BIM strutturale: geometrie BIM diverse per architetti e ingegneri?

In un software dedicato al calcolo strutturale possono essere adottate diverse semplificazioni alla geometria degli elementi con il solo scopo di arrivare ad uno specifico modello matematico. Questo può creare problemi in relazione allo scambio di informazioni bim. Sismicad 13 può mantenere spesso entrambe le esigenze.

Gianni Bizzotto

La progettazione strutturale contemporanea richiede modelli affidabili non solo dal punto di vista numerico, ma anche informativo. In ambito BIM, il modello strutturale deve dialogare con architetti, impiantisti e imprese, mantenendo coerenza geometrica e semantica. Questo contributo affronta un tema spesso sottovalutato: la differenza tra geometria costruttiva e modello matematico FEM. Attraverso un esempio concreto su pareti in c.a., vengono illustrate le implicazioni progettuali e una modalità di gestione evoluta.

Geometria costruttiva e modello FEM nel BIM strutturale

Le logiche di condivisione dati in ambito BIM richiedono anche ai tecnici strutturali l’esportazione di informazioni riguardanti il proprio progetto che devono essere correlate a rappresentazioni di geometrie tridimensionali in grado di descrivere efficacemente le opere che dovranno essere realizzate.

Questa è la soluzione più ovvia per condividere dati perché, con gli strumenti di visualizzazione computerizzata attuali, consente, anche a personale non specializzato, di comprendere geometrie complesse, un tempo esclusivamente legate a disegni bidimensionali di piante, prospetti, sezioni, etc. Questi sistemi di rappresentazione continuano ad essere utilizzati per esigenze specifiche, e non è detto che possano essere abbandonati, ma la rappresentazione 3D è sicuramente il presente e il futuro.

Definizioni – Geometria costruttiva e modello FEM nel BIM strutturale

Geometria costruttiva
È la rappresentazione tridimensionale degli elementi strutturali così come devono essere realizzati in opera. Include dimensioni reali, spessori, posizionamento e armature ed è quella utilizzata per coordinamento BIM, computi e fase esecutiva.

Modello matematico FEM (Finite Element Method)
È la schematizzazione numerica della struttura utilizzata per le analisi di resistenza, stabilità e deformabilità. Può prevedere semplificazioni geometriche (elementi shell, beam, nodi in asse) finalizzate all’efficienza e alla correttezza del calcolo.

BIM strutturale
È l’applicazione del Building Information Modeling alla progettazione strutturale, in cui modelli di calcolo, geometrie costruttive e informazioni tecniche devono essere coerenti e interoperabili con gli altri modelli disciplinari.

Indipendenza tra geometria e modello FEM
È la possibilità di mantenere separata la geometria costruttiva da quella del modello matematico, consentendo analisi strutturali corrette e, allo stesso tempo, un’esportazione BIM fedele al costruito.

Perché geometria architettonica, strutturale e FEM non coincidono

La forma strutturale, derivata da quella architettonica e individuata da esperti su basi spesso multidisciplinari. Deve essere tradotta, però, in modelli matematici tridimensionali, per valutarne resistenza, stabilità, deformabilità, etc. Le geometrie che ne derivano, decise normalmente dallo staff ingegneristico e definite in software specifici, spesso sono semplificate o parziali e si possono discostare dall’intuitivo aspetto architettonico dell’opera.

Per gli ingegneri è fondamentale disporre di software e workflow che consentano di operare in modo efficiente, partendo dal modello architettonico e arrivando alla gestione e condivisione delle geometrie costruttive ‘as built’ all’interno di processi BIM integrati.

Visualizzazione 3D della geometria strutturale e della deformata del modello FEM di un vano scala in ambiente BIM strutturale

Visualizzazione del vano scala e ascensore di un edificio e della sua deformata del corrispondente modello matematico a seguito di una analisi ad elementi finiti (Sismicad 13). (Crediti: Concrete)

Modellazione FEM delle pareti in calcestruzzo armato con variazione di spessore

Continuità strutturale e problemi di modellazione a shell

Per comprendere meglio quale possa essere la discrepanza tra geometrie di costruzione e di modellazione matematica si può far riferimento al cambio di spessore di una parete in calcestruzzo armato.

Nell’immagine che segue è rappresentata la parete (A) in cui è presente un cambio di spessore.

In un modello matematico ad elementi finiti, ogni porzione di parete, a spessore costante, è rappresentata da un piano verticale di elementi guscio (shell) posti in asse. In tale situazione questi due piani non sarebbero collegati trasversalmente tra loro, impedendo una valutazione corretta del loro comportamento.

Confronto tra geometria costruttiva e modello FEM di una parete in calcestruzzo armato con variazione di spessore nel BIM strutturale

(A)-Parete con variazione spessore. (B)-Modello con link rigidi. (C)-Modello con variazione geometria costruttiva. (D)-Modello con indipendenza della geometria costruttiva. (Crediti: Concrete)

Confronto tra diverse strategie di modellazione FEM

Per ripristinare la continuità tra le due porzioni di parete si può operare in diversi modi. In questa sede ne esploriamo alcune piuttosto comuni:

(B), con la definizione di link rigidi trasversali. In questo caso viene conservata la posizione della geometria costruttiva e dei piani di shell al punto medio ma in corrispondenza di link discreti possono generarsi tensioni puntuali elevate, tali da rendere difficile la verifica dell’armatura in quella zona.
(C), spostando una delle due pareti in modo che le estremità coincidano. In questo caso il modello rispecchia bene il comportamento reale della parete ma la posizione della geometria costruttiva non è conservata e la sua esportazione per esigenze BIM sarebbe scorretta.
(D), spostando solo la collocazione del modello ma lasciando inalterata la loro geometria costruttiva. In questo caso il modello è buono, come nel precedente caso, e in più viene conservata la posizione della geometria costruttiva, consentendo la corretta sua esportazione per esigenze BIM

I tre casi qui rappresentati sono gestibili facilmente in Sismicad 13 ma è proprio la soluzione (D) che evidenzia la particolarità di poter gestire, indipendentemente, geometria costruttiva e geometria del modello matematico.
Una modellazione di tal genere consente, cioè, di avere un modello matematico corretto e una progettazione delle armature adeguata al costruttivo, mantenendo coordinazione tra visualizzazioni, relazioni tecniche ed esportazioni dati.

Sezione della parete in calcestruzzo armato con geometria costruttiva reale e riferimento al modello FEM nel processo BIM strutturale

Armatura della parete in caso di modellazione (D). Sezione orizzontale da ambiente di verifica di Sismicad 13.1. (Crediti: Concrete)

Indipendenza tra geometria costruttiva e modello matematico: vantaggi operativi

In una progettazione BIM non è ovviamente obbligatorio che il software di modellazione strutturale possa esportare direttamente la geometria strutturale. Le geometrie corrette possono, e per LOD elevati normalmente devono, essere create in un software di “BIM Authoring” come Revit, Allplan, Archicad, etc.

Appare altresì ovvio che avere a disposizione un software di calcolo strutturale che esporta già in formati OpenBIM la geometria costruttiva corretta, completa di armature e mantenendo la modellazione migliore per il tecnico, sia un vantaggio competitivo enorme.

Modello FEM a elementi shell di una parete in calcestruzzo armato con rappresentazione delle armature nel calcolo strutturale BIM

Armatura della parete in caso di modellazione (D). Ambiente di verifica 3D di Sismicad 13.1. (Crediti: Concrete)

La funzionalità di Sismicad 13 esposta in questo semplice esempio è disponibile anche per travi o colonne, consentendo al tecnico di personalizzare totalmente il proprio progetto. In strutture complesse il vantaggio è ancora più evidente.
Talvolta, le geometrie di un progetto non sono quindi le stesse tra architetti e ingegneri. Strumenti di calcolo strutturale evoluti, in grado di gestirle, possono rendere il lavoro dei diversi team progettuali più coordinato e meno soggetto ad errori.