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),
Юдицкий А.А., ОАО «Мегафон» (Alexey.Yuditsky@MegaFon.ru)
BIM&GIS Technologies for Stakeholders: Overview
Целью данного исследования является рассмотрение мировых тенденций в применении комбинированных BIM/ГИС-технологий в строительной отрасли для различных категорий заинтересованных лиц и организаций. Такими организациями являются и проектные институты, и эксплуатирующие организации, а также компании, играющие роль генподрядчика в крупных инфраструктурных проектах со сложной структурой, таких, например, как проекты строительства метрополитена.
BIM/GIS и AECOO-индустрия
Интеграция технологий Информационного моделирования зданий (BIM) и Геоинформационных систем (ГИС) стала ключевым звеном в развитии всего направления информационного моделирования в строительстве. С одной стороны, это связано с расширенным представлением о жизненном цикле объектов строительства и включением в этот цикл этапов от концептуального строительства до эксплуатации. С другой стороны, получаемые от использования этих технологий преимущества проявляются на разных этапах и в разных формах, затрагивая различный состав заинтересованных сторон (stakeholders).
Соответственно, требования уже выдвигаются не со стороны исключительно проектных или инженерных организаций, а от всего состава индустрии AECOO (Architecture, Engineering, Construction, Owner and Operator; Архитектура-Инженерия-Строительство-Владельцы/Генподрядчики-Операторы).
Ещё одним фактором является то, что большая часть строительных объектов имеет сложную структуру, требующую совмещения и увязывания различных моделей, стандартов, подходов и требований. Причем ответственность за такой комплексный проект возлагается на компанию, выступающую в роли генподрядчика.
Инициатором системного подхода к интеграции BIM и ГИС в единый технологический комплекс выступила компания Atkins, выиграв подряд на проект строительства линии метро CrossRail в Лондоне. В этом проекте должны были сочетаться несколько моделей, таких как модель железнодорожных путей, модель тоннельного хозяйства, мосты, наземные и подземные сооружения, пересадочные узлы, и др. Кроме того, линии CrossRail должны были соответствовать требованиям, исходящим от существующей и планируемой городской инфраструктуры на поверхности земли, инфраструктуры подземных линий метро и различных подземных инфраструктур и коммуникаций города. При этом должны были учитываться социальные, экономические и другие параметры проекта, включая обеспечение минимальности затрат и расчётной прибыльности строящейся линии.
Таким образом, выгоды от применения BIM&ГИС-технологий каждый раз адресуются определенному набору заинтересованных сторон из разных областей AECOO-индустрии.
Информационное моделирование зданий
Информационное моделирование зданий (BIM) – один из основных технологических трендов, который привел к тотальной трансформации строительной индустрии в мире. Вот наиболее широкое и распространённое определение BIM: «Это цифровое представление физических и функциональных характеристик объекта, сформированное в виде общедоступного ресурса, базы знаний, которая используется как надёжная информационная основа для принятия решений на протяжении всего жизненного цикла объекта, от ранних этапов выработки концепции и до сноса или утилизации».
На практике BIM представляет собой набор технологий и процессов, которые должны приводить к улучшению результатов на различных этапах жизненного цикла объекта строительства, включая ранние этапы концептуального планирования, дизайн и инжиниринг, закупки и строительство, ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание и извлечение прибыли, а также снос или реализацию под другие нужды.
Изначально BIM-подход применялся исключительно к отдельным зданиям (Building, отсюда и “B” в аббревиатуре), но в настоящее время этот термин приобретает более общее звучание и включает в себя инфраструктуры, специфические капитальные объекты (такие, как мосты) и многое другое.
Применение BIM в мировой практике
Применение BIM-процессов и технологий к конкретным потребностям индустрии является основным трендом, который набирает обороты в последнее десятилетие, и стимулируется необходимостью получения лучших результатов. Согласно исследованиям McGraw-Hill Construction, использование BIM, например, в США увеличилось с 17% в 2007 году, до 71% в 2012, а в среднем показывает прирост на 45% за последние 3 года и на 40% за последние 5 лет. Также наблюдается рост использования BIM среди различных категорий «потребителей» (stakeholders). Так, с 2009 по 2012 гг. использование BIM среди инжиниринговых компаний и контракторов увеличилось более чем на 50%. Большая часть респондентов отмечает также позитивную тенденцию в возврате инвестиций в BIM – 74% среди контракторов, 67% для владельцев, и 65% для архитекторов.
Проведённое в Великобритании в 2012-1013 гг. исследование с участием более чем 1350 профессионалов в области архитектуры, инжиниринга и строительства показало, что 39% из них уже пользуются BIM в том или ином его выражении, а 71% согласны с тем, что BIM представляет собой «будущее проектной информации».
Применение BIM в государственных строительных проектах
Во многих странах использование BIM определено как обязательное на государственном уровне (см. рис. 1). Это обусловлено тем, что применение BIM технологий позволяет дать ясную качественную и количественную оценку и реализовать практически все заявленные преимущества. Это касается как области улучшения взаимодействия участников и снижения затрат, так и снижения рисков перерасхода бюджета и превышения сроков выполнения работ на фазах проектирования и строительства зданий и сооружений.
Рис. 1. История использования открытых решений BIM по странам с внедрением требований на обязательность применения.
В 2006 г. Управление служб общего назначения США (GSA, General Services Administration) сделало обязательным использование BIM на фазе дизайна для всех строительных проектов в США с участием государства. Причем предполагалось не минимальное, а полномасштабное развертывание 3D, 4D и BIM-технологий. Одной из целей этих инициатив было снижение количества работников в проектах с 40 до 12,5 тысяч уже в 2006 г.
В Норвегии с 2010г. все строительные проекты с участием государства должны выполняться с использованием BIM (на базе IFC/IFD). В Дании многие правительственные агентства, в том числе оборонные, требуют использование BIM в строительных проектах. В Финском правительстве службы, отвечающие за строительство, с 2007г. требуют для своих проектов применение BIM, согласованное с IFC-стандартами. Правительство Гонконга с 2014г. требует применение BIM для всех новых строительных проектов. Южная Корея планирует к 2016г. сделать обязательным BIM для всех строительных проектов стоимостью свыше $50 млн. и для всех, без исключения, проектов по правительственным заказам.
В Сингапуре одной из целей объявлена реализация самой быстрой в мире системы экспертизы и формирования разрешений на строительство. В 2008 году под эгидой министерства строительства и с подключением всех заинтересованных сторон была реализована первая в мире электронная система строительной экспертизы на основе BIM (e-submission). На экспертизу и утверждение представляется только одна информационную модель объекта, которая должна содержать всю информацию, необходимую для определения соответствия требованиям, выдвигаемым регулятором. К 2013 более 200 крупных проектов уже прошли через e-submission, а к 2015г. около 80% строительной индустрии должно основываться на BIM. Эта дорожная карта является частью плана правительства Сингапура по увеличению продуктивности строительной индустрии на 25% в последующие 10 лет.
Правительство Великобритании планирует снижение стоимости строительных проектов на 20%. Для достижения этих показателей был выдвинут ряд инициатив, одна из которых требует применение Level 2 BIM для всех государственных строительных проектов к 2016 г.
В Великобритании изначально фокусировались исключительно на часть жизненного цикла, связанную с дизайном, проектированием и строительством. В решениях правительства экономия в 20% была отнесена на фазы капитального строительства. Однако оказалось, что наибольшая отдача от применения BIM приходится на операционные фазы жизненного цикла объекта: эксплуатация, обслуживание, возврат инвестиций, получение прибыли и пр. Исследования, проведенные McGraw-Hill Construction, показали, что небольшой, но крайне значимый процент владельцев объектов используют информационные модели для построения систем оперативного анализа, обслуживания, управления активами, управления внутренним пространством зданий и др. С другой стороны, около 60% контакторов отмечают средний или высокий уровень запросов от владельцев на получение готовой BIM модели здания.
BIM для инфраструктур
Horizontal BIM, heavy BIM, VDC, civil information modelling, BIM on its side, или BIM for infrastructure – эти термины используются в строительной индустрии в отношении к модель-ориентированным технологиям и процессам, используемым в проектах, где основными элементами являются вовсе не здания. Такие проекты, как правило, являются инфраструктурными. К ним относятся, например, инфраструктуры, связанные с дамбами или плотинами, с подачей воды или отводом канализации, железнодорожные пути, дороги, мосты, пересадочные узлы, аэропорты, парки и др. Для более четкой дифференциации и исключительно для зданий используется термин «vertical BIM».
Согласно исследованиям того же McGraw-Hill Construction, BIM приносит значительные выгоды в инфраструктурные строительные проекты. Так, если в 2009 г. только 16% владельцев инфраструктурных проектов, контракторов и AE-компаний обозначали «высокий» и «очень высокий» уровень применения BIM, то в 2013 г. это значение достигло 52%.
Отмечено, что объём использования BIM в инфраструктурных проектах отстает примерно на 3 года от vertical BIM, но есть тенденция к более быстрому наращиванию уровня использования BIM на «горизонтальном» рынке, чем на «вертикальном» (рис. 2, 3).
Рис. 2. Внедрение BIM в инфраструктурные проекты по типам.
Рис. 3. Преимущества BIM.
Что является движущей силой инвестиций в BIM
В последние 200 лет урбанизация шла с беспрецедентной скоростью и оказала большее влияние на жизнь людей, чем любые другие явления на планете. Этот процесс стимулировал масштабные инвестиции в развитие городской и иных инфраструктур. Это подразумевает обеспечение жизненного цикла как объектов, составляющих инфраструктуру, так и инфраструктуры в целом, включая ее проектирование, строительство и т.д.
Предполагается, что с 2013 по 2030 гг. потребуется более $57 триллионов вложений в инфраструктурные проекты, чтобы только соответствовать планируемому росту мирового ВВП. Это примерно на 60% больше, чем потрачено на инфраструктуру за последние 18 лет.
Состояние окружающей среды и вызовы со стороны природных явлений также вынуждают вносить изменения в то, как мы строим, используем и обслуживаем мировую инфраструктуру. Тем более, что к настоящему времени сформулированы требования со стороны государственных и международных органов (такие, как 20-20-20 Energy Efficiency Objective, принятые EC, и другие регулирующие требования по энергосбережению, выбросам СО2 и др.), и есть насущная необходимость определить, какие из проектов соответствуют этим требованиям.
Здания потребляют около 40% мировой энергии и выделяют около 1/3 глобального «парникового газа». Понимая это, многие правительства во всём мире прилагают значительные усилия, чтобы исправить это положение. Например, Германия занялась выработкой новых стандартов для изоляционных материалов в строительстве с целью их обязательного применения во всех строительных проектах к 2050 г., предусмотрено снижение потребности в энергии на отопление на 20% к 2020 г. и на 80% к 2050 г.
Из $7 триллионов, инвестируемых ежегодно в строительство за последние несколько лет, только 10% могут быть отнесены к разряду «зелёных» проектов. Но, поскольку вызовы со стороны окружающей среды становятся все насущнее, аналитики прогнозируют увеличение этой цифры до 75% к 2020 г.
Повышение доли частных инвестиций
В связи с растущими запросами по фондированию социальных программ правительства вынуждены выделять меньше средств на капитальное строительство и реализацию инфраструктурных проектов. В результате при реализации таких проектов они все чаще обращаются к частным инвесторам, рассчитывая покрыть эту разницу. Однако привлечение частных инвестиций требует определённых гарантий по их возврату и определённому уровню доходности проектов.
Во многих странах, в том числе ЕС, США, Японии и Корее, производительность строительства неуклонно снижалась за последние несколько десятилетий. McKinsey выделил низкую производительность строительства как важнейший фактор, влияющий на возврат инвестиций и доходность инфраструктурных проектов, что делает этот сектор менее привлекательным для частных инвестиций.
Нехватка инженерных и квалифицированных ресурсов, а также общая тенденция к старению рабочей силы во многих странах мира с развитой экономикой усугубляют необходимость повышения производительности строительства за счёт применения технологических решений, к которым относится BIM. Например, в Германии считают, что дефицит в 400 тысяч квалифицированных инженерных кадров в строительной индустрии ведёт к снижению темпа роста ВВП на 1%.
Таким образом, накопилось достаточно оснований для радикального преобразования строительной отрасли с акцентом на улучшение производительности. Ожидается, что инвестиции в технологии станут ключевым элементом стратегии, для того, чтобы гарантировать необходимые расширения и преобразования мировой инфраструктуры.
Трансформация строительства с BIM и ГИС
В BIM и ГИС интегрируются разные технологические направления, такие, как 3D- моделирование, модель-ориентированное проектирование, построение и анализ различного рода поверхностей, получение объективных данных об объектах за счёт лазерного сканирования (LiDAR), реализация 3D-среды визуализации. Эти технологии в разных комбинациях всё чаще используются для улучшения фаз жизненного цикла объекта строительства, что определяет, в свою очередь, и сферы применения BIM-ГИС (рис. 4, 5).
Рис. 4. Вариант реализации платформы BIM-ГИС в виде архитектуры программного решения (общая схема).
Рис. 5. Гармонизация стандартов и моделей в проекте внедрения BIM-ГИС в отрасли архитектуры и строительства в Южной Корее.
Parsons-Brinckerhoff, подразделение мировой строительной фирмы Balfour Beatty, лидер в применении 3D-моделирования для проверки качества проектирования, обнаружения коллизий, параметрического моделирования и визуализации дизайна на этапах дизайна и 4D- моделирования (время + 3D), и 5D (стоимость + время + 3D) для контроля расписания выполнения работ на этапе строительства.
В рамках целого ряда выполненных ею проектов было проявлено одно из наиболее важных преимуществ применения комбинированного инженерного и ГИС-подходов – улучшение взаимодействия между всеми заинтересованными сторонами, особенно с лицами, принимающими решения, но не имеющими необходимой технической подготовки. Так, на проектах строительства скоростных автодорог, Parsons-Brinckerhoff использует игровые технологии, прежде чем начнется реальное строительство. В результате публика может проехать по ещё не построенной дороге в виртуальном окружении и получить детальное представление даже о временных дорогах и объездах, которые будут необходимы во время строительства.
Другой пример, ARCADIS Netherlands – инжиниринговая компания, которая была привлечена к проекту по интеграции геопространственной информации на фазе дизайна для крупных инфраструктурных транспортных проектов, таких как HOV (комбинированный высококачественный общественный транспорт). В ходе проекта было признано, что интеграция геопространственного и инженерного дизайна в одной базе данных позволяет иметь одну копию для каждого элемента данных при коллективном использовании его множеством рабочих групп. Интегрированное решение упрощало взаимодействие и повышало результирующее качество дизайна. Это также позволило применить автоматизированный анализ вариантов дизайна, что сократило цикл планирования.
ARCADIS выделила некоторые, критические для бизнес процесса роли, которые геопространственные технологии играют в строительном жизненном цикле, включая планирование/подготовка, управление активами/обслуживание и управление на основе as-build – «в точности как построено».
Было отмечено, что есть три проблемы для интеграции инженерных и ГИС решений:
- Семантика – различными терминами обозначаются одни и те же вещи в ГИС анализе и используемые инженерами с дизайнерами;
- Различные топологии – ГИС использует точки, линии и полигоны; CAD/BIM использует сплайны, параметрические кривые, и т.п.;
- Форматы данных и стандарты – ГИС использует шейп-файлы, GML и CityCML; CAD/BIM используют DWG, DGN, RVT файлы и IFC.
Традиционно, проблема состояла в том, что инжиниринг, с одной стороны, и ГИС, с другой стороны, были различными культурами, со своими языками и инструментами. Кроме того, они работают в разных масштабах. Если ГИС имеет дело с универсальными вещами, то инженеры ориентированы на узкоспециализированные направления. Карл Стейниц (Carl Steinitz) из департамента ландшафтной архитектуры Гарвардского университета обозначил, что выдвижение комбинированного BIM&ГИС подхода в качестве ключевой глобальной тенденции в AECOO индустрии требует и глубокого междисциплинарного взаимодействия. Это, в свою очередь, накладывает дополнительные требования на квалификацию и состав персонала, вовлекаемого в проекты на разных этапах их жизненного цикла.
Для преодоления семантического разрыва, Jaap Bakkers, программный директор, Rijkswaterstaat (часть Министерства инфраструктуры и окружающей среды Голландии), выступил с инициативой под названием Концептуальная Библиотека (CB-NL), призванной решить одновременно две проблемы. Во-первых, это существующие трудности обеспечения на основе BIM обмена информацией между различными фазами жизненного цикла здания или сооружения. Во-вторых, это координация взаимодействия в рамках проекта с различными игроками из области каналов закупок, поставок комплектующих, ERP и т.п.
Библиотека CB-NL призвана обеспечить взаимосвязь между терминами, используемыми различными игроками в жизненном цикле строительства и цепи поставок. В ней представлены связи таких терминов, как арочный мост, железнодорожный мост, воздуховоды, железнодорожные стрелки, и пр., каждый из которых может быть использован в различных применениях, но в отношении одного и того же физического объекта (структуры, сооружения). Поскольку на всех фазах строительства используются, в тех или иных масштабах, геопространственные данные и технологии, и, кроме того, именно местоположение и параметры однозначно определяют объект, то и CB-NL с необходимостью включает в себя геоданные.
В рамках реализации в Голландии 3D-кадастрового стандарта, разрабатываемого Национальным комитетом по инфраструктуре геоданных, развернут проект по выравниванию OGC CityGML стандарта, основанного на GeoBIM, и IFC стандарта, широко используемого в строительстве.
Комбинация ГИС и BIM в применении к инфраструктурным проектам позволяет «вернуть процессу строительства голову», по словам Ron Singh, директора Департамента транспорта штата Орегон. Одним из трендов, привлекающих много внимания во всем мире, является создание автономных, самоуправляющихся транспортных средств. Ряд штатов в США уже взяли несколько таких машин (типа Google Cars) на тестирование в условиях федеральных трасс.
Появление на дороге самоуправляющейся машины означает, что эта дорога должна быть изначально «интеллектуальной». По опыту тестирования, это означает, что должна быть в наличии вовремя обновляемая и корректируемая, актуальная и стандартизированная информационная модель интеллектуальной дороги. А это приводит к требованиям фундаментального изменения всего процесса проектирования и обслуживания дорожной сети.
Это означает, что 80-90% данных, требуемых для инициации проекта строительства дороги, поступающих из ГИС и передаваемых на дальнейшую инженерную проработку, необходимо, впоследствии, после строительства, дополнительно проверять для обеспечения гарантий, что все выполнено точно и соответствует текущему состоянию спроектированной дороги. То есть насущно необходим механизм проверки соответствия информационной модели дорожной сети проектным требованиям, реализованным проектным решениям и текущему ее физическому состоянию.
Энергоэффективные здания
Основные экономики, такие как страны ЕС, США и Япония, приняли в качестве обязательной программу реализации низко-энергетических (near-zero еnergy) зданий. Программа подразумевает снижение как потребляемого объема энергии, так и выделяемого зданием тепла и других видов «энергии» (вода, газ, отходы,…). В ЕС, согласно EPBD (Energy Performance of Buildings Directive, Директива об Энергетической Эффективности Зданий), к 2018 году все публичные здания должны проектироваться как низко-энергетические, а к 2020 это требование распространяется на все проектируемые здания. В США, согласно Energy Independence and Security Act 2007 года, все федеральные здания и сооружения должны к 2013г. проектироваться исключительно как низко-энергетические. Аналогичные требования планируется ввести и в Японии.
В результате, предполагается рост индустрии низко-энергетических зданий около 43% в год, ее объем достигнет $690 млрд. к 2020 и $1,3 триллиона к 2035г.
Другой важной инициативой во многих городах является управление использованием электроэнергии. Для примера, в Онтарио регулятор требует от энергетических компаний снижения пикового спроса на электроэнергию на 6% а общего потребления на 5% к 2014г. Для достижения этих показателей и в соответствии с прогнозируемой экономией средств энергетические компании развернули программу по внедрению в практику проектирования зданий требований и стандартов, обеспечивающих снижение их энергопотребления до необходимых пределов.
BIM&ГИС являются ключевым источником данных для моделирования и анализа энергетической эффективности зданий. Многие компании используют методы анализа энергоэффективности для обеспечения архитекторов и инженеров данными для оптимизации энергопотребления проектируемых зданий.
Первым шагом на пути моделирования и анализа энергоэффективности является реализация BIM модели. Соответственно, анализ энергоэффективности здания требует данные географического положения, данные об окружающих зданиях и инфраструктурах, другие данные, в том числе о состоянии окружающей среды.
Канадская компания 3D Energy рассчитала, что использование BIM&ГИС в проектировании зданий и расчетах их энергоэффективности позволяет более чем на 40% снизить затраты на электроэнергию.
Моделирование городской среды
Все больше городов в мире начинают осознавать практические возможности, которые привносит комплексное применение новейших информационных технологий, включая BIM, ГИС, интеллектуальные модели сетей для электричества, водных ресурсов, канализации, коммуникаций, транспорта и других инфраструктур. Ряд городов соревнуются, кто из них «зеленее».
Практическим результатом такого рода инициатив являются создание каркаса (framework) для развёртывания новых проектов, где декларируемые преимущества применения BIM&ГИС трансформируются в осязаемые выгоды для городских служб, в том числе и в денежном выражении.
Моделирование городской инфраструктуры
Точная геолокация подземных коммуникаций, сетей и сооружений является общемировой проблемой. По статистике, в США, например, каждые 60 секунд кто-нибудь непреднамеренно бьёт или разрушает трассы подземных коммуникаций. Как на муниципальном уровне, так и на уровне министерств и ведомств признано, что цена за недостоверную и неточную информацию о размещении подземной инфраструктуры стала непомерно высока.
Было проведено несколько исследований, спонсированных государственными организациями, которые показали рентабельность инвестиций (ROI) в улучшении качества информации о подземных коммуникациях.
Так, еще в 1999 году в ретроспективном исследовании под эгидой департамента транспорта США ROI оценивается в $4,62 за каждый вложенный доллар. В 2004г. в исследованиях, спонсируемых Ontario Sewer and Watermain Contractors Association (водопроводные сети, канализация и очистные сооружения), ROI был оценен в $3,41. В 2007 г. департамент транспорта Пенсильвании оценил ROI в $21,00. В 2012-2013гг. по итогам нескольких проектов строительства шоссе в Онтарио были получены результаты по ROI в пределах $2,05-6,59 на каждый вложенный доллар. А Ломбардия, Италия, при разработке модели инфраструктуры оценила ROI в 16 €.
Комплексные строительные проекты
Комплексные проекты по модернизации строительной индустрии идут, как правило, при непосредственном участии государственных структур.
Учитывая значительные объемы работ по таким проектам и необходимость внесения изменений в стандарты, практику работ и требования к строительным и подрядным организациям, подобные проекты фокусируются на критических областях, где ожидается максимальная отдача от внедряемых технологий. В таких проектах в полной мере используются технологические возможности BIM&ГИС, и, как правило, они привязаны непосредственно к бизнес-процессам, сопредельным системам и технологиям, таким как ERP.
Ширится успешный опыт реализации масштабных проектов в данной сфере (рис. 6).
Рис. 6. Этапы проекта OpenBIM по внедрению BIM-ГИС в отрасли архитектуры и строительства в Южной Корее.
Выводы
В последующие два десятилетия следует ожидать значительные инвестиции в информационные технологии, которые становятся частью основного бизнеса компаний из числа вовлеченных в AECOO индустрию (рис. 7). Это касается не только государственных компаний и структур, но и, в значительной мере, частных компаний, заинтересованных в повышении уровня возврата инвестиций, где применение информационных технологии начинают играть весомую роль.
Рис. 7. Области, требующие поддержки.
BIM, ГИС, комбинированные технологии, взаимодействие с ERP и EAM, а также приложения, построенные на их основе, являются тем ключевым фактором, который позволяет получить требуемые результаты.
