Анализ направлений исследований, основанных на концепции информационного моделирования строительных объектов

АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОСНОВАННЫХ НА КОНЦЕПЦИИ ИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

ANALYSIS OF RESEARCH DIRECTIONS BASED ON BIM

CONCEPTION

E.B. Игнатова, В.П. Игнатов

E.V. Ignatova, V.P. Ignatov

ГОУ ВПО МГСУ

В статье рассматриваются возможности современного программного обеспечения для информационного моделирования строительных объектов. Анализируется международный опыт использования BIM в прикладных научных исследованиях.

In this article potentials of the current BIM software are discussed. The international experience of Building informational model usage for researching and solving some applied problems is analyzed.

Идея сопровождения жизненного цикла изделия (CALS технология) потребовала согласованной и корректной передачи информации об изделии для взаимодействия различных специалистов и технологий. При этом в качестве изделий рассматривались всевозможные технически сложные объекты: автомобили, здания, компьютерные сети и т.п. Логическим продолжением явилось создание концепций PDM (Product Data Management) - управления информацией об изделии и PLM (Product Lifecycle Management)- управления жизненным циклом изделия. Соответственно, были разработаны стандарты описания изделия, а также стандарты процедур и ресурсов, сопровождающих жизненный цикл изделия. Они получили название STEP(ISO10303) стандарта обмена данными.

Специфика строительной отрасли привела к созданию собственных стандартов. В 1980 -е годы был создан стандарт CIS/2 для стальных конструкций, а затем более общий IFC (ISO/PAS 16739) стандарта (Industry Foundation Classes). Этот стандарт был разработан компанией IAI (International Alliance for Interoperability) для взаимодействия в области строительства. Такой открытый стандарт стал основой для организации информационной модели здания BIM (Building Information Model), создания приложений, работающих со строительной информационной моделью, а сама BIM технология становится информационным центром для сопровождения всего жизненного цикла здания. В настоящее время существуют два альтернативных стандарта, которые реализуют BIM: это стандарт National 3D-4D-BIM Program, курируемый американским агентством GSA и стандарт National BIM Standard™ (NBIMS), разрабатываемый альянсом BuildingSmart, на основе которого разрабатывается практическая реализация IFC формата.

BIM имеет два значения:

- программное обеспечение для создания информационной модели здания, программные средства для коллективной работы и поддержки стандарта передачи данных между специалистами, приложения для конвертации данных и программные средства анализа данных для нужд различных специалистов;

- прогрессивная технология поддержания всего жизненного цикла строительного объекта, стратегия и тактика создания, развития и использования информационной модели здания.

BIM приложения генерируют геометрическое представление здания на основе объектно-ориентированного параметрического подхода. Большинство строительных конструкций принадлежат к стандартным классам описания объектов. Строительные объекты имеют положение и параметрические связи, но не имеют четкой геометрии, ими легко манипулировать, представлять в 2D, 3D измерениях, нагружать негеометрической информацией.

Структурно строительная информационная модель включает в себя:

- строительные объекты, которые представлены в виде цифровых моделей, связанных с графикой, атрибутами, параметрическими условиями связей;

- компоненты, которые описывают поведение строительной модели;

- согласующие Данные, например, для производства изменений, перехода от 3D к 2D представлению, организации двунаправленных ассоциативные связей на всех видах презентаций;

- управляющие данные, которые координируют все виды данных.

BIM программы есть у многих известных производителей. Это широкая линейка взаимосвязанных приложений для проектирования генплана, архитектуры, конструкций, инженерных ceTefi:Revit (Autodeck), CATIA (Dassault Systems), Bentley (Bentley Systems), Allplan ( Nemetschek).

Разработаны программы, ориентированные на проектировщиков определенных специальностей: ArchiCAD (Graphisoft), САПФИР (Лирасофт) - для архитекторов, Tekla Strucrural (Tekla) - для конструкторов стальных конструкций, AutoPlant (Bentley Systems) - для проектирования промышленных объектов.

Предлагаются программы-сателлиты, позволяющие работать с информационной моделью при анализе стоимости проекта, разработке ППР, управления проектом, эксплуатации здания. Имеются программы для перевода информационной модели в программу для станков с числовым управлением, например, при производстве деревянных конструкций. Большое количество программ разработано для анализа архитектурного решения с точки зрения экологии, освещенности, звукоизоляции, визуализации. Присоединяются базы данных инженерного оборудования, а также расчетные системы анализа эффективности инженерного оборудования (HVAC systems).

Таким образом, BIM приложение может являться интерфейсом для обмена данными при решении задач в различных программах. Однако, каждое приложение BIM имеет свою модель данных. Первый национальный BIM стандарт разработан в US National Building Information Modeling Standard (Transforming the building supply chain through open and interoperable information exchange).

Независимо от производителя и пути развития ПО, сегодня отмечаются общие характерные черты BIM приложений:

- использование интеллектуального представления данных;

- создание полностью координируемой информации;

- поддержка процесса содружества специалистов,

- направленность на охват всего жизненного цикла строительного объекта.

BIM позволяет решать многие традиционные задачи строительной индустрии и ставить новые. Наблюдается постоянное увеличение размерности информационной модели. Если первоначально рассматривалась ЗБ-геометрическая объектно-ориентированная модель, то теперь все чаще используют 4D модель (с учетом временного фактора), 5D модель с учетом стоимостных показателей, 6D модель для управления недвижимостью, 7D модель для оценки выбросов углерода и других загрязнений.

Информационная модель может представляться набором подмоделей. Например, базовая информационная 3D модель, основанная на архитектурных объектах, 4D информационная модель, которая поддерживает симуляцию поведения объектов во времени и управление этими процессами, структурная информационная модель, которая включает необходимые данные для расчетов, например, нагрузки, граничные условия. Суммарная модель получила название 4D структурная информационная модель. Также можно выделить эксплуатационную информационную модель, которая основана на 3D модели и дополнена специфическими атрибутами и базами данных эксплуатационных ресурсов.

Примером межсистемной интеграции могут служить информационные системы поддержки этапов жизненного цикла объектов промышленного строительства для предприятий топливно-энергетического комплекса компании «НЕОЛАНТ». «НЕ-ОЛАНТ» создает решения на платформах Autodesk, Bentley, ESRI, Hewlett-Packard, IBM, Intergraph, MapInfo, Microsoft, OpenText, Oracle, Wonderware. Информационные 3D модели используются для облегчения доступа к проектной и распорядительной документации организации, а также эксплуатационным данным по объекту. Фактически, информационная 3D модель служит трехмерным интерфейсом для доступа к информации. Информационная 4D модель формируется в результате объединения работ календарно-сетевого графика строительных работ с соответствующими элементами проектной трехмерной модели. 4D модель может быть использована как для виртуального моделирования строительства, так и для отслеживания реального хода строительно-монтажных работ. Информационная 5D модель объединяет данные о стоимости проекта, рассчитанные на основе данных о физических объёмах работ, с соответствующими работами календарно-сетевого графика и пространственными координатами. Информационная 6D модель помимо пространственных, временных и стоимостных параметров включает информацию о требуемом пространстве при монтаже или обслуживании оборудования, технологических систем и других элементов объекта.

Исследования, связанные с BIM технологиями можно разделить на четыре направления.

1. Анализ предпосылок внедрения BIM. В этом направлении обсуждают вопросы обучения специалистов по BIM технологиям, взаимосвязь рентабельности использования BIM технологий с масштабностью проектов и профилем компании. Анализируются вопросы качества, скорости проектных работ по сравнению с другими технологиями (классическим CAD, другими параметрическими продуктами). Предлагаются схемы организации коллективной работы специалистов.

2. Классификация и определение критериев выбора BIM приложений. Фактически это задачи проектирования САПР организации. Определение функционала программного обеспечения, рациональный подбор основных программных модулей и программ сателлитов. Выбор стандартов и технических средств, организация согласованной работы BIM приложений.

3. Определение базового функционала BIM приложений. До сих пор нет строгих критериев отнесения программных продуктов к классу BIM приложений. Часто наличие одного из признаков (IFC обмен, выход на производство, включенные экономические расчеты, поддержка командной работы, параметризация и т.д.), дает основание позиционировать программу как BIM приложение.

4. Определение приоритетных направлений развития BIM технологий. Это самое масштабное направление исследований. К нему можно отнести развитие стандартов передачи данных, интеграция приложений, увеличение интеллектуальности программного обеспечения.

Ниже приведены примеры тем исследований по материалам конференции Computing in Civil and building engineering (Nottingham-2010).

Темы, связанные с анализом применения BIM технологий

1. Оценка рентабельности применения BIM технологий в конструкторском бюро. Исследование сложности проектов, их количества, скорости выполнения и т.п. (USA).

2. Развитие новых BIM направлений работы IT специалистов, BIM специалистов. (BIM Консультант, BIM Исследователь, Специалист по BIM моделированию, Специалист по конвертации BIM, Разработчик BIM приложений, BIM Координатор, Менеджер BIM проекта). (Brazil).

3. Сравнение технологий последовательного 2D>3D>4D моделирования и технологии прямого 4D моделирования при работе K0HCTpyKT0pa.(USA).

Темы, связанные с проектной деятельностью

4. Интеграция BIM и программы Ecotect для концептуального архитектурного проектирования. Проанализирована методика интеграции. (DK).

5. Создание системы динамического конструирования и управления на основе 4D структурной информационной модели. Объединены возможности трехмерной анимации, имитационного моделирования, BIM технологии. Создана система управления конструированием с 4D реалистичной визуализацией, анализом конфликтов и коллизий .(China).

6. Анализ прочности бетонных конструкций на основе BIM и 4D технологии. 4D технология вводит в прочностную модель параметр времени, что позволяет учесть старение бетона и изменение реальной нагрузки. Разработана программная оболочка для реализации алгоритмов. (China).

7. Интеграция BIM технологий (Revit) с требованиями экологии для LEED сертификации зеленых зданий. (USA).

8. Использование BIM технологии для расчета и оптимизации энергозатрат в здании. Разработан конвертер Revit IFC формата в формат программы расчета энергоэффективности здания (HVAC system). (USA).

9. Оценка энергозатрат здания на этапе проектирования на основе BIM. Оценка затрат по цене переданного среднего тепла, которое поступает в здание в течение года (технология OTTV). (Thailand).

10. Оценка стоимости строительного объекта на протяжении жизненного цикла. Нечеткие данные обуславливают использование интеллектуальной системы на основе нейронных сетей, а также вероятностных методов оценки. (Australia).

Темы, связанные с эксплуатацией здания.

11. Анализ выбросов и загрязнений при эксплуатации здания. На основе BIM создана 7D модель для анализа строительного объекта с учетом изменения времени, цены, выбросов углерода и отходов в течение всего жизненного цикла, создана база знаний зеленого строительства, разработаны математические модели расчета загрязнений . (UK).

12. Применение BIM приложения для мониторинга и планирования ремонтных работ в процессе эксплуатации здания. Созданы новые классы объектов (например, светильники), создана база данных объектов и действий по ремонту. Для реального объекта проведен анализ необходимости ремонта. Выявлены первоочередные задачи ремонта. (USA).

Темы, связанные с развитием программного обеспечения

13. Использование IFC формата не только для стандартной передачи данных, но и для эффективного хранения и использования данных. Проанализирован формат IFC 2x3. Разработана методика создания новых классов.(СЫпа).

14. Реалистичная визуализация на основе IFC модели. (China).

15. Разработка алгоритмов быстрого выявления коллизий геометрии при коллективной работе с BIM сервером в реальном времени.(ЫГ).

16. Разработка Web-технологии доступа к информационной модели здания. Разработан интерфейс пользователя, создан конвертер из IFC формата в пользовательский XML формат. (USA).

17. Создание нового формата COBie2 (Construction-Operations Building information exchange format) для бизнес-управления недвижимостью и формирования экономических отчетов в течение жизненного цикла здания. Программная надстройка COBie2 calculator поддерживает IFC формат передачи данных. (USA+UK).

18. Симуляция виртуальной среды для отработки действий при пожаре на основе BIM, видео и аудио эффектов. Учет процессов распространения огня, дыма. Использование нейросетевых технологий прогнозирования npouecca.(Germany).

19. Адаптация BIM к проблемам конструирования, путем описания новых классов объектов на языке Java, с учетом параметризации процессов и введения ценовых характеристик объектов. Это пример создания 5D мoдeли.(Korea).

Анализ представленных тем говорит об актуальности BIM постановки исследовательских задач и о крайне низком уровне интеллектуальности предлагаемых программных продуктов. Интеллектуальное управление объектами в основном сводится к установлению параметрических зависимостей между объектами и к контролю коллизий на уровне геометрии объектов.

Информационное моделирование зданий имеет самый мощный потенциал на этапе проектирования строительного объекта. Однако никто не отрицает, что цифровую модель здания можно создавать уже после строительства для управления процессом эксплуатации, реконструкции, ликвидации.

Проблема информационного моделирования строительного объекта не ограничивается исключительно зданием или сооружением. Аналогичная тема возникает при информационном моделировании боле сложного объекта - города. Информационная модель города предназначается именно для эксплуатации, реконструкции и управления объектом. Существуют разработки для создания информационной модели города на платформе city-3D. Это попытка связать геоинформационные системы, трехмерное представление архитектуры города, и потоки информации на всех уровнях муниципального управления. Управление городскими территориями и системами не возмож-

но без комплексной увязки объектов городской застройки, в том числе жилых зданий. Следовательно, информационная модель города должна взаимодействовать с информационными моделями зданий.

Литература

1. Е.В. Игнатова. BIM-актуальная тенденция в автоматизации проектирования. /Научно-технический журнал, М. «Вестник МГСУ», Спецвыпуск, 2009, стр. 225-226.

2. A.A. Волков, В.П. Игнатов, Е.В. Игнатова, Р.Ф. Ваганов. Перспективные постановки задач строительных систем автоматизации проектирования. /Х1Х Словацко-Российско-Польский семинар «Теоретические основы строительства» сборник докладов, Словакия, г. Жилино, 12-16 сентября 2010 года. - М.: АСВ, стр. 397-402.

3. The 13th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering and the 17th International EG-ICE Workshop on Intelligent Computing in Engineering, 30 Iune-2 July, Nottingham, UK, 2010.

The literature

1. Ignatova E. 2009. BIM - the urgent tendency of computer aided design. /Moscow, Vestnik MGSU, special, 2009, pp. 225-226.

2. Volkov A., Ignatov V., Ignatova E., Vaganov R. 2010. Perspective statements of problems of building systems of computer aided design (CAD). /The proceedings of X1X Slovak-Polish-Russian Seminar "Theoretical Foundation of Civil Engineering", Moscow, ASV, 2010, pp. 397-402.

3. The 13th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering and the 17th International EG-ICE Workshop on Intelligent Computing in Engineering, 30 Iune-2 July, Nottingham, UK, 2010.

Ключевые слова: информационное моделирование, информационная модель здания, BIM, жизненный цикл, IFC.

Keywords: information modeling, building information model, BIM, life cycle, IFC.

Рецензент: Э.П. Григорьев профессор доктор технических наук, ВНИИТЭ