Компонентный BIM/GIS-подход к информационному моделированию сооружений

Быстрова Ю.А., ЭСРИ СНГ (ybystrova@esri-cis.ru),
Куприяновский В.П., НПП «Наука-Сервис» (vpkupriyanovsky@gmail.com),
Тищенко П.А., ЭСРИ СНГ (ptischenko@gmail.com),
Синягов С.А., ЭСРИ СНГ (ssinyagov@gmail.com),
Раевский М.А., ЭСРИ СНГ (ingiswetrust@gmail.com),
Липатов С.И, ОАО «Мегафон» (ls@megafon.ru),
Савельев С.И., ОАО РАО «ЕЭС России» (sergey@salesperson.net)

Component Approach for BIM/GIS Implementation

Совместное использование технологий информационного моделирования зданий (BIM) и геоинформационных технологий (GIS, ГИС) – путь к построению систем, эффективно работающих в жизненном цикле проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Это вывод, сделанный ведущими мировыми экспертами и практиками.

Так как Россия только стартует в этом направлении, то, на наш взгляд, было бы полезно детально обсудить эту тематику для определения оптимальных путей использования накапливаемого опыта.

Во-первых, необходимо сказать о временных рамках используемых технологий – это жизненный цикл зданий и сооружений, включающий этапы:

зарождения идеи (для чего нужны конкретные здания и сооружения);
проектно-изыскательская работа;
мастер планирование (выбор вариантов);
архитектурные решения;
проектирование объектов с заданными бизнес-свойствами;
строительная экспертиза проектов;
строительство;
эксплуатация построенного объекта;
модернизация;
утилизация.

Укрупнённо этот жизненный цикл показан на рис 1. Большинство специалистов по строительству учитывают только расходы на само возведение объекта, но, как видно на графике, при рассмотрении совокупной стоимости владения объектом основные затраты – около 75%, приходятся на эксплуатацию объекта.

Рис. 1. Жизненный цикл объекта (укрупнённо).

Соответственно возникает вопрос: как сократить затраты на эксплуатацию? Как сократить расходы на строительство?

Решение видится в моделировании будущих расходов на этапе проектирования. Проверка всех проектных решений и их взаимоувязка. Привязка проектных решений к план-графику строительства и стоимости строительства.

Во вторых, необходимо определить, откуда возникло понятие BIM и что это такое.

Обычный стиль проектирования предполагает, что детальная проработка решений происходит на стадии разработки и подготовки Рабочей документации. Однако мировое сообщество проектировщиков пришло к выводу, что в случае более глубокой проработки проекта на этапе разработки концепции себестоимость переработки проектов и стоимость строительства снижаются (рис. 2). Как видно из сравнения графиков «Традиционного подхода» к проектированию (слева) и «Инновационного подхода» (справа), в случае повышения качества проработки проектных решений на стадии проект (Design) возможность своевременного внесения изменений гораздо выше (синяя кривая Ability to control cost) и стоимость внесения изменений (жёлтая кривая Cost of Design changes) ниже, чем при традиционном подходе.

Рис. 2. Традиционный и инновационный подходы к проектированию.

Собственно, BIM – это набор связанных моделей (рис. 3). А что такое модели? Это структурное описание и взаимосвязи элементов зданий и сооружений, т.е. структура базы данных и отношений. Для описания моделей используются специализированные языки, наиболее распространенный из которых UML (англ. Unified Modeling Language — унифицированный язык моделирования). Объекты и связи, описанные на формализованном языке, могут генерировать структуры баз данных.

Рис. 3. Информационное моделирование зданий (BIM) ведется на основе консолидированной модели, интегрирующей все аспекты строительных проектов.

Модели и бизнес-процессы

Информационное моделирование зданий (BIM) – технологическая платформа (а также процесс), которая позволяет профессионалам из индустрии AEC (архитектура, инженерия, проектирование и строительство) работать совместно с цифровыми данными о возводимом объекте.

Рассмотрим жизненный цикл BIM с точки зрения моделей и процессов их использования (по обобщенным данным):

Проектирование (3D). Ушли в прошлое времена 2D-представлений. Планировщики, проектировщики и архитекторы с самого начала могут стартовать с 3D-моделирования и реального представления о мире (ГИС). Значительные преимущества использования 3D-моделей с самого начала процесса, особенно для архитекторов и владельцев зданий, позволяют сделать проектирование наглядным (визуальным) для достижения поставленных целей и задач.
Инженерия (3D++). Сегодня инженеры могут проводить анализ и выполнять проектирование, используя базирующиеся на инструментах 3D-моделей симуляторы и аналитические средства. Структурный анализ для выявления коллизий по всем свойствам здания позволяет добавлять нужные атрибуты в компоненты 3D-модели. С помощью BIM, как общего языка проектировщиков и инженерных консультантов, становится возможным максимально полное, последовательное и непрерывное выполнение задач специалистами этих групп.
Строительство: графики выполнения работ (4D), оценка (5D). Строители на земле должны иметь доступ к предложениям, проектным и строительным компонентам, компонентам материально-технического обеспечения, оценки качества, планам-графикам работ и т.п. на одной и той же платформе. Процесс опробования возможных ошибок конструкции на виртуальной модели снижает риски проекта и, следовательно, экономит время и деньги, а также позволяет предотвратить возможные несчастные случаи.
Управление состоянием (6D), управление зданием (7D). Когда здание уже построено и адаптировано к BIM, появляются новые задачи. Возникает необходимость управлять, например, потреблением энергии, другими параметрами здания. Когда здание готово к использованию его оператором или владельцем, BIM, фактически, есть точная цифровая версия самого здания, полностью пригодная для целей эксплуатации.

Дадим некоторые пояснения по 3D-7D измерениям. D – это интуитивно понятное описание элементов здания. Например, размеры (длина, ширина и высота). Другие измерения (4D, 5D, 6D и 7D) – это сведения, прикрепляемые к элементу. Каждое из этих измерений может меняться с течением времени, в соответствии с фазой жизненного цикла или с изменением состояния объекта.

Практическая реализация этих измерений и использование моделей на их основе в значительной части проектов происходят на основе ГИС.

Почему столь важна BIM-ГИС-интеграция? Она позволяет существенно улучшить коммуникацию и координацию между всеми участниками проекта, интегрировать решения, позволяющие различным компаниям (работающим в разных средах проектирования) участвовать в строительном проекте с возможностью последовательных проверок вариантов решений, снижать количество вносимых изменений в уже принятый проект, определять альтернативные пути развития проекта во время строительства, оценивать логистические затраты и т.д.

BIM и ГИС совместно представляют ключевые данные и технологии в моделировании и анализе энергопотерь и энергосбережения здания.

Учёт состояния коммуникаций под землёй (геолокация) – это длинный путь, ведущий в правильном направлении. Он позволяет различным ведомствам снижать стоимость поддержки этих коммуникаций и повышать качество предоставления услуг физическим и юридическим лицам, базируясь на общей BIM-ГИС-технологии.

Интеграция с ГИС делает возможным наиболее оптимально рассчитывать присоединение к сетям распределения воды, электричества, телекоммуникациям и т.п. в целях эффективного управления своим зданием и эффективно оценивать различные влияния на соседние участки или же в целом на район или город.

Проиллюстрируем реализацию компонентного подхода к проектированию и строительству объектов в рамках 7D моделирования BIM-процессов. Сначала перечислим предпосылки перехода к компонентному проектированию зданий и сооружений:

необходимость рассматривать проектируемое сооружение как набор функциональных блоков, зависящих от целей сооружения данного объекта;
недостаточная гибкость и скорость при внесении изменений в строительные проекты по их жизненному циклу;
разночтения данных, описывающих компоненту, при использовании на различных этапах жизненного цикла;
большое количество повторно используемых элементов сооружений при проектировании и строительстве;
необходимость снижения зависимости от различий в функциональных компонентах у различных внешних поставщиков;
необходимость адекватного представления компонента для соответствующего этапа проектирования или его использования.

Компонент – законченный спроектированный элемент сооружения, выполняющий конкретную заданную функцию и физически сопрягающийся с окружением по определённым правилам – то, из чего «складывается» сооружение (оконный блок, стена, перекрытие, лестничный проём и т.д.) (3D-модель).

Компонентный подход в проектировании сооружений обеспечивает относительно лёгкую компоновку элементов, в т.ч. спроектированных другим разработчиком.

Для единого представления и обеспечения комплексного проекта сооружения, компонентное проектирование объектов должно основываться на формировании и использовании общей модели. Со временем компоненты и модель в целом наполняются реальными данными и могут меняться в зависимости от этих условий (4D-модель).

Единая модель должна содержать как библиотеку компонент, так и правила их компоновки, а также представление и возможности проверки соответствия проекта функциональному назначению сооружения (5D-модель), и обеспечивать поддержку модификаций в зависимости от этапа жизненного цикла (6D и 7D модели).

Теперь рассмотрим BISDM (англ. Building Interior Space Data Model, информационная модель внутреннего пространства здания и его компонент) – практическую ГИС модель, разработанную и развиваемую группой экспертов из разных организаций при участии компании Esri.

Информационная модель внутреннего пространства здания, модель данных, которая используется в ПО ГИС, позволяет эффективно обмениваться геоданными с другими платформами и взаимодействовать с ними. Она используется в строительном планировании и управлении строительными проектами для создания базовой структуры, которая поддерживает множество различных точек зрения на здания: таких как архитектура, строительство, планирование на ландшафтном уровне, управление объектами, управление окружающей средой и безопасностью/готовностью к чрезвычайным ситуациям.

Важнейшим свойством BISDM-модели является то, что реализованные на её основе объекты адекватно соотносятся с другими зданиями и сооружениями, как входящими, так и не входящими в данный проект, а также с особенностями окружающей среды.

Компоненты, входящие в BISDM-модель, имеют однозначные связи с моделями, описывающими внутреннюю структуру этих компонент, их физические характеристики и пр.

BISDM к настоящему моменту представляет собой наиболее адекватное средство для хранения информационных компонент зданий.

Что такое BISDM с точки зрения информационной модели и ее воплощения средствами ИТ:

BISDM является развитием более общей модели BIM и предназначена к использованию в задачах проектирования, строительства, эксплуатации и вывода из эксплуатации зданий и сооружений. Относится к общей группе задач FM (управление инфраструктурой организации).
BISDM определяет правила работы с пространственными данными на уровне внутренних помещений в здании, в том числе предназначение и виды использования, проложенные коммуникации, установленное оборудование, учет ремонтов и обслуживание, протоколирование инцидентов, взаимосвязи с другими активами компании.
BISDM помогает создавать единое хранилище географических и негеографических данных.

Следование принципам BISDM позволяет существенно упростить задачи интеграции с другими системами. На первом этапе это, как правило, интеграция с CAD (рис. 4). Затем, при эксплуатации здания, используется обмен данными с ERP и EAM-системами (SAP, Tririga, Maximo и иные).

Рис. 4. Представление информации о зданиях в ГИС с интеграцией данных других систем.

Каждая корпоративная система требует определённого уровня детализации, которая обеспечивается достаточно простым установлением соотношений (“маппированием”) компонент, входящих в BISDM-модель. Существует целый ряд промышленных систем, позволяющих осуществлять “маппирование” как в виде предлагаемого инструментария, так и в виде сервисов. Пример автоматического разбиения BISDM на элементы и расчёт смет совместно с другими системами приведен на рис. 5.

Рис. 5. Разбиение BISDM на элементы и расчёт смет совместно с другими системами.

Регуляция построения BIM/GIS систем определяется широким набором стандартов на BIM. В рамках Международной организации по стандартизации ISO (Россия является её членом) разработан набор стандартов, описывающих прямые требования к разработке ПО, а также требования к библиотекам компонент. В составе стандартов имеется также методология их применения, требования к классификации информации. Вот некоторые из этих стандартов: ISO 12006-2:2001, ISO 12006-3:2007, ISO 16354:2013, ISO 22263:2008, ISO 29481-1:2010, ISO 29481-2:2012, PD ISO/TS12911:2012.

ИСО 15926 – первый принятый в Российской Федерации стандарт по интеграции данных жизненного цикла, позволяющий практически использовать BIM в России (рис. 6). Целью этого международного стандарта является обеспечение интеграции данных для поддержания производственного жизненного цикла и процессов перерабатывающих предприятий. Он устанавливает модель данных, определяющую значение информации о жизненном цикле в едином контексте с учётом возможных мнений инженеров-технологов, инженеров по оборудованию, операторов, инженеров по техническому обслуживанию и др. специалистов. ИСО 15926 стандартизует: Терминологию; Организацию информации; то, как компьютерные системы связываются и обмениваются информацией. Его реализация предусматривает использование стандартов W3С-консорциума (Semantic Web).

Рис. 6. Национальный стандарт ИСО 15926 принят в 2010 году.

В комплексе с BIM стандартами развиваются и стандарты на ГИС и другие компоненты, модели и структуры данных (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема смарт-подхода в строительстве.

Пример возможной реализации соотношения жизненного цикла объекта и жизненного цикла соответствующей модели (ИСО 15926) представлен на рис. 8.

Рис. 8. Вариант реализации соотношения жизненного цикла объекта и жизненного цикла соответствующей модели (стандарт ИСО 15926).

Необходимость улучшения эффективности затрат на строительство и эксплуатацию зданий и сооружений требует реализации компонентного подхода и применения соответствующего ПО.

Таким образом, компонентный подход включает в себя решение следующих вопросов:

Многие потребности пользователей в настоящее время распространяются на более чем одно традиционное информационное представление. Безопасность и окружающая среда являются двумя примерами, подтверждающими это.
Согласованная проектно-конструкторская деятельность требует выполнения дизайна с учётом современного уровня проектирования и предоставления результатов в технологические и плановые отделы, отделы закупок и логистики в электронной форме.
Значительная экономия затрат ожидается от стандартизации требований на компоненты и составные части. Информацию о таких требованиях следует представлять в электронной форме для лёгкого её включения в планы и требования заказчиков проектов.
В настоящее время передача проектной информации предприятия зачастую ограничивается проектными чертежами и бумажными документами. Применение такой информации в управлении и модификации предприятия ограничивается ручными процессами, или информация должна переделываться в формат, приемлемый для необходимого применения. Наличие информации об объекте в виде адекватной модели в электронной форме повышает степень эффективности и результативности эксплуатационного этапа.
Показатели эффективности как отдельно этапов жизненного цикла, так и ожидаемых показателей от эксплуатации зданий и сооружений имеют ключевое значение для всех заинтересованных сторон. Расчёт этих показателей вне компонентной модели оказывается весьма затруднительным.

За счёт применения компонентного подхода и его реализации в рамках адаптируемых моделей достигается наследование информации, её эффективное использование на каждом этапе жизненного цикла объекта. Такой подход полностью соответствует положениям группы стандартов ISO 15926, обеспечивая при этом все преимущества использования BIM.

Итак, BIM/ГИС – это программные продукты различных компаний, соответствующие международным и российским стандартам, базирующиеся на общих правилах и форматах данных (этой теме, как и трансформации данных, посвящены отдельные статьи).

Архитектурно программные комплексы позволяют создать систему центров обработки, хранения и использования данных, необходимых для решения поставленных выше задач: компонентов или элементов зданий и сооружений (они описываются производителями этих элементов), норм и правил, адаптированных и типовых моделей, и т.п. С точки зрения архитектуры программного обеспечения, это BIM-сервер, ГИС-сервер, сервер для преобразования данных, средства репликации данных и обмена с другими центрами данных, средства защиты, коммуникационно-интерфейсные средства, и т.п. Одно звено в этой системе всегда является головным и, как правило, размещается в ведущем архитектурно-строительном учреждении страны (например, в России это может быть НИЦ «Строительство»), а, например, вся информация по бетону хранится в Институте Бетона, информация по стеклу – в профильном Институте Стекла, и т.п.

Однако, все, сказанное выше, не отменяет, а предполагает работу с крупными строительными компаниями и эксплуатирующими организациями, которые, собственно, и являются потребителями этих решений. Они могут и должны создавать корпоративные BIM/ГИС системы в координации и сотрудничестве с выделенными государственными структурами и организациями.

Практические выводы из вышесказанного можно сформулировать следующим образом:

Наличие нормативной базы, частично уже принятой в России в виде международных стандартов, позволяет обеспечить развитие как корпоративных систем интеллектуального строительства, так и общероссийских. Естественно, при условии быстрого развития самой этой базы.
Большое количество компаний, поддерживающих модели в смысле структур данных, позволяет заказчику отбирать под свои системы интеллектуального строительства чёткий спектр исполнителей.
Практически все ведущие IT-компании в той или иной мере создают свои системы на базе компонентного подхода и бизнес ориентированных архитектур, что также позволяет заказчику иметь широкие возможности построения своих собственных систем.
Экономические эффекты, выражающиеся в 20%-ом сокращении стоимости строительства, 20%-ом – времени строительства и до 70% сокращения затрат на эксплуатацию, достижимы в России, по нашим оценкам, на уровне 5-7% экономии стоимости строительства, 5-7% – времени строительства и 20-25% затрат на эксплуатацию построенных объектов в скважности 3-4 лет, с последующим выходом на указанные выше экономические эффекты.
Работу в этом направлении необходимо организовать в сотрудничестве с ведущими инженерно-строительными компаниями, архитекторами и производителями строительных компонент и материалов.

Как показывает мировой опыт, за таким подходом – будущее отрасли.