Преимущества использования и трудности внедрения информационного моделирования зданий

С развитием современных компьютерных технологий происходят одновременно моментальные изменения и в проектно-строительной отрасли. В нынешних условиях при стремительном развитии информационных технологий проектировщикам стало необходимо обрабатывать огромный поток информации и искать новые способы компоновать ее в единое целое. Поток обрабатываемой информации не прекращается даже после того, как здание уже спроектировано и построено, поскольку новый объект вступает в стадию эксплуатации, происходит его контакт с другими объектами и взаимодействие с окружающей средой. [1]

Современное строительство ставит перед проектировщиками новые более сложные задачи для построения зданий и сооружений и предъявляет совсем иные требования, о которых раньше даже не задумывались. Перечислим основные:

• 1)    глобальная реконструкция и реставрация прежде возведенных зданий и сооружений;

• 2)    необходимость проектирования объектов в кратчайшие сроки;

• 3)    увеличение внешнего объема вновь проектируемых сооружений и степени их трудности;

• 4)    загруженность новых объектов и окружающей их инфраструктуры инженерными коммуникациями и оборудованием [1];

• 5)    потребность в экологичном и энергоэффективном проектировании ввиду растущего уровня загрязнения окружающей среды;

• 6)    возрастание количества рабочей документации;

• 7)    непременность расчета при проектировании нового сооружения его эксплуатационных показателей;

• 8)    потребность обеспечить интернациональную и международную кооперацию в проектировании;

• 9)    необходимость сделать проект наименее дорогостоящим и более рентабельным, более гибким, более стабильным в кризисной ситуации в экономике.

Все вышеуказанное ведет к тому, что в настоящее время будет наиболее востребован не столько бумажный проект проектируемых зданий и сооружений, сколько их информационная модель, которая будет актуальна во время всего жизненного цикла объекта. Такая модель должна представлять из себя не только созданный с использованием программного обеспечения аналог обычного картонного макета, отражающего лишь формы объекта, но и полную информационную копию здания со всей его «начинкой», с количественными геометрическими и технологическими характеристиками конструкций, материалов и оборудования. [2] В соответствии с этим данные должны быть объединены в единое целое и изменяться с учетом внесенных в них дополнений, несущих за корректировкой мельчайшей детали автоматически изменение целой модели.

В результате реакции на сложившееся положение возникла концепция информационного моделирования зданий и сооружений.

Принцип проектирования объектов с помощью создания их информационной модели подразумевает прежде всего подготовку и комплексную обработку в процессе моделирования полных архитектурноконструкторских, технологических, экономических и других данных об объекте со всеми взаимосвязями и зависимостями, когда здание и все, что имеет к нему отношение, рассматриваются как единый объект.[3] Эта концепция получила название «Информационное моделирование зданий» или сокращенно BIM (от принятого в английском языке термина Building Information Modeling).

Очень малое количество статей и исследований на русском языке написано по этой теме. Единственная наиболее полная информация содержится в книге Владимира Талапова «Основы BIM: введение в информационное моделирование зданий» [4,5.6]. В книге описаны перспективы развития технологии BIM, а также уже достигнутые результаты в этой области. Рассмотрены формы получения информации из модели, некоторые примеры использования BIM в мировой практике, а также программы, реализующие технологию информационного моделирования зданий и многое другое.

В России возможны три сценария внедрения BIM:

• •    собственными силами компании, без изменения состава;

• •    собственными силами компании, но при этом в состав компании приглашается новый специалист;

• •    привлечение сторонней организации. [7]

В книге [6] были описаны возможные пути решения по внедрению новых технологий, такие как:

• •    проведение информативных бизнес-конференций с полным представлением программ для строительных организаций;

• •    увеличение роли государства в вопросе использования новейших программ и технологий;

• •    возможность обучения молодых специалистов на бюджетной основе, с возможностью стажировки в одной из компаний для наилучшего освоения навыков BIM-моделирования.

И хотя эффективность новых технологий уже многократно доказана опытом ведущих мировых проектных организаций [7,8], в нашей стране переход на BIM идет медленно, и одна из причин этого – необходимость на первом этапе нести немалые затраты. Однако приведенное в статье [9-13] сравнение прибыли проектной организации при использовании CAD-технологий проектирования и после внедрения BIM-технологий показало, что в результате повышения производительности было получено увеличение заработной платы и увеличение прибыли организации. Кроме того, по данным зарубежных источников, внедрение BIM ведет к экономии времени и средств при выполнении проекта в среднем до 20-50%. [7,10,14,15]

Необходимо отметить, что 29 декабря 2014 года Министерство строительства и жилищнокоммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России) подписало приказ №926/пр «Об утверждении Плана поэтапного внедрения технологий информационного моделирования в области промышленного и гражданского строительства». Это стало важным толчком к развитию BIM в России. [16]

Западноевропейские пользователи BIM определили следующие факторы в качестве высшей значимости для улучшения проектирования [12,17-21]:

• •    улучшение коллективного понимания проектного замысла (69%);

• •    улучшение общего качества проекта (62%);

• •    уменьшение конфликтов в процессе строительства (59%). [10,13]

К основным преимуществам BIM можно отнести следующее:

• •    рассматривается весь жизненный цикл проекта от концепции до эксплуатации и утилизации;

• •    при проектировании используются объекты, обладающие всей необходимой геометрической и технической информацией (стены, двери, окна, трубопроводы, воздуховоды и т.д.);

• •    использование подобных объектов в значительной мере ускоряет процесс проектирования и сводит к минимуму возможные ошибки;

• •    возможность совмещения разделов, созданных при использовании различных САПР: совместимость организуется на уровне стандарта;

• •    проектирование выполняется в трехмерном пространстве с учетом времени (4D);

• •    открытый стандарт обмена информацией: существует ряд бесплатных приложений, которые могут читать и отображать модели в стандарте IFC. [14,22]

Таким образом, данная тема хорошо изучена специалистами за рубежом, так как рассматривается уже давно и внедряется быстрее, чем в России. Освоение информационного моделирования зданий происходит, но очень медленно и мало, носит в основном очаговый характер. [4,13] Исходя из вышеперечисленных достоинств BIM, его внедрение – это стратегический вопрос, имеющий принципиальное значение для дальнейшего развития целой отрасли, и его своевременное решение -объективная необходимость. [5,12,22-24]

Главные задачи – рассмотреть и объяснить понятие технологий информационного моделирования, а также исследовать их возможности и выявить способы внедрения данной концепции в российское строительство [15,25].

Для выполнения поставленных задач воспользуемся таким методом исследования, как анализ объекта исследования. Основные этапы анализа:

• 1.    История создания термина BIM.

• 2.   Значение термина «Информационная модель здания».

• 3.    Описание.

• 4.    Управление в процессе создания информационных моделей.

• 5.    Недостатки информационной модели здания.

• 6.    Внедрение технологии в России.

• 7.   Пример информационной модели здания.

• 8.    Результаты анализа.

• 2.    Анализ использования BIM-технологий в строительстве

История создания термина BIM

Понятие «Информационная модель здания» было впервые озвучено профессором Технологического института Джорджии Чаком Истманом в 1975 году в журнале Американского Института Архитекторов (AIA), имеющего название «Building Description System» (Система описания здания). Однако сама концепция BIM существует с 1970-х годов. [6,7,26-30] Термин информационной модели здания употребляется в статье 1992 года А.Недервеен и Толмена [31]. Именно под аббревиатурой «BIM» он не был широко использован, пока Autodesk не выпустила официальный документ «Информационное моделирование зданий» [16]. Джерри Лэсрин поспособствовал тому, чтобы популяризировать и стандартизировать этот термин как общее название для процесса цифрового видения здания. Интересно отметить, что свою терминологию предлагали также следующие компании: Graphisoft – «Виртуальное Здание» [13, 17,32-34], Bentley Systems - «Модель комплексного проекта», и Autodesk или Vectorworks – «Информационное моделирование зданий» для упрощения обмена и совместимости информации в цифровом формате [13,18,22,34-36].

Значение термина «Информационная модель здания»

Сформулируем определение, которое в наибольшей степени отвечает сегодняшнему подходу к BIM компании Autodesk и более точно описывает саму суть понятия [37].

Информационная модель здания (BIM - Building Information Model) – это:

• •    великолепно скоординированная, согласованная и взаимосвязанная,

• •    отлично поддающаяся расчетам и анализу,

• •    имеющая геометрическую привязку,

• •    пригодная к компьютерному использованию,

• •    допускающая необходимые обновления

числовая информация о проектируемом или уже существующем объекте, которая может использоваться для:

• 1.    принятия конкретных проектных решений,

• 2.    создания высококачественной и точной проектной документации,

• 3.    предвидения эксплуатационных качеств объекта,

• 4.    составления смет на проект и строительных планов,

• 5.    заказа и изготовления необходимых материалов и подходящего оборудования,

• 6.    точного управления возведением здания или сооружения,

• 7.    управления и эксплуатации самого здания и средств технического оснащения в течение всего жизненного цикла,

  Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №8 (59)

• 8.    управления зданием как объектом коммерческой деятельности,

• 9.    проектирования и управления реконструкцией или ремонтом здания,

• 10.    сноса и утилизации здания при необходимости,

• 11.    других связанных со зданием целей. [18,22-25,38]

Рассмотрим подробнее архитектуру информационной модели (рис.1).

Рисунок 1. Подробная архитектура информационной модели

Информационная модель здания - это вся информация об объекте с числовым описанием и нужным образом организованная, используемая как на стадии проектирования и строительства здания, так и в период его эксплуатации и даже сноса [18,39]. При этом в качестве изделий могут рассматриваться всевозможные технически сложные и уникальные объекты: самолеты и корабли, автомобили и ракеты, здания и их системы, компьютерные сети и т.п. [19]

Применение информационной модели здания значительно облегчает работу с объектом и имеет массу преимуществ перед прежними формами проектирования [1-10,40-45].

Прежде всего, оно позволяет в виртуальном режиме собрать воедино, подобрать по предназначению, рассчитать, состыковать и согласовать создаваемые разными специалистами и организациями компоненты и системы будущего здания или сооружения, заранее проверить их жизнеспособность, функциональную пригодность и эксплуатационные качества, а также избежать внутренних нестыковок, предупредить аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации (рис.2). [46]

Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №8 (59)

Рисунок 2. Проект нового здания высшей музыкальной школы New World Symphony в Майами (США) архитектора Фрэнка Гери, разработанный по технологии BIM

В отличие от традиционных систем компьютерного проектирования, создающих геометрические образы, результатом информационного моделирования здания обычно является объектноориентированная цифровая модель, включающая как сам объект, так и процесс его строительства, а далее и утилизации [21,32-35,47-50].

Возможности BIM-технологий

Национальный комитет США по проектам «Информационного моделирования зданий» дал следующее определение: [14,51]

Информационное моделирование зданий (BIM) является цифровым представлением физических и функциональных характеристик объекта. BIM является общедоступным источником для получения информации в ходе всего жизненного цикла здания; само понятие «жизненный цикл здания» определяется как существование его с ранней стадии строительства до полного сноса. [15,34,42-45,52-55]

Традиционный дизайн здания в основном составляется при использовании двумерных чертежей (планы, фасады, разрезы и т.д.).

Информационное моделирование зданий расширяет возможности с 3D, увеличивая три основных пространственных измерения (ширина, высота и глубина) благодаря использованию времени как четвертого измерения (4D) [22,56], стоимости в качестве пятого (5D) и др. BIM охватывает область значительно больше, чем просто геометрия, задействует пространственные решения, легкий анализ, географическую информацию и количества и свойства строительных компонентов (например, описания производителями строительных материалов и их свойства)[23,57-59].

Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №8 (59)

Рисунок 3. Структура необходимой документации информационной модели здания

BIM включает в себя дизайн, как комбинацию «объектов» - смутные и неопределенные, общего или конкретного продукта, твердых форм или ориентированных пустот пространства (таких как форма комнаты), которые несут свою геометрию и атрибуты. Средства проектирования BIM позволяют достать различные объекты из строительной модели для дальнейшего использования в различных сферах строительства, такие как инженерные сети, вентиляция здания и многое другое [24,54,60-62]. Эти разные виды автоматически согласуются, основываясь на одном и единственном определении каждого экземпляра объекта. [15,42,57,63]. Программное обеспечение BIM также описывает объекты параметрически, то есть объекты определяются параметрами и неразрывной связью с другими объектами. Например, если основной объект изменяется, зависимые от него также будут изменяться автоматически. [15,39-41,64] Каждый элемент модели может нести в себе атрибуты для выбора и мгновенного заказа их, обеспечивая смету расходов, а также отслеживание и упорядочение материалов. [10,15,65]

Рисунок 4. Система BIM в инфографике

Для профессионалов, вовлеченных в проект, BIM позволяет передать информацию от проектной группы архитекторов, геодезистов представителям строительных услуг, от инженеров главным подрядчикам и субподрядчикам, а затем владельцу; каждый профессионал добавляет данные из сферы, в которой он компетентен, в одну общую модель. Это снижает потери информации, которые бывают, когда новая команда занимает «принадлежность» проекта, и обеспечивает более подробную информацию владельцам сложных структур [66].

Использование BIM выходит за рамки планировочной и проектной фазы, расширяет весь жизненный цикл здания, поддерживает процессы, включая управление затратами, управление строительством, управление проектом и эксплуатацию объекта [25,67].

Управление в процессе создания информационных моделей

Построение информационной модели задействует все сферы деятельности. Чтобы обеспечить эффективное управление всеми процессами, назначают так называемого BIM-менеджера, для которого основной задачей является информационно-технологический контроль создания единой модели и согласования действия всех участников проектного процесса. Перечень обязанностей BIM-менеджера варьируется от организации файла проекта до разработки общей стратегии моделирования и обучения сотрудников работе с программой. Его цель обеспечить комфортную и эффективную работу команды специалистов [25,62,68-70].

Основная задача BIM-менеджера — работа над успешностью проекта в целом. [17,71] От BIM-менеджера требуется понимание логики BIM-программы, сути технологии и процесса проектирования, а также достаточный опыт по моделированию, позволяющий принимать в процессе работы наиболее оптимальные и выгодные решения. При этом BIM-менеджер — не отвлеченное лицо, он активно участвует в выполнении проекта [26,71-73].

Основные функции BIM-менеджера [4,20-30,55,71-75]:

• •    разработка стратегии создания модели;

• •    создание готовых шаблонов для работы с файлами;

• •    создание основных рабочих наборов, создание основных и дополнительных видов, листов, настройка вида диспетчера проекта (с сортировкой всех листов и видов);

• •    организация хранения созданных файлов;

• •    управление моделью;

• •     контроль над качеством работы специалистов;

• •    согласование появившихся в ходе создания проекта ошибок, обмен опытом с другими специалистами в организации;

• •    обучение всех сотрудников работе с программой;

• •    решение возникающих в процессе моделирования технических проблем;

• •    отслеживание появляющихся обновлений программы.

Недостатки информационной модели здания

• 1.    Ограниченность использования информационной модели для конструктивных и инженерных расчетов. BIM-модель здания очень удобна для решения творческих задач, проблем формообразования, использования пространства и представления проекта, так как на это работает широкий спектр инструментов визуализации [27,76]. Однако для проектирования не менее важную роль играет потребность в производстве разного вида расчетов и формирования точных расчетных моделей, специально предназначенных для конкретных видов расчетов и индивидуальных симуляций, в которых учитываются возможные упрощения, специфические условия и многие другие особенности. В большинстве случаев эти модели невозможно получить из базы данных BIM автоматически, и проблемная дисциплина попросту исключается из интегрированного процесса проектирования [1-5, 28,77-80].

• 2.    Потеря существующих рабочих практик при переходе на BIM. Далеко не для всех участников проекта подходят те решения, которые поставщик ПО осуществляет в своём видении BIM. В течение всей истории развития этой технологии наиболее серьёзной претензией к ней была невозможность включения в интегрированный процесс уже существующих методов работы и инструментов. При введении BIM без

  Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №8 (59)

• 3.    Привязка процесса к единственному поставщику ПО [13,19,23,45-50,81-84]. Данная проблема считается далеко не новой для BIM. При переходе на использование единой интегрированной модели становится возможным, как правило, использование программного обеспечения от единственного производителя, что в ряде случаев неудобно и в разы осложняет работу.

• 4.    Трудоемкость создания BIM-модели и прочие технические проблемы [19,30,31,84]. Насыщенная информацией трехмерная модель – инструмент, без которого не обойтись как отдельному специалисту, так и команде для совместной работы. Но внедрение BIM означает, что первоначальные затраты на создание модели возрастают, и в определенных случаях – очень высоко.

учета имеющегося процесса, при начале работы «с чистого листа» новая технология может использоваться успешно в большинстве случаев и независимо от размера коллектива. Однако при необходимости сохранить установившиеся практики внедрение BIM значительно усложняется. Вопрос заключается в том, стоит ли отказываться от имеющихся эффективных методов работы, «заточенных» под выполняемые задачи, ради планируемого повышения производительности за счёт BIM [29, 59].

Не следует считать уточнение о недостатках BIM попыткой доказать неэффективность применения BIM в целом. Технология BIM эффективна в определённых условиях, но имеет серьёзные ограничения по использованию сторонних средств проектирования и до сих пор сталкивается с неизбежностью ручной работы в областях, не связанных с визуализацией проекта и организацией пространства и формы [32,4247, 54,85].

Внедрение технологии в России

Осознание необходимости BIM в российском строительстве происходит очень медленно. На настоящий момент данная концепция лишь начинает набирать обороты и затрагивает только проектные компании. Организации же, занимающиеся непосредственно строительством, BIM пока не доверяют, не говоря уже о службах, отвечающих за техническое обеспечение и обслуживание построенных объектов. Можно сказать, что на сегодняшний день информационное проектирование в рамках проектных организаций сводится к созданию трехмерной модели в пределах одной-двух дисциплин (обычно это архитектура и инженерные сети) и в редчайших случаях – в пределах всех основных дисциплин состава проектно-сметной документации [10-15, 33, 75,85].

Внедрение BIM требует серьезных инициативных усилий и готовности идти на некоторый риск, поскольку современные нормы не обязывают проектные организации передавать 3D-модели ни в экспертизу, ни на строительную площадку. Более того, потребуется приведение новой технологии в соответствие с традиционными для России нормами и стандартами. [23, 34,86-87]

Государство по-прежнему является основным игроком строительного сектора, который отвечает за его развитие. [21, 34, 55-58] И от него в значительной степени зависит создание информационно-правовой базы, вводящей на строительный рынок новые технологии и связанные с ними процедуры по созданию, внедрению и обязательному использованию информационной модели объекта строительства на протяжении всего жизненного цикла. [25,87]. То есть, наиболее благоприятные условия для развития и внедрения BIM могут появиться, только когда ее использование выйдет на федеральный уровень. [35, 4752, 60-64,88]

Рисунок 5. Инженерная подготовка участка для строительства

Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №8 (59)

Пример информационной модели здания

В 2002 году правительство России приняло решение о строительстве нового здания Государственного академического Мариинского театра (Вторая сцена) в Санкт-Петербурге. Территорию для строительства выделили около старого здания театра – для нового комплекса был предоставлен участок снесенного для этой цели так называемого Литовского квартала (рис.6).

Создание проекта театра выполнялось непросто и заняло длительное время, оно проходило через большое число периодически повторяющихся конкурсов, обсуждений и дискуссий. В различное время к нему имели отношение многие именитые российские и зарубежные архитекторы. Например, исходный вариант здания создавался под руководством француза Доминика Перро (рис.6), а впоследствии его доработкой и усовершенствованием занимался канадец Джек Даймонд (рис.7) [36,42,50-53].

Рисунок 6. Различные виды одной из начальных модификаций здания Второй сцены Мариинского театра. Архитектор Доминик Перро

Выбор был сделан в пользу комплекса программ Autodesk Revit как главного инструмента, реализующего BIM. В работе использовали: Revit Architecture - для архитектурного проектирования, Revit Structure - для строительных конструкций, Revit MEP – для инженерного оборудования объекта, Navisworks – для координации и имитации разных условий, а также и другие программные комплексы компании Autodesk, в том числе AutoCAD для доработки окончательных чертежей и Civil 3D для моделирования имеющегося рельефа и генплана. Кроме того, использовалась программа MagiCAD и широко применяемые в России расчетные программные комплексы SCAD, Plaxis, ЛИРА и SOFiSTiK. Для визуализации архитектурных идей, а также проработки и анимационной проверки взаимодействия механизмов управления сценой и монтажом внушительных декораций была применена программа Autodesk 3ds MAX [36].

В итоге была получена 3D модель, отражающая местонахождение нового здания на участке, границы зоны благоустройства, подъезды и подходы к зданию, площадки для погрузки-разгрузки декораций, площадки содержания мусорных баков, въезд на подземную автостоянку, входы в здание и т.п. [37,67,69-73,85,89,90]. Такая модель, например, делала возможной для дальнейшего проектирования оценку осуществимости идеи обустройства пешеходной зоны вокруг театра, кругового объезда для пожарных машин и увеличения проезжей части для разворота трейлеров с декорациями. Кроме того, 3D модель позволяла решить вопросы отвода поверхностных вод, благоустройства территории.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №8 (59)

Рисунок 7. Окончательный вариант здания

Касаемо самого здания театра программы комплекса Autodesk Revit (такие как Revit Architecture, Revit Structure и Revit MEP) предоставили возможность в кратчайшие сроки создать саму модель здания со всеми конструкциями, системами и коммуникациями, а впоследствии беспрепятственно ее корректировать, детализировать, совершенствовать, доводить до идеала [38,90]. До самой стадии рабочего проектирования модель была для всех членов проекта общей основой для коллективной единой проработки, а также взаимообмена данными между ними (рис.8).

Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, №8 (59)

Рисунок 8. Один из рабочих этапов создания театра в программе Revit Architecture

Пространственное проектирование зрительного зала, вестибюля, холлов и прочих общественных и подсобных помещений, в том числе технического управления и подготовки сцены, намного ускорило процесс принятия решений при окончании создания архитектурного образа театра.

В ходе работы над проектом было необходимо регулярно исправлять, модифицировать, согласовывать и вновь утверждать большое количество проектной документации. [27] Так как здание театра является уникальным общественным объектом и строилось за счет средств федерального бюджета, проект постоянно проходил обязательную государственную экспертизу. Разовая партия проектной документации, отправляемой в Москву в органы проверки (непременно на бумажном носителе), могла включать в себя до 200 томов, для перевозки которых требовался небольшой микроавтобус. И здесь значительную помощь также оказали незамедлительная реакция на все изменения, осуществимые в технологии Информационного моделирования зданий, и неоднократно испытанный в деле AutoCAD, применявшийся для «доработки» чертежной документации до неукоснительных и жестких (иногда, вероятно, избыточных) условий государственной экспертизы по ее оформлению. [27, 36-40,53-57,80-90]

Сейчас уже можно сказать, что в целом технология Информационного моделирования зданий при проектировании настолько трудного здания себя всецело оправдала, это было верное решение. А опыт и методика, наработанные членами проекта при моделировании здания Второй сцены Мариинского театра, будут необходимы на последующих объектах. [41, 50-53,77]

Ключевые положения использования BIM-технологий в строительстве

• 1.    Применение информационной модели здания значительно облегчает работу с объектом.

• 2.    BIM охватывает пространственные решения, легкий анализ, географическую и геодезическую информацию, а также количество и свойства строительных компонентов.

• 3.    Построение информационной модели задействует все сферы деятельности.

• 4.    Ограниченность использования BIM для расчетов.

• 5.    Процесс внедрения BIM в российском строительстве происходит очень медленно.

• 3.    Выводы

В результате проведенного анализа можно заключить следующее:

• 1.    Технология информационного моделирования изменила способ проектирования, строительства и эксплуатации здания. Использование BIM привело к улучшению рентабельности, снижению затрат и сокращению затрат времени.

• 2.    Внедрение BIM в российском строительстве происходит очень медленно. На настоящий момент данная концепция лишь начинает набирать обороты и затрагивает только проектные компании.

• 3.    Для оптимизации производительности BIM российским компаниям придется столкнуться с проблемой обучения сотрудников с нуля.

• 4.    Тем не менее, внедрение BIM прогрессирует, и не за горами то, что BIM полностью заменит САПР.