Proces projektowania, budowania i eksploatacji obiektu wymaga współpracy wielu różnych zawodów. W procesie tworzenia obiektu bierze udział inwestor (specyfikując funkcję obiektu), urbanista, architekt, architekt krajobrazu, konstruktor, elektryk, instalator sanitarny, kosztorysant, geodeta, technolog i jeszcze kilku innych specjalistów. Każdy z uczestników procesu projektowania najczęściej wykorzystuje swoje specjalistyczne oprogramowanie do którego potrzebuje pewnych danych, które uzyskuje z projektów innych branż (specjalności) w dużym stopniu przenosząc je „ręcznie”. Wyraźnie brakuje jednego wspólnego formatu danych lub wspólnej bazy danych.
Już w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku powstaje koncepcja integracji oprogramowania stosowanego w budownictwie. Grupę programów z zakresu budownictwa obecnie określamy skrótem AEC ( ang. Architecture Engineering and Construction). Początkowo próbowano zbudować wielkie zintegrowane systemy poświęcone szeroko rozumianemu budownictwu, np. ICES (Integrated Civil Engineering Systems) . Wówczas w sprzęcie komputerowym dominowały duże maszyny obliczeniowe (ang. mainframe computer). Miniaturyzacja sprzętu obliczeniowego (komputerów) i łatwość dostępu spowodowała gwałtowny rozwój wąsko specjalizowanego oprogramowania. Programy powstające niezależnie nie współpracowały ze sobą.
Problem integracji oprogramowania ściśle związany jest z historią rozwoju informatyki. Każda z firm zdobywająca dominującą pozycję na rynku próbuje narzucić swoje formaty danych, swoje rozwiązania informatyczne.
Wyróżnia się trzy koncepcje integracji oprogramowania. Pierwsza z nich to integracja wokół bazy danych, druga – integracja wokół formatu wymiany danych, trzecia – wokół interfejsu.
Integracja wokół interfejsu postępuje od wielu lat samorzutnie. Środowisko „okienek” narzuciło pewien ogólny schemat pracy z komputerem i mamy dość dobrą integrację różnych programów wokół interfejsu. Znacznie gorzej jest z integracją danych.
Dla grupy programów AEC opracowano format wymiany danych IFC. Format ten zyskał popularność dopiero wraz nową ideą integracji.
Brak integracji oprogramowania stał się szczególnie dotkliwy przy wdrażaniu projektowania trójwymiarowego (3D). Model 3D zawiera znacznie więcej informacji o obiekcie i utrata tych danych przy przenoszeniu do innego programu stała się uciążliwa i kosztowna.
2. Modelowanie przestrzenne
W Polsce biura projektów zaczynają intensywnie stosować komputery w latach dziewięćdziesiątych XX wieku.
Projektowanie można podzielić na etapy:
• deska kreślarska (w Polsce koniec około roku 1990-1995)
• rysowanie 2D, 2D+ (rysowanie precyzyjne, rysowanie parametryczne)
• modelowanie 3D i 3D parametryczne
• nD, n=3,4,5,... - BIM
Rysowanie 2D wspomagane komputerem wchodzi w latach dziewięćdziesiątych dość szybko do biur projektów. Warto pamiętać, że początek lat 90 XX wieku to w Polsce wielkie zmiany społeczne i polityczne, które w przypadku biur projektów spowodowały wielkie zmiany strukturalne. Większość dużych biur projektów upada. Powstaje za to wiele małych biur projektowych, które chętnie rezygnowały z rajzbretu i wykorzystywały komputer.
W ciągu kilkunastu lat biura projektów całkowicie zrezygnowały z kreślenia tradycyjnego i wdrożyły rysunek komputerowy. W tej rewolucji uczelnie, instytuty badawcze nie brały udziału. Rolę dominującą odegrały firmy sprzedające oprogramowanie CAD. Największa wada obecnego stanu rzeczy to: słaba koordynacja poszczególnych branż, duża liczba błędów w dokumentacji wymagająca zmian projektowych (koszty budowy) i bardzo słaba wymiana danych między różnymi programami wykorzystywanymi w projektowaniu i wykonawstwie, por. [1].
W Polsce do dzisiaj dominuje projektowanie 2D. Jakość projektów jest niestety dość niska. W znacznej części projektanci nie przestrzegają podstawowych zasad rysunku komputerowego takich jak: praca w skali 1:1, rysowanie precyzyjne, przygotowanie arkuszy wydruków na podstawie modelu 2D. Niestety nie powstały też ogólnokrajowe standardy dla dokumentacji sporządzanej na komputerze.
Niewiele biur sięga do modelowania 3D. Modelowanie 3D dość często spotykamy w projektowaniu małych obiektów (np. domów jednorodzinnych) lub w przygotowaniu wizualizacji.
Dlaczego warto projektować w 3D?
Przeczytanie rysunku 2D wymaga pewnej wiedzy, doświadczenia. Rysunek 2D to przecież zbiór symboli, który wymaga odpowiednich umiejętności interpretacji. Inwestor zwykle nie ma takiej wiedzy i wymaga dodatkowych informacji, żeby zrozumieć projekt.
Inaczej jest w projektowaniu 3D. Tutaj powstaje wirtualny obiekt w przestrzeni trójwymiarowej. Już we wstępnej fazie projektu możemy odbyć wirtualny spacer po obiekcie, obejrzeć model z różnych punktów widzenia. Inwestor nie potrzebuje specjalistycznej wiedzy z zakresu czytania dokumentacji budowlanej. Projektant pracując w 3D może wykonać projekt znacznie dokładniej, zawrzeć w projekcie więcej informacji. Model 3D nie daje tak dużego pola do interpretacji co rysunek 2D. Programy modelowania 3D są współcześnie najczęściej też programami modelowania parametrycznego i obiektowego.
Modelowanie parametryczne to takie modelowanie, które pozwala na etapie projektowania zadać pewne więzy. Więzami są np. warunki równoległości, prostopadłości, zbiór wymiarów, itp. Model parametryczny łatwo przebudowuje się jeśli zmieniamy np. grubość ściany, wymiar całkowity budynku. W uproszczeniu można powiedzieć, że model parametryczny to pewien przepis na zbudowanie geometrii a nie bezpośredni zapis geometrii. Modelowanie parametryczne jest techniką niezwykle zaawansowaną i skomplikowaną matematycznie, informatycznie i najczęściej systemy modelowania 3D są tylko w części parametryczne, por. [2].
Modelowanie obiektowe zakłada podział tworzonego modelu 3D na pewne obiekty. Obiektami tymi mogą być np. elementy stolarki budowlanej, elementy wyposażenia, schody. Obiekty, które czesto integrowane są w biblioteki obiektów, mogą być tworzone przez osoby trzecie pod warunkiem, że obiekt jest zgodny ze standardem narzuconym przez program. Zwykle tworzone obiekty są też parametryczne. Wykorzystywanie obiektów (bibliotek obiektów) w systemach modelowanie świetnie rozszerza możliwości projektowania ponieważ możemy korzystać z obiektów tworzonych na całym świecie przez innych użytkowników, projektantów.
W modelowaniu 3D projektant popełnia mniej błędów. Współpraca z innymi branżami też jest łatwiejsza ponieważ analizując obiekt 3D szybciej wychwytujemy kolizje. Oczywiście oprogramowanie 3D ma szereg nowych narzędzi, niedostępnych w 2D, jak na przykład wychwytywanie wcześniej wspomnianych kolizji.
Wykonanie przestrzennego parametrycznego modelu obiektu pozwala na łatwe sporządzanie dokumentacji 2D, na łatwe wykonywanie zestawień obiektów i materiałów. Modelowanie parametryczne (por. [1]) pozwala w efekcie na łatwe modyfikacje.
Największą wadą czystego modelowania 3D jest brak współpracy z innymi programami wykorzystywanymi przez uczestników procesu projektowego i inwestycyjnego. A przecież dokładny model cyfrowy obiektu powinien stać się podstawą dla wielu branż.
3. Idea BIM
Po wielu latach prób, dość nieskutecznych, współpracy oprogramowania AEC popularność zyskuje pewna idea integracji oprogramowania stosowanego w projektowaniu, wykonawstwie i eksploatacji obiektów budowlanych. Tę ideę w skrócie nazywamy BIM (ang. Building Information Modeling ). W języku polskim skrót ten rozwijamy (definiujemy) – modelowanie informacji o obiekcie budowlanym.
BIM to cyfrowa informacja, odpowiednio zorganizowana, zawierająca wszystkie dane, które powstały w czasie projektowania, budowy i eksploatacji obiektu. BIM dąży zatem do zastąpienia obecnie obowiązującej papierowej dokumentacji, zawierającej całą dokumentację techniczną (rysunki 2D, opisy, dokumenty, zezwolenia) cyfrową bazą danych, zawierającą też, dzięki informatyzacji, wiele więcej informacji dostępnej dla wszystkich uprawnionych osób. BIM zastępuje wielotomową dokumentację, dziesiątki pism i decyzji, jednolitą bazą danych eksploatowaną i utrzymywaną przez całe życie obiektu.
Idea BIMu nie jest nowa. Modelowanie przestrzenne (3D) to przecież cyfrowy model obiektu ale tylko z informacją o geometrii obiektu. Jeśli informację tę uzupełnimy o informacje materiałowe, cechy techniczne, bibliotekę elementów i uniwersalny format wymiany danych to otrzymamy pierwszy program BIM dedykowany modelowaniu geometrycznemu. Rozwinięcie tej idei na inne branże powoduje, że dostajemy grupę programów doskonale ze sobą współpracujących (dzięki formatowi wymiany danych). Formatem wymiany danych stał się format IFC. Oczywiście jest to zaledwie początkowy etap rozwoju oprogramowania BIM, por. Rysunek 1.
Zinformatyzowanie całego procesu projektowania, budowania i eksploatacji poprzez tworzenie do pewnego stopnia oprogramowania wykorzystującego tę samą bazę danych, ten sam model opisu obiektu to jest cel idei BIM.
BIM często opisuje się używając parametru wielkowymiarowości. I tak przyjęto:
• 3D - modelowanie przestrzenne
• 3D+ - modelowanie przestrzenne z informacjami dotyczącymi materiału, ...
• 4D – dodany czas wznoszenia obiektu, etapowanie prac, harmonogramowanie, ..
• 5D – koszty na każdym etapie budowy i użytkowania obiektu
• 6D – analizy energochłonności, spełnienie założeń zrównoważonego rozwoju
• 7D – eksploatacja obiektu
Modelowanie parametryczne (por. [1]) jest podstawą procesów BIM. Projekt 3D parametryczny i obiektowy to jeszcze nie BIM. BIM musi zawierać szereg dodatkowych informacji, np. o materiale, o parametrach, o kategorii elementu.
BIM to nie tylko technologia ale też proces decyzyjny, inny model biznesu, współpracy.
Model informacji o obiekcie budowlanym (BIM) wykorzystuje najnowocześniejszą technologię cyfrową do sformułowania reprezentacji wszystkich cech fizycznych i funkcjonalnych obiektu.
Model cyfrowy obiektu jest też repozytorium informacji dla właściciela obiektu i operatora obiektu do korzystania i utrzymywania w całym cyklu życia obiektu.
Modele cyfrowe architekta, konstruktora, wykonawcy, operatora budynku mają się płynnie komunikować. Ale współczesne programy BIM nie realizują tej teorii. Jest to zatem cel idei niestety nie rzeczywistość.
W obecnej praktyce inżynierskiej, występują dość wyraźne różnice w standaryzacji oprogramowania BIM. Informacje między systemami przenoszą się, jeśli mieszczą się w klasach IFC i system ma dobrze zaimplementowany format IFC. Praktyka pokazuje, że translatory IFC nie przenoszą wszystkich informacji z jednego modelu do drugiego. Ponadto, niektóre translatory nie działają "w obie strony", tzn., przenoszenie danych z jednej platformy na drugą, a następnie powrócenie do pierwotnej platformy po zastosowaniu zmian na drugiej platformie. Teoretycznie nic nie powinno stać na przeszkodzie jeśli kosztorysant w programie kosztorysowym w modelu IFC naniesie zmiany to te zmiany powinny być zauważone w pierwotnym projekcie.
Klasy IFC nie istnieją dla wszystkich typów danych i w tym tkwi problem przenoszalności. Translacja danych może powodować pewne nieścisłości i błędy. Oprogramowanie nie jest doskonałe i takie błędy będą zawsze. Szkodliwość błędów w przypadku BIMu może być bardzo duża. Użytkownik pracując na wielkim modelu cyfrowym obiektu nie zawsze ma świadomość o możliwych błędach oprogramowania. Błędy oprogramowania mogą mieć wielki wpływ na finanse przedsiębiorstwa realizującego obiekt.
Na dzień dzisiejszy BIM w Polsce jest pewną ideą, intensywnie aplikowaną przez producentów oprogramowania. Ale na BIM można też spojrzeć jako na zwycięstwo użytkowników, którzy wymagają skutecznego programu (lub raczej szeregu programów) doskonale współpracującego z innymi programami projektantów, konstruktorów, instalatorów, wykonawców, ...
4. Format wymiany danych IFC
Format IFC (ang. Industry Foundation Classes) ma zapewniać możliwie szerokie zapisanie informacji o dowolnym obiekcie budowlanym. Specyfikacja formatu jest otwarta, publicznie dostępna i zarejestrowana przez organizacje ISO. Specyfikacja IFC stanowi oficjalny standard ISO 16739:2013.
Historia formatu IFC zaczyna się w roku 1994, kiedy to powstała inicjatywa stworzenia wspólnego formatu danych aplikacji producentów oprogramowania branży AEC (Architecture, Engineering and Construction). Przez szereg lat powstały kolejne, coraz bardziej dopracowane wersje formatu. Efektem prac jest standard wymiany danych nazwany popularnie OpenBIM. Format IFC zapisuje szereg niezbędnych danych, które składają się na cały model konstrukcji, w jednym formacie tekstowym. Model, który został zapisany do formatu IFC ma, między innymi, następujące informacje:
• elementy są od siebie zależne (np. ściany i stropy)
• do każdego elementu przypisany jest odpowiedni typ (np. strop, ściana)
• budynek jest podzielony na usystematyzowane fragmenty (np. podział na kondygnacje, etapy budowy)
• geometria poszczególnych elementów jest dokładnie (precyzyjnie) opisana
• elementy mogą mieć dodatkowe informacje (np. materiał konstrukcyjny, kolor, ciężar właściwy, nazwę producenta, itp.)
Struktura pliku IFC oparta jest na modelu diagramu związków encji, czyli można porównać ją do struktury relacyjnej bazy danych, w której poszczególne encje powiązane są ze sobą różnymi relacjami. Te powiązania są szczególnie istotne, ponieważ pozwalają na bardzo szeroki i elastyczny opis elementów wybranego obiektu poprzez wykorzystanie bardzo wielu różnych encji pozwalających na zapisanie niemal każdej istotnej dla nas informacji. Tak wiec oprócz takich podstawowych informacji o elemencie jak jego geometria i lokalizacja możemy też zapisać informacje o rodzaju materiału, właściwościach, producencie, powiązaniach z innymi elementami (jak np. rodzaj połączenia belki ze ścianą). Opisy nie wyglądają jak lista właściwości przypisana do każdego elementu - przypisane są odniesienia do innych encji. Oznacza to, że rozpatrując np. segment ściany, jedną z jej właściwości jest rodzaj materiału, który jest wskazany poprzez odniesienie do innego obiektu, np. beton klasy C25/30. Taka struktura, znana z relacyjnych baz danych, pozwala później na bardzo szybkie uzyskiwanie dowolnych informacji. Dzięki powiązaniom od razu wiadomo, w których elementach zastosowano dany materiał. Zastosowanie modelu relacyjnego pozwala też uniknąć redundancji danych (powtarzania, nadmiarowości) oraz ułatwia ich walidacje.
(...)
6. Bariery wdrażania
Największe koszty wdrożenia BIMu ponoszą biura projektów. To one muszą przeszkolić projektantów w modelowaniu 3D, zakupić silne stacje robocze i wykonywać projekty, które będą zawierały dużo więcej informacji niż tradycyjna dokumentacja 2D.
Największym beneficjentem wdrożenia BIMu są inwestorzy. Inwestor dostaje projekt dojrzały z małą liczbą błędów. Dla takiego projektu szacowanie kosztów będzie bliskie rzeczywistym wydatkom inwestora.
Z obserwacji rynku amerykańskiego wynika, że BIM najczęściej używają wykonawcy i architekci. Wykorzystanie modelowania 3D w architekturze ma wieloletnią tradycję i jest dość liczna grupa architektów korzystających z modelowania 3D. Uzupełnianie modelu o informacje dodatkowe wykorzystywane w BIMie to już nie tak duży wysiłek jak zmiana technologii projektowania 2D na 3D.
Inwestorzy chętnie korzystają z BIMu, ponieważ projekt w BIMie jest łatwiejszy do czytania i niesie mniejsze ryzyko finansowe niż tradycyjny projekt.
We wdrożeniu BIMu zainteresowani są zleceniobiorcy budujący w trybie „projektuj i buduj”. W trybie tym wykonawca bezpośrednio zainteresowany jest w zrobieniu projektu z pełną informacją o inwestycji. Dodatkowe koszty poniesione na etapie projektu szybko się zwrócą w czasie inwestycji.
W kilku krajach europejskich do stosowania BIMu zachęcają przepisy preferujące np. format IFC w zamówieniach publicznych.
W Polsce mamy kilka silnych barier zniechęcających użytkowników BIMu. Po pierwsze prawo, które dopuszcza w niektórych postępowaniach tylko papierową dokumentację. Po drugie słaba kondycja finansowa polskich biur projektów. BIM wymaga dość istotnych nakładów na szkolenia, oprogramowanie i sprzęt. Nie wszystkich na to stać. I po trzecie nie ma w Polsce organizacji, środowiska (np. uczelnie techniczne), które potrafią obiektywnie opisać i ocenić nowatorską ideę BIM. W Polsce w przekazie informacji dominują handlowcy z firm wytwarzających oprogramowanie. Budowanie obrazu BIM na podstawie tych informacji jest niepełne.
7. Wnioski
Znaleźliśmy się teraz w przełomowej chwili jeśli chodzi o informatyzację budownictwa. Przełom ten będzie większy niż zastąpienie w połowie lat dziewięćdziesiątych w biurach projektów desek kreślarskich przez komputery. Wprowadzenie BIMu to zmiana stosunków formalno- prawnych między projektantem, wykonawcą, inwestorem, operatorem obiektu. Papier zostanie zastąpiony informacją cyfrową. Projekty będą zawierały znacznie więcej informacji i znacznie mniej błędów. Będą precyzyjniejsze i bliższe jednoznacznym rozwiązaniom.
Modelowanie informacji o obiekcie (BIM) narzuca nowe standardy w projektowaniu, budowaniu i eksploatacji . BIM patrzy na obiekt w całym jego życiu – od koncepcji do wyburzenia. Obecne oprogramowanie umożliwia przeprowadzenie procesu inwestycyjnego w dobrze skoordynowany sposób, przy istotnym ograniczeniu błędów projektowych i wykonawczych.
Tworzenia szybkich (wariantowych) kosztorysów inwestorskich na podstawie modeli IFC stanie się standardem i będzie ważnym elementem analizy kosztów. Warunkiem jest oczywiście wprowadzenie nowoczesnej klasyfikacji robót budowlanych.
Jeszcze kilka lat wcześniej modelowanie 3D było traktowane jako ciekawostka dla pasjonatów i wielu podchodziło do tej pracy sceptycznie. Parametryczne modelowanie 3D stanie się standardem projektowania architektonicznego, konstrukcyjnego (por. [2,3]) oraz branżowego.
Zmienia się też rola projektanta i zakres projektu. Projekt wykonany w BIMie musi mieć np. odpowiednio sklasyfikowane i nazwane poszczególne elementy projektu. I tak strop musi być sklasyfikowany jako strop, schody mają być w klasyfikacji schodami a słup słupem. Jeśli projektant tego nie przypisze to z automatyzacji prac nic nie będzie, por. [3].
W projektach, z którymi autor miał do czynienia było wiele błędów wynikających z niewłaściwego przypisania parametrów materiałowych, złej klasyfikacji. Projekt taki niestety nie mógł być bezpośrednio wykorzystany do obliczania kosztów bądź obliczeń konstrukcyjnych i wymagał wielu poprawek.
Literatura
1. Z. Kacprzyk, B. Pawłowska, Komputerowe Wspomaganie Projektowania. Podstawy i przykłady. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012, ISBN 978-83-7207-956-5
2. Z. Kacprzyk, K. Ostapska, Parametric modelling of space frame structures. In: CMM-2013 – Computer Methods in Mechanics , 27–31 August 2013, Poznań 2013.
3. Z. Kacprzyk, B. Pawłowska, Modelowanie obliczeniowe konstrukcji stosowane w technologii BIM. In: Teoretyczne podstawy budownictwa. Konstrukcje inżynierskie. Monografie Wydziału Inżynierii Lądowej, III (III). Instytut Inżynierii Budowlanej Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2013, pp. 137-144, ISBN 978-83-7814-157-0
Powyższy tekst jest obszernym fragmentem artykułu: Kacprzyk Zbigniew (2014) Idea BIM - nowa jakość kosztorysowania. Budownictwo i Prawo, 3 (71). pp. 28-33. ISSN 1428-8516
Zbigniew Kacprzyk