A Modelagem Analítica-Física e a Interoperabilidade Promovem Avanços BIM

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1 A Modelagem Analítica-Física e a Interoperabilidade Artigo Técnico da Bentley Raoul Karp, S.E. Vice-presidente, Desenvolvimento do produto Bentley Systems, Incorporated Josh Taylor, P.E. Gerente de Produtos Sênior, Estruturas Bentley Systems, Incorporated Publicado em Novembro de

2 Engenharia Estrutural para o Mundo Físico Avanços na Modelagem de Informação da Construção (BIM) À medida que o BIM se torna generalizado em todos os tipos de projetos de engenharia, os engenheiros estruturais estão ajustando seus fluxos de trabalho e ferramentas de software para se adaptarem aos desafios e oportunidades que esta tecnologia implica. Mas o que os engenheiros estruturais devem continuar fazendo e o que devem fazer de forma diferente? E, acima de tudo, que resultados e benefícios podem esperar se puderem aproveitar ao máximo um fluxo de trabalho BIM estrutural? Este artigo técnico avalia abordagens à modelagem estrutural que podem trazer benefícios significativos às equipes de engenharia estrutural. As novas tecnologias, como a aplicação de análise estrutural e projeto do STAAD CONNECT Edition da Bentley Systems, implementam estas abordagens. Como resultado, os engenheiros podem manter a qualidade do modelo enquanto respondem a mudanças e consideram mais alternativas de projeto em tempo hábil. Tendências em BIM Estrutural O número de projetos estruturais originados por um modelo BIM aumenta todos os dias. A McGraw-Hill relata que ao longo da última década, o número de empresas de engenharia que usam o BIM cresceu e já ultrapassa os 65 por cento. De acordo com o relatório, isto representa um aumento de 300 por cento. Este uso generalizado do BIM deve ser considerado uma faca de dois gumes para a indústria da engenharia estrutural. O software permite uma exploração mais significativa das alternativas de projeto com visualização imersiva para ajudar na tomada de decisão e também projetos arquitetônicos mais exóticos, que exigem uma idealização estrutural mais complexa. As arquiteturas singulares dos projetos colocam um fardo maior sobre o engenheiro estrutural para que considere as geometrias intrínsecas e as exigências crescentes no nível ambiental e de desempenho. BIM facilita projetos de arquitetura mais complexos, que exigem interoperabilidade estrutural melhorada. 1 The Business Value of BIM in North America, Multi-year trend analysis ( ), McGraw Hill Construction. 2

3 À medida que o nível de detalhe nos modelos BIM aumentou, a necessidade para a automação produzir idealizações precisas dos modelos de análise estrutural tornou-se essencial para que os engenheiros possam se manter competitivos. Sem a automação eficiente, o tempo do engenheiro será consumido na transformação da visão arquitetônica física para a idealização estrutural analítica necessária para a determinação precisa de exigências estruturais e comportamentos. Durante a última década, houve avanços de interoperabilidade significativos entre as ferramentas de análise estrutural e software de projeto para abordar a transformação de projetos arquitetônicos e estruturais físicos cada vez mais complexos em uma estrutura analítica idealizada (elemento finito). Uma vez que todos os aplicativos BIM permitem a modelagem de partes discretas de uma estrutura, nossos aplicativos estruturais devem ter um conceito fundamental de uma parte física mais facilmente mapeada para os modelos arquitetônicos em geometria, material e cargas. Os engenheiros usaram o método de elemento finito (FEM) para simular o comportamento de estruturas sujeitas a cargas há mais de meio século. Mas juntamente com sua flexibilidade e utilidade, o FEM inclui as despesas de gerar e gerenciar a malha de elementos finitos. Discretização de elementos físico-finito no STAAD.Pro CONNECT Edition. A responsabilidade de transformar este «modelo físico» em um «modelo de elemento finito» está completamente no software de análise estrutural e permite que os engenheiros passem mais tempo compreendendo o comportamento estrutural ou projetos alternativos e menos tempo criando ou manipulando objetos de elemento finito. O que é a Modelagem Analítica-Física em um Contexto Estrutural? Os engenheiros usaram o método de elemento finito (FEM) para simular o comportamento de estruturas sujeitas a cargas há mais de meio século. Mas juntamente com sua flexibilidade e utilidade, o FEM inclui as despesas de gerar e gerenciar a malha de elementos finitos. Um tempo significativo é gasto em malhas e novas malhas, especialmente quando mudanças arquitetônicas levam a muitas revisões de um modelo estrutural. Para os modelos de colunas e vigas, estas despesas são gerenciadas e parcialmente reduzidas usando elementos FEM únicos para representar objetos físicos inteiros. No entanto, mesmo neste caso, as interseções viga-pilar, que ligam suportes, arcos e outros detalhes adicionam complexidade à produção do modelo de elementos finitos idealizado e mantêm a fidelidade com o modelo BIM físico. 3

4 O domínio da lógica é necessário para produzir a idealização de elementos finitos em um modelo físico. Esta questão é exacerbada quando os elementos de placas são acrescentados para paredes, lajes ou outros componentes no plano. A complexidade do modelo aumenta significativamente e o gerenciamento de malhas se torna uma grande despesa uma vez que a compatibilidade na malha de elementos finitos entre os elementos planos e lineares com interseção e as diferenças na geometria de elementos físicos e finitos, se tornam uma preocupação primária. Isto é significativamente mais complexo em modelos 3D com paredes, lajes e vigas físicas com interseção em vários ângulos, caso em que as malhas se tornam tarefas demoradas e complexas para realizar manualmente. Modelo analítico-físico na interseção de várias lajes, paredes e vigas. O modelo Analítico-Físico é, mais precisamente, uma representação física do modelo de elementos finitos. Este modelo Analítico-Físico é ainda uma idealização do modelo físico preciso criado usando os aplicativos BIM. No entanto, é a um nível de granularidade dos objetos físicos, não dos nós, condições de contorno, nem elementos finitos 1D ou 2D. 4

5 Este modelo Analítico-Físico é ainda uma idealização do modelo físico preciso criado usando os aplicativos BIM. Entregando a maior parte da responsabilidade da discretização (convertendo os objetos Analíticos-Físicos em entidades de elementos finitos) ao software estrutural, o engenheiro pode se adaptar de forma mais eficiente às alterações no modelo e seu carregamento como membros, superfícies e cargas já não precisa de ser discretizado para aplicar ao modelo de elementos finitos. O aplicativo de análise estrutural STAAD.Pro da Bentley integra estas filosofias para suportar um fluxo de trabalho mais físico no qual as alterações são mais fáceis de fazer. O recém lançado STAAD.Pro CONNECT Edition inclui um novo ambiente de modelagem física para a criação e manutenção de um modelo Analítico-Físico. O usuário pode gerar o modelado físico ou usar a abordagem tradicional de modelagem de elementos finitos. Quando a abordagem do modelo físico é usada, o STAAD.Pro automatiza o processo para idealizar a estrutura e as cargas em um modelo de elemento finito. Neste fluxo de trabalho, as alterações geométricas são feitas apenas no modelo analítico-físico e o modelo de elementos finitos é regenerado conforme necessário, à medida que o modelo físico evolui. O usuário pode escolher, em qualquer momento, desconectar o modelo de elementos finitos do modelo físico e continuar usando a abordagem tradicional de modelagem de elementos finitos do STAAD.Pro. Esta abordagem que combina o melhor dos dois mundos permite aos engenheiros aproveitar as novas funcionalidades de fluxo de trabalho do BIM sem perder a flexibilidade de manipular o modelo de elementos finitos como tradicionalmente. Particularmente onde as paredes e lajes são consideradas, a abordagem de modelagem física não oferece apenas melhorias no fluxo de trabalho BIM, mas também vantagens de eficiência de modelagem em relação às versões anteriores do STAAD.Pro. Quando os elementos de superfície ou de placa no STAAD.Pro são discretizados em uma malha de elementos finitos, o objeto original a partir do qual os elementos finitos foram criados é perdido. Qualquer manipulação adicional da superfície ou placa deve ser feita nos elementos finitos individuais desse ponto para a frente. Suponha que um usuário quer adicionar ou mover aberturas para uma laje. Para fazê-lo usando o fluxo de trabalho do elemento puramente finito do STAAD.Pro, o usuário precisa manipular, de forma monótona, os nós, elementos e cargas na malha de elementos finitos. Rever as aberturas em modelos de elementos finitos pode ser complicado. 5

6 O fluxo de trabalho de modelagem física do STAAD.Pro supera essa limitação. São feitas alterações à laje física e a malha de elementos finitos é então regenerada. As aberturas podem ser criadas especificando novos nós em qualquer lugar no piso. A abertura é definida como um conjunto de nós que formam o limite de abertura. A abertura pode ser reposicionada ou redimensionada simplesmente revendo as coordenadas do nó correspondentes. Quando as aberturas são adicionadas, o modelo de elemento finito é recriado, com o modelo físico como restrição, simplesmente regenerando o modelo analítico. Modelagem Física no STAAD.Pro CONNECT Edition e malha automatizada de elementos finitos. O tamanho e a configuração (elementos triangulares vc. quadrangulares) da malha de elementos finitos podem ser especificados no Modelador Físico STAAD.Pro, onde está disponível uma configuração global. Além disso, o tamanho da malha pode ser controlado usando o parâmetro "Tamanho da Malha" associado a cada elemento de superfície física. Pode ser atribuído um valor diferente para cada elemento. Tamanho da malha do modelo de elementos finitos controlado através da ferramenta de modelagem física do STAAD.Pro CONNECT Edition. 6

7 Benefícios do Modelo Analítico-Físico Uma vantagem significativa de trabalhar com um modelo Analítico-Físico está relacionada com a velocidade e precisão com a qual as mudanças podem ser realizadas, manualmente ou através de um modelo BIM. No Modelador Físico do STAAD.Pro CONNECT Edition por exemplo, as cargas superficiais e de linha deixam de estar divididas e aplicadas a membros de elementos finitos individuais, mas podem ser associadas com os membros físicos de apoio para se ajustarem automaticamente à medida que as áreas tributárias ou geometrias do membro mudam. Outro benefício significativo de operar em um modelo estrutural físico é a correlação próxima, mas não exata, do modelo BIM físico. Esta correlação próxima permite um nível significativamente superior de fidelidade quanto à interoperabilidade da informação entre o software estrutural e o modelo BIM físico. Mas não é uma solução milagrosa. Desafios da Interoperabilidade BIM As construções de dados fundamentais diferem entre aplicativos de software. Por exemplo, as "aberturas de lajes" de um aplicativo são a "haste de entrada" de outro. Embora, fundamentalmente, a manifestação física seja a mesma, a necessidade de transformar entre uma "abertura em uma única laje física" e a construção de um «espaço negativo extrudado através de várias histórias» não é trivial. Outro desafio comum relacionado às abordagens de elementos físicos versus finitos em produtos de software é como lidam com determinados perfis de membros (formas). Além das diferentes convenções de nomeação de seção que devem ser abordadas pelo engenheiro, a forma como os aplicativos manipulam formas construídas também varia. Um ângulo duplo em um aplicativo pode ser dois ângulos individuais em outro. Estes são apenas alguns exemplos de problemas analíticos para o modelo de elementos físicos a finitos que devem ser entendidos e abordados através do processo de interoperabilidade. É provável que estes problemas continuem desde que existam diferentes soluções de software cujas vantagens competitivas estão na forma como seus dados são organizados e modelados. Estas diferenças nas soluções estruturais são positivas e devem ser entendidas nesse contexto, quando surgirem problemas de transformação de dados. Interface de Modelagem Estrutural Integrada (ISM) da Bentley para gerenciar a interoperabilidade. 7

8 A tecnologia através da qual a interoperabilidade ocorre também é fundamental para a fidelidade da interoperabilidade. Os padrões abertos, como a IFC, oferecem um formato convincente de arquivo e agregação / visualização, mas os diferenciais da IFC para fluxos de trabalho específicos tornam a interoperabilidade de maior fidelidade um desafio. As plataformas comuns, como a Modelagem Estrutural Integrada da Bentley (ISM), oferecem um nível de controle através da troca de dados, identificando alterações em um modelo comum. Isto permite que o engenheiro controle as alterações que são comunicadas entre aplicativos e permite que os aplicativos usem ou contribuam apenas com essa informação no modelo comum que referente a ele. Em alguns casos, é facilitada uma integração direta entre dois produtos e pode oferecer um alto nível de fidelidade, mas exigirá que certas versões de ambos os produtos estejam disponíveis na mesma máquina e exige manutenção contínua dos links ponto-a-ponto pelos fornecedores. A ISM apresenta um caso de uso BIM de importância para o novo STAAD.Pro CONNECT Edition. Enquanto o legacy link do STAAD.Pro com a ISM continua estando disponível, o STAAD.Pro CONNECT Edition oferece agora uma ligação entre o Modelador Físico e a ISM. Esta nova ligação com base analítica-física suporta a troca de elementos estruturais bidimensionais, como lajes e paredes, que não está presente em versões anteriores. Isto expande a amplitude de informações que o STAAD.Pro pode trocar com aplicativos BIM, como AECOsim Building Designer, ProStructures, Revit Structure e Tekla Structures. Um modelo Revit (esquerda) convertido em STAAD.Pro usando a interoperabilidade baseada na ISM. Os modelos BIM podem ser lidos no Modelador Físico STAAD.Pro e vice-versa. Além disso, a ISM permite alterações em tamanhos e configurações de elementos no Modelador Físico STAAD.Pro, incluindo elementos de superfície, para serem atualizados para outros aplicativos consumidores. A ligação STAAD.Pro com aplicativos BIM pode estar ativa ao longo de um projeto e pode ser usada como um poderoso meio para gerenciar revisões. Independentemente da tecnologia usada para facilitar a interoperabilidade, a construção de um modelo Analítico-Físico no software estrutural tem sido o maior facilitador da troca eficiente de dados entre modelos BIM físicos e soluções de análise e projeto estrutural. 8

9 A adoção crescente do BIM como método de escolha para o projeto conceptual e arquitetónico detalhado resultou em projetos mais elaborados e complexos. Com esta complexidade, há uma necessidade de BIM mais eficazes e automatizados para a interoperabilidade da análise estrutural. A construção fundamental que permite esta revolução BIM é a capacidade dos aplicativos de análise estrutural, como o STAAD.Pro CONNECT Edition, transformarem robustamente os projetos físicos do mundo real em modelos Analíticos-Físicos, sem necessidade de discretizar elementos estruturais (malha) durante a interoperabilidade. Estes modelos Analíticos-Físicos permitem ajustes mais rápidos à geometria e ao carregamento, permitindo a exploração e a otimização mais eficientes de alternativas de projeto. A interoperabilidade BIM é ainda melhorada com as normas como a IFC ou o fluxo de trabalho de Modelagem Estrutural Integrada (ISM) da Bentley que oferece um historial de projeto e controle do gerenciamento de mudanças durante o processo de projeto. A análise estrutural e o software de projeto evoluíram significativamente na última década para permitir uma interoperabilidade mais robusta e automatizada para acompanhar a complexidade crescente de projetos permitida através da revolução BIM Bentley Systems Incorporated. Bentley, o logotipo B da Bentley, Integrated Structural Modeling, STAAD, STAAD.Pro, AECOsim Building Designer, e o ProStructures são marcas registradas ou não, ou marcas de serviços da Bentley Systems, Incorporated ou de uma de suas filiais integrais diretas ou indiretas. Os demais nomes de marcas e produtos são marcas registradas de seus respectivos proprietários /17 9