Тема 3. BIM-технології: поняття, історія розвитку, перспективи

1. ВІМ-технології: поняття, історія розвитку, класифікація та особливості, розвиток у світі

Сучасний розвиток інформаційних технологій ознаменувався появою принципово нового підходу в архітектурно-будівельному проектуванні, що полягає у створенні комп’ютерної моделі нової будівлі, яка охоплює усі відомості про майбутній об’єкт - Building Information Model (BIM). Поняття інформаційного моделювання будівлі як засіб її параметризації було вперше запропоновано професором Технологічного інституту Джорджії Чаком Істманом (Chuck Eastman) у 1975 році в журналі Американського Інституту Архітекторів (AIA) під робочою назвою «Building Description System» (Система опису будівлі) [19].

Наприкінці 1970-х - на початку 1980-х ця концепція розвивалася паралельно в Європі і США, причому в США найчастіше вживався термін «Building Product Model», а в Європі (особливо у Фінляндії) - «Product Information Model». При цьому слово Product підкреслювало першочергову орієнтацію уваги дослідників на об'єкт проектування, а не на процес. Об'єднання цих двох назв і привело до народження «Building Information Model» [19].

Паралельно в розробці підходів до інформаційного моделювання будівель європейцями в середині 1980-х застосовувалися німецький термін «Bauinformatik» і голландський «Gebouwmodel», які в перекладі також відповідали англійському «Building Model» або «Building Information Model». Ці концептуальні підходи супроводжувалися напрацюванням єдиного наповнення використовуваних понять, що в результаті і призвело в 1992 році до появи в науковій літературі терміну «Building Information Model» у його нинішньому змісті.

Трохи раніше, у 1986 році, англієць Роберт Ейш (Robert Aish), у той час творець програми RUCAPS, потім протягом тривалого періоду співробітник «Bentley Systems», який нещодавно перейшов у «Autodesk», у своїй статті вперше використав термін «Building Modeling» в його нинішньому розумінні як інформаційного моделювання будинків. Тоді він уперше сформулював основні принципи такого інформаційного підходу в проектуванні: тривимірне моделювання; автоматичне отримання креслень; інтелектуальна параметризація об'єктів; відповідні об'єктові бази даних; розподіл процесу проектування за тимчасовими етапами тощо.

Роберт Ейш проілюстрував новий підхід у проектуванні: прикладом успішного застосування комплексу моделювання будинків в ПК RUCAPS є проект реконструкції «Терміналу 3» лондонського аеропорту «Хітроу». Цей досвід - перший випадок використання технології BIM у світовій проектно-будівельній практиці [19].

Термін BIM (Building Information Modeling) вперше з’явився у 1992 р. у роботі G.A. van Nederveen і F.P. Tolman з Нідерландів [20].

Приблизно із 2002 р. концепцію Building Information Model перейняли розробники програмного забезпечення, зробивши це поняття одним із ключових у своїй термінології. Невдовзі ВІМ було узято на озброєння Bentley Systems, Autodesk и Graphisoft та ін. Надалі абревіатура BIM увійшла до лексикону фахівців із систем автоматизованого проектування і набула широкого розповсюдження в усьому світі.

BIM може використовуватися як для позначення безпосередньо самої інформаційної моделі будівлі, так і для процесу інформаційного моделювання. Наприклад, компанія Graphisoft - автор широко розповсюдженого пакета ArchiCAD, запровадила термін VB (Virtual Building) - віртуальна будівля, який по суті є BIM. Іноді можна зустріти схоже за значенням словосполучення електронне будівництво (e-construction). Wikipedia визначає BIM як процес генерації та управління даними єдиної інфраструктури впродовж її життєвого циклу, що відбувається із використанням спеціального програмного забезпечення динамічного моделювання будівель у тривимірному просторі та реальному часі, з метою зменшення втрат часу та ресурсів у проектуванні та будівництві. Цей процес відбувається у інформаційній моделі інфраструктури (також позначеній BIM), що включає в себе геометрію будівлі, просторові відношення, географічну інформацію, а також кількість та властивості компонентів інфраструктури тощо.

2. Класифікація та особливості ВІМ

Інформаційне моделювання будівлі - це комплексний підхід до зведення, оснащення, забезпечення експлуатації та ремонту будівлі, який передбачає збирання та комплексну обробку в процесі проектування всієїархітектурно-конструкторської, технологіч­ної, фінансової та іншої інформації про будівлю з усіма її взаємозв’язками та залежностями. В інформаційному моделюванні будівля і все, що до неї відноситься, розглядається як єдиний об’єкт. Кожен елементарний модуль, об’єкт будівлі є просторовою інформаційною моделлю, яка пов’язана із базою знань, і у якій кожному елементу можна привласнити додаткові атрибути. Такі ознаки та переваги органічно випливають із глобальних відмінностей знань від інформації - їх композитивність, ієрархічність, процедуральність та описовість [21]. Будівельний об’єкт відтоді проектується фактично як єдине ціле і зміна будь-якого його параметра тягне за собою автоматичну зміну інших, пов’язаних з ним параметрів і об’єктів, зміни креслень, візуалізацій, специфікацій, графіка будівництва тощо на всіх етапах життєвого циклу (рис. 2).

Компанія Autodesk визначає такі особливості ВІМ: добра координація, узгодженість та взаємозв’язок, піддатливість розрахункам та аналізу,       наявність геометричного прив’язування, придатність до комп’ютерного використання та можливість необхідних оновлень.

Рис. 2. Основні процеси BIM

 Числова інформація щодо існуючого або запланованого об’єкта у ВІМ може використовуватися для:                                            

- прийняття конкретних проектних рішень; 

- створення високоякісної проектної документації; 

- передбачення експлуатаційних якостей об’єкта; 

- розроблення кошторисів та будівельних планів; 

- замовлення та виготовлення матеріалів, конструкцій та обладнання;

- управління зведенням будівлі та її експлуатацією, а також засобів технічного оснащення протягом усього життєвого циклу; 

- управління будівлею як об’єктом комерційної діяльності;

проектування та реконструкції або ремонту будівлі, її знесення та утилізації тощо.

Застосування інформаційної моделі будівлі істотно полегшує роботу з об’єктом і має ряд переваг порівняно з класичними методами проектування. Насамперед, BIM дозволяє у віртуальному режимі розробити, пов’язати разом та узгодити створювані різними фахівцями та організаціями компоненти, системи майбутньої споруди, заздалегідь перевірити їх життєздатність, функціональність і експлуатаційні якості. ВІМ дає змогу створити модель, у якій можуть паралельно працювати архітектори, конструктори, інженери та інші фахівці, залучені до проекту (рис. 3.7).

Середовище BIM підтримує функції спільної роботи впродовж усього життєвого циклу будівлі без ризику неузгодженості або втрати даних, а також унеможливлює помилки при їх передачі та перетворенні. Прийняття зважених рішень на ранніх етапах існування об’єкта заздалегідь дозволяє заощадити, адже відомо, що ціна внесення змін у проект зростає експоненціально із часом від початку робіт (рис. 3).

Рис. 3. Зміна ціни та можливостей внесення змін у проект із часом від початку проектних робіт при звичайному проектуванні та із застосуванням BIM

 Таким чином, основними перевагами ВІМ є:

-      значне скорочення часу проектування для типових, регулярних об’єктів, а також для внесення змін у проектну документацію;

-      упередження конфліктів між системами та підсистемами будівлі і окремими елементами;

-      детальне опрацювання збільшує прогностичність техніко- економічних показників і зменшення операційних витрат;

-      виявлення взаємозв’язків між елементами будівлі, функціональністю;

-      здатність до накопичення предметних знань;

-      можливість дослідження та оптимізації експлуатаційних показників;

-      компактність проектованих систем, можливість значного ускладнення їх функції та форми.

Наприклад, при створенні складного за формою і внутрішнім оснащенням нового корпусу Музею мистецтв у Денвері (США) була використана спеціально розроблена для цього об’єкта інформаційна модель [21]. Тільки організаційне застосування BIM для взаємодії субпідрядників і оптимізаціїграфіка робіт дозволило скоротити термін будівництва на 14 місяців, що призвело до економії приблизно 400 тис. доларів при кошторисній вартості об’єкта в 70 млн. доларів (рис. 4).

Рис. 4. ВІМ сталевого каркасу та фасад Музею мистецтв у Денвері, США, арх. бюро D. Libeskind, 2006 р.

 Сучасне інформаційне моделювання - Building Information Modeling - нерозривно поєднане із управлінням ефективністю (Building Performance Management) та життєвим циклом будівлі (Building Lifecycle anagement) [22]. ВІМ дає змогу не тільки полегшити виготовлення, прискорити монтаж конструкцій, а й прослідкувати ефективність інвестицій, акумулювати якісні та кількісні дані, що застосовуються у різних сферах за схемою Продукт - Процеси - Ресурси [23,24].

3. Розвиток ВІМ у світі

Сучасний напрямок розвитку будівельної галузі рухається до об’єднаної парадигми архітектурної та конструктивної форми - алгоритмічної архітектури. Висока точність BIM-моделей з урахуванням технологічних вимог виготовлення дає можливість отримувати нові конструктивні та архітектурні форми (рис. 5).

Рис. 5. Фрагмент BIM-моделі каркаса та реалізований проект стадіону Bird’s Nest у Пекіні (КНР), 2008 р. Арх. бюро Херцог та де Мерон

Наразі всі провідні розробники будівельних САПР - Autodesk, Nemetschek, Graphisoft та ін. - підтримують у своїх продуктах технологію BIM. Для сумісності різних програм був розроблений спеціальний формат обміну даним - IFC. Початково запроваджений для комплексів Autodesk Revit та Tekla, IFC поступово став буфером обміну повних даних без втрати найціннішого - інформаційного наповнення.

ВІМ є сумою технологій, наслідком еволюції систем імітаційного моделювання. Це відповідь на зростаючу складність функції та підсистем її обслуговування у будівлях, на вимоги сучасності до форми конструкцій як з архітектурної, так і конструктивної точки зору. Сучасні ВІМ укрупнюють підсистеми будівлі в один супероб’єкт, що вже реалізовано у деяких комплексах [25]. Вочевидь укрупнення і взаємоінтеграція ВІМ не може залишитися у межах будівлі. Наразі системи ВІМ кожної споруди органічно виходять на рівень інтеграції у міське середовище. Це зумовлює перехід ВІМ-технологій у 4D та SD-системи. 4D вже широко застосовується у локальних ВІМ, дозволяючи моделювати монтаж елементів каркасу та огородження. SD-системи мають на увазі накопичення якісних даних ВІМ. Таким чином, сучасні ВІМ-системи є частиною інформаційних систем (I-Model), які накопичують і несуть інформацію щодо явищ природи, з якими ми взаємодіємо, соціально-економічну історію життя людей [21].

Архітектори та будівельники уже давно можуть створювати свої проекти, використовуючи програми 3D- моделювання та візуализації. Проте тепер вони можуть відчути, як це - знаходитись всередині свого майбутнього творіння. Для цього їм потрібно одягнути окуляри віртуальної реальності та озирнутись навколо себе на 360 градусів. Ба навіть більше, їх колеги (також в окулярах) можуть разом з ними "відвідати" цю архитектурну модель і внести зміни в проект у режимі реального часу. При цьому вони можуть знаходитись на іншому кінці світу. Таким є захоплюючий світ сучасного віртуального будівництва. Це справді кардинальні інновації для галузі, яка традиційно була зорієнтована на будматеріали, а не на комп'ютерні програми.

Інформаційне моделювання будівель виходить на якісно новий рівень. У новій версії свого програмного продукту Revizto компанія Vizerra з Сан-Франциско розширює вже існуючі функції інформаційного моделювання. Спираючись на технології 3D-ігор і хмарні тезнології, Revizto об'єднує різноманітні архітектурні простори та виробничі потоки у єдину наочну модель, всередині якої можна пересуватись. Інтерактивний тривимірний робочий простір дозволяє користувачам "відвідати" об'єкти своїх розробок, паралельно виправляючи помилки чи вносячи зміни (рис. 6). Наразі Revizto підтримує 3D-окуляри HTC Vive та Oculus VR.

За допомогою трекера, вбудованого у Revizto, члени проектної групи можуть працювати в режимі реального часу та розподіляти       виробничі    завдання.    Як      стверджують представники компанії Vizerra, такий підхід допомагає клієнтам економити до 40% оплачуваного часу, адже тепер помилки, такі як, наприклад, нестача освітлення чи незручне розташування опорних колон, легко виправити ще до початку будівництва. Тому що доведено, що понад 30% загального бюджету проекту витрачається на виправлення помилок, непомітних на етапі розробки. Величезні кошти витрачаються даремно через застарілі стандарти.

Рис. 6. Наочна модель Revizto, всередині якої можна
пересуватись

Абсолютно новий підхід у даній розробці доводить, що навіть у найсерйозніших галузях є місце для ігрових технологій, які фундаментально змінюють методи координації та співробітництва учасників проекту. Представники Vizerra стверджують, що у програмі Revizto на даний час працює понад 60 тисяч клієнтів у 150 країнах світу, серед яких - всесвітньо відомі арітектурні та будівельні компанії, такі як Foster & Partners і Perkins & Will. Інші ключові гравці цього ринку - це компанії AutoCAD, Revit і Vectorworks Architect. Прогнозують, що до 2022 року світові продажі у цій галузі складуть майже 12 мільярдів доларів [27].

Крупні будівельні об'єкти можуть бути складними та дороговартісними, тому дуже важливо вести якісне врахування робочого часу співробітників, витрати матеріалів і процесу будівництва. Зарплата співробітників - це найбільша стаття витрат, її найпростіше систематизувати. Бездротовий зв'язок, смартфони та планшети змінили правила гри, вони заклали необхідний технологічний фундамент для розробки програм для будівельної галузі. У минулому виконроби зазвичай вели облік кількості відпрацьованих робітниками годин у записній книжці, далі переносили ці дані у табель і, за необхідності, на комп'ютер. На сьогодні автоматизувати збір такої інформації допоможе стартап у галузі аналізу даних Rhubix [27].

Однойменний мобільний додаток (рис. 7) дозволяє робітникам вести    облік робочого часу на смартфоні, автоматично передаючи ці звіти на затвердження виконробам. За допомогою GPS виконроби можуть відслідковувати, де саме знаходились робітники у той чи інший час.

Крім урахування робочого часу, програма Rhumbix дозволяє зберігати у режимі реального часу актуальні прайс- листи та інформацію про наявність будівельних матеріалів. Це дозволяє своєчасно фіксувати та усувати затримки в роботі. Підрядники також можуть відправляти туди свої розрахунки. Це важливо, тому що 15% матеріалів, які були доставлені на будмайданчики, за даними Британської ради з екологічного будівництва, в результаті виявляються на звалищах. У США будівельне сміття складає майже 40% усіх твердих відходів.

Для того, щоб реаліація великого будівельного проекту пройшла гладко, необхідно, щоб усі учасники процесу працювали злагоджено. В аналоговому світі це було практично неможливо, адже помилки часто допускаються тоді, коли виконроби не мають доступу до потрібної інформації у потрібний час.

Рис. 7. Мобільний додаток для обліку робочого часу

Компанія BaseStone, що спеціалізується на програмних рішеннях для будівництва, розробила платформу для групової роботи. Пов'язуючи між собою всі будмайданчики та офіси, ця платформа дозволяє організувати ефективну комунікацію і виявити проблеми на ранніх стадіях. Креслення і документи завантажують у загальну базу, а програма втоматично оновлює нові версії. До появи таких програм будівельники іноді помилково керувались у роботі застарілими кресленнями чи не могли відповідним чином зафіксувати проблеми безпеки. "Цифрову платформу для будівництва" компанії BaseStone використовують у 50 країнах світу - зокрема, такі клієнти, як Alstom, Skanksa, Balfour Beatty та Crossrail. Серед інших компаній, які пропонують схожі програми для проектного менеджменту, - HBXL і Builk [27].

Будівельний сектор поступово заглиблюється у новітні цифрові технології.     Завдяки комп’ютерному дизайну та віртуальній реальності на світ з’являються будівлі, які, здавалося б, побудувати неможливо.

4. Перспективи ВІМ в Україні

Впровадження BIM- технологій у світі відбувається зростаючими темпами, причому нерідко - за державної підтримки. В Україні також спостерігається пожвавлення інтересу до інформаційного моделювання будівельних систем, однак цей процес притаманний лише окремим інтегрованим підприємствам або компаніям із іноземними інвестиціями. ВІМ активно застосовується у будівельній галузі України, де очевидна його ефективність: будівництво великих торговельно-розважальних центрів (наприклад Ocean Plaza, Республіка у Києві тощо, рис. 6), мультифункціональних об’єктів зі складною внутрішньою інфраструктурою (наприклад, укриття над ЧАЕС).

Рис. 8. ВІМ-модель та фасад найбільшого в Україні ТРЦ «Республіка» у м. Києві (арх. бюро «Архіматика», 2014 р.)

Висока геометрична точність конструкцій, що отримується за допомогою BIM, і можливість передачі даних у САМ-системи (у виробниче устаткування) значно підвищують технологічність виробництва та скорочують час монтажу, а також дають можливість реалізувати складні архітектурні форми, мінімізують терміни на розроблення проекту, а також внесення до нього змін.

Із метою популяризації BIM-технології в Україні на початку 2014 р. Український Центр Сталевого Будівництва уклав партнерську угоду із компанією Tekla, що спеціалізується на розробленні програмного забезпечення архітектурного, інженерного і будівельного                                                     призначення. В рамках укладеної угоди сторони домови­лися спільно здійснювати просування одностадійного проектування та BIM-моделювання на ринку України з метою підвищення ефективності сталевого будівництва. Подальшими перспективними кроками щодо розвитку ВІМ в Україні мають бути такі:

-      сучасні стандарти повинні містити опис та закріпити статус інформаційної моделі;

-      реалізація впровадження ВІМ на державному рівні, спеціальні програми нормативної адаптації ВІМ комплексів та розвитку власного спеціалізованого програмного забезпечення (наприклад [29]);

-      запуск пілотних проектів із розроблення інформаційних моделей типових об’єктів та оцифровування існуючих будівель та систем;

-      відкриття геоінформаційних ВІМ бази даних міст, що також є елементом стійкого розвитку міського середовища та електронної демократії.

Досвід свідчить, що для переходу компаній на ВІМ потрібні поетапні зміни, що відбуваються відповідно до концепції (насамперед виконання малих, типових об’єктів), у виокремленій частині персоналу (т.зв. команда ВІМ). Такий підхід за умови однорідності та поступовості виконання роботи здатний призвести до зростання продуктивності із часом [21].

Тотальний перехід на ВІМ у майбутньому неминучий. Але слід розуміти, що він можливий лише за умови зміни технологій та організації процесу проектування. Для активного застосування BIM-технологій в Україні необхідно, перш за все, провадити роз’яснювальну роботу, змінювати підхід замовників і проектувальників будівельних об’єктів, при цьому ефективним замовником має бути держава.

ВІМ виходить за межі проектування і нерозривно застосовується для виробництва, експлуатації, діагностики будівель, слугує інформаційним кластером наповнення відомостями щодо взаємодії між системами будівлі, моделей їх деградації у реальних умовах, даних щодо ергономіки, екологіїпри експлуатаціїта утилізації - так утворюється Цифрове Місто. Джерелами наповнення при цьому виступають автоматизовані системи моніторингу із стаціонарними датчиками отримання інформації у реальному часі, а також люди, які є кінцевими експлуатантами будівлі та мають датчики у мобільних пристроях. Неминуча інтеграція ВІМ із іншими глобальними інформаційними інструментами, такими як соціальні мережі, GPS, системами моніторингу даних щодо навантажень та впливів на будівлю, її взаємодії із середовищем [26]. Таким чином, ВІМ-будівля з усіма підсистемами дає змогу управляти та коригувати її стан як цілісного об’єкта, накопичувати якісні та кількісні дані, що формують базу знань для прийняття рішень для наступних споруд.

Детальна інформаційна модель будівлі дозволяє оптимізувати її параметри, виявляє чутливість до змін умов та параметрів, викриває усі їх взаємозалежності між собою. При спорудженні та експлуатації будівлі інформаційна модель у режимі реального часу акумулює історію появи відхилень станів елементів              системи,      їх       усунень.                       Застосування інтелектуалізованих інструментів виконання робіт та інтеграція із системами доповненоїреальності мінімізує різницю між віртуальною та фактичною моделями, дозволяє вчасно виявляти позапланові ситуаціїта пропонувати шляхи реагування. Накопичений безцінний досвід може бути застосований для планування програми обслуговування та ремонтів, складання моделей деградації елементів систем як для конкретноїбудівлі, так і для аналогів. ВІМ дозволяють формувати економіку стійкого розвитку, записувати та творити історію нашої цивілізації [21].