BIM – реклама и реальность

Артем Билык, научный консультант УЦСС, кандидат технических наук: "Каждый инструмент в строительстве имеет свою область приложения и эффективности. Государство может выступить драйвером в стандартизации и благоустройству системного внедрения ВИМ-технологий. Подготовка кадров в высшей школе и профессиональная специализация в ВИМ - залог успешности внедрение цифровизации строительных объектов ".

Интересное мнение про BIM от Перельмутера Анатолия Викторовича, главного научного сотрудника СКАД Софт, д.т.н.

В конце ХХ и начале ХХI века был разработан и начал активно внедряться новый подход к архитектурно-строительному проектированию, который заключается в создании цифровой модели здания – Building Information Modeling (ВIМ), несущей в себе все сведения о будущем объекте и предназначенной выступать в качестве инструмента контроля над его жизненным циклом

А.В. Перельмутер, главный научный сотрудник НПО СКАД Софт, д.т.н.

ВIМ считают приемником всех систем автоматизированного строительного проектирования (САПР), отмечая его многочисленные преимущества перед САПР. И в сфере информатики, пожалуй, нет другой темы, где присутствовал бы такого рода рекламный прессинг. Среди множества этих публикаций очень мало указывающих на те или иные «пятна на солнце».

Апологеты ВIМ ссылаются на несколько принципиальных положений, характеризующих ВIМ и определяющих его отличие от САПР.

Среди основных имеются и такие:

• ВIМ дает возможность моделировать все этапы жизненного цикла объекта строительства, начиная от эскизного проекта до завершения его эксплуатации

• Трехмерная цифровая модель, выполненная в ВIМ, является единой и универсальной, в ней представлена вся информация об объекте строительства, необходимая для моделирования всех операций, которые присущи этому объекту в процессе его создания и функционирования.

 

Ниже представлена некоторая антиреклама. Цель ее не в том, чтобы опорочить ВIМ, а чтобы описать реальное состояние дел, указать на имеющиеся проблемы и, в частности, обратить внимание на нереалистичность двух упомянутых выше положений. Возможно, это несколько снизит славословие и послужит толчком к совершенствованию механизма ВIМ.

 

Но в первую очередь следует отметить несомненные достоинства ВIМ - технологии. Она хорошо приспособлена для решения проблем создания геометрического образа сооружения, анализа пространственного размещения всех конструкций, инженерных сетей и технологического оборудования, оснащается отличными инструментами визуализации обстановки и разрешения конфликтов взаимного расположения указанных структур. 

Именно в этой области распознаются возможные нестыковки технических решений, разрабатываемых специалистами различного профиля (архитекторы-планировщики, сантехники, электрики и т.д.) и ликвидируются ошибки, о чем обычно упоминают в рекламных текстах. Если добавить к этому возможность одновременной работы над объектом различных групп специалистов, то надо отдать должное — это очень заметное достижение.

Но так ли хорошо обстоят дела с другими проектными процессами и стадиями жизненного цикла строительного объекта? Попробуем ответить на этот вопрос.

Отдаленные этапы жизненного цикла?

Технология управления жизненным циклом объекта, аналогичная рекламируемой в ВIМ, появилась значительно раньше в машиностроении и под названием РЕМ (Project Lifecycle Management) широко используется, например, в кораблестроении или в аэрокосмической отрасли. При этом достигнутые с ее помощью результаты достаточно разрекламированы.

И здесь сразу же следует указать на два принципиальных отличия, присущих отрасли строительства, которые не всегда учитываются: несопоставимые сроки эксплуатации и абсолютно отличающаяся дисциплина эксплуатации. Если жизненный цикл самолета измеряется годами, то для строительных объектов он измеряется десятилетиями. И если авиационное конструкторское бюро отслеживает судьбу своего изделия хотя бы на так называемых головных образцах, то проектная организация не имеет доступа к эксплуатации созданного по ее замыслу сооружения. А технически грамотная служба эксплуатации является скорее исключением, чем правилом для строительных объектов.

Как можно говорить об указанной на рис. 1 стадии эксплуатации и ремонта, если это событие произойдет через 30-50 лет после проектирования. И к тому времени скорее всего устареют все наши сегодняшние технологии и методы работ. Да и возможность воспользоваться сегодняшней цифровой моделью через 50 лет достаточно сомнительна: вспомним, можем ли мы сегодня прочесть старые перфокарты и магнитные ленты, которые содержали информацию об объектах, проектировавшихся 40 лет назад.

 

Кроме того, вряд ли можно так далеко спрогнозировать параметры экономических расчетов, лежащие в основе принятия многих решений, такие, например, как процент дисконтирования, с помощью которого реализуется сопоставление разновременных затрат при рассмотрении энергоэффективности принимаемых проектных решений.

Наконец, решения должны приниматься на основе информации о накопленных дефектах и повреждениях. Как эта информация, часто имеющая огромный объём, будет представлена в цифровой модели, созданной в момент проектирования? Каков ее формат, какова привязка к первоначальной информации?

Эти и ряд других вопросов остаются без ответа. Следовательно, заявка на использование ВIМ в стадии эксплуатации и ремонта остается нереализуемой. И вряд ли справедливо утверждение из работы: «Если мост спроектирован с использованием технологии ВМ, то в любой момент вы можете подключить к его модели расчетную программу и опять же оперативно моделировать гипотетическую (или реально возникшую) ситуацию, для которой будете быстро получать все необходимые прочностные характеристики и возможные варианты поведения конструкций». Говорить о «любом времени» скорее всего не приходится, как и о сопровождении всего жизненного цикла.

 

Единая информационная модель?

Одной из основных и ответственных процедур процесса проектирования является расчетный анализ поведения конструкции под нагрузкой, составляющий основу для принятия большинства конструкторских решений. Для выполнения такого анализа необходимо формировать компьютерные модели, специально предназначенные для конкретных видов расчётных обоснований, и реализуемых в специальных программно-вычислительных комплексах СКАД, ЛИРА, МicroFe и др.

 

Для целей проектного анализа конструкций используются три вида моделей:

• Физическая (архитектурная) модель, главным свойством которой является строгое соответствие формы элементов модели тому, что должно быть возведено в реальности
• Конструктивная модель, состоящая из конструктивных элементов (колонны, балки, пластины, грунтовые массивы и т.д.) и специальных элементов (связи, жесткие вставки, шарниры и др.)
• Расчетная (как правило, конечно-элементная) модель, которая строится на базе конструктивной модели и передаётся непосредственно на расчет в специализированную программу анализа

Связи между указанными моделями представлены на рис. 3.

Отметим, что конструктивная модель появляется на рисунке дважды. Конструктивная модель, интегрированная в состав ВIМ, полностью соответствует физической модели и, следовательно, отражает точную форму конструкции, что совершенно не нужно для расчета. Парадокс расчетного анализа состоит в том, что зачастую не следует отражать точную форму конструкции. Предназначение расчетной модели — абстракция от действительной конструкции с целью максимально просто смоделировать её механическую работу.

Если оценивать степень интеграции той или иной расчетной программы в технологическую цепочку ВIМ, то ключевым здесь является количество и качество информации, которое эта программа может взять из единой модели для создания расчетной схемы, а также возможность «обратной реакции» — автоматическое внесение по результатам расчетов изменений в единую модель здания.

Детальный анализ показывает, что почти во всех случаях необходимую информацию в принципе невозможно получить из базы данных ВIМ автоматически по целому ряду причин. Укажем только некоторые из них.

Первая — это проблемы, связанные с переходом от трехмерных объектов единой модели к двухмерным и одномерным объектам аналитической модели.

Например, при замене трехмерного представления стен и перекрытий (рис. 4, а) плоскостными элементами (рис. 4, 6), представленными их срединными поверхностями, в местах примыкания элементов стен к плите образуются зазоры, равные половине толщины плиты. Аналогичный зазор наблюдается при примыкании колонны к плите и стены к колонне. Возникает необходимость в ликвидации зазоров, а также корректировке периметра перекрытий путем удаления участка, выступающего за линию контакта со стеной на половину толщины стены (рис. 4, в). Лишь после этих преобразований можно получить требуемое решение (рис. 4, г).

Однако, это лишь одна из частей проблемы геометрических преобразований. Дело в том, что в расчетной схеме очень часто моделируется не геометрия конструктивного элемента, а его функция в создании картины напряженно-деформированного состояния. Типичным примером здесь может служить замена сваи на упругую пружину с эквивалентной жесткостью.

Мы не останавливаемся на целом ряде других «нарушающих геометрию» расчетных приемах, таких как создание бесконечно жестких переходов от колонны к плите перекрытия (рис. 5, а} или искусственное продолжение стержня в занимаемую пластиной область (рис. 5, 6), необходимость в которых обоснована в работе.

Вообще, использование некоторых упрощений (в том числе геометрических), вводимых для удобства расчета и получения обозримых результатов, является классическим методом прочностного анализа, однако их «вставка» в ВIМ-модель часто оказывается трудоёмкой и неэффективной.

Все сказанное объясняет наличие конструктивных моделей и средства их создания в рамках ПВК, таких как ФОРУМ в комплексе СКАД или САПФИР в комплексе ЛИРА.

В заключение этого раздела заметим, что в основе идеологии ВМ есть положение, что использованная расчетная модель должна сохраняться с целью ее последующего использования, которое может возникнуть как на некоторых стадиях существования проекта (например, учета замечаний экспертизы), так и в более отдаленном будущем. При этом следует учитывать, что расчетных моделей может быть несколько (для сложных объектов многовариантное проектирование стало нормой), они используются для разных целей, и логика их применения также должна в какой-то форме сохраняться. Сегодня этот аспект работы с информацией четко не представлен в ВIМ-системах.

Следовательно тезис о единой и универсальной цифровой модели строительного объекта оказывается необоснованым с практической точки зрения.

 

Обратная связь.

Расчет не является самоцелью. В результате мы убеждаемся в надежности конструкции или же получаем информацию о необходимости корректировок. Информация о корректировке конструктивного решения должна попасть в информационную модель, при этом может возникнуть необходимость в изменении не только тех элементов, которые не прошли проверку прочности, но и других элементов, примыкающих к изменившейся детали. Автоматизировать этот процесс удается редко из-за сложности создания параметрических моделей узловых соединений.

Только для относительно простых в конструктивном отношении объектов удается иметь параметрическое описание всех узловых соединений. За пределами таких описаний часто остаются многие детали (ребра жесткости, приторпованные поверхности и т.п.).

А если полагаться на ручное решение этой задачи, то следует помнить о случаях, когда геометрические нестыковки оказываются небольшими и распознать их на компьютерном изображении не удается. Это обстоятельство может породить ошибки в деталировочных чертежах.

Одна из организационных проблем.

Используемые в ВМ моделирующие системы предоставляют пользователю различные средства для описания одних и тех же объектов. Колонны, балки, элементы ферм, связи и т.п. могут не идентифицироваться конкретными типами в архитектурной модели, а задаваться как некоторый абстрактный стержневой объект или даже как элемент плиты или стены соответствующих размеров.

Но иногда элемент «стена» используется для моделирования дверных полотен и декоративных перегородок, а элементами «перекрытие» моделируют ступени лестницы. «Похожесть геометрии» подменяет собой функциональное назначение, и не существует способов автоматического контроля такого рода ошибок.

В результате фильтрация конструктивных элементов приводит к появлению «конструктивной модели», не имеющей ничего общего с моделью несущих конструкций здания. В качестве примера показан объект, спроектированный в системе Revit (рис. 6, а). При его формировании для подавляющего числа элементов использованы классы «wall» и «ргоху», что привело к невозможности ее применения для формирования конструктивной модели и как следствие расчетной схемы (рис. 6, 6).

Ошибки такого рода свидетельствуют о том, что создание цифровой модели нельзя поручать узкому специалисту, будь то архитектор, инженер-конструктор или кто-либо другой. Например, моделируя архитектурно-планировочное решение, когда в первую очередь отображаются геометрические свойства объекта, архитектор не всегда правильно указывает на конструктивные (функциональные) атрибуты той или иной части конструкции, которая содержится в таком понятии, как «стена» или «перекрытие». Не любая вертикальная пластина может бать названа стеной, как и не любая горизонтальная пластина —перекрытием.

 

Возникает проблема подготовки кадров соответствующей квалификации, не только IТ-специалистов, умеющих работать в режиме ВIМ-моделирования, но и специалистов по информатике, обладающих достаточно широким инженерным кругозором. Неграмотный пользователь способен загубить любой программный продукт, поэтому во многих коллективах существует традиция привлечения расчетчика к созданию цифровой модели, начиная с нуля.

 

Краткие выводы.

Сказанное выше дает основания утверждать, что область расчетного анализа прочности и устойчивости проектируемой конструкции практически не охвачена ВIМ-технологией и фактически исключается из интегрированного процесса проектирования. Кроме того фактически не разработаны методы долгосрочного прогнозирования, что выводит из-под контроля ВIМ стадии ремонта, реконструкции и демонтажа.

Вместе с тем несомненны достоинства ВIМ на стадиях создания объемно-планировочных решений и их согласования специалистами разных профилей.

Источник: Промислове будівництво та інженерні споруди, 2021 №2