Efektivní BIM proces při návrhu styčníků ocelových konstrukcí

Návrh styčníků je stěžejní částí projektování a realizace projektů ocelových konstrukcí. Objem informací, které je nutné v rámci celého procesu bezchybně a srozumitelně předat, je značný. Změny a úpravy navržených řešení jsou na denním pořádku. Článek představuje hlavní strany zúčastněné při návrhu styčníků, stručně popisuje jejich motivaci a předávané výstupy. Dále jsou nastíněny jednotlivé fáze projektu, ve kterých je nutné se návrhem styčníků zabývat. Závěrem je uvedeno srovnání dopadů tří různých úrovní implementace BIM.

ZAINTERESOVANÉ STRANY

BIM proces při návrhu styčníků ocelových konstrukcí obnáší zejména sdílení dat, požadavků a koordinaci změn mezi několika disciplínami (viz obr. 1).

Pro globální statické posouzení konstrukce je v naprosté většině případů vytvořen model v jednom z desítek softwarů, umožňujících analýzu metodou konečných prvků FEA (Finite Element Analysis). Pro návrh styčníků je poté třeba předat geometrii konstrukce, průřezy nosných prvků, jejich materiály, vnitřní síly na prutech a reakce v podporách pro různé zatěžovací stavy, případně požadavky na tuhost jednotlivých připojení (kloubové, polotuhé a tuhé). Pro statika je zásadní, aby FEA model co nejvěrněji popisoval skutečně realizované řešení, čili aby chování navržených styčníků odpovídalo chování uvažovanému v globální analýze.

Z hlediska architektury jsou na styčníky kladeny požadavky na jejich vzhled a umístění na konstrukci. Tam, kde není estetické působení prioritní či je naopak žádoucí přiznat zajímavý konstrukční návrh, rozhoduje o podobě styčníku funkce a efektivita řešení. V místech, kde by styčníky působily rušivě, bývá navrženo řešení skryté.

Další zainteresovanou stranou je dodavatel ocelové konstrukce. Ten klade důraz zejména na proveditelnost, opakovatelnost, minimalizaci prostoru pro chyby při montáži a využití dostupných materiálů. Přitom know‑how a priority se mezi jednotlivými výrobci liší a mezi staticky i architektonicky ekvivalentními styčníky tak může být voleno právě na základě požadavků výrobce (viz obr. 3).

Pro tvorbu dílenské dokumentace se využívá některého z dostupných 3D CAD softwarů (Tekla Structures, Autodesk Advance Steel/Revit, ProSteel, SDS2 a podobně). Ve 3D CAD modelu jsou zaneseny entity styčníků (plechy, šrouby, svary a ořezy). Jejich dimenze, pozice a materiály musí opět odpovídat navrženému řešení.

Zvyklosti při návrhu styčníků se celosvětově různí podle regionu. Styčníky mohou být dodávkou zpracovatele statického řešení, výrobce ocelové konstrukce, případně zcela samostatného subjektu. Pro potřeby článku se předpokládá, že modelování a posouzení spojů probíhá za využití komponentní metody konečných prvků CBFEM (Component‑based Finite Element Method). Vstupy pro návrh je pak možné přebírat přímo z FEA modelu, výstupy předávat dále ke kontrole a konstruktérovi – jako podklad pro tvorbu 3D CAD modelu. Výsledné styčníky musí být v první řadě bezpečné, a to při splnění předpokladů a požadavků statika, architekta, dodavatele a dalších subjektů.

FÁZE PROJEKTU

Nezanedbatelný vliv na implementaci BIM procesu má způsob zadávání a realizace zakázek. Kromě tradičního postupu je využíváno např. metody Design & Build, kdy je za kompletní dodávku zodpovědný jediný zhotovitel, dále např. vlastní metody dodavatelů jako Advanced Project Delivery (APD)™, která spočívá v co nejčasnějším zapojení všech zainteresovaných stran do projektu. To umožňuje představit předběžnou podobu styčníků již ve fázi studie, což je mimo jiné vhodné z hlediska přípravy rozpočtu. Přestože styčníky obvykle tvoří 5 až 10 % celkové hmotnosti ocelové konstrukce, jejich podíl na ceně konstrukce je násobně vyšší.

Po prvotním návrhu styčníků dochází v dalších projektových stupních k vývoji zadání, iterativnímu návrhu a optimalizaci konstrukce, vnášení nových požadavků zúčastněných stran. To s sebou nese nutnost efektivní reakce na změny, opakované posouzení ovlivněných styčníků na aktualizovaná zatížení, případně zohlednění změn v dimenzích průřezů.

Před výrobou konstrukce je vhodné využít dostupnosti reálného CAD modelu konstrukce k finálnímu hromadnému posouzení všech spojů. Během montáže je zpravidla nutné reagovat na nečekané problémy a nepřesnosti, ať už dodatečným zesilováním, případně pouze posouzením a schválením stavu As‑Built (skutečného provedení).

Samostatnou kapitolu tvoří posudky styčníků existujících konstrukcí, např. při změně využití objektu. Dostupnost informačního modelu budovy je v těchto případech nedocenitelná.

NÁVRH STYČNÍKŮ PŘI RŮZNÝCH STUPNÍCH IMPLEMENTACE BIM

První hypotetická situace popisuje stav bez využití BIM procesů. K přenosu výsledků návrhu slouží 2D výkresy, vnitřní síly a reakce v tabulkách. Takové výstupy je často nutné dodatečně formátovat, aby byly srozumitelné. V lepším případě je následně možné je pro posouzení styčníků importovat, v horším případě dochází k manuálnímu přepisování. Tím vzniká značný prostor pro chyby, efektivní hromadné zpracování v podstatě není možné. Po navržení styčníků je nutná tvorba schémat a výkresů, často opět ve 2D, s dodatečnými popisy. Tyto podklady obdrží konstruktér, který podle nich vytváří 3D model pro výrobní dokumentaci. Protože opět dochází k ručnímu přepisu, podrobná kontrola tohoto modelu je naprosto nezbytná a mnohdy neefektivní.

Druhá situace popisuje realitu, se kterou se setkává většina uživatelů CBFEM. Mezi jednotlivými softwary existuje možnost sdílení dat, která je postavená na využití rozhraní API (Application Programming Interface). Toto rozhraní je z podstaty unikátní pro daný software, každé řešení je tak „na míru“. Přínos je přesto značný – nedochází k manuálním úpravám a přepisování sdílených dat, návrhové položky je možné zpracovávat hromadně. Pro posudek za pomoci CBFEM tak odpadá nutnost manuální definice geometrie, průřezů, zatížení. Výhodou CBFEM je to, že pracuje se skutečnou podobou styčníku ve 3D. Nabízí se tak geometrii a materiály styčníku sdílet za pomoci API přímo do 3D modelu, což významně redukuje chybovost při jeho tvorbě. Obě propojení je výhodné provozovat obousměrně, tzn. již vymodelované styčníky v konstrukčním CAD modelu je možné importovat zpět pro posouzení CBFEM, případně pomocí výsledků tuhostní analýzy zpětně aktualizovat analytický FEA model.

V poslední situaci je BIM využito v optimální míře. Je implementováno společné datové prostředí CDE (Common Data Environment), které je jediným zdrojem informací platným pro celý tým projektu. Přínos pro návrh styčníků spočívá v eliminaci různých zdrojů dat, jasně dané návaznosti analytických a strukturálních dat a okamžité možnosti kontroly kolizí s ostatním vybavením budovy a dalších návazností. Komunikace probíhá na základě otevřených a standardizovaných formátů, jmenovitě IFC (International Foundation Class), nebo např. aktuálně vznikající SAF (Structural Analysis Format). Do značné míry tak odpadá potřeba řešení na míru pro daný software a za předpokladu definice datového standardu je způsob komunikace „srozumitelný“ obecně. Je třeba zmínit, že datová kompatibilita je prozatím nejlepší v rámci produktových sad jednotlivých hráčů na trhu, z nichž pro návrh ocelových konstrukcí patří mezi nejčastěji používané produkty Autodesk, Nemetschek Group, Trimble a Bentley Systems.

Nezávislé řešení sdílení informací mezi platformami je důležitým krokem pro transformaci stavebnictví. Nejen v tomto ohledu je zásadní přínos globálního společenství buildingSMART, jehož českou pobočku v tomto roce založila Odborná rada pro BIM z. s. (czBIM). Využití BIM má oproti předávání podkladů v „papírové“ formě jasně patrné přínosy ve zlepšení koordinace, snížení chybovosti a časové úspoře díky absenci opakovaného přepisování identických informací. BIM poskytuje možnost podstatným způsobem zefektivnit proces návrhu styčníků, zejména při využití CBFEM.

Ing. Vojtěch Chalupa
Ing. Lubomír Šabatka, CSc.
IDEA StatiCa s. r. o.