TRANSICION DE DIBUJOS EN 2D A MODELOS 3D PARA EL DETALLADO DE REFUERZO EN ESTRUCTURAS DE PUENTES. Ing. Alexander Mabrich, PE, MSc.
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- Alejandro Nieto Romero
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1 TRANSICION DE DIBUJOS EN 2D A MODELOS 3D PARA EL DETALLADO DE REFUERZO EN ESTRUCTURAS DE PUENTES Ing. Alexander Mabrich, PE, MSc. RESUMEN La tecnología BIM y su aplicación en proyectos de puentes como BrIM promueve la creación de modelos 3D, que es no sólo un dibujo en 3D, sino un modelo inteligente vinculado a una base de datos independiente que hacen referencia a las normas, las cantidades, las propiedades del material y especificaciones. Este modelo 3D es la representación real del proyecto y una "fuente única de la verdad" para cualquier información necesaria. Por otro lado, la tradicional entrega de planos en papel o electrónicos junto con la necesidad de transferir la información del modelo 3D en vistas de planta, sección transversal y elevación sigue siendo un requisito. El objetivo de este trabajo es examinar la tecnología disponible para producir dibujos de barras o refuerzos de acero en 2D y cómo incorporarlos a los modelos 3D, o crear modelos 3D a partir de dibujos en 2D. También revisaremos las ventajas de la producción de modelos 3D y sus implicancias en el cambio de nuestra tradicional manera de trabajar y entregar planos y discutir la necesidad de desarrollarlos para el toda estructura o sólo en zonas de posibles conflictos. ABSTRACT The BIM technology and its application in bridge projects as BrIM promotes the creation of 3D models, which is not only a 3D drawing, but an intelligent model linked to a separate database that refer to standards, quantities, material properties and specifications. This 3D model is the actual representation of the project and a "single source of truth" for any information. Furthermore, delivery of plans in traditional paper or electronic format along with the need to transfer the information of the 3D model in plan views, cross-sections and elevation is still a requirement. The aim of this paper is to examine the available technology to produce drawings in 2D and how to incorporate 3D models or create 3D models from 2D drawings. Also review the advantages of producing 3D models and discuss the need to develop them for the entire structure or only in areas of potential conflicts. Bridge Information Modeling BrIM (modelado de información de puente), que comenzó como una frase de moda en el mundo de la ingeniería, es hoy un concepto probado que continuamente evoluciona y mejora. BrIM (Kanneganti et al. 2010), básicamente propone un flujo de trabajo similar aplicado a los edificios (BIM) pero para las estructuras de puente. Esto no sólo abarca la creación de un modelo 3D pero crea la necesidad de que todas las aplicaciones estructurales se "hablen el uno al otro" y luego se genere un eficiente intercambio de esta información. Por lo tanto, el modelo 3D se convierte en la única fuente de información para el proyecto y las todas las disciplinas de ingeniería asociadas, con su correspondiente aplicación de software, pueden acceder los datos específicos necesarios para su proceso de diseño en particular. El principal desafío de la implementación de BrIM es un nuevo flujo de trabajo. La práctica actual es que durante un proyecto de puente el trabajo es fragmentado y abordado de manera diferente por los ingenieros responsables de los componentes del proyecto. Por ejemplo, el ingeniero de carreteras diseñará el alineamiento, perfil y peralte de la v vía basada en la sección típica de puente. El ingeniero de puente tomará esa información a través de una transferencia electrónica de datos o talvez una transcripción de los planos y volver a ingresar estos datos en el software estructural para el diseño del puente. Tras la conclusión del diseño, el trabajo es entregado a los detallistas que dibujarán las secciones de la estructura y aceros basada en dibujos preliminares de CADD o incluso dibujos en papel hechos por el ingeniero. En este flujo de trabajo no automatizado, los cambios o actualizaciones del diseño están supeditados a que informe apropiadamente y a tiempo alos profesionales involucrados en el proyecto. Los efectos de este flujo de trabajo se traducen en los siguientes riesgos: a. Reingreso de datos es propenso a errores: factor humano está presente en cada fase del diseño ya que la información debe ser transferida manualmente desde diferentes aplicaciones. b. Los datos está dispersos por toda la organización: cada división Ingeniería puede tener sus datos correspondientes en sus propios servidores impidiendo el acceso a las partes interesadas externas. 1
2 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 c. No hay una sola fuente de información para los mismos datos. Las diferentes versiones de estos mismos datos pueden ser utilizados por diferentes prácticas de ingeniería. d. Disminuye la productividad: toda la información debe ser reingresada y verificada, y si se encuentra una discrepancia, entonces rastrear el origen causa un retraso en la entrega del proyecto. e. Ahorro de mano de obra y costo alcanzado en una fase del proyecto, se diluye más adelante en el proyecto. f. Responsabilidad: como información se dispersa a través de diferentes organizaciones y con diferentes versiones de los mismos datos, es difícil de identificar la parte responsable. Con un enfoque BrIM, un modelo 3D del puente se crea utilizando la información de la geometría de los diseñadores de carreteras y los ingenieros de puentes realizan sus cálculos de ingeniería basados en el modelo creado. Entonces, el detallado y producción de planos se realizan extrayendo información del modelo. Los cambios realizados en cualquier fase del proceso de diseño se reflejan automáticamente en el modelo 3D al ingeniero de carreteras o puentes extraer o depositar información en ella. Como podemos ver, BrIM no es un solo programa sino una cartera de soluciones de software de geometría, cálculo estructural, producción de planos, construcción, inspección, mantenimiento, operaciones y rehabilitación. Detallado de Refuerzo de Acero El detallado de refuerzo de acero es quizás la tarea menos automatizada en el ciclo de vida del puente. Los ingenieros de carretera y puentes confían en soluciones de software automatizado para construir modelos 3D, realizar cálculos avanzados pero la entrega del proyecto retrasa esperando los planos de detalle. La práctica actual, aparte de algunas soluciones de software, es detallar planos utilizando software CADD (MicroStation, AutoCAD) y realizar el cálculo de las cantidades de material mediante la medición en los dibujos. Este proceso no ha cambiado en los últimos veinte años. Figura 1. Esquema Inicial de Detallado Con esta metodología, los ingenieros enfrentan los siguientes desafíos: a. Compatibilizar la información de diferentes programas para el análisis y producción de planos: el proceso de análisis se realiza con un modelo analítico en el software de diseño, que a su vez carece de la capacidad de generar dibujos preliminares en el que se pueda realizar las operaciones de dibujo al detalle. b. Adhesión a las normas CADD y códigos de diseño: estos dos elementos pueden cambiar dependiendo de la agencia o autoridad a cargo del proyecto, región o país. c. Dibujos se basan en una entrega esquemática del elemento estructural a detallar por parte del ingeniero al técnico CADD: el flujo de trabajo de producción de planos se necesita cambiar con base en la nueva solución a adoptar en la cual el ingeniero y detallista trabajan juntos. d. Verificación manual de problemas de construcción: la producción de planos en 2D a veces no es suficiente con el fin de verificar los conflictos entre barras o conflictos con otros elementos no estructurales en el diseño.
3 Un programa de detallado de refuerzo automatizado debería permitir a los diseñadores y contratistas lo siguiente: a. Conectar el análisis, modelado y producción de planos. b. Incorporar normas CADD y códigos de diseño desde el principio del proceso de detallado. c. Paramétricamente modificar las estructuras de concreto. d. Automatizar la producción de planos. e. Calcular las automáticamente las cantidades de refuerzo de acero. f. Generar actualizaciones en tiempo real del modelo 3D. g. Detectar automáticamente conflictos entre barras. Modelos 2D o 3D La generación de un modelo 3D se está convirtiendo rápidamente en un requisito obligatorio en los proyectos que hacemos actualmente. La idea de modelos para la construcción inicialmente fue percibida como algo trivial o como herramienta de mercadeo. Sin embargo, se están convirtiendo en una necesidad al darse cuenta los profesionales involucrados en el valor de almacenar la información relevante de un proyecto en el modelo 3D. Propiedades de los materiales, especificaciones, parámetros de diseño, resultados de las inspecciones y las cantidades son algunos de los elementos que pueden ser almacenados o vinculados a elementos en el modelo. Figura 2. Modelo Físico con Detallado en 3D En el caso de un puente, el modelo 3D es generado por el software de diseño de puente y posteriormente utilizado por los detallistas y contratistas. En esta etapa, tenemos que distinguir entre un modelo analítico y un modelo físico. El software de diseño de puentes genera lo suficiente de un modelo 3D que permite los cálculos de diseño para la estructura. Este modelo analítico no tiene todos los detalles necesarios o elementos de embellecimiento hechas a la estructura que deben representarse en los planos finales. Por otra parte, algunas idealizaciones y/o supuestos que se hacen en el proceso de diseño no se reflejan en el modelo físico final, entonces crece más la brecha entre un modelo analítico y uno físico. Usando el modelo 3D analítico como referencia de detalle, los ingenieros necesitan entonces colocar barras de refuerzo en toda la estructura y no aprovechando las características repetitivas del puente. Por ejemplo: tamaños estándar de la viga, repeticiones de sección en un puente de dovelas, columnas, zapatas, etc. Algunos programas de detallado han tomado este enfoque (ProConcrete, Bentley Systems et al 2013) y proporcionan herramientas automatizadas y plantillas para colocar las barras en un modelo 3D y por lo tanto, obligando a los profesionales a un modelo físico 3D usando herramientas de CADD, con la inherente curva de aprendizaje, con el fin de iniciar el proceso de detallado. Esto resulta en planos finales y cantidades como un subproducto del modelo 3D: como cortar secciones y luego ensamblar los planos finales. Los cambios en el diseño se hacen en el modelo físico 3D, y también así se actualizan automáticamente las secciones cortadas previamente en los planos finales. Otros softwares de detallado (REBAR, Bentley Systems et al 2013) han adoptado el enfoque de modelado 2D/3D. Los detalles estándar se realizan en dibujos en 2D que podrían convertirse en paramétricos, por lo tanto, tomando ventaja de elementos estructurales repetidos que cambian al cambiar las dimensiones de la estructura, pero conservando la capacidad para calcular las cantidades exactas El modelo 3D se crea dependiendo de la necesidad del profesional en verificar conflictos de barras en estructuras más complejas y no se genera para el proyecto completo, sino sólo para las zonas en se presume existan estos conflictos. Por ejemplo: estribos, conexiones zapata-columna, anclajes etc. La curva de aprendizaje se mantiene al mínimo porque todavía se 3
4 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 emplean las prácticas tradicionales al detallar, con el beneficio añadido de automatización de software, y sólo en casos especiales o los requisitos del proyecto, se generará un modelo 3D. Figura 3. Zonas Posibles de Conflicto entre Barras Caso de Estudio: Proyecto de Intercambiador Vial Palm Beach International Airport Este proyecto consistió en un intercambio multi direccional de cuatro niveles con un total de tres kilómetros de puentes en el cual ocho de estos puentes eran cajas de concreto segmentales y seis de vigas de acero. Al servir como la principal vía de acceso al Aeropuerto Internacional de Palm Beach, la rápida conclusión del diseño y construcción fue un elemento de vital importancia para el Departamento de Transporte de la Florida (FDOT). Beiswenger, Hoch y Asociados (BHA) fue la firma de ingeniería encargada del diseño y producción de planos finales para la parte estructural y vial del proyecto. Figura 4. Intercambio Vial Palm Beach International Airport Con el fin de garantizar la construcción del proyecto y evitar órdenes de cambio o solicitud de información de los contratistas, FDOT solicitó a BHA producir dibujos 3D o "dibujos integrados" de las zonas propensas a los conflictos de barras. BHA abordó la tarea detallando los planos de producción usando Bentley REBAR. Los diseñadores de puente necesitaron ajustarse al nuevo flujo de trabajo. Este fue el siguiente: 1.- Se crearon inicialmente dibujos de CADD paramétricos, en cual se detallaron las armaduras típicas que las cajas segmentales podrían llevar, así como también las dimensiones de las cajas de concreto. Estos dibujos paramétricos u objetos fueron guardados en el servidor de la empresa y sólo podían ser modificados por los administradores técnicos del proyecto.
5 Figura 5. Objeto Paramétrico Típico de Caja Segmental 2.- Los ingenieros estructurales, a la par que el trabajo de creación de los objetos típicos era realizado, proseguían con el diseño estructural de los puentes, coordinando con sus pares de carreteras los posibles cambios geométricos de las estructuras. 3.- Utilizando herramientas de CADD, en este caso MicroStation, los detallistas/dibujantes generaban los planos típicos del proyecto, como planos de planta y elevación de los puentes, planos de ubicación de las cajas segmentales, y utilizando Bentley REBAR generaban los modelos individuales de las cajas segmentales que se detallarían a partir de los objetos ya creados. Figura 6. Planos de Detallado una Caja Segmental 4.- Los detallistas también generaron los modelos 3D que el FDOT requería. Esto se hacía utilizando Bentley REBAR y los modelos individuales de las cajas segmentales que se habían ya generado en el paso anterior. Figura 7. Modelo 3D de cada Caja Segmental Típica 5
6 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, Al terminar los ingenieros estructurales sus cálculos del refuerzo de acero final y su ubicación, fueron éstos mismos los que utilizando los modelos de detalle creados en los pasos anteriores actualizaron los diámetros de barras correspondientes y el número de éstas. Al ser los modelos individuales también paramétricos y ser base de los modelos 3D, esta actualización se vio reflejada automáticamente en los planos, y modelos 3D previamente generados. 6.- Para la presentación final, los detallistas/dibujantes crearon planos finales con el listado de cantidades de materiales de acero y el despiece de cada una de las barras. Figura 8. Modelo 3D de cada Caja Segmental Típica El equipo de detallado de BHA constaba de siete ingenieros estructurales y cuatro detallistas a tiempo completo y terminó este proyecto de US$105 millones en menos de un año a partir de la entrega de la geometría inicial aprobada Conclusiones La práctica de ingeniería en el detallado de estructuras es quizás la menos tecnificada, apoyándose solamente en plataformas CADD, pero que a su vez la que genera la mayoría de los conflictos en proyectos de mediana a mayor complejidad. La falta de decisión entre aplicar modelos 3D directamente o modelos 2D a 3D hace que tomemos la ruta más fácil de dibujar planos sin ninguna inteligencia. Al resaltar las ventajas de la automatización del detallado esperamos que esta toma de decisión se haga realmente efectiva. REFERENCIAS Kanneganti, S., Willoughby, S,Bhide,S. (2010). Leveraging Bridge Information Modeling (BrIM) to increase productivity in the Bridge Lifecycle, 8th International Short and Medium Span Bridges Conference, Niagara Falls, Canada. Bentley Systems (2013). Bentley Rebar User Manual, Exton,Pennsylvania. USA Bentley Systems (2013). ProConcrete User Manual, Exton,Pennsylvania. USA.
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