BIM e analisi strutturale: dal modello fisico a quello analitico

L’articolo si pone come obiettivo quello di spiegare il flusso di lavoro della modellazione BIM ai fini dell’analisi strutturale, presentando concettualmente le varie possibilità e applicando questi nuovi linguaggi ai software Midas.

Concetti chiave della modellazione BIM in ambito strutturale

Per capire bene qual è la finalità di questo articolo è doveroso soffermarci su dei concetti chiave:

• per modellazione si intende la creazione di un modello 3D che si presta a delle simulazioni numeriche;
• il BIM si può definire come un processo di sviluppo, analisi e gestione di modelli digitali che trattano discipline differenti; 
• l’analisi strutturale è la tecnica per risolvere problemi ingegneristici attuando schemi di calcolo spesso semplificati.

Quali modelli BIM si possono considerare?

Ci sono vari tipi di modelli da considerare:

• Modello fisico architettonico: si definisce nel software di BIM Authoring e contiene principalmente tutte le informazioni geometriche nonché le proprietà dei materiali di tutti i componenti che vanno costituire il modello architettonico;
  
  
• Modello fisico strutturale: si definisce sempre nel software di BIM Authoring e contiene le informazioni geometriche e le proprietà dei materiali di tutti i componenti che vanno costituire la parte strutturale;
  
  
• Modello analitico: anche questo si definisce sempre nel software di BIM Authoring ed è una schematizzazione dei componenti strutturali. Agli elementi monodimensionali vengono associati degli assi, agli elementi bidimensionali vengono associati dei piani. In questo modello è possibile definire anche dei carichi e delle condizioni al contorno.
  
  
• Modello concettuale: questo, a differenza degli altri non sta all’interno di nessun software ma nella testa dell’ingegnere. È quella schematizzazione che, in base alla conoscenza ed esperienza dell’ingegnere, si ritiene che meglio approssimi la realtà basandosi su schemi statici forniti dalla tecnica delle costruzioni.
  
  
• Modello computazionale: si trova all’interno del software FEM ed è composto da nodi e da elementi finiti che possono essere 1D, 2D o 3D, ai quali è associata una sezione o uno spessore oltre che un materiale. Una volta definiti i carichi e i vincoli, a valle di un’analisi, questo modello fornisce dei risultati in termini di reazioni, deformazioni e sollecitazioni, le quali possono essere utilizzate per tutte le verifiche del caso.

Tra tutti questi tipi di modelli, quello che interessa maggiormente l’ingegnere strutturista è sicuramente il modello computazionale in quanto è su quest’ultimo che verranno fatti i ragionamenti, le dovute considerazioni, nonché le verifiche.

Dando per scontato che l’analisi strutturale deve essere fatta su un modello che sia il più simile possibile al modello concettuale che lo strutturista ritiene accettabile e veritiero, il BIM può essere molto utile in quanto dà la possibilità di sfruttare le potenzialità che offre l’interoperabilità tra i vari software.

Ritrovarsi il modello computazionale all’interno del software fem in automatico, facendo solamente delle semplici operazioni di import/export è sicuramente un bel vantaggio, ma bisogna fare attenzione alla qualità di questo modello.

Per prima cosa, bisogna conoscere bene quali sono le regole con le quali il software di BIM Authoring crea questo modello analitico, quali sono le impostazioni di default e quali invece devono essere gestite dall’utente. Altra cosa fondamentale è quella di conoscere i limiti di questi collegamenti, ovvero sapere se tutti i tipi di elementi vengono riconosciuti, i tipi di sezioni, i materiali ed anche eventualmente carichi e vincoli. Non bisogna dare per scontato che venga sempre tutto riconosciuto e ancor più importante, che venga sempre riportato se si sta perdendo qualcosa nel passaggio da un software ad un altro.

Una volta però che si ha ben presente quali sono queste regole e ne si conoscono i limiti, soprattutto in modelli molto grandi, il vantaggio che si può avere sfruttando l’interoperabilità è notevole.

Raramente però, uno strutturista riesce a considerare in un unico modello tutte le variabili del caso, ma molto spesso deve farsi diversi modelli. Basti pensare ad un edificio in muratura, questo potrebbe essere modellato come telaio equivalente o al continuo, oppure un impalcato, questo potrebbe essere considerato come un piano rigido oppure modellato con la reale rigidezza. I casi di situazioni intermedie, per i quali bisogna fare valutazioni utilizzando più modellazioni tra loro simili ma differenti, possono essere molti e questi di sicuro non possono essere ottenuti in automatico da software nati per scopi non strutturali.

Attualmente l’interoperabilità tra software può avvenire per mezzo di formati aperti non proprietari e quindi si parla di IFC, attraverso link proprietari sviluppati dalle software house oppure tramite il Computational Design.

Il linguaggio BIM per l’interoperabilità: il formato IFC

Il vantaggio del formato IFC è che essendo basato su una classificazione standard, si riesce a condividere non solo dati ma bensì strutture di dati, inoltre essendo un formato aperto non proprietario, dovrebbe essere riconosciuto da tutti i software della filiera. Il contro del formato IFC è che, basandosi su una classificazione standard, riconosce correttamente solo quei dati che appartengono a questa classificazione e codesta, per quanto riguarda il settore strutturale o infrastrutturale, non è ancora completa, oppure è proprio il software che non sempre è in grado di leggere o scrivere il tutto correttamente secondo questo standard, pertanto si rischia di perdere pezzi per strada.

Fig. 1 Modello creato in Midas Gen ed esportato in IFC

Il link proprietario invece, essendo sviluppato dalla software house, è molto più controllabile e sono ben conosciuti e dichiarati i limiti che questo ha. Il contro è che ci vuole un link per ogni coppia di software che si vuole far dialogare. Resta il fatto che l’interoperabilità non è totale ma limitata.

Il linguaggio BIM di Midas Gen

Midas Gen ha un formato di import/export testuale molto semplice e ben organizzato, il formato .mgt.

In questo tipo di file vengono riportati tutti i dati presenti nel modello, coordinate dei nodi, definizione degli elementi, dei carichi, delle condizioni al contorno, ecc.

Il formato .mgt viene utilizzato per i link tra Midas e altri software, tipo Revit, Tekla, IDEA StatiCa per i quali esiste un apposito plug-in che permette lo scambio di dati. Per Revit e Tekla il link funziona sia in andata che in ritorno e il modello deve partire per forza da questi ultimi per poi arrivare in Gen tramite il formato .mgt generato dal plug-in. Per IDEA StatiCa invece, il link funziona solo in andata, da Gen a IDEA StatiCa e oltre a esportare la geometria e materiali tramite .mgt, esporta anche le sollecitazioni necessarie per le verifiche dei nodi di carpenteria metallica.

Fig. 2 Interoperabilità Revit - Midas Gen

Che cosa è Midas Gen

Midas Gen è un software che risolve integralmente tutte le problematiche di analisi e progettazione di qualsiasi tipologia strutturale, dalle più complesse alle più semplici, in zona sismica e non, con qualsiasi materiale. Le molte funzionalità non lineari, sia in termini di carichi, materiali e vincoli, permettono di fare molteplici tipologie analisi con diversi criteri di convergenza. Scopri tutte le caratteristiche di Midas Gen >

Altro discorso, ma simile, vale per i software della stessa software house, in quanto spesso si riesce ad importare ed esportare non solo il modello con la geometria e proprietà, ma se parliamo di fem, anche i risultati.

È grazie al file .mgt che il Gen riesce a dialogare con Midas FEA NX o con Midas GTSNX per analisi di dettaglio o geotecniche, oppure con Midas Drawing, tramite Midas nGen, per i disegni delle carpenterie.

Viene riportato di seguito un esempio dove un edificio e un ponte, modellati rispettivamente in Midas Gen e Midas Civil, vengono importati in Midas GTSNX per lo studio dell’interazione terreno struttura. Una volta fatte le dovute analisi in GTSNX i modelli vengono esportati nuovamente in Gen e Civil insieme ai risultati, in modo da poter eseguire le verifiche considerando i reali cedimenti.

Fig. 3 Midas Gen - Midas Civil > Midas GTSNX

Il Computational Design: un metodo alternativo per la modellazione

Altra soluzione come detto precedentemente è il Computational Design, cioè un insieme di soluzioni personalizzate, create tramite linguaggi di programmazione visuale, in grado di leggere dati strutturati (in formato tabellare o txt) derivanti da un software e scriverle in un altro.

Riportiamo di seguito due esempi, il primo fatto con Grasshopper nel quale viene importata in Midas Gen una struttura fortemente irregolare modellata principalmente con elementi 2D in Rhinoceros e nel secondo viene importata in Revit, tramite una procedura creata con Dynamo, una struttura creata in Midas Gen.

Fig. 4 Rhinoceros > Grasshopper > Midas Gen

Fig. 5 Midas Gen > Dynamo > Revit 

Essendo questa soluzione personalizzata, si riesce a rendere interoperabili anche dei dati che le precedenti soluzioni non prevedevano, per esempio le armature. Vediamo di seguito che nel modello importato in Revit tramite Dynamo, sono state importate proprio le armature progettate in Midas Gen. 

Attualmente non sono disponibili in commercio script che permettono l’interoperabilità completa di una struttura generica, ma ognuno che abbia un minimo esperienza con questi linguaggi, se li può creare autonomamente.

I formati di import ed export di NextFEM

Un’ulteriore soluzione è quella di utilizzare dei software fem che hanno una vasta libreria di formati in import ed export. Tra questi c’è sicuramente NextFEM in quanto riesce a gestire i formati di molti software a elementi finiti dando così la possibilità, per esempio, di importare in Midas Gen un file creato in Sap2000 o Straus7 oppure di importare sempre in Midas Gen un file IFC, cosa che attualmente, senza NextFEM non è possibile fare. 

Inoltre, NextFEM ha la possibilità importare non solo i dati di input, quindi geometria, proprietà, carichi e vincoli, ma anche i risultati relativi alle singole combinazioni di carico, dando così la possibilità di fare delle verifiche specifiche direttamente al suo interno, tipo quelle del legno e alluminio, che in Midas Gen non sono ancora fattibili. Altro aspetto interessante di NextFEM è che esporta in IFC anche le armature, quindi, una volta importato da Gen un modello dove sono presenti le armature, queste si possono trovare anche nel formato aperto non proprietario come richiesto dal D.M. MIT 560/2017 Art. 4.

Come il BIM aiuta i professionisti?

Concludendo si può sicuramente dire che l’interoperabilità tra software offre un aiuto non indifferente a tutti coloro che quotidianamente si trovano a dover condividere i dati del loro lavoro con altre figure professionali. Abbiamo visto che ci sono vari modi per scambiare dati e per fare BIM, probabilmente ad oggi nessuno di questi è completo e soddisfacente al 100% ma questa è una materia in continua evoluzione e potrebbe portarci in futuro non molto lontano ad un'ulteriore riduzione di perdite di dati, con un relativo risparmio di tempo, che si traduce in una riduzione dei costi totali.

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Chi è CSPFea

CSPFea si occupa di commercializzare software di calcolo strutturale per il settore AEC. La mission aziendale è quella di assistere società di ingegneria, professionisti ed aziende impegnate nel vasto settore dell’ingegneria civile, dell’architettura e delle costruzioni (AEC), aiutandoli a migliorare processi e metodi, capacità di analisi e di progettazione mediante la simulazione: CSPFea è il partner per incrementare le vostre prestazioni, migliorare il processo di design e l’affidabilità dei vostri servizi.