مقاله تحلیلی: مدل‌ سازی فیزیکی – تحلیلی و قابلیت همکاری در BIM

پیشرفت‌های مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM)

ازآنجاکه BIM در تمام انواع پروژه‌های مهندسی فراگیر شده است، مهندسان سازه هم جریان کاری و ابزارهای نرم‌افزاری خود را با چالش‌ها و فرصت‌هایی که این فناوری به همراه دارد انطباق می‌دهند؛ اما مهندسان سازه چه‌کاری انجام می‌دهند و چه‌کاری را به شکل متفاوت باید انجام دهند؟ و از همه مهم‌تر چه خروجی‌ها و منافعی می‌توان با استفاده از جریان کاری BIM در مهندسی سازه به دست آورد؟ در این مقاله روش‌های مدل‌سازی سازه‌ای که مزایای زیادی برای تیم‌های مهندسی سازه به همراه دارد، بررسی می‌شود. در فناوری‌های جدید مانند نرم‌افزار طراحی و تحلیل سازه STAAD CONNEC از کمپانی Bentley از این روش‌ها استفاده می‌شود. درنتیجه مهندسان می‌توانند کیفیت مدل را حفظ کرده و تغییرات را لحاظ کنند و گزینه‌های طراحی بیشتری را در بازه زمانی کم در نظر بگیرند.

ترندهای BIM در مهندسی سازه

هر روز تعداد طراحی‌های سازه‌ای که برگرفته از یک مدل BIM هستند، افزایش می‌یابد. طبق گزارش McGraw-Hill طی دهه گذشته بیش از ۶۵ درصد شرکت‌های مهندسی از BIM استفاده می‌کنند. طبق این گزارش تعداد این شرکت‌ها 300 درصد در دهه گذشته افزایش پیداکرده است. این استفاده گسترده از BIM را می‌توان یک شمشیر دو لبه برای صنعت مهندسی سازه در نظر گرفت. نرم‌افزارها امکان بررسی بیشتر گزینه‌های طراحی با تصویرسازی‌های همه‌جانبه را در جهت کمک به تصمیم‌گیری فراهم می‌کنند، اما درعین‌حال به طرح‌های معماری عجیب‌وغریب‌تر هم منجر می‌شوند که مستلزم سازه‌های پیچیده‌تری است. معماری پروژه‌های منحصربه‌فرد بار بیشتری بر روی دوش مهندس سازه می‌گذارد به‌طوری‌که باید هندسه پیچیده و الزامات عملکردی و زیست‌محیطی بیشتری را در نظر بگیرد.

ازآنجاکه سطح جزئیات در مدل‌های BIM افزایش پیداکرده است، نیاز به اتوماسیون برای ایده آل سازی دقیق مدل‌های تحلیلی سازه برای باقی ماندن در میدان رقابت به یک امر ضروری بدل شده است. بدون اتوماسیون مؤثر، شخص مهندس باید زمان زیادی صرف انتقال دیدگاه فیزیکی معماری به مدل تحلیلی سازه برای تعیین دقیق نیازها و رفتار سازه کند.

طی دهه گذشته، پیشرفت زیادی در قابلیت همکاری بین تحلیل‌های سازه و نرم‌افزاری طراحی برای حل مشکل انتقال مدل معماری فیزیکی پیچیده و طراحی سازه به یک سازه تحلیلی ایده آل شده (اجزای محدود) حاصل‌شده است.

مسئولیت انتقال این مدل فیزیکی به مدل اجزای محدود کاملاً بر عهده نرم‌افزار تحلیل سازه است و به مهندسان اجازه می‌دهد که زمان بیشتری برای درک رفتار سازه یا گزینه‌های طراحی (طرح‌های جایگزین) مصرف کنند و زمان کمتری برای ایجاد یا تغییر آبجکت های اجزای محدود صرف کنند.

مدل‌سازی فیزیکی – تحلیلی چیست؟

مهندسان به مدت بیش از نیم قرن از روش اجزای محدود (FEM) برای شبیه‌سازی رفتار سازه‌ها تحت بارگذاری استفاده کرده‌اند؛ اما باوجود انعطاف‌پذیری و کاربرد آن، FEM با اضافه‌کاری برای ایجاد و مدیریت شبکه اجزای محدود همراه است. زمان زیادی باید برای شبکه‌بندی و شبکه‌بندی مجدد، به‌خصوص هنگامی‌که تغییرات معماری باعث بازبینی مدل سازه‌ای می‌شود، صرف کرد.

برای مدل‌های تیر – ستون، این اضافه‌کاری با استفاده از اجزای FEM واحد برای نمایش کل اجزای فیزیکی تا حدودی کاهش پیداکرده و مدیریت می‌شود. حتی در همین حالت هم اتصال تیرهای اصلی و فرعی، مهاربندها، تیرهای ماهیچه‌ای و دیگر جزئیات به پیچیدگی فرآیند تولید مدل اجزای محدود ایده آل اضافه می‌کند و مدل‌سازی BIM فیزیکی باز هم بهتر خواهد بود.

این مشکل زمانی تشدید می‌شود که پلیت به دیوارها، دال‌ها یا دیگر اجزای داخل صفحه‌ای اضافه می‌شوند. پیچیدگی مدل به‌شدت افزایش پیداکرده و مدیریت مدل به دلیل نگرانی در خصوص سازگاری بین شبکه اجزای محدود در محل اتصال المان‌های خطی و صفحه‌ای و تفاوت در هندسه اجزای محدود و فیزیکی به یک معضل تبدیل می‌شود. این موضوع در مدل‌های سه‌بعدی با دیوارهای فیزیکی، دال‌ها و محل تلاقی تیرها با زوایای مختلف که در آن مش بندی به‌صورت دستی زمان‌بر و پیچیده‌تر می‌شود، شدت می‌یابد.

مدل فیزیکی – تحلیلی یک نمایش فیزیکی دقیق‌تر از مدل اجزای محدود است. این مدل فیزیکی – تحلیلی هنوز هم یک ایده آل سازی از مدل فیزیکی دقیق است که با استفاده از نرم‌افزارهای BIM ایجاد شده است. بااین‌وجود این مدل مربوط به آبجکت های فیزیکی است و نه گره‌ها، شرایط مرزی یا اجزای محدود یک‌بعدی و سه‌بعدی.

با محول کردن بخش زیادی از مسئولیت گسسته سازی (تبدیل آبجکت های فیزیکی – تحلیلی به واحدهای اجزای محدود) به نرم‌افزار سازه‌ای، مهندس می‌تواند تغییرات مؤثرتری در مدل و بارگذاری‌ها انجام دهد، زیرا دیگر لازم نیست اعضا، سطوح و بارها گسسته شوند تا مدل اجزای محدود اعمال شود.

نرم‌افزار تحلیل سازه‌ای STAAD.Pro این فلسفه‌ها را برای حمایت از جریان کاری فیزیکی‌تر که در آن تغییرات راحت‌تر انجام می‌شوند به کار می‌گیرد. نسخه جدید STAAD.Pro CONNECT محیط مدل‌سازی فیزیکی جدیدی برای ایجاد و حفظ مدل فیزیکی – تحلیلی دارد. کاربر می‌تواند در مدل‌ساز فیزیکی مدل را بسازد یا از روش مدل‌سازی اجزای محدود سنتی استفاده کند. هنگامی‌که از روش مدل‌ساز فیزیکی استفاده شود، STAAD.Pro فرآیند را به‌منظور ایده آل سازی سازه و بارها در یک مدل اجزای محدود خودکارسازی می‌کند. در این جریان کاری تغییرات هندسی تنها روی مدل فیزیکی – تحلیلی انجام می‌شوند و مدل اجزای محدود در صورت نیاز با تغییر مدل فیزیکی بازسازی می‌شود.

کاربر می‌تواند در هر نقطه انتخاب کند که ارتباط بین مدل اجزای محدود و مدل فیزیکی را قطع کرده و از روش مدل‌سازی اجزای محدود سنتی STAAD.Pro استفاده کند. این روش به مهندس اجازه می‌دهد که از مزایا و قابلیت‌های جریان کاری BIM جدید بدون از دست دادن انعطاف‌پذیری برای تغییر مدل اجزای محدود به‌صورت سنتی استفاده کند.

به‌خصوص زمانی که دیوارها و دال‌ها مدنظر قرار دارند،‌ رویکرد مدل‌سازی فیزیکی نه‌تنها موجب بهبود جریان کاری BIM می‌شود که مزایای مدل‌سازی نسخه‌های قبلی STAAD.Pro را هم به همراه دارد. وقتی‌که المان‌های صفحه‌ای یا پلیت ها در مدل STAAD.Pro به شبکه اجزای محدود گسسته می‌شوند، آبجکت اصلی که اجزای محدود از روی آن ساخته‌شده از دست می‌رود. فرض کنید که یک کاربر بخواهد پس‌ازآن بازشوهایی را به دال طبقه اضافه کند یا آن‌ها را جابه‌جا کند. برای این کار با استفاده از جریان کاری اجزای محدود STAAD.Pro، کاربر باید گره‌ها، المان‌ها و بارهای شبکه اجزای محدود را یکی‌یکی تغییر دهد.

جریان کاری مدل‌سازی فیزیکی STAAD.Pro این محدودیت را برطرف می‌کند. تغییرات در دال طبقه مدل فیزیکی انجام‌شده و شبکه اجزای محدود پس‌ازآن بازسازی می‌شود. بازشوها را می‌توان با مشخص کردن گره‌های جدید در هرجایی از طبقه ایجاد کرد. بازشو به‌صورت آرایه‌ای از گره‌ها که مرزهای بازشو را تشکیل می‌دهند تعریف می‌شود. موقعیت و ابعاد بازشوها را می‌توان تنها با اصلاح مختصات گره تغییر داد. وقتی‌که بازشوها اضافه می‌شوند مدل اجزای محدود بازسازی می‌شود و از مدل فیزیکی به‌عنوان یک قید استفاده می‌شود و مدل تحلیلی را بازسازی می‌کند.

اندازه و پیکربندی شبکه اجزای محدود را می‌توان در بخش Physical Modeler در نرم‌افزار STAAD.Pro که در آن تنظیمات عمومی موجود است، مشخص کرد. همچنین می‌توان اندازه شبکه را هم با پارامتر Mesh Size مربوط به هرکدام از اجزای سطح فیزیکی کنترل کرد. یک مقدار متفاوت را می‌توان به هر یک از اعضا نسبت داد.

مزایای مدل فیزیکی – تحلیلی

مزیت عمده کار روی یک مدل فیزیکی – تحلیلی، چه با استفاده از روش دستی و چه با استفاده از مدل BIM، مربوط به‌سرعت و دقت در ایجاد تغییرات است؛ مثلاً در مدل‌ساز فیزیکی STAAD.Pro CONNECT، بارهای سطحی و خطی دیگر تقسیم نمی‌شوند و به اعضای اجزای محدود منفرد اعمال می‌شوند، اما می‌توان آن‌ها را به اعضای فیزیکی مرتبط کرد تا به‌صورت خودکار با مساحت یا تغییر هندسه اعضا اصلاح شوند.

دیگر مزیت اساسی ایجاد مدل فیزیکی سازه ارتباط نزدیک با مدل BIM فیزیکی است. این ارتباط نزدیک امکان همکاری مشترک روی اطلاعات بین نرم‌افزار سازه و مدل BIM فیزیکی را فراهم می‌کند.

چالش‌های قابلیت همکاری BIM

ساختار داده‌ها در بین نرم‌افزارهای مختلف متفاوت است. دیگر چالش معمول در روش‌های اجزای محدود و فیزیکی در نرم‌افزارها، نحوه رفتار آن‌ها با یک پروفیل عضو خاص است. علاوه بر این‌که نام‌گذاری مختلف مقاطع باید مدنظر مهندس باشد، نحوه رفتار نرم‌افزارها با اشکال هم تفاوت دارد. یک نبشی دوبل در یک نرم‌افزار ممکن است دو نبشی منفرد در یک نرم‌افزار دیگر باشد.

صرف‌نظر از فناوری مورد استفاده برای تسهیل قابلیت همکاری، ایجاد یک مدل فیزیکی – تحلیلی در نرم‌افزار سازه بهترین راه برای تبادل مؤثر داده بین مدل‌های BIM فیزیکی و تحلیل سازه‌ای و راهکارهای طراحی است.

استفاده فزاینده از BIM به‌عنوان روشی برای انتخاب طراحی معماری مفهومی و تفصیلی به طراحی‌های پیچیده‌تر نسبت به گذشته منجر شده است. نرم‌افزارهای تحلیل سازه و طراحی در دهه گذشته پیشرفت‌های زیادی داشته‌اند به‌طوری‌که قابلیت همکاری خودکار و بهتری برای هماهنگی با پیچیدگی‌های فزاینده طراحی‌های انجام‌شده در BIM ممکن شده است.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.