BIM w projektowaniu konstrukcji żelbetowych – zarys zagadnienia

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono podstawowe pojęcia oraz najważniejsze możliwości i ograniczenia BIM w odniesieniu do konstrukcji żelbetowych. Autorzy wskazują także działania konieczne do zwiększenia wykorzystania technologii BIM w Polsce.

ABSTRACT

The article presents the basic concepts as well as the most im- portant capabilities and limitations of BIM (Building Information Modeling) with regard to concrete structures. The authors also indicate what actions are needed to increase the use of BIM technology in Poland.

Specyfika obiektów budowlanych związana jest z wielobranżowością uczestników procesu inwestycyjnego, dlatego przygotowanie dokumentacji samej konstrukcji nie jest wystarczające do wzniesienia rzeczywistego obiektu, który spełniałby oczekiwania docelowego użytkownika. Projekt architektoniczny oraz konstrukcyjno-budowlany musi zostać uzupełniony o dokumentację instalacyjną obejmującą m.in. instalacje elektryczne, hydrauliczne, wentylacyjne, teletechniczne, wykończeniowe czy też monitoringu stanu technicznego konstrukcji.

W związku z powyższym powstała koncepcja modelu BIM, który z założenia spełniać ma wymagania dotyczące modelu parametrycznego. Jednak co najważniejsze i co stawia tę koncepcję na końcu łańcucha ewolucji stosowanych modeli konstrukcji, to fakt, że model ten powinien stanowić podstawę interoperacyjnej, synergicznej współpracy między wszystkimi przedstawicielami procesu budowlanego (DUŻY BIM). Jednak aby taka współpraca była możliwa, konieczne jest zapewnienie spójności i płynności w przepływie informacji między pracownikami jednego przedsiębiorstwa, np. biura projektowego. Mały BIM związany jest zatem z koordynacją współpracy wewnątrz jednej firmy przez zapewnienie kompatybilnych narzędzi analizy i rysowania oraz sprawnej i bieżącej wymiany danych (aktualizacje) między pracownikami realizującymi różne etapy (poziomy) projektu. W odniesieniu do biur projektowych branży żelbetowej wymiana ta powinna obejmować obszary związane z modelowaniem konstrukcji (geometria, przekroje, materiały, warunki brzegowe), tworzeniem modelu metody elementów skończonych (uproszczenia, siatkowanie, analiza zbieżności), definiowaniem oddziaływań, wykonywaniem obliczeń (analiza liniowa/nieliniowa, statyka/dynamika, wymiarowanie itp.) oraz konstruowaniem dokumentacji rysunkowej, uwzględniającej płaskie rysunki zbrojenia oraz wizualizacje przestrzenne.

Rys. 1 BIM na tle tradycyjnie tworzonej dokumentacji dwuwymiarowej (opracowanie własne)

Narzędzia umożliwiające projektantom sprawne obliczanie, wymiarowanie i rysowanie konstrukcji żelbetowych to zaledwie drobna składowa w całej interdyscyplinarnej koncepcji modelowania informacji o budynku, jednak dla inżyniera budowlanego niezwykle cenna. Mimo wielu trudności związanych z jej wdrożeniem potencjalne korzyści z niej płynące warte są podjęcia takiego wysiłku. Zastosowanie technologii BIM ma docelowo prowadzić do skrócenia czasu realizacji inwestycji oraz zmniejszenia jej kosztów przez możliwość łatwej edycji modelu, wprowadzania poprawek oraz automatyzację wielu powtarzalnych procesów wykonywanych dotychczas w sposób odręczny, np. tworzenie tabelarycznych zestawień zbrojenia, opisywanie rysunków, aktualizowanie dokumentacji przy kolejnych rewizjach. Wiąże się to jednak z koniecznością poniesienia większych nakładów pracy w początkowym etapie inwestycji (rys. 1) potrzebnej na przygotowanie kompleksowego modelu konstrukcji, jednak koszty całkowite w takim przypadku maleją.

BIM – Building Information Model oznacza cyfrowy opis fizycznych i funkcjonalnych danych o obiekcie, będący podstawą do podejmowania optymalnych decyzji w całym cyklu życia budowli (od koncepcji do rozbiórki). W skrócie BIM rozumieć można jako zaplanowaną i skoordynowaną współpracę przedstawicieli wszystkich branż zaangażowanych w proces budowlany, w oparciu o przestrzenny, parametryczny model konstrukcji (3D), wykonany z zachowaniem określonych standardów umożliwiających zoptymalizowanie harmonogramu prac budowlanych (4D), kosztów inwestycji (5D), zarządzania energią w czasie budowy i eksploatacji (6D) oraz zarządzania cyklem aktywów w czasie (7D).

Rys. 2. Utrata informacji o konstrukcji w cyklu jej życia w przypadku podejścia tradycyjnego (opracowanie własne na podstawie [3])

Niezależnie od realizowanego projektu czy obszaru zawodowej działalności zawsze brak wiedzy jest kosztowny. Ma to szczególnie duże znaczenie w zagadnieniach techniczno-budowlanych. W tradycyjnym podejściu opierającym się na papierowej dokumentacji do momentu zrealizowania obiektu następuje wzrost wiedzy o nim, ale po rozpoczęciu eksploatacji obiektu wiedza ta jest tracona na skutek różnych okoliczności, np. rozproszenia dokumentacji między różne podmioty zaangażowane w proces projektowania i wykonawstwa (rys. 2). Często w przypadku remontów, inwentaryzacji czy modernizacji starych obiektów archiwalna dokumentacja jest uboga lub w ogóle nie można jej odnaleźć. Wykorzystanie technologii BIM, opierając się na przestrzennym modelu konstrukcji, odpowiednio zarządzanym na etapie projektowania, realizacji i eksploatacji, pozwala nie tylko na zachowanie stałego poziomu wiedzy na temat obiektu, ale nawet na nieustanny jej wzrost przez uzupełnianie modelu o informacje pochodzące z okresowych przeglądów (np. inwentaryzacja rys w konstrukcjach żelbetowych, stan dylatacji, przemieszczenia łożysk). Pełna i na bieżąco aktualizowana baza danych o stanie konstrukcji w całym cyklu jej życia, udostępniana interesariuszom, np. ekspertom, ma za zadanie dostarczenie wymiernych korzyści technicznych i finansowych. Zaawansowana wiedza inżynierska w połączeniu z rozwojem technologii informatycznych dostarczyła inżynierom budowlanym nowych narzędzi pracy.

Rys. 3. Przykład integracji programów wykorzystujących elementy technologii BIM (programy: PK1 -REVIT, PK2 – SOFiSTiK FEM, PK3 – SOFiSTiK Reinforcement Generation, PK4 – SOFiSTiK Reinforcement Detailing)

Z ich punktu widzenia najbardziej istotna wydaje się być możliwość wykonywania obliczeń statycznych na otrzymanym od architektów przestrzennym modelu konstrukcji, generowania na ich podstawie trójwymiarowego modelu zbrojenia zgodnego z wynikami obliczeń i stosowanymi normami, a następnie tworzenie dwuwymiarowej dokumentacji, obejmującej zarówno zestaw rysunków technicznych, jak i wszystkie niezbędne zestawienia materiałowe związane z objętością betonu czy też zastosowanymi prętami zbrojeniowymi. Najważniejszy jest jednak płynny przepływ informacji między poszczególnymi etapami projektowymi, odbywający się w technologii BIM poprzez centralną bazę danych, reprezentowaną przez przestrzenny model konstrukcji uzupełniony o parametryczne informacje. Należy podkreślić, że model ten stanowi podstawę analizy nie tylko dla branży konstrukcyjnej, ale także dla branż instalacyjnych oraz na potrzeby wizualizacji.

Prosty przykład zaprezentowano na rys. 3. Ramę żelbetową zaprojektowano przy wykorzystaniu pełnej integracji między czterema programami. Model analityczny konstrukcji, polegający na zdefiniowaniu geometrii, materiałów, warunków brzegowych oraz schematów obciążeń, wykonano w (PK1). Następnie baza danych została eksportowana do (PK2), w którym przeprowadzono obliczenia statyczne w zakresie liniowo- sprężystym opierając się na metodzie elementów skończonych. W kolejnym kroku wykonano superponowanie wyników zgodnie z zasadami kombinatoryki oraz obliczenia wymaganego pola zbrojenia dla belek oraz słupów ze względu na stan graniczny nośności. Istnieje także możliwość przeprowadzenia analogicznej analizy dla innych elementów konstrukcyjnych, takich jak np. stopy fundamentowe czy stropy. Zaktualizowaną bazę danych ponownie przesłano do (PK1). Z tego poziomu uruchomiono program (PK3), dzięki któremu wygenerowane zostało przestrzenne zbrojenie ramy, uwzględniające przyjęte w ustawieniach początkowych reguły związane m.in. ze stosowanymi średnicami prętów, maksymalnymi rozstawami czy też sposobem rozmieszczania prętów w konstrukcji.

Rys. 4. Wizualizacja ilości przyjętego zbrojenia na tle wymaganego ze względów obliczeniowych i konstrukcyjnych w ramie żelbetowej (PK3)

W ostatnim etapie, przy wykorzystaniu (PK4), utworzono dwuwymiarowe rysunki obejmujące m.in. zwymiarowane i opisane automatycznie przekroje poprzeczne i podłużne oraz tabelaryczne zestawienie zastosowanych prętów zbrojeniowych. Należy podkreślić, że w procesie generowania informacji o konstrukcji żelbetowej wymagana jest pełna kontrola przepływu danych między poszczególnymi etapami modelowania: począwszy od definiowania geometrii, materiałów, warunków brzegowych i obciążeń w modelu metody elementów skończonych, poprzez wykonywanie obliczeń, wizualizację wyników, a na stworzeniu dokumentacji kończąc.

W całym procesie, realizowanym zazwyczaj pod presją czasu, najważniejsze jest jednak bezpieczeństwo konstrukcji. Stąd istnieją narzędzia dedykowane bezpośredniej kontroli przyjętych rozwiązań. Jako przykład warto przedstawić możliwość wizualizowania zastosowanego zbrojenia na tle wymaganego ze względów obliczeniowych i konstrukcyjnych (rys. 4-5). Na poniższych rysunkach przedstawiono przykład ramy żelbetowej oraz rusztu żelbetowego, na których kolorem niebieskim zaznaczono obwiednię nośności wynikającą z przyjętego, a zatem rzeczywistego stopnia zbrojenia na tle teoretycznego zbrojenia wymaganego ze względu na obwiednię momentów zginających dla najniekorzystniejszej kombinacji obciążeń. W ten sposób łatwo można zweryfikować czy w każdym miejscu podciągu spełnione są warunki nośności ze względu na zginanie, a zbrojenie zostało dobrane w sposób ekonomiczny.

Rys. 5. Wizualizacja ilości przyjętego zbrojenia na tle wymaganego ze względów obliczeniowych i konstrukcyjnych w ruszcie żelbetowym (PK3)

Analogicznie sytuacja wygląda dla zbrojenia przyjętego ze względu na ścinanie (strzemiona). Weryfikację taką warto przeprowadzić za każdym razem, kiedy na modelu przestrzennego zbrojenia wprowadzono jakiekolwiek zmiany. Kolejnym istotnym narzędziem, którego celem jest przyspieszenie prowadzonych prac projektowych, jest możliwość wyodrębnienia z całego modelu elementów bądź układów konstrukcyjnych, analizowanych w sposób oddzielny. Dzięki temu nie ma konieczności przeliczania całego często bardzo rozbudowanego modelu konstrukcji po wprowadzeniu zmian np. tylko w obrębie jednej płyty stopowej (jeżeli zmiany te nie mają wpływu na pracę pozostałej części konstrukcji) – rys. 6.

Współcześnie na rynku istnieje wiele narzędzi ułatwiających modelowanie zbrojenia przestrzennego. Do najbardziej obiecujących należy zaprezentowany wcześniej sposób, polegający na automatycznej generacji zbrojenia na podstawie obliczeń statyczno-wytrzy- małościowych. Na obecnym etapie nie jest jednak możliwe pełne wykorzystanie tego podejścia, ponieważ nie sprawdza się ono w przypadku skomplikowanych węzłów lub nietypowych elementów konstrukcyjnych. Wymagane jest w wielu przypadkach wprowadzanie ręcznych poprawek. Coraz częściej pojawiają się w programach funkcjonalności dedykowane do zbrojenia określonej specyficznej grupy elementów, np. belki o zmiennym przekroju, belki zakrzywione w planie, powierzchnie wypukłe.

Rys. 6. Model analityczny oraz wyodrębniony podsystem w postaci płyty stropowej analizowany w środowisku MES (PK1, PK2)

W przypadku ręcznego modelowania zbrojenia przestrzennego najważniejsza jest możliwość bieżącej kontroli położenia i parametrów wprowadzanych prętów. Producenci programów zapewniają różne możliwości realizacji tego zadania, jednak do podstawowych wspólnych funkcji zaliczyć można: definiowanie prętów w przestrzeni 3D z bieżącym podglądem rysunków płaskich, definiowanie prętów z poziomu rzutów i przekrojów z bieżącym podglądem na model przestrzenny, filtrowanie zbrojenia na podstawie zadanych parametrów (np. zbrojenie dolne, górne, średnica pręta, długość pręta, kształt pręta), podświetlanie wybranego pręta w modelu przestrzennym, wykrywanie kolizji.

W przypadku procesu automatycznego tworzenia i wymiarowania rysunków płaskich na podstawie zamodelowanego zbrojenia przestrzennego bardzo często domyślne ustawienia stosowanych programów nie odpowiadają wymaganym w danej firmie standardom. Konieczne jest zatem początkowe zapoznanie się z możliwościami oprogramowania i dostosowanie ustawień do własnych potrzeb. Często proces ten jest czasochłonny, jednak co ważne przeprowadzany jednorazowo. Czym lepiej i dokładniej skalibruje się stosowane narzędzia, tym mniej pracy ręcznej trzeba będzie włożyć w czasie realizacji kolejnych projektów.

Rys. 7. Działania, które zdaniem respondentów są kluczowe do zwiększenia wykorzystania technologii BIM Polsce [1]

Należy podkreślić, że mimo wielu niewątpliwych zalet technologii BIM sprawdzi się ona tylko w sytuacji, kiedy spełnione zostaną odpowiednie warunki i zapewnione określone standardy. Wprowadzenie takiego podejścia do projektowania i realizacji konstrukcji żelbetowych w Polsce, a także w innych krajach Europy i świata wciąż wymaga znacznego nakładu pracy, związanego z rozwiązaniem wielu trudności i merytoryczną dyskusją nad m.in. następującymi kwestiami:

• brakiem norm, standardów i jednoznacznych wytycznych;
• koniecznością określenia zasad współpracy między poszczególnymi uczestnikami procesu budowlanego;
• decyzją o zakupie zaplecza programo- wo-informatycznego, co związane jest z koniecznością poniesienia początkowych nakładów finansowych;
• koniecznością przeszkolenia kadr inżynierskich i odpowiedniego przygotowania merytorycznego studentów (nowe kierunki studiów);
• rzetelnym uświadamianiem urzędników i interesariuszy procesu budowlanego;
• korzyściach i ograniczeniach nowej technologii (podnoszenie świadomości);
• uregulowaniami prawnymi.

W raporcie opracowanym przez Autodesk „BIM – polska perspektywa” (z 2015 r.) najczęściej wymienianą barierą ograniczającą rozpowszechnienie technologii BIM na polskim rynku były niskie ceny projektów, co z kolei ogranicza nakłady inwestycyjne firm. Ponadto istotną rolę odgrywają braki kompetencyjne w środowisku czy też brak odpowiednich rozpowszechnionych standardów projektowania. Mimo to prognozy w perspektywie kolejnych lat są raczej optymistyczne. Oczekiwany jest wzrost liczby projektów tworzonych w oparciu o elektroniczne modelowanie informacji o budynku oraz wzrost liczby firm wykorzystujących nową technologię. Taką opinię wyraziły przede wszystkim firmy, które się zetknęły już uprzednio w swojej działalności z BIM.

Działania, które zdaniem respondentów są kluczowe do zwiększenia wykorzystania technologii BIM w Polsce [1], przedstawiono na rys. 7.

W przypadku narzędzi BIM, wykorzystywanych w modelowaniu konstrukcji żelbetowych, podstawowym problemem technicznym, nad którego rozwiązaniem pracują inżynierowie i informatycy, pozostaje zautomatyzowanie generowania przestrzennego zbrojenia węzłów konstrukcyjnych oraz innych miejsc nietypowych. Obecnie nie istnieje na rynku narzędzie, które nie wymagałoby kontroli i wprowadzania ręcznych poprawek ze strony inżyniera.

Dzięki potencjalnym korzyściom wynikającym ze stosowania technologii BIM warto podjąć wysiłek naukowy i inżynierski mający na celu zminimalizowanie pojawiających się ograniczeń. Nieustannie trwają prace nad umożliwieniem efektywnej i skutecznej współpracy między programami, wykorzystywanymi przez różnych uczestników procesu budowlanego. Warto zwrócić w tym miejscu uwagę na fakt, że komputerowe wspomaganie projektowania oparte na programach typu CAD, wprowadzone na początku lat 90. ubiegłego stulecia, wiązało się z podobnymi problemami.

mgr inż. Tomasz Howiacki

Politechnika Krakowska mgr inż. Błażej Legut

BIM Service

Literatura

1. Autodesk, BIM – polska perspektywa, Raport z badania, 2015.
2. T. Howiacki, Narzędzia BIM jako nowe możliwości projektanta w analizie i tworzeniu dokumentacji rysunkowej konstrukcji żelbetowych, IX Edycja Konferencji „Wpływ młodych naukowców na osiągnięcia polskiej nauki”, Kraków 2015.
3. M. Salamak, D. Kasznia, Technologia BIM w projektach mostowych jako element rewolucji przemysłowej 4.0, „Mosty” nr 6/2017.
4. T. Howiacki, B. Legut, Czy istnieją modele doskonałe? Czyli rola inżyniera w projektowaniu przyszłości, Konferencja BIM „Projektowanie przyszłości”, Józefów 2016.
5. T. Howiacki, B. Legut, M. Dejer, BIM w projektowaniu konstrukcji żelbetowych – idea, możliwości, ograniczenia, błędy, przykłady, XXXIII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2018.