BIM – реклама та реальність

Артем Білик, Науковий консультант УЦСБ, кандидат технічних наук: "Кожен інструмент у будівництві має свою область застосунку і ефективності. Держава може виступити драйвером у стандартизації та впорядкуванню системного впровадження ВІМ-технологій. Підготовка кадрів у вищій школі і фахова спеціалізація у ВІМ – запорука успішності впровадження цифровізації будівельних об’єктів".

Цікава думка про BІM від Перельмутера Анатолія Вікторовича, головного наукового співробітника СКАД Софт, доктора технічних наук.

В кінці ХХI початку ХХI століття був розроблений і почав активно впроваджуватися новий підхід до архітектурно-будівельного проектування, який полягає в створенні цифрової моделі будівлі - Building Information Modeling (ВIМ), що несе в собі всі відомості про майбутнє об'єкта та призначеної виступати в якості інструменту контролю над його життєвим циклом

А.В. Перельмутер, головний науковий співробітник НПО СКАД Софт, д.т.н.

ВIМ вважають наступником всіх систем автоматизованого будівельного проектування (САПР), відзначаючи його численні переваги перед САПР. І в сфері інформатики, мабуть, немає іншої теми, де мав бути присутнім такого роду рекламний пресинг. Серед безлічі цих публікацій дуже мало вказують на ті чи інші «плями на сонці».

Апологети ВIМ посилаються на кілька принципових положень, що характеризують ВIМ і визначають його відміну від САПР.

Серед основних є і такі:

• ВIМ дає можливість моделювати всі етапи життєвого циклу об'єкта будівництва, починаючи від ескізного проекту до завершення його експлуатації

• Тривимірна цифрова модель, виконана в ВIМ, є єдиною і універсальною, в ній представлена вся інформація про об'єкт будівництва, необхідна для моделювання всіх операцій, які притаманні цьому об'єкту в процесі його створення та функціонування

 

Нижче представлена деяка антиреклама. Мета її не в тому, щоб зганьбити ВIМ, а щоб описати реальний стан справ, вказати на наявні проблеми і, зокрема, звернути увагу на нереалістичність двох згаданих вище положень. Можливо, це послужить поштовхом до вдосконалення механізму ВIМ.

Але в першу чергу слід відзначити безперечні переваги ВIМ - технології. Вона добре пристосована для вирішення проблем створення геометричного образу споруди, аналізу просторового розміщення всіх конструкцій, інженерних мереж та технологічного обладнання, оснащується відмінними інструментами візуалізації обстановки і вирішення конфліктів взаємного розташування вказаних структур.

Саме в цій області розпізнаються можливі нестиковки технічних рішень, що розробляються фахівцями різного профілю (архітектори-планувальники, сантехніки, електрики і т.д.) і ліквідуються помилки, про що зазвичай згадують в рекламних текстах. Якщо додати до цього можливість одночасної роботи над об'єктом різних груп фахівців, то треба віддати належне - це дуже помітне досягнення.

Але так чи добре йдуть справи з іншими проектними процесами та стадіями життєвого циклу будівельного об'єкта? Спробуємо відповісти на це питання.

Віддалені етапи життєвого циклу?

Технологія управління життєвим циклом об'єкта, аналогічна рекламованої в ВIМ, з'явилася значно раніше в машинобудуванні і під назвою РЕМ (Project Lifecycle Management) широко використовується, наприклад, в суднобудуванні або в аерокосмічній галузі. При цьому досягнуті з її допомогою результати досить розрекламовані.

І тут відразу ж слід вказати на дві принципові відмінності, властиві галузі будівництва, які не завжди враховуються: непорівнянні терміни експлуатації і абсолютно відмінна дисципліна експлуатації. Якщо життєвий цикл літака вимірюється роками, то для будівельних об'єктів він вимірюється десятиліттями. І якщо авіаційне конструкторське бюро відстежує долю свого виробу хоча б на так званих головних зразках, то проектна організація не має доступу до експлуатації створеного за її задумом споруди. А технічно грамотна служба експлуатації є скоріше винятком, ніж правилом для будівельних об'єктів.

Як можна говорити про зазначену на рис. 1 стадію експлуатації і ремонту, якщо ця подія відбудеться через 30-50 років після проектування. І до того часу швидше за все втратять актуальності всі наші сьогоднішні технології і методи робіт. Та й можливість скористатися сьогоднішньої цифровою моделлю через 50 років досить сумнівна: згадаємо, чи можемо ми сьогодні прочитати старі перфокарти і магнітні стрічки, які містили інформацію про об'єкти, запроектовані 40 років тому.

 

Крім того, навряд чи можна так далеко спрогнозувати параметри економічних розрахунків, що лежать в основі прийняття багатьох рішень, такі, наприклад, як відсоток дисконтування, за допомогою якого реалізується зіставлення різночасових витрат при розгляді енергоефективності прийнятих проектних рішень.

Нарешті, рішення повинні прийматися на основі інформації про накопичені дефекти та пошкодження. Як ця інформація, що часто має величезний обсяг, буде представлена в цифровій моделі, створеної в момент проектування? Який її формат, яка прив'язка до первісної інформації?

Ці та ряд інших питань залишаються без відповіді. Отже, заявка на використання ВIМ в стадії експлуатації і ремонту залишається нездійсненною. І навряд чи справедливе твердження з роботи: «Якщо міст спроектований з використанням технології ВІМ, то в будь-який момент ви можете підключити до його моделі розрахункову програму і знову ж оперативно моделювати гіпотетичну, або ситуацію яка реально виникла, для якої будете швидко отримувати всі необхідні міцнісні характеристики і можливі варіанти поведінки конструкцій ». Говорити про «будь-який час» швидше за все не доводиться, як і про супровід всього життєвого циклу.

Єдина інформаційна модель?

Однією з основних і відповідальних процедур процесу проектування є розрахунковий аналіз поведінки конструкції під навантаженням, що становить основу для прийняття більшості конструкторських рішень. Для виконання такого аналізу необхідно формувати комп'ютерні моделі, спеціально призначені для конкретних видів розрахункових обґрунтувань, і що реалізуються у спеціальних програмно-обчислювальних комплексах СКАД, ЛІРА, МicroFe і ін.

Для цілей проектного аналізу конструкцій використовуються три види моделей:

• Фізична (архітектурна) модель, головною властивістю якої є сувора відповідність форми елементів моделі того, що повинно бути зведено в реальності
• Конструктивна модель, що складається з конструктивних елементів (колони, балки, пластини, грунтові масиви і т.д.) і спеціальних елементів (зв'язку, жорсткі вставки, шарніри та ін.)
• Розрахункова (як правило, звичайно-елементна) модель, яка будується на базі конструктивної моделі і передається безпосередньо на розрахунок у спеціалізовану програму аналізу

Зв'язки між зазначеними моделями представлені на рис. 3.

Відзначимо, що конструктивна модель з'являється на малюнку двічі. Конструктивна модель, інтегрована до складу ВIМ, повністю відповідає фізичній моделі і, отже, відображає точну форму конструкції, що абсолютно не потрібно для розрахунку. Парадокс розрахункового аналізу полягає в тому, що часто не слід відображати точну форму конструкції. Призначення розрахункової моделі - абстракція від дійсної конструкції з метою максимально просто змоделювати її механічну роботу.

Якщо оцінювати ступінь інтеграції тієї чи іншої розрахункової програми в технологічний ланцюжок ВIМ, то ключовим тут є кількість і якість інформації, яку ця програма може взяти з єдиної моделі для створення розрахункової схеми, а також можливість «зворотної реакції» - автоматичне внесення за результатами розрахунків змін в єдину модель будівлі.

Детальний аналіз показує, що майже у всіх випадках необхідну інформацію в принципі неможливо отримати з бази даних ВIМ автоматично за цілою низкою причин. Зазначимо тільки деякі з них.

Перша - це проблеми, пов'язані з переходом від тривимірних об'єктів єдиної моделі до двовимірних і одновимірних об'єктів аналітичної моделі.

Наприклад, при заміні тривимірного представлення стін і перекриттів (рис. 4, а) площинними елементами (рис. 4, 6), представленими їх серединними поверхнями, в місцях примикання елементів стін до плити утворюються зазори, рівні половині товщини плити. Аналогічний зазор спостерігається при примиканні колони до плити і стіни до колони. Виникає необхідність у ліквідації зазорів, а також коригування периметра перекриттів шляхом видалення ділянки, що виступає за лінію контакту зі стіною на половину товщини стіни (рис. 4, в). Лише після цих перетворень можна отримати необхідне рішення (рис. 4, г).

Однак, це лише одна з частин проблеми геометричних перетворень. Справа в тому, що в розрахунковій схемі дуже часто моделюється не геометрія конструктивного елементу, а його функція в створенні картини напружено-деформованого стану. Типовим прикладом тут може служити заміна палі на пружну пружину з еквівалентною жорсткістю.

Ми не зупиняємося на цілому ряді інших «порушуючих геометрію» розрахункових прийомах, таких як створення нескінченно жорстких переходів від колони до плити перекриття (рис. 5, а) або штучне продовження стержня в займану пластиною область (рис. 5, 6), необхідність в яких обгрунтована в роботі.

Взагалі, використання деяких спрощень (в тому числі геометричних), що вводяться для зручності розрахунку і отримання доступних для огляду результатів, є класичним методом прочностного аналізу, однак їх «вставка» в ВIМ-модель часто виявляється трудомісткою і неефективною.

Все сказане пояснює наявність конструктивних моделей та засоби їх створення в рамках ПВК, таких як ФОРУМ в комплексі СКАД або САПФІР в комплексі ЛІРА.

На закінчення цього розділу зауважимо, що в основі ідеології ВІМ є положення, що використана розрахункова модель повинна зберігатися з метою її подальшого використання, яке може виникнути як на деяких стадіях існування проекту (наприклад, врахування зауважень експертизи), так і в більш віддаленому майбутньому. При цьому слід враховувати, що розрахункових моделей може бути кілька (для складних об'єктів різноманітне проектування стало нормою), вони використовуються для різних цілей, і логіка їх застосування також повинна в якійсь формі зберігатися. Сьогодні цей аспект роботи з інформацією чітко не представлений в ВIМ-системах.

Отже теза про єдину і універсальну цифрову модель будівельного об'єкта виявляється необгрунтованою з практичної точки зору.

 

Зворотній зв'язок.

Розрахунок не є самоціллю. В результаті ми переконуємося в надійності конструкції або ж отримуємо інформацію про необхідність коригувань. Інформація про коригування конструктивного рішення повинна потрапити в інформаційну модель, при цьому може виникнути необхідність в зміні не тільки тих елементів, які не пройшли перевірку міцності, а й інших елементів, що примикають до нової деталі. Автоматизувати цей процес вдається рідко через складність створення параметричних моделей вузлових з'єднань.

Тільки для відносно простих в конструктивному відношенні об'єктів вдається мати параметричний опис всіх вузлових з'єднань. За межами таких описів часто залишається багато деталей.

А якщо покладатися на ручне рішення цього завдання, то слід пам'ятати про випадки, коли геометричні нестиковки виявляються невеликими і розпізнати їх на комп'ютерному зображенні не вдається. Ця обставина може породити помилки в деталювальних кресленнях.

Одна з організаційних проблем.

Використовувані в ВІМ моделі системи надають користувачеві різні засоби для опису одних і тих же об'єктів. Колони, балки, елементи ферм,  і т.п. можуть не ідентифікуватися конкретними типами в архітектурній моделі, а здаватися як деякий абстрактний стрижневий об'єкт або навіть як елемент плити або стіни відповідних розмірів.

Але іноді елемент «стіна» використовується для моделювання дверних полотен і декоративних перегородок, а елементами «перекриття» моделюють сходинки. «Схожість геометрії» підміняє собою функціональне призначення, і не існує способів автоматичного контролю такого роду помилок.

В результаті фільтрація конструктивних елементів призводить до появи «конструктивної моделі», яка не має нічого спільного з моделлю несучих конструкцій будівлі. Як приклад показаний об'єкт, спроектований в системі Revit (рис. 6, а). При його формуванні для переважної більшості елементів використані класи «wall» і «ргоху», що призвело до неможливості її застосування для формування конструктивної моделі і як наслідок розрахункової схеми (рис. 6, 6).

Помилки такого роду свідчать про те, що створення цифрової моделі не можна доручати вузькому спеціалісту, будь то архітектор, інженер-конструктор або будь-хто інший. Наприклад, моделюючи архітектурно-планувальне рішення, коли в першу чергу відображаються геометричні властивості об'єкта, архітектор не завжди правильно вказує на конструктивні (функціональні) атрибути тієї чи іншої частини конструкції, яка міститься в такому понятті, як «стіна» або «перекриття». Чи не будь-яка вертикальна пластина може бути названа стіною, як і не будь-яка горизонтальна пластина -перекриттям.

Виникає проблема підготовки кадрів відповідної кваліфікації, не тільки IТ-фахівців, які вміють працювати в режимі ВIМ-моделювання, а й фахівців з інформатики, що володіють досить широким інженерним кругозором. Неграмотний користувач здатний занапастити будь-який програмний продукт, тому в багатьох колективах існує традиція залучення розраховувача до створення цифрової моделі, починаючи з нуля.

 

Короткі висновки.

Сказане вище дає підстави стверджувати, що область розрахункового аналізу міцності і стійкості проектованої конструкції практично не охоплена ВIМ-технологією і фактично виключається з інтегрованого процесу проектування. Крім того фактично не розроблені методи довгострокового прогнозування, що виводить з-під контролю ВIМ стадії ремонту, реконструкції та демонтажу.

Разом з тим безсумнівні переваги ВIМ на стадіях створення об'ємно-планувальних рішень і їх узгодження фахівцями різних профілів.

Джерело: Промислове будівництво та інженерні споруди, 2021 №2