BIM - СИСТЕМЫ КАК ОСНОВНОЙ ЭЛЕМЕНТ КОНТРОЛЯ РАЗРАБОТКИ АРХИТЕКТУРНОГО ПРОЕКТА

АННОТАЦИЯ

В последние десятилетия наблюдается стремительное развитие области проектирования зданий и сооружений. В недавнем прошлом архитектурные чертежи создавались вручную при помощи карандашей и чернил на листах ватмана, что требовало значительных усилий и времени со стороны проектировщика. Однако с течением времени данный процесс уступил место инновационным компьютерам с высокопроизводительными программами. В данной статье рассматривается важность BIM-систем, которые являются инновационными средствами для разработки, строительства и управления объектами недвижимости, а также играют ключевую роль в обеспечении контроля за всем процессом создания архитектурного проекта. В исследовании описываются ключевые принципы функционирования BIM-систем, выделяются их преимущества по сравнению с традиционными методами проектирования и строительства, подчеркивается, что в условиях постоянно меняющейся технологической среды использование BIM-систем стало неотъемлемым компонентом успешного проектирования. Основное внимание уделяется значению применения BIM-технологии, которая сокращает риски ошибок, обеспечивает быстрые изменения в проекте и эффективное управление контролем на всех этапах разработки архитектурного проекта. Таким образом, целью исследования выступает исследование BIM - системы как основного элемента контроля разработки архитектурного проекта. Основу исследования составляют методы системного анализа, сравнения и детализации.

ABSTRACT

In recent decades, there has been rapid development in the field of design of buildings and structures. In the recent past, architectural drawings were created by hand using pencils and ink on sheets of whatman paper, which required considerable effort and time on the part of the designer. However, over time, this process gave way to innovative computers with high-performance programs. This article focuses on BIM (Building Information Modeling) systems, which are advanced tools for the design, construction and operation of buildings and structures, and also act as a key element in the process of controlling the development of an architectural project. The study describes the key operating principles of BIM systems, highlights their advantages over traditional design and construction methods, and emphasizes that in an ever-changing technological environment, the use of BIM systems has become an integral component of successful design and construction.

The possibility of forming and executing all stages of the implementation of investment and construction projects, including analysis and forecasting during the subsequent operation of the facility, using BIM technologies is explored, the importance of using BIM technology is emphasized, which allows reducing the risks of errors, promptly making changes to the project and effectively managing the control process during the development of an architectural project. Thus, the purpose of the study is to study the BIM system as the main element of control over the development of an architectural project. The basis of the research is the methods of system analysis, comparison and detailing.

Ключевые слова: ВIМ-системы, BIM-моделирование, архитектурный проект, строительная отрасль, информационная модель, проектирование.

Keywords: BIM systems, BIM modeling, architectural design, construction industry, information model, design.

Введение

На современном этапе, в свете стремительного развития автоматизированных систем проектирования (САПР), методы реализации строительных процессов активно эволюционируют. Развитие BIM-технологий коррелирует с развитием вычислительной техники. BIM, или Building Information Modeling, представляет собой технологию информационного моделирования, которая позволяет создавать трехмерные модели различных строительных объектов. Эта технология не просто ограничивается визуальным отображением зданий, но также включает базу данных, содержащую разнообразную информацию о строении. Она учитывает физические параметры объекта, варианты его пространственного размещения, а также расходы на каждый компонент, будь то кирпич, планка или труба [4].

В 1962 году Дуглас Энгельбарт предложил инновационный подход к развитию индустрии строительства и производства в своей научной работе "Приумножение человеческого интеллекта". Энгельбарт концептуализировал объект как целостную сущность, уделяя внимание дизайну, внешнему облику, параметрическим зависимостям и физическим особенностям.

Однако в силу ограниченности графического интерфейса и отсутствия необходимого программного обеспечения этот подход не был воплощен в жизнь. И. Сазерленд стал одним из первых представителей информационного моделирования, разработав программный комплекс Sketchpad в 1963 году. Этот инструмент положил начало проектированию объектов на основе геометрических вычислительных процессов.

Следует отметить два метода сбора и предоставления информации о форме объекта: "constructive solid geometry" (CSG) и "boundary representation" (brep). CSG использовал простые формы, объединяя их для создания более сложных объектов, способствуя эволюции дизайна, например, окон и дверей [1].

В середине XX века появились первые программы для моделирования объектов, но информационной составляющей проектов в то время не уделялось должного внимания. Сегодня информационное моделирование и проектная деятельность тесно взаимосвязаны, и деление на группы по различным признакам становится неотъемлемой частью этого процесса.

В 1986 году появилась программа RUCAPS, представляющая собой новый уровень BIM-технологий, включающий не только проектирование, но и ведение строительных процессов. Первым примером применения BIM-технологий в строительстве было проектирование третьего терминала аэропорта Хитроу в Лондоне с использованием RUCAPS [4]. Важным этапом в развитии BIM-технологий стало открытие Полом Тенхольцом в 1988 году CIFE (Center for Integrated Facility Engineering). Этот момент стимулировал активное взаимодействие на каждом этапе жизненного цикла объекта, а также способствовал расширению понимания четырехмерного аспекта проектирования зданий.

В системе BIM (Building Information Modeling) в сравнении с аналогами имеется ряд неоспоримых преимуществ. Одним из основных плюсов является обширный набор функций, используемых не только на этапе проектирования объекта, но и в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Первым инструментом BIM, предназначенным для персональных компьютеров, стала программа ArchiCAD, выпущенная в 1984 году. Созданная в Будапеште советскими учеными Леоном Райзом и Ирвином Юнгрейзовым, она стала прародителем информационного моделирования и до сих пор занимает ведущее положение на рынке.

В дальнейшем информационное моделирование развивалось, включая создание программ в строительной отрасли, появление первых прототипов на основе BIM-моделирования и увеличение конкурентной среды в строительстве и проектировании. С появлением программы Building Design Advisor в 1993 году, разработанной Национальной Лабораторией Лоуренса Беркли, стало возможным получать обратную связь по моделируемому объекту и принимать решения на основе анализа внешних условий, инженерных решений и прочих критериев. С начала 2000-х годов история BIM-технологии перешла на новый этап, став ключевым термином в мировой строительной индустрии [3].

В современных условиях проектно-строительной и инфраструктурной деятельности уже почти невозможно эффективно обрабатывать огромный и постоянно растущий поток "информации для размышления" с использованием прежних средств. Результаты этой работы также насыщены информацией, которую необходимо хранить в удобной форме для последующего использования [4]. Появление концепции информационного моделирования зданий стало ответной реакцией интеллектуально-технического сообщества на вызов современного мира. Информационное моделирование зданий (Building Informational Modeling) представляет собой процесс, в ходе которого создается информационная модель здания, также известная под аббревиатурой BIM.

Для успешной реализации BIM-технологий формируются единые стандарты, которые учитывают требования всех участников. Оптимизация решений происходит после открытых слушаний и консультаций с заинтересованными сторонами и специалистами. Оценка эффективности цифровой модели происходит в процессе, включая создание сканированной модели здания и её сопоставление с проектной цифровой моделью. Это позволяет избежать необходимости внесения изменений в конструкцию для проведения инспекции, что в свою очередь сокращает как временные, так и финансовые затраты.

С постановлением Правительства РФ от 05.03.2021 года №331 внедрение технологий информационного моделирования в строительстве объектов стало обязательным с 1 января 2022 года. Несмотря на значительные затраты на внедрение цифровых методик, их применение в России ограничено из-за недостаточной заинтересованности и запроса властей и бизнеса, а также нехватки высококвалифицированных специалистов.

Одной из основных мотиваций перехода к цифровой BIM-модели является возможность сокращения объемов бумажной проектной документации. Цифровая модель не только позволяет уменьшить объем бумажных данных, но и существенно экономит время на обработку и анализ всех материалов. Цифровые методики с использованием BIM-систем распространяются по всему миру, применяясь в строительстве и других отраслях производства. Практически все строительные компании в настоящее время используют цифровое проектирование и методы анализа для оптимизации процессов, контроля и повышения качества реализации архитектурных проектов.

Результаты исследования

С увеличением популярности и широким внедрением BIM во многих ведущих странах более заметным становится отход от технологий CAD (Computer-Aided Design). С развитием инновационных методов появляется ряд новых задач перед проектировщиками, требующих оригинального подхода для их успешного решения: реконструкция существующих объектов, проектирование в ограниченных территориях городских агломераций, сжатые сроки выполнения проекта.

Перед разработчиками проекта открылись невероятные перспективы: создание концептуальных моделей и управление архитектурным процессом на новом уровне. Однако мировой финансовый кризис поставил под угрозу реализацию этих замыслов, и проект был вынужден приостановиться. Лишь в 2015 году была завершена первая фаза комплекса. Внедрение информационного моделирования на этом этапе продемонстрировало экономическую эффективность, приближенную к миллиарду рублей.

Важное воздействие на развитие BIM-технологий в России оказал интернет. Сообщество isicad уже много лет является важной площадкой для специалистов, работающих в области информационного моделирования. В последние пять лет информационное моделирование активно поддерживается на всех уровнях государственного управления. Минстрой РФ получил задание разработать стратегию внедрения BIM-технологий в строительство. В конце 2014 года министр строительства и ЖКХ России Михаил Мень представил план внедрения BIM-технологий в промышленное и гражданское строительство. В 2015 году активное внедрение современных технологий продолжалось. Количество компаний, внедряющих BIM, стремительно росло, а специалисты в этой области пользовались большим спросом. История развития BIM-технологий в России демонстрирует, что путь информационного моделирования был трудным, но страна выходит на мировой уровень в этой области.

САПФИР - это программа, которая играет ключевую роль в развитии BIM-технологий в России, соответствуя самым передовым требованиям в области информационных технологий и устанавливая новые стандарты в проектировании зданий и контроле архитектурных проектов. Проектирование с использованием BIM-технологии предполагает интеграцию и комплексную обработку всей информации об объекте - от архитектурных концепций до технических характеристик, рассматривая его как единое целое.

Архитектурная и конструктивная части проекта тесно взаимосвязаны. Архитектурная составляющая отвечает за планировочные решения, адаптируя объект под его функциональное назначение. Конструктивная часть, в свою очередь, гарантирует надежность и долговечность строения. Важной задачей в системе компьютерного проектирования становится преобразование сложной архитектурной модели в точную расчетную схему. Эту функцию выполняет подсистема САПФИР-КОНСТРУКЦИИ, которая приводит архитектурную модель к виду, пригодному для расчета в программном комплексе ЛИРА-САПР.

Стоит отметить, что не все программы, предлагаемые на рынке, способны создавать и интегрировать BIM-модели в сметные и управляющие программные комплексы. BIM-технология – это важный элемент контроля, включающий в себя создание точных и согласованных данных на всех этапах проектирования, от концепции до введения объекта в эксплуатацию.

При использовании BIM значительная часть необходимой для расчетов информации извлекается из самой модели, что сокращает время и ресурсы. Архитекторы на всех этапах контроля получают доступ к надежной информации о здании, что упрощает проектирование и согласование решений.

Создаваемая в САПФИР параметрическая модель здания значительно облегчает выполнение последующих прочностных расчетов, так как содержит все необходимые данные для этого. При построении модели в программе используются материалы с реальными физико-механическими свойствами для точных расчетов и с реальными текстурами для лучшей визуализации (рисунок 1). Эти данные могут быть использованы для расчета физических объемов работ при составлении смет. Подробная и надежная модель позволяет выявить все ошибки и неточности на ранних стадиях проектирования.

Рисунок 1. Параметрическая модель здания, создаваемая САПФИР

Одним из ключевых моментов в контроле с использованием BIM-технологий является глубокая информационная связь между архитектурной и аналитической моделями. Архитектурная модель охватывает все основные элементы, которые определяют функциональность и технологию объекта: планировку помещений, расположение стен, колонн, балок, окон, дверей, лестниц и другие. Аналитическая модель сосредотачивается только на конструктивных элементах: несущих стенах, колоннах, пилонов, балках, плитах перекрытий, фундаментных плитах и т. д. - элементах, ответственных за прочность и устойчивость сооружения (рисунок 2).

Рисунок 2. Архитектурная и аналитическая модель

Такая взаимосвязь информации не только определяет правильное построение аналитической модели, но и способствует нахождению компромисса между архитектором и конструктором в ходе проектирования. Программа САПФИР выходит за рамки архитектурного проектирования зданий и сооружений, представляя интерес как инструмент для создания аналитических моделей для прочностных расчетов.

Аналитическая модель играет решающую роль в процессе, выполняя две важные функции: во-первых, обеспечивая непрерывную связь между архитектурной и расчетной моделями, что предоставляет более глубокий взгляд и содержательную диагностику. На рисунке 3 показано, как фрагмент аналитической модели взаимодействует с архитектурной, создавая эффект глубины и понимания. Во-вторых, аналитическая модель интегрируется в расчетное программное обеспечение, обогащая его функционал и расширяя возможности расчета и анализа.

На рисунке 3 представлена обобщенная схема преобразования архитектурной модели в расчетную схему.

Рисунок 3. Обобщенная схема преобразования архитектурной модели в расчетную модель

При создании аналитической модели выделяются две основные задачи:

1. Эффективное извлечение всей необходимой информации из архитектурной модели для последующих расчетов.

2. Представление этой информации в форме, пригодной для использования в расчетных программных комплексах.

Ниже приведен список ключевых данных, которые извлекаются из архитектурной модели для проведения расчетов на прочность и устойчивость:

- Определение расположения и сечений всех несущих элементов, таких как колонны, пилоны, балки, несущие стены, перекрытия и фундаменты. Архитектор может указать сечения колонн, пилонов и балок в архитектурной модели, а интеллектуальные программы, такие как САПФИР, могут автоматически распознавать эти сечения.

- Определение топологии несущих элементов, включая расстояния между стенами, колоннами и балками, а также размеры оконных, дверных и технологических проемов в перекрытиях. Эта информация необходима для определения жесткости и прочности конструкций.

- Описание функционального назначения помещений для определения полезных нагрузок на соответствующие участки перекрытий.

- Уточнение конструкций ограждающих элементов, таких как наружные стены, перегородки, полы и лестничные клетки, для оценки нагрузок от собственного веса этих элементов.

Подготовка аналитической модели включает в себя процедуры "дотягивания" и "поиска пересечений".

Процедура «дотягивания» связана с тем, что в архитектурной модели все элементы трехмерные (рисунок 4, а), а в аналитической модели, как правило, плиты и стены двумерны (не имеют толщины), а балки и колонны одномерны (рисунок 4, б)

Рисунок 4. Пример организации аналитической модели на стыке плиты и колонны

Процедура "дотягивания" автоматически корректирует положение конструктивных элементов, устраняя зазоры и обеспечивая их точное выравнивание. В отличие от этого, процедура "поиска пересечений" идентифицирует линейные и точечные пересечения между элементами (например, между стенами и перегородками, или между колоннами и перекрытиями), что необходимо для последующего создания конечно-элементной сетки.

Подготовка аналитической модели также включает в себя определение нагрузок, включая размер и форму областей, где находится собственный вес конструкций полов, перегородок и ограждающих стен, а также учитывает полезные нагрузки.

Созданная аналитическая модель представляет собой основу для построения расчетной схемы. Хотя в аналитической модели отсутствуют расчетные элементы и конечно-элементная сетка, она все же играет ключевую роль:

- Обеспечивает связь между архитектурной и расчетной моделями, поддерживая развитую визуальную и содержательную диагностику.

- Подготовленная в аналитической модели информация составляет значительную часть необходимых данных для расчетной схемы.

Аналитическая модель передается в расчетный комплекс, где дополняется средствами расчетного программного комплекса. Программа САПФИР-КОНСТРУКЦИИ, создающая аналитическую модель, продолжает свое развитие, максимально приближая аналитическую модель к расчетной.

Проекты, разрабатываемые в программе САПФИР, могут содержать один или несколько вариантов аналитических моделей конструкций зданий или сооружений. Современные подходы предполагают, что расчетная схема учитывает пространственную работу конструкций и их взаимодействие с фундаментом и грунтовым основанием.

Рисунок 5. Расчетная схема каркасного здания

В расчетной схеме присутствуют разнообразные конечные элементы, каждый из которых моделирует определенные аспекты конструктивной схемы. Колонны и балки представлены стержнями, где их размеры определяются длиной элемента, а их форма и материал - это характеристики стержня. Плиты перекрытий, несущие стены и фундаментная плита моделируются конечными элементами - пластинами. Эти элементы могут иметь различные геометрические формы, определяемые только размерами в плоскости, а их толщина и физико-механические характеристики материала - это атрибуты элемента.

Грунтовое основание может быть представлено трехмерными конечными элементами или заменено коэффициентами постели. В последнем случае фундаментная плита моделируется пластинами на грунтовом основании, что позволяет экономить расчетные ресурсы, хотя не всегда позволяет учесть различные особенности грунтового массива.

Использование различных конечных элементов позволяет учитывать разнообразные особенности конструктивной схемы на каждом этапе контроля. Например, капители, обусловленные большими моментами в местах опирания на колонны, могут быть моделированы путем использования конечных элементов с увеличенной толщиной.

Современные программные комплексы производят расчеты, выдающие характеристики напряженно-деформированного состояния, которые представлены в форме таблиц или визуальных графиков. Для пластинчатых элементов, также известных как листовые конструкции, параметры напряженно-деформированного состояния представлены в виде изолиний или эпюр по соответствующим сечениям.

Результаты работы строительных систем представлены в форме таблиц, содержащих информацию о выбранной арматуре в сечениях железобетонных элементов или о размерах сечений стальных элементов. Кроме того, программные комплексы предоставляют эскизы рабочих чертежей для последующего проектирования и детализации конструкций.

Таким образом, в настоящее время BIM-технологии широко применяются в виде элемента контроля при разработке архитектурного проекта, но их использование на этапе эксплуатации пока не распространено. Это означает, что потенциал этих технологий не полностью реализован, что является упущением. Идеальная BIM-система должна интегрировать данные, процессы и ресурсы на всех этапах жизненного цикла проекта для обеспечения комплексного управления и совместной работы.

Многие малые и средние предприятия строительной отрасли в России пока не проявляют интереса к применению BIM-технологий из-за отсутствия единого стандарта и непонятной правовой ситуации. Чтобы решить эту проблему, необходимо разработать соответствующие законы и стандарты, которые урегулируют вопросы ответственности и права интеллектуальной собственности. Также важно обучить специалистов и управляющих организаций использованию цифровых информационных моделей.

Хотя переход к BIM-технологиям займет время, положительные результаты будут нарастать по мере распространения этих технологий и привлечения большего числа участников инвестиционно-строительной сферы. Использование BIM для контроля на всех этапах проекта позволит значительно повысить уровень управления, улучшить качество продукции и сократить затраты и сроки строительства. Это важный шаг в информатизации строительной отрасли, позволяющий существенно изменить ее в лучшую сторону.

При этом, важно отметить, что внедрение BIM-технологий в производственный процесс сопряжено с рядом значительных проблем, среди которых:

- Высокие затраты на приобретение программного обеспечения и обучение персонала.

- Ограниченная функциональность BIM-технологий на этапе эксплуатации объекта, что требует индивидуального подхода к каждой компании и объекту.

- Необходимость обновления компьютеров и технической базы предприятия.

- Необходимость изменения подхода к проектированию и возможные кадровые перестановки.

- Повышенный спрос на специалистов по информационному моделированию (BIM-менеджеров).

- Потеря накопленного опыта и методов проектирования при переходе на новое программное обеспечение.

Тем не менее, преимущества использования BIM и информационных моделей значительно перевешивают недостатки:

- BIM обеспечивает автоматизацию процессов проектирования, что позволяет сократить расходы и предотвратить ошибки.

- Возможность коллективного проектирования с участием специалистов различных областей, что исключает ошибки и потерю информации.

- Ускорение процесса проработки проекта за счет возможности проведения параллельных процедур.

- Детальное проектирование инженерных систем с использованием BIM-технологий.

- Упрощение процесса подбора оборудования.

- Исключение человеческих ошибок при составлении спецификаций и объемов работ.

- Предварительная оценка экологических и экономических характеристик объекта уже на этапе эскизного проектирования, что позволяет вносить коррективы в документацию на ранних стадиях.

Несмотря на очевидные преимущества в направлении контроля разработки архитектурных проектов с использованием технологии BIM, ее широкое применение начинает набирать обороты только в некоторых странах из-за нескольких серьезных препятствий, требующих решения: необходимость в мощных компьютерах для создания трехмерных моделей зданий, доступных не каждой организации из-за финансовых ограничений; необходимость обучения специалистов новым технологиям, необходимость разработки новых моделей управления проектами, отличных от традиционных.

Заключение

Таким образом, эффективное управление становится критическим фактором при осуществлении архитектурных проектов на всех этапах их жизненного цикла.

С развитием цифровой экономики особенно важным становится внедрение инноваций в области цифровой трансформации в строительной сфере. Эти инновации направлены на обеспечение выполнения архитектурных проектов в установленные сроки, с учетом затрат и высокого качества на каждом этапе жизненного цикла, а также на минимизацию рисков [2]. В настоящее время информационное моделирование зданий превратилось в значительно более широкий подход, чем просто инновационный метод в проектировании.

Теперь это стало принципиально новым подходом к возведению, оборудованию, обеспечению эксплуатации и ремонту зданий, управлению жизненным циклом объекта и учету его экономической составляющей, а также управлению окружающей нас искусственной средой обитания.

BIM-технологии как элемент контроля разработки архитектурного проекта способствуют интеграции информации о проектах с новыми данными, появляющимися после перехода на BIM, что обеспечивает обмен информационными ресурсами между существующими системами и BIM-моделью, в ходе чего упрощается управление материально-техническим снабжением, календарным планированием и тд.

Использование BIM-системных цифровых методик в строительстве позволяет интегрировать участие специалистов различных областей в проектный и производственный процесс. Единая цифровая модель (Building Information Modeling) становится доступной всем участникам, что оптимизирует процесс проектирования и обеспечивает контроль за качеством строительства и эксплуатацией объекта.

Список литературы:

1. Балдин, К.В. Информационные технологии в строительстве / К.В. Балдин. - М.: Academia, 2020. - 503 c.
2. Бородакий, Ю.В. Информационные технологии. Методы, процессы, системы / Ю.В. Бородакий, Ю.Г. Лободинский. - М.: ГЛТ , 2022. - 456 c.
3. Гиря, Л. В. Анализ сферы управления проектами строительной деятельности / Л. В. Гиря, Т. Ш. Ахобадзе, Е. П. Попов, Е. В. Коренюгина, И. А. Ягода // Инженерный вестник Дона. — 2020. — № 11. — С. 56-63.
4. Киселев, Г.М. Информационные технологии в строительстве: Учебник / Г.М. Киселев, Р.В. Бочкова. - М.: Дашков и К, 2023. - 308 c.
5. Прохорский, Г.В. Информационные технологии в архитектуре и строительстве: Учебное пособие / Г.В. Прохорский. - М.: КноРус, 2022. - 364 c.