Il BIM per il calcolo strutturale - parte 1

Introduzione
La diffusione del BIM in Italia è quasi esclusivamente concentrata nel settore della progettazione architettonica per diverse ragioni.
La prima: storicamente i produttori di software BIM (quasi tutti esteri) hanno privilegiato questo settore, offrendo soluzioni sempre più avanzate ed oggi mature per essere utilizzate in modo seriamente professionale.
La seconda è dovuta alla mancanza di proposte dei produttori di software di calcolo (italiani) per soluzioni BIM per le altre aree.
Resta infine il dubbio che il mondo professionale non abbia ancora realmente compreso tutte le potenzialità che il BIM offre, in particolare l'interoperabilità, cioè la possibilità di interazione tra i diversi progettisti che intervengono nelle diverse fasi del progetto.
In questo documento saranno trattati gli aspetti principali relativi al collegamento tra i software BIM per il progetto architettonico e per il progetto strutturale, evidenziando le problematiche generali a livello introduttivo.
La questioni sono tali e tante per cui alcuni temi saranno meglio sviluppati in seguito, dando loro lo spazio necessario.
In genere si parte cercando di definire il BIM, qui invece cercheremo di spiegare come funziona il BIM da due punti di vista: metodologico e tecnologico.
L'aspetto metodologico afferisce all’organizzazione delle diverse componenti del progetto.
L’ aspetto tecnologico si riferisce al software, cioè ai programmi che eseguono le operazioni richieste.

Le tecniche di rappresentazione del progetto edilizio
È utile esaminare, in una breve carrellata, le diverse tecniche di rappresentazione degli oggetti edilizi, necessità da sempre esistente per poter comunicare alla committenza e all'impresa esecutrice ciò che si intende realizzare.

La metodologia tradizionale
Per questo esistono precedenti storici illustri (fig. 2) ma solo alla fine del settecento il matematico Gustav Monge ha sviluppato un sistema di rappresentazione rigoroso, la geometria descrittiva, utilizzato sino ai giorni nostri (fig. 3).

Figura 2                                                                            Figura 3

Figura 4

Tutti i professionisti hanno operato e operano con questa tecnica che consente di produrre elaborati grafici chiari ed univoci come piante, prospetti, sezioni.
Dagli anni 80 l'introduzione di sistemi grafici computerizzati (CAD) non ha fatto altro che trasferire sul computer quanto prima veniva prodotto manualmente, velocizzando le operazioni di disegno e offrendo strumenti per aumentare la produttività, senza però modificare l'impostazione del sistema.
Inoltre il CAD non qualifica gli elementi grafici introdotti. Una linea che indica una porta ha lo stesso valore di una linea che indica una struttura in c.a., salvo alcune opzioni, come l’uso dei blocchi e dei layer, ma con scarsa flessibilità.
Con la metodologia tradizionale (fig. 4) il progettista traduce in disegni, piante, prospetti, sezioni, il progetto ideato mentalmente ed immaginato in modo tridimensionale. Solo un esperto è però capace, a partire da piante, prospetti, sezioni, di ricostruire l'edificio secondo la realtà tridimensionale.

La metodologia BIM
La metodologia BIM (fig. 5) ovviamente parte ancora dal progettista e da ciò che intende realizzare ma la modalità di rappresentazione sarà un oggetto virtuale tridimensionale, un vero e proprio modello seppur virtuale, costituito da oggetti elementari (muri, solai, pilastri, scale, elementi di arredo, ecc.) che il software BIM mette a disposizione.
Piante, prospetti, sezioni saranno quindi prodotti in automatico grazie alla capacità del software di elaborare il modello 3D ricavandone i dati necessari. Per questo si può dire che il CAD sta al BIM come un disegno sta a un modello.
Ma la differenza tra CAD e BIM non si ferma qui; il modello BIM può comprendere tutte le informazioni necessarie per la costruzione, quindi il progetto architettonico può essere integrato con il progetto strutturale e il progetto degli impianti (fig. 6).
Inoltre è possibile associare ad ogni oggetto ulteriori informazioni, come la descrizione dei materiali utilizzati, il costo unitario, i tempi di realizzazione, i dati per la pianificazione che possono diventare oggetto di successive elaborazioni. Ad esempio è possibile ottenere quasi automaticamente il computo metrico.
I vantaggi sono immediatamente evidenti.

Figura 5                                                                            Figura 6

Riduzione della duplicazione dei dati
I dati compresi nel progetto architettonico (geometrie, materiali, ecc.) sono trasmessi automaticamente alle altre componenti del progetto (strutture ed impianti) evitando ripetizioni ed errori

Controllo delle interferenze
Sovrapponendo i tre progetti (architettonico, strutture ed impianti) si anticipa in modo virtuale ciò che spesso viene scoperto drammaticamente solo a in fase esecutiva, riducendo quindi tempi e costi.

Generazione automatica dei disegni
Come già visto gli elaborati tradizionali, come piante, prospetti, sezioni, ancora necessari, sono generati automaticamente a partire dal modello BIM, e anche aggiornati a seguito di una variazione.

Aggiornamento automatico
Operando poi direttamente su di un prospetto o su di una pianta, anche il modello complessivo sarà aggiornato, compreso il computo metrico, che potrà essere anche estimativo se gli oggetti di partenza contengono le informazioni relative ai prezzi unitari.

Interoperabilità
Questo termine indica il processo di collaborazione che, grazie al BIM, avviene tra i diversi progettisti.
Si può definire Interoperabilità di primo livello (fig. 7) quando dal progetto architettonico si trasferiscono i dati necessari per realizzare il progetto strutturale e il progetto impiantistico. L'operazione è biunivoca in quanto è possibile integrare questi progetti nel progetto architettonico. Tutti i dati possono poi confluire in un unico computo metrico.
L'interoperabilità di secondo livello (fig. 8) prevede invece un BIM server, cioè un raccoglitore unico in cui convergono tutti i dati dei modelli, potendo così comprendere i documenti progettuali per l'intero ciclo di vita della costruzione, quindi anche i dati relativi alla fase costruttiva ed alla manutenzione. Questa soluzione può utilizzare infine Internet potenziando ancora il sistema ed offrendo la disponibilità di tutti i dati in qualsiasi momento a chiunque sia interessato.

Figura 7                                                                            Figura 8

Dal BIM architettonico al BIM strutturale
Figura 9

Dal punto di vista operativo il passaggio dei dati tra i modelli avviene con file standard e normati, condivisi tra i diversi produttori di software. Tra questi il più diffuso è il formato IFC (Industry Foundation Classes Data Model), (fig. 9) realizzato da BuildingSmart©, un'associazione che si occupa da anni di questi problemi.
Il formato IFC è molto potente in quanto comprende tutti i dati che possono verificarsi in un progetto, ma questo lo rende anche molto complesso, al punto che ogni produttore di software lo interpreta secondo la propria visione. Questo ha creato nel tempo dei “dialetti”, cioè delle interpretazioni personali, che a volte rendono difficoltoso il trasferimento dei dati.
Dal punto di vista informatico significa che occorre sviluppare dei traduttori per ogni software per tener conto delle singole specificità.

Il trasferimento dei dati
Il processo avviene partendo dal progetto architettonico ed esportando il modello in formato IFC (fig. 10).
In genere i software consentono di filtrare gli oggetti esportati, evitando di trasferire dati inutili, come gli elementi di arredo o oggetti non significativi.
Il file IFC così prodotto viene letto dal software per il calcolo strutturale e rielaborato per quanto riguarda il progetto strutturale.
Terminata la progettazione strutturale è possibile esportare un file ancora in formato IFC ed integrarlo nel progetto architettonico.
Questa operazione, semplice a prima vista, nasconde invece una serie di criticità da approfondire al fine di sfruttare tutte le potenzialità offerte dal BIM.
Esaminando con maggior dettaglio il passaggio architettonico-strutturale occorre considerare che ogni software archivia i dati secondo il suo formato e quindi sono necessari dei traduttori veri e propri per il loro trasferimento tra i vari data base (fig. 11).
Questa è un'operazione non banale a causa della complessità dei file IFC e della personale interpretazione del formato IFC realizzata dai diversi produttori di software BIM.

Figura 10                                                                            Figura 11

Figura 12

In particolare poi i dati che derivano dal modello architettonico si possono dividere in due categorie. La prima è relativa ai dati che si riferiscono ad oggetti non strutturali ma che possono essere utilizzati come riferimento per il progetto strutturale. Ad esempio le murature di tamponamento devono contenere i pilastri ma non sono considerate portanti. È quindi utile poter
La seconda categoria si riferisce agli elementi strutturali veri e propri; ad esempio nel progetto architettonico potrebbero già essere presenti pilastri e travi, come per le strutture in acciaio. In questo caso il passaggio è diretto e completamente automatico.

Gli oggetti strutturali nel formato IFC
Lo standard IFC comprendere i principali elementi strutturali come travi, pilastri, elementi lineari generici (fig. 13).
È prevista anche la possibilità di trasferire dati relativi a piastre, muri, solai piani e inclinati (fig. 14 - 15).
A seguito della progettazione esecutiva è previsto un intero capitolo dedicato ai dettagli di armatura (fig. 16).

Figura 13                                                                            Figura 14

Figura 15                                                                            Figura 16

Le due componenti del progetto strutturale
Un'altra serie di criticità nasce dalle specificità del progetto architettonico rispetto al progetto strutturale; la rappresentazione del progetto architettonico deve soddisfare la verosimiglianza, i disegni, le prospettive, i dettagli devono anticipare quanto sarà realizzato al vero (fig. 17).
Il progetto strutturale deve soddisfare due esigenze (fig. 18): la prima, similmente al progetto architettonico, è la produzione di elaborati che rappresentino gli elementi strutturali (solai, travi, pilastri, fondazioni in tavole d’insieme compresi in carpenterie, o come singoli elementi con i relativi dettagli).
Anche in questo caso deve essere rispettato il criterio di verosimiglianza.
Il progetto strutturale comprende anche l'analisi statica e sismica della struttura con le verifiche relative.
In genere questo si realizza attraverso un modello di calcolo agli elementi finiti che ha regole proprie ben distinte da quelle relative al disegno degli elementi strutturali.
Axis VM consente di gestire entrambi adeguando automaticament.

Figura 17                                                                            Figura 18

Il calcolo agli elementi finiti
La regola fondamentale del calcolo agli elementi finiti è quella di ridurre travi e pilastri in elementi lineari, schematizzati dall’asse longitudinale ed elementi superficiali come piastre, gusci, membrane schematizzati dai piani medi relativi (fig. 19).
Inoltre per garantire la continuità strutturale tra i vari elementi deve essere necessariamente previsto un nodo comune. Per ottenere queste condizioni tassative è necessario quindi elaborare gli oggetti provenienti dal progetto architettonico apportando le modifiche necessarie.
Come si può notare in figura 19 il modello strutturale che deriva dal modello architettonico considera la lunghezza dei pilastri compresa dall'estradosso del solaio inferiore all'Intradosso del solaio superiore. Il modello di calcolo deve invece prolungare il pilastro sino ad arrivare al piano medio dei solai. Si realizza in questo modo la continuità strutturale necessaria al fine di ottenere una soluzione del modello di calcolo agli elementi finiti.
Il software Axis VM realizza in buona misura questi aggiustamenti automatizzando il processo di passaggio tra i diversi modelli.
Axis VM è programmato per interfacciarsi direttamente con i principali software di BIM architettonico come riportato in fig. 20.

Figura 19                                                                            Figura 20

La seconda parte dell'articolo sarà disponibile dal 15 giugno.