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El modelado analítico-físico
y la interoperabilidad impulsan los avances
en BIMDocumentación técnica de Bentley
Raoul Karp, S.E.Vicepresidente, desarrollo de productos
Bentley Systems, Incorporated
Josh Taylor, P.E.Director de producto sénior
Bentley Systems, Incorporated
PublicadoNoviembre de 2017
2El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
Ingeniería estructural del mundo físico
Avances en el modelado de la información de construcción (BIM)A medida que la tecnología BIM se generaliza en todo tipo de proyectos de ingeniería, los ingenieros estructurales deben ajustar los ciclos de trabajo y las herramientas de software que utilizan para adaptarse a los desafíos y las oportunidades que ofrece. ¿Qué deberían seguir haciendo igual y qué deberían cambiar los ingenieros estructurales? Y lo más importante: ¿qué resultados y ventajas pueden esperar si consiguen sacar todo el provecho a los ciclos de trabajo BIM? Este documento técnico analiza distintos enfoques de modelado estructural que pueden aportar grandes ventajas a los equipos de ingeniería estructural. Las nuevas tecnologías, como la aplicación de análisis y diseño estructural STAAD CONNECT Edition de Bentley Systems, llevan a la práctica esos nuevos enfoques. Como resultado, los ingenieros pueden mantener la calidad de los modelos y a la vez responder a los cambios y plantear más alternativas de diseño sin dejar de cumplir el calendario.
Tendencias en el BIM estructuralEl número de diseños estructurales generados a partir de modelos BIM crece día tras día. De acuerdo con McGraw-Hill, en la última década el porcentaje de empresas de ingeniería que utilizan la tecnología BIM ha crecido hasta superar el 65%. Según refleja el informe, el aumento producido es del 300%. La generalización de BIM podría parecer una espada de doble filo para el sector de la ingeniería estructural, pero en realidad el software permite explorar muchas más alternativas de diseño a través de la visualización inmersiva y el apoyo a la toma de decisiones. Además, ayuda a crear diseños arquitectónicos más sofisticados que requieren idealizaciones estructurales más complejas. La arquitectura de proyectos emblemáticos añade más presión a los ingenieros estructurales, que deben considerar intrincadas formas geométricas y un número de exigencias ambientales y funcionales en constante aumento.
BIM facilita la creación de diseños arquitectónicos complejos que requieren mayor interoperabilidad estructural.
1 El valor empresarial de BIM en Norteamérica, análisis de la tendencia plurianual (2007-2012), McGraw Hill Construction.
3El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
El nivel de detalle de los modelos BIM no para de crecer; para seguir siendo competitivos, los ingenieros deben producir idealizaciones de los modelos de análisis estructural de forma automatizada. Sin automatización efectiva, los ingenieros tendrán que dedicar su tiempo a transformar las representaciones arquitectónicas físicas en idealizaciones estructurales analíticas, necesarias para determinar con precisión las exigencias y el comportamiento de las estructuras.
Durante la última década se han producido destacados avances en la interoperabilidad de las herramientas de software de análisis y diseño estructural para hacer frente a la transformación de diseños arquitectónicos y estructurales físicos cada vez más complejos en estructuras analíticas idealizadas (de elementos finitos). Aunque todas las aplicaciones BIM permiten modelar partes diferenciadas de una estructura, nuestras aplicaciones estructurales requieren un concepto fundamental del componente físico, más fácil de asignar a los modelos arquitectónicos a través de las formas geométricas, los materiales y las cargas.
Discretización de elementos físicos en finitos con STAAD.Pro CONNECT Edition.
La responsabilidad de transformar el “modelo físico” en un “modelo de elementos finitos” recae enteramente en el software de análisis estructural y permite a los ingenieros dedicar más tiempo a analizar el comportamiento estructural y otros diseños alternativos y menos a crear o manipular los objetos de elementos finitos.
¿En qué consisten los modelos analíticos-físicos de las representaciones estructurales?
Los ingenieros llevan usando el método de elementos finitos (FEM) para simular el comportamiento de las estructuras sujetas a cargas desde hace más de medio siglo. Sin embargo, a pesar de su flexibilidad y utilidad, el método FEM obliga a generar y gestionar la malla de elementos finitos como contrapartida. Crear y readaptar las mallas consume mucho tiempo, sobre todo si los cambios arquitectónicos conllevan múltiples revisiones del modelo estructural.
En los modelos de vigas y columnas, el trabajo adicional se reduce en parte con el uso de elementos FEM únicos para representar objetos “físicos” completos. Sin embargo, incluso en este caso, las intersecciones de viga con viga, las llaves de conexión y otros detalles agregan complejidad a la producción del modelo de elementos finitos idealizado y conservan la fidelidad con el modelo BIM físico.
Los ingenieros llevan usando el método de elementos
finitos (FEM) para simular el comportamiento de las
estructuras sujetas a cargas desde hace más de medio siglo.
Sin embargo, a pesar de su flexibilidad y utilidad, el método
FEM obliga a generar y gestionar la malla de elementos
finitos como contrapartida.
4El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
Producir idealizaciones adecuadas de elementos finitos de un modelo físico precisa lógica de dominio.
El problema se agrava al añadir elementos de placa de muros, losas u otros componentes del plano. La complejidad del modelo aumenta considerablemente y la gestión de la malla supone un gran contratiempo porque la compatibilidad entre los elementos planos y lineales en intersección en la malla de elementos y las diferen-cias de la geometría entre los elementos físicos y los finitos se convierten en un dolor de cabeza. Los modelos 3D con muros, losas y vigas físicas que se cruzan en varios ángulos todavía resultan más complejos; gestionar la malla se convierte en una tarea complicada y lenta que debe realizarse manualmente.
El modelo analítico-físico ofrece representaciones físicas más precisas que el modelo de elementos finitos. El modelo analítico-físico sigue siendo una idealización del modelo físico exacto creado con las aplicaciones BIM. Sin embargo, el nivel de granularidad es el de los objetos físicos, no el de los nodos, las condiciones de límite ni los elementos finitos en 1D y 2D.
Modelos analíticos-físicos y la intersección de múltiples losas, muros y vigas desplazados.
5El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
Traspasar gran parte de la responsabilidad de la discretización (conversión de los objetos analíticos-físicos en entidades de elementos finitos) al software estructural permite al ingeniero adaptarse mejor a los cambios del modelo y a las cargas ejercidas porque los componentes, superficies y cargas ya no tienen que diferenciarse para poder aplicar el modelo de elementos finitos.
La aplicación de análisis estructural STAAD.Pro de Bentley se basa en la filosofía anterior y genera ciclos de trabajo más físicos que facilitan la introducción de cambios. La aplicación STAAD.Pro CONNECT Edition, recién lanzada, incluye un nuevo entorno de modelado físico para crear y mantener modelos analíticos-físicos. El usuario puede crear modelos desde el modelador físico o basarse en el enfoque tradicional de modelado de elementos finitos. Cuando se utiliza el modelador físico, STAAD.Pro automatiza el proceso de idealización de la estructura y las cargas en un modelo de elementos finitos. Este ciclo de trabajo solo requiere realizar cambios de geometría en el modelo analítico-físico; el modelo de elementos finitos se actualiza a medida que el modelo físico evoluciona.
El usuario puede desvincular en cualquier momento el modelo de elementos finitos del modelo físico y pasar al modelado tradicional de elementos finitos de STAAD.Pro. Este enfoque centrado en lo mejor de cada sistema ayuda a los ingenieros a aprovechar las ventajas de las nuevas funciones de los ciclos de trabajo BIM sin renunciar a la flexibilidad del modelo de elementos finitos tradicional.
Al trabajar con muros y losas en particular, el enfoque basado en el modelado físico no solo aporta las mejoras propias de los ciclos de trabajo BIM, sino también ventajas de modelado respecto a versiones anteriores de STAAD.Pro. Cuando los elementos de superficie o de placa del modelo en STAAD.Pro se discretizan en forma de malla de elementos finitos, el objeto original del que proceden los elementos finitos se pierde. Las posteriores modificaciones de la superficie o la placa deben realizarse en los distintos elementos finitos a partir de entonces. Supongamos que un usuario quiere desplazar las aberturas de una losa o añadir más. Para hacer esto usando el flujo de trabajo de elementos puramente finitos de STAAD.Pro, el usuario necesitaría manipular tediosamente los nodos, elementos y cargas individuales en la malla de elementos finitos.
Revisar las aberturas en los modelos de elementos finitos puede ser tedioso
El modelo analítico-físico sigue siendo una idealización del
modelo físico exacto creado con las aplicaciones BIM.
6El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
El ciclo de trabajo de modelado físico de STAAD.Pro soluciona este inconveniente. Los cambios se realizan directamente en la losa física y la malla de elementos finitos se actualiza sola. Las aberturas pueden crearse con solo añadir nuevos nodos en cualquier lugar del suelo. Cada abertura está formada por un conjunto de nodos que conforman el límite de abertura y puede cambiarse de lugar o de tamaño con una simple modificación de las coordenadas correspondientes al nodo. Una vez añadidas las aberturas, el modelo de elementos finitos se vuelve a generar a partir de las limitaciones del modelo físico simplemente al actualizar el modelo analítico.
Modelador físico y malla de elementos finitos automatizada de STAAD.Pro CONNECT Edition
El tamaño y la configuración (elementos triangulares/cuadrangulares) de la malla de elementos finitos pueden seleccionarse desde el modelador físico de STAAD.Pro, que dispone de ajustes globales. Además, el tamaño de la malla puede controlarse desde el parámetro “tamaño de malla” asociado a cada elemento de la superficie física. Cada elemento puede tener asignado un valor distinto.
El tamaño de la malla del modelo de elementos finitos se controla desde el modelador físico de STAAD.Pro CONNECT Edition
7El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
Ventajas del modelo analítico-físico
Entre las principales ventajas de trabajar con el modelo analítico-físico destacan la rapidez y la precisión con la que pueden realizarse los cambios, manualmente o a través de un modelo BIM. El modelador físico de STAAD.Pro CONNECT Edition, por ejemplo, ya no requiere que las cargas de línea se dividan y apliquen a cada uno de los componentes de los elementos finitos, sino que pueden asociarse a los componentes físicos de apoyo de modo que se ajusten automáticamente a medida que las áreas proyectadas o la geometría de los componentes cambien.
Otra de las grandes ventajas de trabajar con modelos estructurales físicos es la correlación, cercana aunque no exacta, respecto al modelo BIM. Esta correlación ajustada ofrece un nivel de fidelidad muy superior al intercambiar datos entre el software estructural y el modelo BIM físico, aunque no sea la panacea.
Los retos de la interoperabilidad BIMCada software construye los datos fundamentales de una forma distinta. Por ejemplo, lo que en una aplicación es “aberturas de losa”, en otras es “eje de salida”. Aunque la representación física sea básicamente la misma, transformar una “abertura de una losa física única” para crear un “espacio negativo extruido a través de diversas plantas” conlleva considerables dificultades.
Otro reto habitual entre el enfoque físico y el basado en elementos finitos al que se enfrentan los programas de software es el tratamiento de ciertos perfiles de componentes (formas). Además de utilizar diferentes nomenclaturas de secciones que confunden a los ingenieros, las aplicaciones también procesan de manera distinta las formas preconstruidas. Un ángulo doble en una aplicación pueden ser dos ángulos independientes en otra.
Solo son algunos ejemplos de las complejidades entre los modelos analíticos-físicos-de elementos finitos a las que hay que hacer frente en los procesos de interoperabilidad. Esos conflictos probablemente seguirán existiendo mientras hayan distintas soluciones de software cuya ventaja competitiva se base en cómo se organizan y modelan los datos. Las diferencias en las soluciones estructurales son positivas, y así deberían verse cuando aparecen problemas de transformación de datos.
Gestión de la interoperabilidad a través de la interfaz ISM (Modelado Estructural Integrado) de Bentley
8El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
La tecnología que permite la interoperabilidad también es fundamental para la fidelidad de los resultados. Los estándares abiertos como IFC proporcionan archivos atractivos y un formato de visualización/agregación, pero el toque especial que IFC añade a determinados ciclos de trabajo hace que sea difícil mejorar la fidelidad de la interoperabilidad. Las plataformas comunes, como el Modelado Estructural Integrado (ISM) de Bentley, ofrecen cierto control sobre el intercambio de datos al identificar los cambios respecto al modelo común. De esta manera, el ingeniero conoce los cambios que las aplicaciones se transmiten entre ellas y puede evitar que utilicen o añadan información irrelevante al modelo común. En algunos casos se facilita una integración directa entre dos productos que ofrece mayor fidelidad, pero requiere que una misma máquina disponga de determinadas versiones de ambos productos y mantenimiento constante de los enlaces punto a punto por parte de los proveedores.
ISM es un destacado ejemplo de cómo la tecnología BIM puede usarse con el nuevo pro-grama STAAD.Pro CONNECT Edition. Aunque la vinculación con ISM heredada de STAAD.Pro sigue funcionando, STAAD.Pro CONNECT Edition permite ahora enlazar el modelador físico con ISM. Este nuevo vínculo analítico-físico soporta el intercambio de elementos estructurales bidimensionales, por ejemplo, losas y muros, lo que no era posible en anteriores versiones, y amplía los datos que STAAD.Pro puede intercambiar con aplicaciones BIM como AECOsim Building Designer, ProStructures, Revit Structure o Tekla Structures.
Modelo de Revit™ (izquierda) convertido a STAAD.Pro gracias a la interoperabilidad que ofrece ISM
Los modelos BIM pueden reproducirse en el modelador físico de STAAD.Pro y viceversa. Además, ISM permite actualizar los cambios de tamaño y configuración de los elementos realizados desde el modelador físico de STAAD.Pro, entre ellos los de elementos superficiales, desde otras aplicaciones. El vínculo entre STAAD.Pro y las aplicaciones BIM puede permanecer activo durante el proyecto y resultar muy útil a la hora de gestionar las revisiones. Independientemente de la tecnología empleada para facilitar la interoperabilidad, la construcción de un modelo analítico-físico con software estructural ha propiciado el intercambio efectivo de datos entre los modelos físicos BIM y las soluciones de diseño y análisis estructural.
9El modelado analítico-físico y la interoperabilidad impulsan los avances en BIM
La creciente adopción del método BIM en el diseño arquitectónico conceptual y detallado permite crear diseños más elaborados y complejos que nunca. El nivel de complejidad actual requiere que la interoperabilidad BIM-análisis estructural sea más efectiva y automatizada. La revolución BIM se fundamenta en la capacidad de las aplicaciones de análisis estructural, por ejemplo, STAAD.Pro CONNECT Edition, de transformar de forma fiable los diseños físicos del mundo real en modelos analíticos-físicos idealizados, sin necesidad de discretizar (mediante mallas) los elementos estructurales durante la interoperabilidad. Los modelos analíticos-físicos permiten configurar las figuras geométricas y las cargas más rápido, lo que ayuda a explorar y optimizar eficazmente otras alternativas de diseño.
La interoperabilidad BIM mejora con el uso de estándares como IFC o el ciclo de trabajo ISM (Modelado Estructural Integrado) de Bentley, que genera un historial de diseño y permite gestionar los cambios introducidos durante el proceso de diseño. El software de análisis y diseño estructural ha evolucionado considerablemente en la última década; ahora la interoperabilidad es más eficaz y automatizada y permite a los profesionales mantenerse al día frente a los diseños cada vez más complejos que la revolución BIM ha hecho posibles.
© 2017 Bentley Systems Incorporated. Bentley, el logotipo “B” de Bentley, Integrated Structural Modeling, STAAD, STAAD.Pro, AECOsim Building Designer y ProStructures son marcas comerciales registradas, sin registrar o marcas de servicio de Bentley Systems, Incorporated o de una de sus filiales que directa o indirectamente forman parte integral de su propiedad. Las demás marcas y nombres de productos son marcas comerciales de sus respectivos propietarios. 16059 11/17
9Analytical-Physical Modeling and Interoperability Propels BIM Advancements
© 2017 Bentley Systems Incorporated. Bentley, the “B” Bentley logo, Integrated Structural Modeling, STAAD, STAAD.Pro, AECOsim Building Designer, and ProStructures are either registered or unregistered trademarks or service marks of Bentley Systems, Incorporated, or one of its direct or indirect wholly-owned subsidiaries. Other brands and product names are trademarks of their respective owners. 16059 11/17
The increasing adoption of BIM as the method of choice for conceptual and detailed architectural design has resulted in more elaborate and complex designs than ever before. With this complexity, there is a need for more effective and automated BIM to structural analysis interoperability. The fundamental construct that is enabling this BIM revolution is the ability of structural analysis applications, such as STAAD.Pro CONNECT Edition, to robustly transform the real world physical designs into idealized Analytical-Physical models, without the need to discretize (mesh) structural elements during interoperability. These Analytical-Physical models allow for faster adjustments to geometry and loading enabling more efficient exploration and optimization of design alternatives.
BIM interoperability is further enhanced using standards such as IFC or Bentley’s Integrated Structural Modeling (ISM) workflow that provides design history and change management control during the design process. Structural analysis and design software has evolved significantly in the past decade to enable more robust and automated interoperability to keep up with the increasing complexity of designs enabled through the BIM revolution.
9Analytical-Physical Modeling and Interoperability Propels BIM Advancements
© 2017 Bentley Systems Incorporated. Bentley, the “B” Bentley logo, Integrated Structural Modeling, STAAD, STAAD.Pro, AECOsim Building Designer, and ProStructures are either registered or unregistered trademarks or service marks of Bentley Systems, Incorporated, or one of its direct or indirect wholly-owned subsidiaries. Other brands and product names are trademarks of their respective owners. 16059 11/17
The increasing adoption of BIM as the method of choice for conceptual and detailed architectural design has resulted in more elaborate and complex designs than ever before. With this complexity, there is a need for more effective and automated BIM to structural analysis interoperability. The fundamental construct that is enabling this BIM revolution is the ability of structural analysis applications, such as STAAD.Pro CONNECT Edition, to robustly transform the real world physical designs into idealized Analytical-Physical models, without the need to discretize (mesh) structural elements during interoperability. These Analytical-Physical models allow for faster adjustments to geometry and loading enabling more efficient exploration and optimization of design alternatives.
BIM interoperability is further enhanced using standards such as IFC or Bentley’s Integrated Structural Modeling (ISM) workflow that provides design history and change management control during the design process. Structural analysis and design software has evolved significantly in the past decade to enable more robust and automated interoperability to keep up with the increasing complexity of designs enabled through the BIM revolution.
