BIM interoperability from the structural engineering perspective: BIM-FEM indirect link for reinforcement of concrete elements

In the last decade, Building Information Modelling has become more and more predominant in the architecture, engineering and construction industry, leading the digitalisation process in this sector. In fact, the industry can really profit from the benefits related to BIM technology and the related design process, e.g. a reduction of the total cost of the project, as well as a decrease in material waste. The transition to BIM, however, is not without obstacles. In fact, various studies over the years have identified several impediments to the implementation of this new approach to design and construction, such as the high cost of specialised training, or the general difficulty of the industry as a whole to change the way things are usually done. Another important difficulty is related to the need for collaboration between different professionals, which in the BIM approach becomes even more of a key aspect. One aspect of this problem is related to interoperability, that is the ability of different software packages to seamlessly and automatically share information. For the field of structural engineering, interoperability is mainly related to model exchanges back and forth between BIM and FEM softwares. The work described in this thesis is inserted precisely in this framework, with the development of a first link between Midas Gen (FEM) and Tekla Structures (Structural BIM), capable of inserting in the BIM environment the reinforcement designed in the FEM software, for both beams and columns with rectangular sections. The main obstacle to the establishment of this link is related to the transformation of the data from the sectional format given by Midas Gen to the three dimensional one required by Tekla Structures. In fact, this relies on additional information, related, as an example, to the dimension of beam-column joints or to the length of the critical region of each element. In the development of the link, an effort was made to make up for this lack of data by referring to the Eurocodes. In the end, the link is capable of handling this exchange both with and without seismic provisions, even though some gaps are present in the implementation of reinforcement, for example related to additional legs of shear reinforcement or the evaluation of the anchorage length, which, as far as beams are concerned, is completely left to the user.

Nell'ultimo decennio, la metodologia "Building Information Modelling" è diventata sempre più centrale nell'industria dell'architettura, dell'ingegneria e delle costruzioni, guidando il processo di digitalizzazione in questo settore. Infatti, l'industria potrebbe beneficiare notevolmente dalla tecnologia BIM e dal relativo processo di progettazione, che permetterebbero, ad esempio, di ridurre il costo totale di un progetto, o di diminuire lo spreco di materiale. Tuttavia, la transizione al BIM non è priva di ostacoli. Infatti, più studi nel corso degli anni hanno identificato molti impedimenti all'implementazione di questo nuovo approccio alla progettazione ed alla costruzione, come il notevole costo della formazione specifica o la generale difficoltà dell'industria a cambiare il modo in cui si è abituati a lavorare. Un altro importante ostacolo è legato alla collaborazione tra professionisti differenti, che nell'approccio BIM acquista un ruolo ancor più fondamentale. Un aspetto di questo problema è legato all'interoperabilità, ovvero la capacità di diversi programmi di condividere le informazioni in maniera continua e automatica. Per l'ambito dell'ingegneria strutturale, l'interoperabilità è principalmente correlata allo scambio di modelli tra software BIM e software FEM, in entrambe le direzioni. Il lavoro descritto in questa tesi insiste proprio su questo quadro, con la creazione di un primo strumento di collegamento tra Midas Gen (FEM) e Tekla Structures (BIM Strutturale), capace di inserire nell'ambiente BIM l'armatura progettata nel software FEM, per travi e colonne con sezione rettangolare. L'ostacolo principale all'instaurazione di questo collegamento è rappresentato dalla necessità di trasformare i dati dal formato sezionale di Midas Gen a quello tridimensionale richiesto da Tekla Structures. Infatti, questo necessita di informazioni aggiuntive, per esempio collegate alla dimensione dei nodi trave-colonna o alla lunghezza della zona critica del singolo elemento. Nello sviluppo del collegamento, si è cercato, ove possibile, di sopperire alla mancanza di informazioni facendo riferimento agli Eurocodici. Alla fine il collegamento risulta in grado di gestire questo scambio sia in assenza che in presenza di progettazione sismica, anche se alcune lacune sono ancora presenti, collegate, per esempio, alle braccia intermedie delle staffe ed alla lunghezza di ancoraggio, che, per quanto riguarda le travi, è lasciata completamente in mano all'utente.