IDEA StatiCa в рабочем BIM-процессе

Руслан Бароев,
инженер САПР строительных конструкций, «НИП-Информатика»

Расчет стальных узлов за несколько минут

Автоматизация в расчетах и проектировании

В настоящее время трудно представить проектную организацию, не использующую компьютерные программы для автоматизации расчетов. Количество программ для инженерного анализа велико, и пользователь стоит перед трудным выбором. К основным свойствам расчетной программы, которые влияют на выбор пользователя, можно отнести:

• надежность программы и достоверность результатов;
• соответствие нормам и правилам, принятым на данной территории или в отрасли;
• оперативность получения результатов и удобство работы.

Эти критерии носят субъективный характер, но, в целом, не противоречат общим принципам выбора такого программного обеспечения.

Остановимся на расчетах узлов соединений элементов, которые являются одними из наиболее уязвимых частей конструктивных систем любых зданий и сооружений. Широко известные универсальные программно­вычислительные комплексы (ПВК) могут справиться с подобной задачей, но не могут удовлетворить вышеуказанным критериям в полной мере. Процесс создания модели узла, ее расчет и получение результатов могут занимать несколько часов, а работа с нестандартными узлами — несколько дней. Это связано с тем, что такие ПВК предназначены для расчета конструктивных систем в целом, а не для анализа соединений отдельных элементов. Перед разработчиками программного обеспечения была поставлена непростая задача: реализация быстрого и точного расчета узлов стальных конструкций, удовлетворяющего требованиям строительных норм и правил. Решить ее первыми удалось специалистам из Чешской республики, где появилось специализированное программное обеспечение IDEA StatiCa. Теперь расчет и проверки стальных узлов по нормам занимают всего несколько минут.

Расчет стальных узлов в IDEA StatiCa

В IDEA StatiCa реализован так называемый компонентный метод конечных элементов (КМКЭ). Он был разработан кафедрой стальных и деревянных конструкций факультета гражданского строительства Чешского технического университета в Праге и факультетом металлических и деревянных конструкций Технологического университета в Брно в рамках гранта на научно­исследовательскую работу и защищен патентом. КМКЭ сочетает следующие преимущества:

•  надежность получаемых результатов. В процессе разработки моделей компонентов, реализованных в IDEA StatiCa, было выполнено большое количество тестовых расчетов, натурных и численных экспериментов. Результаты этой работы собраны в книгу «Benchmark cases for advanced design of structural steel connections» [2]. КМКЭ­модель дает инженеру точное и проверенное решение поставленной задачи;
•  универсальность. КМКЭ подходит для большинства соединений различной конфигурации — опорных и рамных узлов, узлов покрытия и других, распространенных в инженерной практике. Пользователь не ограничен стандартной геометрией;
•  наглядность. КМКЭ­модель (рис. 1) дает современному инженеру достаточное количество информации о поведении узла, его напряженно­деформированном состоянии и коэффициентах использования отдельных компонентов, а также о результатах общих проверок [1].

Рис. 1. КМКЭ-модель сложного узла в IDEA StatiCa Connection

Кроме этого, программа обладает такими функциональными особенностями, как:

• интуитивный пользовательский интерфейс;
• встроенный редактор соединений;
• пользовательские шаблоны узлов;
• интерфейсы взаимодействия с CAD­ и FEA­программами.

Благодаря этому IDEA StatiCa позволяет выполнять расчет и проверки стальных узлов различной конфигурации в соответствии с нормами всего за несколько минут.

Преимущества IDEA StatiCa

Пользовательский интерфейс

Основным отличием IDEA StatiCa от других МКЭ­программ является инженерный подход к созданию модели узла, что делает интерфейс программы простым и понятным. Рассмотрим этот вопрос более детально:

•  материалы и их модели. Пользователь не тратит время на ввод диаграмм материалов с нужными характеристиками — в IDEA StatiCa есть встроенная библиотека марок стали, классов бетона, болтовых соединений и электродов. Инженер­конструктор работает с привычными ему понятиями;
•  конструирование узла. Расчетная модель не собирается вручную из конечных элементов — стержней, пластин и объемных тел. Все объекты модели создаются с помощью так называемых монтажных операций, понятных каждому инженеру­конструктору. К примеру, требуется соединить две детали сварным швом — для этого достаточно добавить операцию Сварка и сказать, какие детали нужно соединить. Создавать для этого конечные элементы или вводить в схему объединения перемещений не нужно [1];
•  загружения. В IDEA StatiCa Connection пользователь работает с моделью узла, который выделяется из общей схемы. Поэтому действие отброшенной части заменяется внутренними усилиями, которые прикладываются к элементам, сходящимся в узле, и удовлетворяют фундаментальному принципу равновесия. Их можно задать вручную или импортировать из сторонних программ;
•  сетка конечных элементов и расчет. Чтобы выполнить расчет модели, достаточно нажать на соответствующую кнопку ленты. Сетка конечных элементов будет сгенерирована автоматически. В IDEA StatiCa имеется пять встроенных режимов расчета: упругопластический (основной), линейный расчет устойчивости, расчет жесткости прикрепления, расчет с учетом появления пластического шарнира и расчет несущей способности узла [1];
•  отчет по результатам. После выполнения расчета программа выдает не только таблицы с усилиями и напряжениями в отдельных элементах, но и необходимые коэффициенты использования компонентов узла, которые вычисляются в соответствии с СП 16.13330.2017или другими нормами проектирования. Данные из отчета можно экспортировать в DOC­, PDF­ или DXF­формат.

Встроенный редактор узлов

Встроенный редактор узлов — это первое окно, которое видит пользователь при запуске IDEA StatiCa Connection (рис. 2).

Рис. 2. Встроенный редактор узлов

В программе имеется обширная библиотека встроенных шаблонов узлов (более 150), благодаря которым создание модели занимает всего пару минут. Пользователь только выбирает класс или тип узла (балочный, рамный, ферменный, опорный), затем его топологию (взаимное расположение элементов), подходящую конструкцию узла или его исполнение и нужные характеристики используемых болтов, анкеров, сварных швов, марки стали и нормы проектирования, по которым будут выполняться проверки. Далее остается только нажать на кнопку Создать проект. После этого в случае необходимости конструкцию узла можно доработать вручную.

Пользовательские шаблоны узлов

В инженерной практике часто используются типовые решения. Этот вопрос особенно актуален при конструировании стальных узлов. В IDEA StatiCa Connection можно создавать собственные шаблоны узлов, добавлять их в базу данных и затем использовать в рабочих проектах. Благодаря этой функции можно существенно сократить трудозатраты на моделирование и расчет однотипных соединений, сделав их параметрическими.

Все создаваемые шаблоны хранятся в пользовательской библиотеке (рис. 3), их можно импортировать (подгружать в библиотеку извне) и экспортировать (выгружать из программы на рабочий компьютер).

Рис. 3. Диспетчер шаблонов узлов IDEA StatiCa

Взаимодействие IDEA StatiCa с другими программами

Расчет и проектирование стальных узлов обычно выполняются после компоновки схемы здания или сооружения и выполнения статического расчета всей конструкции. Однако, даже имея современное специализированное ПО, на создание расчетной модели узла приходится тратить дополнительное время. Этого можно избежать, если задействовать созданные ранее CAD­ и FEA­модели здания или сооружения из других программ. В итоге для конструирования будет использоваться одна расчетная модель, состоящая из двух других:

•  физической (геометрия узла и характеристики отдельных компонентов);
•  аналитической (конечно­элементная модель с заданными жесткостями и нагрузками).

Такой подход позволяет значительно сократить трудозатраты на конструирование узлов, особенно когда их конфигурация становится сложной, а количество превышает сотню.

Создание расчетной модели с помощью функции импорта

Импорт модели узла в IDEA StatiCa Connection осуществляется с помощью встроенных интерфейсов с другими CAD­ и FEA­программами. На данный момент разработаны приложения (плагины), реализующие связь со следующим ПО:

• CAD­программы — Tekla Structures, Advance Steel, Revit;
• FEA­программы — ETABS, SAP2000, Robot Structural Analysis и др.

Использование этих приложений позволяет:

• быстро создавать расчетную модель узла;
• работать с несколькими узлами одновременно;
• импортировать сразу несколько загружений для одного узла.

Рассмотрим особенности процесса импорта физической и аналитической моделей из Tekla Structures и SAP2000 соответственно (рис. 4) на примере рамного узла.

Рис. 4. Модель сооружения в Tekla Structures и ее расчетная схема в SAP2000

Импорт модели узла из Tekla Structures в IDEA StatiCa

Для импорта узла требуется открыть модель конструкции в Tekla Structures и запустить плагин «Code­check manager» с главной ленты (рис. 5).

Рис. 5. Интерфейс Tekla Structures. Плагин Code-check manager

После этого появляется главное окно приложения (рис. 6). Сначала выбираются нужные нормы проектирования, затем выделяется сам узел — поочередно отмечаются точка узла, примыкающие к нему элементы и остальные детали (пластины, фасонки, болты и сварные швы). По завершении процедуры нужный узел будет полностью импортирован в IDEA StatiCa — его физическая модель (рис. 9а) будет готова быстрее чем за минуту. Для выполнения расчета остается только задать нагрузки.

Рис. 6. Главное окно плагина Code-check manager

Импорт модели узла из SAP2000 в IDEA StatiCa

После импорта из Tekla необходимо открыть модель этой же конструкции в SAP2000 и выполнить её расчёт, а затем — запустить приложение «Code­check manager» на панели инструментов (рис. 7).

Рис. 7. Интерфейс SAP2000. Плагин Code-check manager

Сначала выделяются нужный узел и примыкающие к нему элементы, а затем выбираются нормы проектирования. Процесс импорта аналитической модели узла (топологии, сечений и нагрузок) в IDEA StatiCa (рис. 9б) занимает считанные минуты.

Расчет узла и создание отчета по результатам

Для выполнения расчета требуется объединить обе модели — физическую (из Tekla) и аналитическую (из SAP2000) в одну расчетную. Для этого в IDEA StatiCa открывается первый проект (физическая модель), затем нажимается кнопка ленты Импорт из проекта (рис. 8). В появившемся окне выбирается выбирается второй файл IDEA StatiCa (аналитическая модель) и нагрузки прикладываются к нужным элементам автоматически. Создание расчетной модели стального узла (рис. 9в) занимает менее 3 мин.

Рис. 8. Интерфейс IDEA StatiCa Connection. Кнопка импорта нагрузок

Рис. 9. Физическая (а), аналитическая (б) и расчетная (в) модели узла в IDEA StatiCa Connection

Далее с помощью кнопки Рассчитать запускается упругопластический расчет узла [1]. Сетка конечных элементов генерируется автоматически. По завершении расчета формируется отчет по результатам (рис. 10).

Рис. 10. Отчет. Результаты проверки сварных швов

Благодаря функции импорта физической и аналитической моделей расчет стального узла и его проверки по СП 16.13330.2017 заняли всего 5 мин.

Облачный сервис для обмена данными

Созданием информационной модели здания и расчетами могут заниматься разные организации. Обмен данными между специалистами и процессы согласования занимают длительное время. Функции импорта значительно ускоряют этот процесс.

Представим следующую ситуацию: организация «А» занимается созданием информационной модели в Tekla или Revit, но не располагает техническими ресурсами для выполнения необходимых расчетов узлов и соединений. Этим занимается организация «Б» и выполняет расчеты в IDEA StatiCa Connection. Как выстроить процесс совместной работы наиболее эффективным образом? Даже в такой непростой ситуации это возможно благодаря облачному (онлайн) ресурсу Viewer.

Специалисты организации «А» передают узел из CAD­программы в приложение Viewer (рис. 11). Далее из сети загружается его расчетная модель. Этот файл передается специалистам организации «Б», которые выполняют в IDEA StatiCa все необходимые расчеты и выдают готовый отчет, где приводятся коэффициенты использования компонентов узла, подробные пояснения ко всем нормативным проверкам, графические материалы в виде изополей напряжений и деформаций, а также ведомость материалов в DXF­формате (рис. 12). Детальный отчет может быть экспортирован в DOC­ или PDF­файл и передан обратно организации «А».

Рис. 11. Плагин Viewer. Модель узла в облаке

Рис.12. Отчет. Ведомость материалов

Все файлы, необходимые для работы этого приложения, можно найти на официальном сайте разработчика в разделе загрузок: https://www.ideastatica.com/downloads/. Для их использования не обязательно наличие IDEA StatiCa на рабочем компьютере.

Открытый API

Встроенные интерфейсы для прямой связи IDEA StatiCa Connection с другими программами, входящие в пакет поставки ПО, разрабатываются компанией IDEA StatiCa s.r.o. Подобные приложения также могут быть созданы и самостоятельно с помощью открытого программного интерфейса (API) IDEA StatiCa — IOM (IDEA Open Model). Для этого требуется наличие API у программы, с которой реализуется связь, и базовые знания языков программирования (VBA, C#, Python и др.). Необходимую информацию можно найти на интернет­ресурсе GitHub: https://github.com/idea­statica.

Заключение

Процесс конструирования стальных узлов может занимать много времени даже при наличии современного ПО. В IDEA StatiCa расчеты и проверки по нормам даже сложных узлов выполняются всего за несколько минут. Разработанные приложения для взаимодействия IDEA StatiCa с другими программами позволяют ей стать частью рабочего BIM­процесса организации, сокращая трудозатраты на проектирование. IDEA StatiCa не заменяет, а дополняет имеющееся ПО. Высокие показатели быстродействия в сочетании с эффективностью, надежностью и качеством получаемых результатов делают IDEA StatiCa особенно востребованной в проектных и строительных организациях.

Список использованной литературы:

1. Бароев Р.В. Расчет узлов стальных конструкций компонентным методом конечных элементов [Электронный ресурс] / Р.В. Бароев — Электрон. Текстовые дан. — Режим доступа: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=20749, свободный.
2. Benchmark cases for advanced design of structural steel connections / Frantisek Wald et al. Czech Technical University in Prague. 2019, 230 р.