Графическое моделирование ограждающих строительных конструкций на основе BIM-технологий

Объектом исследования являются ограждающие строительные конструкции, применяемые изоляционные материалы и бетонные смеси с добавками и пластификаторами [1]. Предметом исследования являются вычислительные методы и информационные технологии Building Information Modeling (BIM), включая графическое 3D-моделирование.

Целью работы является повышение уровня автоматизации процесса моделирования и проектирования строительных конструкций на основе дальнейшего развития информационных BIM-технологий. Для достижения поставленной цели в работе решаются задачи создания информационных моделей BIM, графических 3D-изображений строительных ограждающих конструкций, упорядочения таких моделей BIM в виде библиотеки, практической реализации в строительных организациях, выявления основных групп пользователей. При этом надо учитывать, что библиотеки типовых моделей BIM находятся в свободном доступе [2].

Актуальность данного исследования заключается в нахождении экономически обоснованных проектных решений, обеспечивающих большую эффективность создания ограждающих строительных конструкций из пустотелых бетонных камней при сохранении их несущей способности.

Критериями эффективности принятия проектных решений являются:

• 1)    повышение уровня автоматизации процесса BIM-моделирования и проектирования путем создания и информационного сопровождения библиотек BIM-моделей типовых ограждающих строительных конструкций;

• 2)    экономия себестоимости проектирования и сокращение сроков строительства ограждающих конструкций как следствие п. 1;

• 3)    уменьшение удельного веса модульных строительных конструкций при сохранении их прочности и несущей способности замещением традиционных железобетонных блоков на современные, такие как пустотелые бетонные камни [3];

• 4)    снижение тепловых потерь и уровня шума помещений за счет применения дополнительных изоляционных материалов [1, 4, 5].

Методы

Методы информационных BIM-технологий основаны на объектно-иерархических базах данных графических 3D-моделей различного назначения с разнородными параметрами [6, 7]. Применительно к строительству элементы таких конструкций связаны данными геометрических, физикотехнических параметров и функционального назначения. На практике также используется аналог термина «цифровая информационная модель».

Обычно BIM-методы используют специализированные графические базы данных для конкретного производства [8]. Тем не менее они обладают общими характеристиками, поэтому есть потребность в их упорядочении и адаптации к действующим российским строительным нормам и сводам правил СП 333.1325800.2020 [9].

Области практической реализации информационных BIM-методов масштаба предприятия охватывают не только моделирование и проектирование, но и весь жизненный цикл планирования и реализации строительных проектов, управления строительством и ресурсами, информационной поддержки, эксплуатации объектов строительства, вплоть до их полного выхода из употребления [10, 11].

Информационные BIM-методы и модели широко применяются в строительной отрасли для моделирования как отдельных конструкций, так и целых зданий, включая внутреннюю инфраструктуру помещений, хозяйственных коммуникаций и установленного технологического оборудования. На рис. 1 показан пример графической 3D-модели проекта наружной строительной конструкции производственного здания по технологии BIM [12].

Применение BIM-методов в IT-подразделениях строительной отрасли включает такие функциональные возможности, как консолидация данных, агрегирование, преобразование 3D-моделей в различные графические форматы, аналитика, синхронизация с внешними данными и другие [13].

Основными пользователями информационных BIM-технологий являются проектировщики, архитекторы, программисты, администраторы баз данных, руководители IT-подразделений на предприятиях строительной отрасли. Библиотека графических 3D-моделей BIM с физико-

Рис. 1. Пример графической 3D-модели наружной строительной конструкции производственного здания по технологии BIM [12]

техническими параметрами используется совместно всеми группами пользователей и обновляется по мере создания новых информационных моделей BIM в процессе цифровой поддержки всего жизненного цикла.

В данной работе в качестве примера рассматриваются наружные ограждающие стеновые панели зданий из пустотелого бетона (рис. 2). Графическое моделирование и проверка технических параметров ограждений проводились встроенными вычислительными методами систем AutoDesk Re-vit и AutoCAD [14] и с учетом правил СП 333.1325800.2020 [9].

Результаты и обсуждения

В результате выполненной работы созданы цифровые графические 3D-модели ограждающих конструкций на примере наружных стеновых панелей зданий на основе информационных BIM-технологий для предприятий строительной отрасли.

Графический результат 3D-моделирования строительных конструкций наружных ограждающих стеновых панелей и компоновки помещения представлен на рис. 3. Чертеж 2D внутренней планировки помещения можно получить в системе AutoCAD, которая интегрирована с 3D-моделями Revit.

Рис. 2. Пример наружных ограждающих стеновых панелей здания

Рис. 3. Результат графического 3D-моделирования наружных ограждающих стеновых панелей здания в системе Revit

Все объекты BIM-моделирования в автоматизированной системе Revit имеют иерархическую структуру (рис. 4). В процессе проектирования использованы типовые 3D-модели из встроенной библиотеки Revit, в том числе изоляционные материалы. В базу данных добавлены новые 3D-модели стеновых панелей, созданные в результате автоматизированного проектирования (рис. 4, узлы от 2024).

Дополнительная изоляция наружных стеновых панелей здания от внешней среды не ставилась целью данной работы и будет предметом будущих исследований и публикаций. Изоляция пус- тотелых бетонных панелей подбиралась готовой по близким техническим параметрам базы данных Revit. Структура изоляции всегда многослойная и состоит из следующих слоев:

• –    несущая стена из пустотелых бетонных камней;

• –    заполнение внутренних полостей камней пеной или сыпучим изолятором;

• –    механическая защита от внешних воздействий или вторая стена;

• –    влагозащитная пленка из полиэтилена, поликарбоната, пластика;

  

  Версия 2

  Обобщенные модели

  Версия 3

  Обобщенные модели

  Версия 10

  Обобщенные модели

  Рис. 4. Фрагмент проектирования объектно-иерархической структуры ограждающих стеновых панелей здания в системе Revit

  
  

  201_Р_К_1Кф1Пр-2_у7 (ОбщМод_РабПлоск)

  
  

  Разрешён

  
  

  201_Р_К_1Н1П-1_у2 (ОбщМод_РабПлоск)

  
  

  Разрешён

  
  

  201_Р_К_1Н1П-1_у23 (ОбщМод_РабПлоск)

  
  

  Разрешён

  
  

• –    термоупругий и пожаростойкий слой на основе синтетического стекловолокна, каменных и базальтовых матов Rockwool, Isover, Ursa;

• –    звукоизоляция из минеральной ваты, пенополиуретана и др.;

• –    внутренняя отделка помещения оргалитом или гипсокартоном;

• –    декоративный слой из выбранного дизайнером материала.

Практическая реализация и внедрение результатов работы выполнены в государственной строительной IT-корпорации ПИК Digital (Москва) [15], где ограждающие стеновые панели из пустотелых бетонных блоков и изоляционные материалы подбираются близкими эталонным моделям по составу и техническим параметрам в базе данных Revit по технологии BIM.

Известны аналогичные результаты и публикации, посвященные различным вопросам 3D-моделирования и физико-технических параметров ограждающих строительных конструкций. Бесплатные библиотеки 3D-моделей BIM для различных областей применения можно найти в открытом доступе [2]. Альтернативные варианты программной реализации модели данных для описания иерархических объектов с произвольными параметрами представлены в работах [16, 17]. В работе [18] оценивается производительность информационных систем с различной архитектурой. В работе [19] внимание уделено уменьшению объема вычислений при 3D-моделировании. Работа [20] посвящена расчету тепловых режимов наружных ограждающих конструкций зданий. В книге [21] описан метод автоматического наполнения библиотеки материалов в системе Revit.

Сравнение ведущих отечественных и зарубежных систем информационного моделирования на примере Renga (Аскон, Россия) [22] и Revit (бывшая Revit Technology Corporation, приобретенная корпорацией AutoDesk) содержится в работе [23]. Общий недостаток зарубежных продуктов – высокая стоимость лицензии и повышенные системные требования к оборудованию, у российских разработок – недостаточная функциональность и отсутствие совместимости с другими программами. Платформа Revit наиболее популярна в российской строительной отрасли как многофункциональное решение, интегрирующее архитектурное моделирование, проектирование строительных конструкций, планирование инженерных коммуникаций, управление эксплуатацией зданий, библиотеки типовых графических 3D-моделей и строительных материалов на основе BIM-технологии.

В статье [24] тоже подтверждается, что российская строительная индустрия при ежегодном приросте 14 % отстает от мировых лидеров в области BIM-моделирования на 10–15 лет. Глав- ными ограничениями распространения BIM-технологий в России являются высокие цены на западные лицензии и необходимость адаптации из-за несоответствия российским строительным нормам и правилам СП 333.1325800.2020 [9]. В последние годы ведущая отечественная система Renga быстро развивается в сторону расширения функционала с учетом российской специфики, в частности информационного моделирования внутренних инженерных сетей отопления, вентиляции, электро- и водоснабжения, канализации и др. Это позволит отечественным результатам в области BIM-технологий стать более востребованными. А пока, согласно исследованиям [24], только 20 % пользователей Revit готовы или уже перешли на отечественное программное обеспечение, а остальные 80 % – даже не собираются.

Выводы

Информационные BIM-технологии активно развиваются (14 % в год) и являются эффективным средством автоматизации деятельности строительных предприятий в целом и отдельных IT-служб и технологических процессов. Объектами графического BIM-моделирования являются строительные конструкции, в том числе изготавливаемые из пустотелых бетонных камней по модульному принципу.

В дополнение к имеющейся графической библиотеке эталонных шаблонов в работе в программных системах Revit и AutoCAD созданы новые графические 3D-модели ограждающих конструкций, которые включены в базовую библиотеку и размещены в открытом доступе в Интернет. Приведена объектно-иерархическая BIM-модель ограждающих конструкций на примере стеновых панелей.

Результаты работы в виде созданных информационных BIM-моделей ограждающих конструкций реализованы на практике при создании новых проектов и внедрены в государственной строительной IT-корпорации ПИК Digital (Москва).

Проведен сравнительный анализ аналогичных отечественных и зарубежных решений в задачах 3D-моделирования в различных областях применения. Показано, что на сегодняшний день российские разработки отстают от мировых тенденций. Наибольшим спросом в строительстве пользуется платформа AutoDesk Revit по критериям многофункциональности, наличия открытого доступа к базам данных типовых графических 3D-моделей, библиотекам различных строительных материалов с требуемыми физико-техническими характеристиками, интеграции с другими программными продуктами, реализующими технологию BIM.

В качестве перспективного направления дальнейшего развития работы рассматривается классификация и упорядочение созданных графических 3D-моделей, их интеграция с существующими типовыми библиотеками BIM и распространение на предприятиях строительной отрасли.

Информационные BIM-технологии масштаба предприятия строительной отрасли нуждаются в непрерывном техническом сопровождении и усовершенствовании на всех стадиях жизненного цикла строительных объектов.