Некоторый анализ международного опыта использования BIM для объектов транспортной инфраструктуры

Василий Куприяновский, Аркадий Казаринов, Владимир Талапов

Окончание статьи (САПР и графика. № 3. 2021. С. 16-25), посвященной мировому опыту применения технологии информационного моделирования к объектам капитального строительства транспортной (прежде всего железнодорожной) инфраструктуры.

Анализ мирового опыта

Анализ материалов в открытой печати показывает, что информационное моделирование в железнодорожной отрасли является частью общего процесса цифровизации реального сектора экономики промышленно развитых стран. По этой причине основные инструменты и методы технологии являются в значительной мере универсальными для всех отраслей, но специфика железных дорог всё же присутствует.

Внедрение BIM на новых проектах обычно ведется эволюционным путем — от начала проектов. По мере накопления критической массы опыта на одном этапе (проектирование) начинается активизация поиска методов его применения на следующем этапе (строительство).

Это наиболее заметно по динамике развития крупных программ проектов: в 2000­е годы, когда требовалось проектирование, усилия вендоров были сосредоточены в основном на выпуске инструментов для BIM­проектирования; на данный момент, когда проекты переходят в фазу завершения строительства и начала эксплуатации, фокус внимания разработчиков смещается в сторону предложений для эксплуатации цифровых активов.

Ниже приведены ключевые тезисы, которые, на наш взгляд, необходимо учесть при внедрении технологии информационного моделирования, в том числе в транспортной инфраструктуре.

Новая парадигма: BIM как переход к бесчертежной технологии

Мировые тенденции показывают, что происходит постепенный, но последовательный отход от работы с чертежами и переход к работе с моделями. Чертежи рассматриваются как атавизм прошедшей эпохи 2D. Четко прослеживается идея, что если в модели содержится вся необходимая информация для строительного процесса, то чертеж уже не нужен.

Модель одного из станционных павильонов магистрали MLRT Line 2 в долине Кланг в Малайзии

Ведущие мировые вендоры в строительной отрасли практически перестали развивать инструменты разработки чертежной документации [25]. Научные исследования и усилия вендоров теперь сосредоточены на поиске и реализации методов работы в жизненном цикле строительного объекта непосредственно по модели.

Технологии новой парадигмы: виртуальная и смешанная реальность (VR/MR)

Новая парадигма обязана порождать новые технологии работы, которые не присутствовали в предыдущем технологическом укладе (2D). Первыми из числа таких технологий появились технологии «виртуальной реальности» [26] и «смешанной реальности» [27].

Сегодня больше информации (и рекламы) связано с технологией и инструментами виртуальной реальности (virtual reality, VR). Однако в практике строительства и эксплуатации с помощью BIM более перспективной представляется технология смешанной реальности (mixed reality, MR).

Развитие технологии смешанной реальности лимитируется:

• эффективностью позиционирования на участке проведения работ (до нескольких миллиметров);
• возможностями визуализации, надежностью и эргономичностью MR­очков;
• стоимостью индивидуального комплекта электронных устройств и средств позиционирования в рабочей зоне.

Технология смешанной реальности получила широкую известность на рубеже 2013­2014 годов (как ее ранний прототип — дополненная реальность, augmented reality, AR), однако ее дальнейшее развитие сдерживается вышеуказанными более высокими требованиями к специализированным электронным компонентам.

Надо отметить, что техническое совершенствование электроники и программ для смешанной реальности, а также снижение их стоимости происходит достаточно быстро и сейчас эта технология уже доступна для компаний среднего уровня.

Следовательно, появления первых образцов промышленных продуктов, реализующих полноценную бесчертежную технологию, можно ожидать в ближайшие несколько лет.

Безусловность юридической легитимности новой парадигмы

С переходом к бесчертежной технологии перед участниками строительного процесса встал вопрос о юридической значимости BIM­моделей.

При этом следует признать, что важнейшим критерием правильности формирования строительной документации (неважно, чертеж это или модель) является признание ее юридической значимости государственными контрольными, следственными и судебными органами.

Строительство одного из станционных павильонов магистрали MLRT Line 2 в долине Кланг в Малайзии

Признание и работа с электронной строительной документацией органами строительной экспертизы является вторичным критерием, проистекающим из первого.

Незнание законодательства и его несоблюдение могут привести к печальным последствиям, когда электронная проектная документация будет признана юридически ничтожной в судебном порядке.

Также совершенно очевидно, что грамотный подрядчик потребует надежных гарантий того, что поступившая к нему электронная документация является подлинной (полной, актуальной, утвержденной и законной), а не промежуточной версией электронного документа. В противном случае выполнять строительные работы по такой документации подрядчик справедливо откажется.

Таким образом, для окончательного перехода к строительству по моделям необходимо решить вопрос: как и при каких условиях BIM­модель становится подлинником проектно­строительной документации.

Например, с 2016 года в судебной практике Финляндии информационная модель здания (в формате IFC) принимается в качестве документа, подтверждающего позицию одной из сторон.

В зарубежных исследованиях рассматриваются правовые проблемы и риски строительной индустрии, связанные с BIM: юридически обязательные цифровые модели, минимальный гибридный контракт (MHC), сочетание юридических и блокчейн смарт­контрактов и т.д.

Однако мы считаем, что вопросы легитимизации BIM­моделей должны целиком и полностью опираться на российскую юридическую практику.

Поэтому при внедрении технологии информационного моделирования лучше исходить из отработанного понятия «электронный подлинник» (см. федеральный закон № 63 «Об электронной подписи»), применение которого к строительной 2D­документации в формате СПДС уже хорошо разработано [30].

Решение вопроса электронных подлинников строительной документации лучше осуществлять в два последовательных этапа/перехода:

1. От бумажной технологии — к безбумажной (электронные подлинники документации СПДС на всем жизненном цикле объектов).
2. От безбумажной — к бесчертежной технологии (осуществление жизненного цикла строительных объектов по BIM­моделям).

Здесь следует обратить внимание, что на каждом этапе проблема юридической легитимизации электронной документации распадается на две:

1. Создание электронного подлинника.
2. Обмен электронными подлинниками.

В проблеме обмена подлинниками также возникают два вопроса:

1. Обеспечение юридической значимости каналов обмена между юридическими лицами.
2. Актуализация электронных подлинников при внесении изменений.

Понимание того, как решать эти задачи по чертежам, облегчит решение аналогичных проблем для моделей.

По использованию BIM для инфраструктурных проектов Сингапур всегда был примером для остального мира

Обеспечение качества проектной документации в новой парадигме

Поскольку BIM­модели постепенно становятся единым средством получения и обработки инженерной информации о строительном объекте, возникает вопрос об обеспечении качества этих моделей, поскольку от этого зависит как безопасность объекта строительства, так и правильность принятия управленческих решений.

В ответ на рыночный спрос на данном этапе развития BIM вопросы качества моделей решаются вендорами с помощью создания специальных программных инструментов для автоматической и полуавтоматической проверки моделей по геометрическим (пересечения) и регламентирующим (формулы) критериям.

Наибольших успехов в автоматизации проверок информационных моделей добился Сингапур [35]. Система автоматической экспертизы проектов CORENET [36] развивается в Сингапуре с начала 1990­х, а в 2015 году он был запущен в эксплуатацию. Его главной целью была реализация автоматической проверки (экспертизы) проектов с выдачей разрешения на строительство. Понятно, что это можно было сделать только в том случае, когда проект реализовывался в виде полноценной модели, удовлетворявшей специальным требованиям. Чертежи и другая документация, пусть даже выполненная «в электронном виде», для этих целей уже не годились. Согласно нынешнему законодательству Сингапура, все проекты площадью свыше 5 тыс. квадратных метров поступают на экспертизу исключительно в виде BIM­моделей, причем удовлетворяющих определенным требованиям. Работа системы CORENET ведется через сайт CORENET [36], на котором выставлены требования к модели, а также проводятся операции по загрузке проектов и оформлению экспертных и иных действий.

Для повышения качества управленческих решений важным пунктом является автоматизация создания спецификаций материалов и работ непосредственно по BIM­моделям. Следует сказать, что возможность осуществления прозрачных и корректных электронных закупок явилась важным результатом проекта Crossrail (см. п.1.1.1) и ключевым аргументом для внедрения технологии BIM британским правительством в строительные госконтракты.

В настоящее время технология получения строительных смет по информационным моделям освоена российскими вендорами и применяется компаниями­застройщиками, но в вопросах автоматизации проверок наблюдается отставание от мировых лидеров.

Оптимизация стройплощадки в новой парадигме: имитационное моделирование

С массовым освоением BIM проектировщиками и ростом количества комплексных моделей проектов возникла возможность и спрос на моделирование плана производства работ, в том числе с применением методов имитационного моделирования. Это позволяет осуществить комплексную оптимизацию: последовательности монтажа, логистики на стройплощадке, размещения временных объектов и материалов, потоков машин и рабочей силы, работы машин и механизмов, перемещения крупногабаритных элементов и т.д. Всё вышеперечисленное положительно влияет на точность календарно­сетевого планирования и снижение убытков по вине неоптимальной организации работ на стройплощадке.

Форматы данных в  новой парадигме: два подхода

Переход к бесчертежной технологии означает, что инженерная информация об объекте строительства существует исключительно в цифровом виде и на цифровой базе. Поскольку Система проектной документации для строительства (СПДС, ГОСТ 21) была разработана для представления инженерной информации на «бумажной» основе, ее применение к BIM невозможно без потери эффективности, связанной с дополнительными трудозатратами на оформление чертежей.

Различными вендорами были разработаны свои цифровые форматы данных для создания BIM­моделей с помощью САПР­инструментов. Однако затем возникла проблема совместимости, взаимной дополняемости и объединяемости моделей, созданных с помощью инструментов разных вендоров. В ее решении выделяются сегодня два подхода.

Подход 1: создание общего формата обмена данными для BIM

Принцип такого подхода: каждый работает с моделями в форматах своего вендора, а в случае операций импорта­экспорта модели конвертируются в открытый формат обмена.

Ограничения такого подхода:

• потеря некоторых данных — формат обмена может содержать меньше информации, чем «родная» структура данных модели;
• формат обмена должен быть признан ведущими вендорами и непрерывно поддерживаться, чтобы соответствовать уровню развития «родных» форматов вендоров.

Наибольших успехов в создании и продвижении формата обмена информации между BIM­моделями добилась международная организация buildingSMART International (https://www.buildingsmart.org), продвигающая формат IFC (Industrial Foundation Classes) [39].

Формат IFC построен с использованием семантической технологии как непрерывно развивающаяся онтологическая модель объекта и среды строительства.

Основными тенденциями развития формата IFC являются:

• дальнейшая декомпозиция геоинформационного домена (ГИС) с выделением новых доменов (IFC Rail, IFC Bridge и т.д.);
• объединение доменов BIM и ГИС в единую онтологию;
• переход от онтологий строительных объектов к онтологиям строительных процессов;
• интеграция с PLM­объектами (машины и механизмы, киберфизические системы).

Вышеперечисленные тенденции основываются на триаде общности двух форматов и языка моделирования: IFC, STEP, EXPRESS.

В связи с активным развитием формата IFC гипотетически возможно появление на рынке BIM­инструментов, чьи внутренние структуры данных также будут изначально разработаны в формате IFC.

Однако при всей открытости и независимости формата IFC следует отметить, что все юридические права на него принадлежат американской компании buildingSMART (одного из создателей альянса buildingSMART International).

Подход 2: прямой обмен моделями

Такой подход наблюдается в рыночной стратегии двух наиболее крупных вендоров: Bentley Systems (https://www.bentley.com/ru) и Autodesk (https://www.autodesk.ru/).

Это связано с тем, что оба вендора имеют собственную линейку продуктов, позволяющих в целом закрыть основные запросы рынка по инженерному информационному моделированию жизненного цикла строительного объекта. Следовательно, для них нет необходимости использовать «чужой» формат обмена данными между собственными BIM­инcтрументами.

Вопросы экспорта­импорта, которые, тем не менее, возникают в сводных проектах с большим количеством участников, решены через двусторонние договоры с основными вендорами об обмене сведениями о внутренней структуре данных BIM­моделей, созданных в собственных САПР­инструментах.

Примерами наиболее успешных программ при использовании собственных форматов разных производителей являются Navisworks компании Autodesk, а также ProjectWise и iTwin компании Bentley Systems.

Этап эксплуатации в новой парадигме: Цифровой двойник

Успехи стран­лидеров в BIM­технологиях позволили им заявить о намерениях «цифровизации всей страны» [40­42].

«Цифровизация страны» означает, прежде всего, применение информационных моделей на стадии эксплуатации объектов инфраструктуры. В связи с этим появился и активно используется термин «Цифровой двойник».

Вообще, Цифровой двойник — это информационная модель объекта, получившая дальнейшее развитие в виде добавления моделей процессов, связанных с применением этого объекта. Таким образом, термин «Цифровой двойник» характеризует более высокий уровень развития технологии информационного моделирования.

Цифровой двойник, как и информационная модель, — это постоянно развивающееся образование, поскольку всегда могут добавляться и совершенствоваться модели процессов, связанных с эксплуатацией объекта.

Поскольку «Цифровой двойник» стал «модным» термином, то появились многочисленные спекуляции на эту тему, когда Цифровыми двойниками стали называть практически все виды информационных моделей.

Поскольку BIM является новой парадигмой, оно порождает целый куст новых технологий. Но эти технологии имеют разную степень зрелости с точки зрения пригодности для промышленного применения.

В США и Евросоюзе для оценки зрелости технологий активно применяется (в том числе в программе НИОКР Horizon 2020, см. п.1.1.2) Шкала оценки технологической готовности TRL [44].

Подготовка кадров для цифровой экономики: растущий дефицит специалистов

Страны — лидеры внедрения BIM сталкиваются с серьезным дефицитом специалистов для цифровизации экономики.

Например, в Великобритании, согласно исследованиям компании Atkins (http://www.atkinsglobal.com/), проведенным в 2015 году, после утверждения в декабре 2014 года «Правительственной стратегии для удовлетворения потребностей в инфраструктуре Великобритании до 2020 года и в последующий период» с бюджетом более 460 млрд фунтов стерлингов государственных и частных инвестиций, были отмечены следующие проблемы, связанные с кадрами [45]:

• дефицит кадров: «Компаниям Британии требуется 1,86 млн человек с инженерными навыками в период 2010­2020. Это означает, что для этих потребностей Британии необходимо удвоить количество инженерно­связанных учеников и выпускников из колледжей и университетов»;
• дополнительные инвестиции в образование: «Промышленности и правительству необходимо будет инвестировать до 2,5 млрд фунтов стерлингов для подготовки достаточного числа ученых, конструкторов и инженеров, чтобы удовлетворить требованиям норм экономики»;
• дефицит кадров приводит к росту бюджета в проектах: «Рост средней заработной платы уже ощущается по транспортному сектору, и компании уже конкурируют за наиболее востребованные ресурсы. Некоторые участники наших исследований сообщили об увеличении заработной платы от 5 до 20%, с отдельными случаями увеличения оплаты на 50%»;
• дефицит кадров сдерживает реализацию проектов: «Предсказанный дефицит навыков увеличит вероятность задержки в проектах с долгосрочной возможностью работы, и они могут быть отложены на неопределенный срок или отменены в будущем. Мартин Arter, Network Rail, прокомментировал: «Худшим является то, что в течение ближайших пяти или десяти лет часть проектов не будет реализована».

Итоговые выводы

1. Информационное моделирование является инновационной технологией создания и управления цифровыми инженерными данными основных фондов капитального строительства. В промышленно развитых странах она последовательно вытесняет технологию предыдущего технологического уклада — разработку строительной 2D­документации.
2. Следует различать саму технологию BIM и методы использования ее результатов. Результат технологии BIM, информационная модель (как и до этого 2D­документация СПДС), может быть использован в IT­инструментах организационного и экономического профиля — системах класса PM (Project management, управление проектами) и системах класса ERP (Enterprise resource planning, планирование ресурсов предприятия). Использование в качестве источника данных BIM­моделей сделает результаты работы этих IT­инструментов более точными и сократит трудозатраты за счет устранения информационных разрывов.
3. Развитие технологии BIM от начала к концу жизненного цикла (от проектирования, через строительство к эксплуатации) было связано с эволюционным развитием технологии и накоплением опыта. Но поскольку наша страна задержалась с внедрением BIM, то повторять этот путь нет резона. Целесообразнее параллельно внедрять BIM в строительстве и эксплуатации.

С целью ускорения внедрения информационного моделирования можно сразу сфокусироваться на разработке прикладных решений на наиболее важном для транспортной инфраструктуры этапе жизненного цикла. Очевидно, что это этап, где из объекта инвестирования извлекается прибыль. Значит, базовую структуру данных для BIM­модели нужно разрабатывать с точки зрения эксплуатации, где модель, соединенная с организационными, экономическими и правовыми процессами содержания и владения, позволяет управлять рентабельностью.

Библиография:

25. Официальные сайты ведущих иностранных фирм — разработчиков инженерного программного обеспечения для строительства (вендоров):
    https://www.bentley.com/ru
    https://www.autodesk.ru/
    https://www.nemetschek.com/en/
    https://graphisoft.com/ru
    https://ru.graitec.com/
    https://www.esri­cis.ru/ru­ru/home
    https://www.trimble.com/.
26. Виртуальная реальность; Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality.
27. Смешаная реальность; Available: https://ru.wikipedia.org/wiki/Смешанная_реальность.
28. Microsoft HoloLens product; Available: https://ru.wikipedia.org/wiki/Microsoft_HoloLens.
29. Tekla Structures product; Available: https://www.tekla.com/ru/Продукция/tekla­structures.
30. Казанцев А., Волков А. Безбумажная технология строительства: особенности применения электронной цифровой подписи при разработке проектно­строительной документации; Available: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=17346.
31. Nemetschek Solibri product; Available: https://www.solibri.com.
32. Autodesk Navisworks product; Available: https://www.autodesk.ru/products/navisworks/overview.
33. Autodesk Dynamo product; Available: https://www.autodesk.com/products/dynamo­studio/overview?plc=DYNSTD&term=1­YEAR&support=ADVANCED&quantity=1.
34. Bentley Navigator product product; Available: https://www.pmsoft.ru/products/bentley/bentley­navigator/.
35. Талапов В.В. Внедрение BIM: впечатляющий опыт Сингапура; Available: https://ardexpert.ru/article/5160.
36. CORENET system; Available: https://www.corenet­ess.gov.sg/ess/.
37. Bentley Synchro product; Available: https://www.bentley.com/en/products/brands/synchro.
38. Oracle Primavera product; Available: https://www.oracle.com/ru/applications/primavera/solutions/products.html.
39. Industrial Foundation Classes, Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Industry_Foundation_Classes.
40. UK Digital Strategy; Available: https://www.gov.uk/government/publications/uk­digital­strategy/uk­digital­strategy.
41. Digital Finland; Available: https://www.businessfinland.fi/globalassets/julkaisut/digital­finland­framework.pdf.
42. Singapure Digital­Economy­Framework; Available: https://www.imda.gov.sg/infocomm­media­landscape/SGDigital/Digital­Economy­Framework­for­Action.
43. Linnea Bestjak, Cassandra Lindqvist. Assessment of how Digital Twin can be utilized in manufacturing companies to create business value. School of Innovation, Design and Engineering, Mälardalen industrial technology center, Sweden, 2020.
44. Technology readiness level; Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Technology_readiness_level.
45. ATKINS (SNC­Lavalin Group) report. Skills deficit. Implications and opportunities for UK infrastructure.

Более подробный вариант статьи опубликован в International Journal of Open Information Technologies, том 8, № 12 (2020) (http://injoit.org/index.php/j1/article/view/1043/1008)