IDEA StatiCa с другими программами

Расчёт и проектирование стальных узлов обычно выполняются после компоновки схемы здания или сооружения и выполнения статического расчёта всей конструкции. Однако, даже имея современное специализированное ПО, на создание расчётной модели узла приходится тратить дополнительное время. Этого можно избежать, если задействовать созданные ранее CAD- и FEA-модели здания или сооружения из других программ. В итоге для конструирования будет использоваться одна расчётная модель, состоящая из двух других:

Физической (геометрия узла и характеристики отдельных компонентов) и
Аналитической (конечно-элементная модель с заданными жесткостями и нагрузками)

Такой подход позволяет значительно сократить трудозатраты на конструирование узлов, особенно когда их конфигурация становится сложной, а количество превышает сотню.

3.1 Создание расчётной модели с помощью функции импорта

Импорт модели узла в IDEA StatiCa Connection осуществляется с помощью встроенных интерфейсов с другими CAD и FEA программами. На данный момент разработаны приложения (плагины), реализующие связь со следующим ПО:

CAD-программы: Tekla Structures, Advance Steel, Revit;
FEA-программы: ETABS, SAP2000, Robot Structural Analysis и др.

Использование этих приложений позволяет:

быстро создавать расчётную модель узла;
работать сразу с несколькими узлами одновременно;
импортировать сразу несколько загружений для одного узла.

Рассмотрим особенности процесса импорта физической и аналитической моделей из Tekla Structures и SAP2000 соответственно (рис. 3-1) на примере рамного узла.

Рис. 3-1. Модель сооружения в Tekla Structures и её расчётная схема в SAP2000

3.1.1 Импорт модели узла из Tekla Structures в IDEA StatiCa

Для импорта узла требуется открыть модель конструкции в Tekla Structures и запустить плагин «Code-check manager» с главной ленты (рис. 3-2):

Рис. 3-2. Интерфейс Tekla Structures. Плагин «Code-check manager»

После этого появляется главное окно приложения (рис. 3-3). Сперва выбираются нужные нормы проектирования, затем выделяется сам узел – поочередно отмечаются точка узла, примыкающие к нему элементы и остальные детали (пластины, фасонки, болты и сварные швы). По завершении процедуры нужный узел будет полностью импортирован в IDEA StatiCa – его физическая модель (рис. 3-6, левая часть) будет готова быстрее чем за минуту. Для выполнения расчёта остаётся только задать нагрузки.

Рис. 3-3. Главное окно плагина «Code-check manager»

3.1.2 Импорт модели узла из SAP2000 в IDEA StatiCa

После импорта из Tekla необходимо открыть модель этой же конструкции в SAP2000 и выполнить её расчёт, а затем – запустить приложение «Code-check manager» на панели инструментов:

Рис. 3-4. Интерфейс SAP2000. Плагин «Code-check manager»

Сперва выделяются нужный узел и примыкающие к нему элементы, а затем выбираются нормы проектирования. Процесс импорта аналитической модели узла (топологии, сечений и нагрузок) в IDEA StatiCa (рис. 3-6, средняя часть) занимает считанные минуты.

3.1.3 Расчёт узла и создание отчёта по результатам

Для выполнения расчёта требуется объединить обе модели – физическую (из Tekla) и аналитическую (из SAP2000) в одну расчётную. Для этого в IDEA StatiCa открывается первый проект (физическая модель), затем нажимается кнопка ленты «Импорт из проекта» (рис. 3-5).

Рис. 3-5. Интерфейс IDEA StatiCa Connection. Кнопка импорта нагрузок

В появившемся окне выбирается второй файл IDEA StatiCa (аналитическая модель), и нагрузки прикладываются к нужным элементам автоматически. Создание расчётной модели стального узла (рис. 3-6) занимает менее 3 минут.

Рис. 3-6. Физическая, аналитическая и расчётная модели узла в IDEA StatiCa Connection

Далее с помощью кнопки «Рассчитать» запускается упругопластический расчёт узла [1]. Сетка конечных элементов генерируется автоматически. По завершении расчёта формируется отчёт по результатам (рис. 3-7).

Рис. 3-7. Отчёт. Результаты проверки сварных швов

Благодаря функции импорта физической и аналитической моделей расчёт стального узла и его проверки по СП 16.13330.2017 заняли всего 5 минут.

3.2 Облачный сервис для обмена данными

Созданием информационной модели здания и расчётами могут заниматься разные организации. Обмен данными между специалистами и процессы согласования занимают длительное время. Функции импорта значительно ускоряют этот процесс.

Представим следующую ситуацию: организация «А» занимается созданием информационной модели в Tekla или Revit, но не располагает техническими ресурсами для выполнения необходимых расчётов узлов и соединений. Этим занимается организация «Б» и выполняет расчёты в IDEA StatiCa Connection. Как выстроить процесс совместной работы наиболее эффективным образом? Даже в такой непростой ситуации это возможно благодаря облачному (онлайн) ресурсу «Viewer».

Рис. 3-8. Плагин «Viewer». Модель узла в облаке

Специалисты организации «А» передают узел из CAD программы в приложение «Viewer» (рис. 3-8). Далее из сети загружается его расчётная модель. Этот файл передаётся специалистам организации «Б», которые выполняют в IDEA StatiCa все необходимые расчёты и выдают готовый отчёт, где приводятся коэффициенты использования компонентов узла, подробные пояснения ко всем нормативным проверкам, графические материалы в виде изополей напряжений и деформаций, а также ведомость материалов в DXF формате (рис. 3-9). Детальный отчёт может быть экспортирован в DOC или PDF файл и передан обратно организации «А».

Все файлы, необходимые для работы этого приложения, можно найти на официальном сайте разработчика в разделе загрузок. Для их использования не обязательно наличие IDEA StatiCa на рабочем компьютере.

Рис. 3-9. Отчёт. Ведомость материалов

3.3 Открытый API

Встроенные интерфейсы для прямой связи IDEA StatiCa Connection с другими программами, входящие в пакет поставки ПО, разрабатываются компанией IDEA StatiCa s.r.o. Подобные приложения также могут быть созданы и самостоятельно с помощью открытого программного интерфейса (API) IDEA StatiCa – IOM (IDEA Open Model). Для этого необходимо наличие API у программы, с которой реализуется связь, и базовые знания языков программирования (VBA, C#, Python и др.). Необходимую информацию можно найти на интернет-ресурсе GitHub: https://github.com/idea-statica.

4 Заключение

Процесс конструирования стальных узлов может занимать много времени даже при наличии современного ПО. В IDEA StatiCa расчёты и проверки по нормам даже сложных узлов выполняются всего за несколько минут.
Разработанные приложения для взаимодействия IDEA StatiCa с другими программами позволяют ей стать частью рабочего BIM‑процесса организации, сокращая трудозатраты на проектирование. IDEA StatiCa не заменяет, а дополняет имеющееся ПО. Высокие показатели быстродействия в сочетании с эффективностью, надёжностью и качеством получаемых результатов делают IDEA StatiCa особенно востребованной в проектных и строительных организациях.

Список использованной литературы

Р. В. Бароев. Расчёт узлов стальных конструкций компонентным методом конечных элементов [Электронный ресурс] / Р. В. Бароев – Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=20749, свободный.
Benchmark cases for advanced design of structural steel connections / FrantisekWald et al. – Czech Technical University in Prague, 2019 – 230 c.