L’utilizzo del BIM nel calcolo strutturale: potenzialità e criticità

BIM: software gestionali sempre più in crescita

Il BIM è una realtà che non può più essere elusa da parte degli studi tecnici italiani.

Negli ultimi anni il BIM si sta diffondendo sempre in misura maggiore e le ricerche lo dimostrano in modo chiaro.
Ad esempio vedi le ricerche AssoBIM che indicano come la diffusione del BIM sia in forte crescita.

La ragione è semplice: il BIM, superata una fase iniziale per la sua implementazione, conviene, a tutti: ai committenti, ai progettisti, alle imprese che eseguono i lavori. Sarebbe però non corretto pensare che il BIM sia la panacea di tutti i problemi e che non ci siano aspetti critici, di soluzione non banale.

Per questo è necessario fare chiarezza sui fondamenti su cui si basa il BIM, le funzionalità disponibili e gli strumenti software che rendono queste funzionalità veramente efficaci.

In prima istanza è importante sfatare alcuni miti e leggende che circolano tra chi non ha una conoscenza approfondita del BIM e che non ne consentono la valutazione equilibrata.

Il primo mito da sfatare è che il BIM sia dedicato solo ai progettisti architettonici o solo per la presentazione tridimensionale dei progetti. Questo pensiero sembra essere rinforzato dalla prevalente presenza sul mercato di software per la progettazione architettonica, mentre i software per le altre discipline, ad esempio per il calcolo strutturale, sono meno noti, anche a fronte di presunta minor efficacia, meglio esaminata in seguito. E anche a fronte di scarsa concretezza da parte di alcuni distributori di software strutturale.

Un altro aspetto che necessita un chiarimento è lo stato dell’arte per il passaggio delle informazioni tra i modelli architettonico, strutturale, impiantistico.

Va detto in modo chiaro che non esiste una soluzione magica, segreta speranza di chi vede nell’informatica la soluzione di tutti i problemi, che ci sono criticità di diversa natura, ma che sarebbe sbagliato buttare il bambino con l’acqua sporca; ci sono soluzioni (il plurale è voluto) che possono funzionare meglio in certi casi e meno in altri.

Il problema è complesso e la complessità è data dalla natura diversa tra i modelli architettonici, dedicati alla rappresentazione geometrica tridimensionale degli elementi edilizi (pareti, travi, solai, pilastri) e la natura eminentemente matematica dei modelli BIM strutturali, dedicati al calcolo.

Modello architettonico, strutturale geometrico, strutturale Fem

Attraverso il modello BIM architettonico possono essere descritti i diversi elementi che compongono l’edificio, raccogliendo tutte le informazioni per realizzare computi, analisi energetica e strutturale.

I dati strutturali sono ricavabili direttamente e indirettamente dal modello architettonico, oppure aggiunti specificatamente per il progetto strutturale.

Il progetto strutturale prevede due aree operative, strettamente interconnesse: la fase di calcolo e la disegnazione dei risultati.

Queste due modelli si possono unire in un unico modello BIM oppure in modelli separati.

La modellazione 3d del modello geometrico strutturale consente poi la produzione di piante, prospetti, sezioni per i documenti di cantiere.

AxisVM, software FEM per la verifica delle strutture 

AxisVM è il software FEM che supporta la progettazione BIM e verifica le strutture in cemento armato, acciaio, legno e vetro. Configurabile in base alle esigenze dei professionisti, consente di effettuare analisi e verifiche in accordo con le NTC18, l’Eurocodice, la SIA e le altre normative nazionali. 
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Le criticità del modello Fem

Il modello di calcolo FEM è funzionale alla analisi strutturale, secondo i metodi della Scienza delle Costruzioni, di seguito riassunti.

Il calcolo FEM (calcolo ad elementi finiti) prevede la schematizzazione con elementi lineari (travi e pilastri) e bidimensionale (solai) rappresentati rispettivamente da linee (in genere gli assi) e da superfici (in genere il piano medio).

Le rappresentazioni solide degli elementi strutturali è una utilità per rendere visibili i dati, che se rappresentati solo da numeri, sono difficilmente comprensibili.

Questo può produrre delle distorsioni cognitive, confondendo la natura matematica con la realtà fisica.

Natura matematica significa che la realtà fisica è tradotta in un modello matematico, più propriamente in un sistema di equazioni lineari, di natura astratta.

La base del calcolo FEM è sostenuta da una semplice equazione:

F = K X  Eq. 1)

dove

• F sono le forze applicate alla struttura;
• K rappresenta la rigidezza della struttura;
• X sono gli spostamenti, cioè le incognite, dei nodi.

Questa equazione è la stessa che governa il comportamento di una semplice molla. Nel caso di strutture complesse i valori sono espressi in termini matriciali, ma concettualmente il problema è analogo.

F contiene i dati relativi ai carichi, K comprende dati meccanici relativi ai materiali, alle sezioni, al sistema di vincoli.
Dal punto di vista matematico questo significa scrivere le equazioni di equilibrio ai nodi, realizzando quindi un sistema in cui le incognite sono appunto gli spostamenti X dei nodi.

Vincolo stringente del metodo FEM è che gli elementi (travi, solai, gusci) devono essere collegati tra loro attraverso nodi comuni, che consentono di simulare la continuità strutturale, ricavando la scrittura delle equazioni di equilibrio attraverso l’equilibrio ai nodi.

Tutti questi vincoli non sono presenti nel progetto architettonico e la difficoltà di rendere coerenti i due modelli produce le difficoltà elencate.

Per risolvere questo problema sono ad oggi disponibili diverse soluzioni, descritte in seguito.

Workflow

Nelle figure seguenti si riportano tre possibili sequenze per lo sviluppo del progetto strutturale, in interazione con il progetto architettonico.

L’ipotesi A) prevede la creazione del modello architettonico (1) a cui segue il modello strutturale geometrico (2), e il modello strutturale FEM (3).

Nel caso di strutture in c.a. è possibile la produzione delle armature inserite negli elementi strutturali.

L’ipotesi B) prevede che la progettazione inizi con il modello geometrico strutturale (1) a cui segue il modello di calcolo FEM (2) e le armature (3). Al contrario rispetto alla ipotesi A) il modello architettonico (4) è ricavato dal modello strutturale geometrico (1).

Questa ipotesi è applicabile in situazioni in cui la soluzione strutturale sia di maggiore complessità, ad esempio per la progettazione di edifici industriali modulari, in cui la maglia delle strutture deve essere preventivamente analizzata al fine di ottimizzare i costi.

È ancora possibile una terza ipotesi in cui l’analisi strutturale è prevalente e condizionante gli altri modelli.

Per questo si procede prima con il modello BIM strutturale, e grazie alle funzioni di esportazione i dati possono essere trasmessi al modello BIM architettonico.

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Indice
PREMESSA 
MODELLO ARCHITETTONICO, STRUTTURALE GEOMETRICO, STRUTTURALE FEM 
LE CRITICITA’ DEL MODELLO FEM 
WORKFLOW 
SCHEMA GENERALE 
PUNTO 1 – SELEZIONE DEGLI OGGETTI DA ESPORTARE DAL MODELLO ARCHITETTONICO 
PUNTO 2 – IMPORTAZIONE FILE 
FILE IFC - Industry Foundation Classes 
FILE SAF - Structural Analysis Format 
TECNOLOGIA COM 
PLUGIN REVIT 
PLUGIN TEKLA 
FILE DXF 
FILE PDF 
PUNTO 3 - ACQUISIZIONE ELEMENTI STRUTTURALI PRESENTI NEL MODELLO ARCHITETTONICO 
Riconoscimento automatico 
Riconoscimento semi-automatico 
Riconoscimento manuale 
Reimportazione 
PUNTO 4 - COMPLETAMENTO COSTRUZIONE DEL MODELLO CON OGGETTI STRUTTURALI 
Gestione degli allineamenti tra elementi 
PUNTO 5 - ANALISI STATICA E SISMICA 
PUNTO 6 – VERIFICA DEGLI ELEMENTI (TRAVI E PILASTRI) CON EVENTUALE VARIAZIONE 
PUNTO 7 – AGGIORNAMENTO DEL MODELLO STRUTTURALE E DI CALCOLO 
PUNTO 8 – ESPORTAZIONE E RIALLINEAMENTO DEL MODELLO BIM ARCHITETTONICO CON I RISULTATI DEL MODELLO BIM STRUTTURALE