Опыт применения Autodesk Revit и Robot Structural Analysis Professional

Building Information Modeling (далее BIM) – метод проектирования, который осуществляет комплексный сбор, обработку и анализ информации от каждого звена проектирования (архитекторов, конструктов, смежников и т. д.) и последующие использование на всем жизненном цикле объекта. Причем вся информация взаимосвязана друг с другом, что позволяет снизить ошибки проектирования.

При типичном походе к проектированию (далее CAD подход) информация собирается отдельно друг от друга, что приводит к коллизиям (ошибкам). И часто это коллизия, появляется непосредственно при строительстве, что приводит к последующему изменению проекта и последующему удорожанию строительства (Рисунок 1).

Рисунок 1 - График зависимости затрат на изменение проекта от его стадии (Рисунок из официального сайта

BIM имеет два главных преимущества перед CAD:

• 1 .Объекты в BIM — это непросто 3D модель, а информация, способная автоматически создавать чертежи, выполнять анализ проекта и т. д., предоставляя неограниченные возможности для принятия наилучшего решения с учётом всех имеющихся данных.

• 2 .BIM поддерживает совместные группы, поэтому различные специалисты могут вместе использовать эту информацию на протяжении всех этапов строительства, что исключает ошибки, потерю информации при передаче.

• 3 .Снижение затрат и проектных ошибок (коллизии).

2.    Обзор литературы

За рубежом давно подсчитывают возросшие показатели эффективности проектирования [2], мы же пытаемся сделать только свои первые шаги. С возросшим интересом государства к информационному моделированию [1], возможен рост применения BIM в нашей стране. И становиться понятно, чтобы быть в долгосрочной перспективе конкурентоспособным на рынке строительного проектирования, BIM придется внедрять.

На рынке множество платформ, работающих с BIM (Tekla Structures, Autodesk Revit, Allplan и т.д.). Каждый продукт имеет свои плюсы и минусы. Благодаря широкому распространению продуктов Autodesk в России и правильной маркетинговой политике было решено выбрать продукты именно этой компании. Эта компания имеет широкий спектр продуктов для реализации концепции BIM (Autodesk Revit, Autodeks Robot Structural Analysis Professional, Autodesk Navisworks, Autodesk Ecotect и т.д.). Очевидно, сразу охватить все продукты не получиться. Нужно остановиться на чём-то одном. Я решил сфокусироваться на Autodesk Revit и Autodesk Robot Structural Analysis Professional, так как опыт применения этих программ позволит выпускать проектную документацию, не применив оставшихся продуктов.

Autodesk Revit — программный комплекс, реализующий принцип информационного моделирования зданий (BIM).

Autodesk Robot Structural Analysis Professional – расчетный комплекс, предназначенный для расчетов несущих конструкций зданий и сооружений на прочность, устойчивость и динамические воздействия.

Использование метода конечных элементов (далее МКЭ) при расчете строительных конструкций широко представлен в научных публикациях [3-9] и [18]-[22].

Сравнительный анализ расчетов программ освещен редко. К примеру, были представлен сравнительный анализ расчетных программ ЛИРА-САПР ПК и ПВК SCAD Office [10].

Более близкой стала работа [11], целью которой являлось сравнить результаты расчета осадков по СНиП между программами ПВК SCAD Office и Robot Structural Analysis Professional. Авторы получают погрешность в пределах 20-25 процентов. Вследствие трудности правильного моделирования поведения грунта результат был назван приемлемым.

Технология BIM широко представлена в зарубежных статьях [23-33]. Но статьи со схожей тематикой не была найдена.

3.    Постановка задачи

Итак, концепция BIM для конструктора-расчетчика наиболее полно реализуется в связке Autodesk Revit и Robot Structural Analysis Professional. Так как именно у этой связки имеется двусторонняя связь между расчетами и документацией. Для конструктора-расчетчика первостепенная задача обеспечить безопасность и надежность здания, то есть на первом месте стоят расчеты и правильность получаемых расчетов. Проблема заключается в том, что, применяя новый продукт, в этом случаи Robot Structural Analysis Professional, новичок не может быть точно уверен в правильности получаемых результатов. Метод конечных элементов практически везде одинаков. Но механизм решения задачи, реализуемый программами, он разный. И типичные критерии правильности работы расчетной схемы (классические эпюры строительной механики, деформации конструкции) не являются достаточными. К примеру, непростую задачу расчета фундаментной плиты со сваями (в плане правильности постановки задачи и учета грунтовых условий) тяжело неопытному пользователю с первого раза правильно смоделировать в Robot Structural Analysis. И с большой вероятностью первый опыт окажется ошибочным. Также не стоит забывать, что те или иные расчетные комплексы – это всего лишь инструменты в руках проектировщика. Здесь не будет «волшебной кнопки», которая сама все сделает. Правильность результатов будет зависеть от самого проектировщика (от его знаний, опыта, отношения к работе). Таким образом, становиться, очевидно, чтобы впервые применить новую технологию или продукт, нужен индикатор, который будет помогать следить за объективностью получаемых данных. Более того, нужно начать с простых элементов (рассматривать конструкцию по отдельности колонны, балки, фундаменты, подстропильные фермы и т. п.). Так как сложное - это комбинация простых элементов. И решение простых задач даст ключ к решению сложных.

Конечно, во всех этих рассуждениях кроется недочет. В том, что никакая программа не сможет дать объективность результатов, если у нас не будет объективных теоретических знаний. Расчетные комплексы, это всего лишь инструменты. И результат будет зависеть от того, как человек пользуется этим инструментом. Некорректность в подходе мышления над задачей, даст неверный результат в программе, и неизбежно получим ошибку в реальности.

Основываясь на этих принципах, для своего объекта анализа (рисунок 2) я выбрал три простейших конструкции автоцентра (балку, колонну, подстропильную ферму) и начал сравнивать результаты с ручным расчетом, с помощью ПК Scad Office и Robot Structural Analysis. Таким образом, два индикатора (ручной расчет и ПК Scad Office) будут мерилами адекватности работы в Robot Structural Analysis.

Из поставленной цели вытекают следующие этапы работы:

• 1.    Сбор нагрузок на балки, колонну, подстропильные фермы.

• 2.    Расчет и анализ выбранных элементов.

• 3.    Сбор нагрузок на общую пространственную схему, создание и анализ МКЭ модели.

4.    Сбор нагрузок на отдельные несущие элементы

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

Рисунок 2 – автоцентр «SСANIA»

Исходные данные для сбора нагрузок:

Район строительства – город Уфа, микрорайон Шакша, Республика Башкортостан.

Климатический район - 1В;

Нормативная ветровая нагрузка для II района – 0,3 кПа;

Расчетная снеговая нагрузка для V района – 3,2 кПа;

Средняя скорость ветра зимой – 4 м/сек;

Среднемесячная температура января – (-15) С;

Среднемесячная температура июля – (20) С;

Cбор нагрузок представлены в таблицах 1-3.

Таблица 1 – Сбор нагрузок на балку покрытия

ex =r co о EZ	Наименование нагрузки	Величина нагрузки
		Норматив ная нагрузка	Коэфф.надеж н. по нагрузке, γ f	Расчетн ая нагрузка	Нагрузка на балку	Ед. изм
	2	3	4	5	6	7
1. Постоянные нагрузки
	Собственный вес	0,861	1,05	0,904	0,904	кН/ м
	Кровля	0,205	1,13	0,232	0,920	кН/ м
2. Кратковременные нагрузки

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

Снеговая нагрузка

2,29

1,4

3,20

12,67

кН/ м

Таблица 2 – Сбор нагрузок на несущие колонны

ex =r co о EZ	Наименование нагрузки	Величина нагрузки
		Нормативная нагрузка, кН	Коэфф. надежн. по нагрузке, γ f	Расчетная нагрузка, кН	Момент, кН ∙ м
1	3	4	5	6	7
1. Постоянные
1	Собственный вес	7,54	1,05	7,92	-
2	Кровля	17,8	1,13	20,1	-
3	Балки покрытия	8,9	1,05	9,4	-
4	Подкрановые балки (на консоль)	4,61	1,05	4,84	1,94
2. Временные
5	Снеговая нагрузка	197,9	1,4	277,10	-
6	Максимальная опорная реакция (от Fmax)	63,46	1,2	76,15	30,46
	Поперек горизонтальная поперек опорная реакция (от Qk)	2,8	1,2	3,4	23,8 (в основании)
Итого				398,0	56,2

Таблица 3 - Сбор нагрузок на подстропильные фермы

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

§ с*) о с:	Наименование нагрузки	Величина нагрузки
		Нор.н. кПа	к. н.н., γ f	Расчетная нагрузка, кПа	Нагрузка на ПФ, кН
1	2	3	4	5	6
1	Собственный вес	-	1,05	-	-
2	Кровля	0,205	1,13	0,232	7,80
3	Балки покрытия (3 м 25 Б1+ 9 м сварная балка)	11,6 (кН)	1,05	12,2 (кН)	12,2
4	Снеговая нагрузка	2,29	1,4	3,20	107,5

5.    Пример расчета несущей колонны

Колонны имеют высоту 8000 мм. На высоте 7000 мм колонны имеют консоль для установки подкрановых конструкций.

Колонны имеют жесткое закрепление в плоскости поперечной рамы и шарнирное – вдоль здания. Вдоль здания колонны раскрепляются системой связей [рисунок 4].

Кран опирается на колонну через консоль. Расстояние от грани колонны до места опирания крана на подкрановую балку – не менее 160 мм (по заданию от производителя крана). В запас при расчете до стадии конструирования принимаем этот размер равным 200 мм. Таким образом, общий эксцентриситет от крановой нагрузки на колонну – 400 мм.

Принятое сечение колонны: двутавр 40Ш1 по СТО АСЧМ 20-93 из стали С245 по ГОСТ 27772-88.

Нагрузки собираются на наиболее загруженную колонну (пересечение осей Г и 6) [рисунок 3].

Грузовая площадь нагрузок от покрытия:

8,4 6 Т+2

Рисунок 3 – Схема расположения несущих колонн

Рисунок 4 – Расчетная схема для расчета несущей колонны

6.    Ручной расчет несущей колонны

• a)    Прочность при действии изгибающего момента М (пункт 8.2.1[13]):

М5620

Л = 372,94-24 ■ 1.0 = ⁰¹⁴⁶ <  ¹

б) Устойчивость при сжатии в плоскости XOY (пункт 7.1.3[13]):

Коэффициент расчетной длины: ^ = 1

N

-----;< 1

ф • А ■ Я у "У с

Lef800

Л = -^ = —— = 113.85

!    7.027_________

_     1Я!

Л = Л $ = 113,85 ——777 = 3.89

J %            2,06 ■ 105

По таблице Д.1 [13]: ф = 0,47

398,0 ---------------------=0,30 0,47 -112,91-24,0 -1,0

0,30 < 1 Условие выполняется.

• б)    Устойчивость при сжатии в плоскости XOZ (пункт 7.1.3[13]):

Коэффициент расчетной длины: ^ = 2

Lef1600

Л =    =      = 97,26

!16,45

_I

Л = Л $ = 97,26 • ———7 = 3.32 J %      ’   2266-Ю⁵

По таблице Д.1 [1]: ф = 0,58

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

398,0             п,)г

0,58 -112,91-24,0 • 1,0 = ^0,25

0,25 < 1 Условие выполняется.

в) Устойчивость в плоскости действия момента My при внецентренном сжатии (пункт 9.2.2 [13]):

N

---7~7 --- < 1

Фе" А ¹ R у ' Y c

_     IRZ            I 240

Л = Л $ = 97,26- I ,_ = 3.32

J %     '   J2-W5

' W

е- А 14.12-112,91

1595,61

= 1,0

М 5620

где е = ) = -,-. = 14.12 мм - относительный эксцентриситет

По таблице Д.2 [13]:

// == 29,9 -1,3

/о   38,3 - 0,9    '

11ДЗ = 1,47- коэффициент влияния формы сечения те^ = 1 - т = 1,47 -1,0 = 1,47

Ф _е = 0,34 - таблица Д.3 [13]

398 ---------------------< 1 0.34-112.91-24,0 -1,0

0,43 < 1 Условие выполняется.

• г)    Устойчивость из плоскости действия момента My при внецентренном сжатии (пункт 9.2.4 [13]):

N

-----7—7--- < 1 С - Ф у - А - R у - Yc где с = 0,66 - приведенный коэффициент при проверке устойчивости (пункт 9.2.5 [13]) 398,0

-----------------------------< 1 0,66-0,47 -112,91-24,0 -1,0 <

0,47 < 1 Условие выполняется.

• д)    Предельная гибкость в плоскости ХОZ (таблица 32 [13]):

7.    Расчет в SCAD Office

Л = 180 - 60 - 5 = 180 - 60 - 0,5 = 150 где а = —)— = 0,43 < 0,5 , принимаем а = 0,5. Ф е ' А -8 у -У с

При расчете в Scad Office, используем сателлит «Кристалл» (рисунок 5).

Рисунок 5 – Сателлит «Кристалл»

Результаты расчета представлены на рисунке 7.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

8.    Расчет в Robot Structural Analysis Вывод

Расчетная схема представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Расчетная схема и результаты в Robot Structural Analysis

9.    Анализ полученных результатов

Расхождение результатов представлен на гистограмме (рисунок 7).

Вывод: расхождение результатов в пределах допустимых. Причем связано с тем, что единицы измерений очень мелкие. Расхождение в программе Robot Structural Analysis связано с тем, что расчет

коэффициента сочетания нагрузок отличен от «Кристалла», это не противоречит [12].
	тс ZE < CO О m ^ О EZ О S H ZE zzr e m О ^	O' О o' III	■ Ручной ГП £4 ГП О о °	■ Кристалл О о~ °' III	■ Robot	о § о		0 D С	0 D С	0 D
		Прочность при действии изгибающее о момента	Устойчивост ь при сжатии в плоскости X0Y	Устойчивост ь при сжатии в плоскости X0Z	Устойчивост ь в плоскости действия момента Му при внецентрен ном сжатии	Устойчивост ь из плоскости действия момента Му при внецентрен ном сжатии	Предельная гибкость в плоскости XOZ
	■ Ручной	0,146	0,3	0,25	0,43	0,47		0,648
	■ Кристалл	0,14	0,29	0,24	0,41	0,46		0,648
	■ Robot	0,146	0,3	0,25	0,43	0,47		0,648

Рисунок 7– Гистограмма расхождения результатов расчета

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

10.    Анализ результатов расчета балки и подстропильной фермы

Так как расчеты балок и подстропильной фермы достаточно обширны, в статье представлены только итоговые результаты анализа.

Вывод: расхождение результатов в пределах допустимых (рисунок 8-9). Расхождение в программе Robot Structural Analysis связано с тем, что принцип расчет сочетаний усилий отличен от SCAD Office. Причина нулевого расхождения «ручного» расчета и SCAD Office в том, что я опирался на эпюру усилий выданный Scad Office.

■ Ручной ■ Кристалл ■ Robot

Рисунок 8 - Гистограмма расхождений результатов расчета балки покрытия

■ Ручной ■ Кристалл ■ Robot

е             Максимальные        Максимальные        Максимальные        Максимальные

О              коэффициент          коэффициент          коэффициент          коэффициент использования сечения использования сечения использования сечения использования сечения верхнего пояса          нижнего пояса             раскоса                 стойки

■ Ручной	0,9	0,48	0,59	0,63
■ Кристалл	0,9	0,48	0,59	0,63
■ Robot	0,91	0,46	0,56	0,63

Рисунок 9 - Гистограмма расхождения результатов расчета подстропильной фермы

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

11.    Расчет и анализ пространственной схемы здания

Расхождение результата не более 4% (рисунок 10-11), связан с небольшой разницей РСУ в программах и степенью адекватности работы автора статьи. Это расхождение является допустимым, и позволяет приступить к расчетам общей пространственной схемы.

На следующем этапе, моделируем пространственные расчетные схемы в ПК Scads Office (Рисунок 10) и Robot Structural Analysis (Рисунок 11). Индикатором адекватности будет расчетная схема в SCAD Office, так как опыта работы в ней больше и более приспособлен под российские нормы.

Рисунок 10 – Расчетная схема в SCAD Office

Рисунок 11 – Расчетная схема в Robot Structural Analysis

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

Как мы знаем, чтобы построить расчетную схему в Scad Office, её нужно будет по узлам и стрежням, назначать сечения. Но в случае связки Revit + Robot это не нужно, схема делается автоматически, и она передается в Robot, причем со всеми сечениями. В результате мы уже имеем расчетную схему (Рисунок 12).

Задаем нагрузки, дорабатываем связи, считаем. У Revit и Robot, двусторонняя связь. И если, допустим, изменим сечение, то чертежи в Revit обновятся автоматически без вмешательства проектировщика.

Анализируем результаты пространственной схемы, выбираем раму и начинаем сравнивать результаты (Рисунок 13).

Рисунок 12 – Revit импорт в Robot

Рисунок 13 – Анализируемая рама

Максимальное расхождение в 4% у колонн (рисунок 14).

• ■    Scad Office ■ Robot

О

О

Колонна A/5

Колонна Б/5

Колонна Д/5

Колонна Е/5

Балки покрытия

Главная сварная балка

е е m О

• ■    Scad Office

• ■    Robot

0,28

0,29

0,39

0,43

0,43

0,39

0,27

0,28

0,63 0,6

0,64

0,66

Рисунок 14 – Гистограмма расхождения результатов пространственной схемы.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №11 (38)

Причина расхождения: расчетное сочетание усилий (РСУ). Алгоритм подбора РСУ по [12] в программах разный, в особенности крановой. Более достоверный будем считать результат, выдаваемый SCAD Office, так как он имеет модуль расчет крановый нагрузок по СП «Нагрузки и воздействия». Таким образом, если схемам задать одинаковое РСУ, то можно получить идентичные результаты. Так как метод конечных элементов для обоих случаев одинаков.

12.    Вывод

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

• 1.    Выполнить расчет простейших элементов конструкции.

• 2.    Получить расхождение не более 4 процентов, для общей пространственной схемы. Что в инженерной практике, является допустимой погрешностью.

• 3.    Сделать первые шаги к освоению BIM.

Предстоит большая работа над тем, чтобы быстро и правильно проверять конструкцию на соответствие СП, правильно генерировать РСУ согласно СП «Нагрузки и воздействия» и т. д. Но важно было сделать первый шаг к освоению BIM. А понимание работы технологии и дальнейшие успехи в ней возможен лишь шаг за шагом, по мере накопления опыта и знаний.