Цифровая информационная модель (ЦИМ) в строительстве

Строительство давно вышло за рамки бумажных чертежей и простых CAD-файлов. Сегодня во главе угла стоит Цифровая информационная модель (ЦИМ) — технологическое ядро информационного моделирования (BIM). Это структурированная база данных, которая сопровождает здание от первой идеи архитектора до момента сноса.

Что такое цифровая информационная модель

По нормативным определениям, ЦИМ — это совокупность взаимосвязанных сведений, документов и материалов об объекте, которые сформированы в электронном виде при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации.

Чтобы понять суть цифровой модели, ее надо сравнить с традиционными методами.

1. Параметризация — это когда у каждого элемента (окно, свая, кабель) есть параметры. Если, например, изменить толщину стены, программа автоматически передвинет связанные с ней дверные коробки, пересчитает объем бетона в спецификации и изменит площадь помещения.
2. Объектный подход — это когда в CAD-системах стена представлена в виде двух параллельных линий. В ЦИМ стена — это объект, который «понимает» свои границы, объем, материал и, как он должен стыковаться с перекрытием или кровлей.
3. В классическом проектировании планы, разрезы и спецификации — это разные файлы. В ЦИМ это разные проекции одной и той же базы данных. Если информация изменена в модели, она тут же обновляется на чертежах и в таблицах.

Цифровая информационная модель — не статичный файл, который сдается один раз. Она эволюционирует. На этапе изысканий это цифровая модель местности (рельеф и геология). На этапе проектирования она обрастает архитектурными и инженерными решениями. На этапе строительства в нее вносятся данные о фактических отклонениях и исполнительная документация. На этапе эксплуатации она становится интерфейсом для управления зданием.

Из чего состоит цифровая информационная модель

Содержание ЦИМ можно рассматривать через несколько групп данных: объектно-пространственное представление, параметры элементов, связи между объектами и документы, которые входят в информационную модель ОКС.

Графические данные — это видимая часть модели, которая описывает физическую форму объекта. К ним относятся:

• элементы конструкции: стены, колонны, перекрытия, балки, лестницы.
• инженерные системы.
• цифровая модель местности, дороги, малые архитектурные формы (МАФ) и элементы благоустройства.
• невидимые, но важные объемы помещений и зон, которые используются для расчетов инсоляции, климата и пожарной безопасности.

Пространственные объекты помогают выполнять расчеты инсоляции, микроклимата, эвакуации, пожарных отсеков и инженерных систем.

Неграфические данные раскрывают свойства элементов. Именно они превращают трехмерную модель в информационную базу. К таким данным относятся идентификаторы, параметры материалов, количественные показатели, статус элемента и эксплуатационные характеристики:

Цифровая информационная модель объекта капитального строительства строится как система взаимосвязанных элементов. Например, окно может быть связано со стеной, помещение — с этажом, секцией или функциональной зоной, оборудование — с инженерной системой. В инженерных сетях дополнительно задаются соединения, направление движения среды, расчетные параметры и характеристики оборудования. За счет этих связей модель используется не только для визуализации, но и для проверки решений, подсчета объемов, координации разделов и передачи данных между участниками проекта.

Отдельно стоит учитывать документацию. В составе информационной модели ОКС рядом с ЦИМ размещаются электронные документы и материалы. По современным стандартам цифровая модель считается полноценной тогда, когда она связана с информационным контейнером, содержащим чертежи, спецификации и акты. Сюда входят планы, разрезы и фасады, таблицы, которые собирают данные из свойств объектов (например, ведомость расхода металлопрофиля или спецификация оборудования). К элементам модели могут быть привязаны PDF-сертификаты, акты скрытых работ, результаты лазерного сканирования и фотографии с объекта.

Как создается трехмерная модель: этапы и участники

Создание цифровой модели объекта — это переход от идей и цифр к виртуальному прототипу. Процесс жестко регламентируется планом реализации проекта.

Этапы создания ЦИМ

В первую очередь проводится подготовка и сбор данных. На этом этапе создается Цифровая модель местности (ЦММ) на основе геодезической съемки или лазерного сканирования. Устанавливаются единые координаты (нулевая точка), чтобы модели разных разделов «сошлись» в одном пространстве.

Далее проводится эскизное моделирование. Создаются предварительные объемные модели зданий для оценки посадки на участок, инсоляции и общей площади. Здесь закладываются основные технико-экономические показатели.

Затем разрабатываются дисциплинарные модели. Специалисты разных профилей работают в своих файлах. Архитекторы моделируют стены и перекрытия, конструкторы каркас и армирование, инженеры трубы и кабели. Элементы наполняются марками, материалами, мощностями.

Следующее — сборка сводной модели, когда файлы (АР, КР, ИОС) объединяются в одной среде, где можно увидеть объект целиком и обнаружить ошибки, которые незаметны на плоских чертежах.

Проводится автоматизированный поиск пересечений. Например, программа находит место, где вентиляционный короб проходит сквозь несущую балку. Ошибки фиксируются и отправляются на исправление.

Когда геометрия согласована, на основе ЦИМ-модели формируются планы, разрезы и спецификации. Она получает статус «Согласовано» и может передаваться на стройплощадку.

Участники процесса и их роли

Уровни детализации ЦИМ (LOD)

Понятие LOD объединяет два показателя: графическую проработку (LOG — Level of Geometry) и информационную насыщенность (LOI — Level of Information). Использование этой шкалы помогает заказчику и проектировщику договориться, насколько «глубокой» должна быть модель на конкретном этапе.

Основные уровни детализации по международным и российским стандартам такие:

• LOD 100 — модель, в которой элементы представлены в виде объемных эскизов: кубы, параллелепипеды, общие контуры здания. Также здесь представлена примерная площадь, объем, функциональное назначение.
• LOD 200 — эскизная модель, в которой элемент представлен графически с примерными размерами и формой. У стен появляется толщина, у окон проемы, у оборудования габаритные размеры. Также обозначаются типы элементов, например, «наружная стена» и ее материалы.
• LOD 300 — проектная модель, в которой элемент графически соответствует объекту по размерам и положению. Здесь указывается геометрия, привязка к осям и отметкам этажей. Дополнение: конкретный материал, марка изделия, артикул, основные технические характеристики.
• LOD 350 — промежуточный уровень, в который добавляются элементы взаимодействия со смежными системами (опоры труб, закладные детали, узлы примыкания стен).
• LOD 400 — рабочая модель, которая нужна для производства и монтажа. Здесь отражаются армирование бетона, болтовые соединения, фитинги, сварные швы. А также данные о закупках, графики поставки, ведомости материалов.
• LOD 500 — эксплуатационная модель, которая отражает фактическое состояние объекта после завершения строительства. Геометрия может соответствовать LOD 300 или 400, но она скорректирована по результатам исполнительной съемки. Здесь указываются серийные номера установленного оборудования, даты монтажа, контакты поставщиков, ссылки на акты приемки и инструкции по эксплуатации.

Жизненный цикл объекта и роль ЦИМ на каждом этапе

Роль модели меняется по мере жизни здания. На этапе инициации и предпроекта закладывается основа будущей системы данных. Проверяется соответствие объекта градостроительному контексту, рассчитываются инсоляции, анализируется объем земляных работ на основе цифровой модели местности. Заказчик получает точные цифры по площадям еще до начала проектирования.

Проектирование (BIM 3D) — это когда цифровая модель объекта капитального строительства наполняется геометрией и атрибутами. Создается виртуальный прототип. Синхронизируются работы архитекторов, конструкторов и инженеров в среде общих данных. Находятся и исправляются ошибки. И в итоге — выпускается проектная и рабочая документации.

В модель добавляется параметр времени, который определяет планирование строительства. Каждый элемент модели привязывается к календарному графику производства работ. Запускается визуализация строительства, где можно увидеть, не возникнет ли простоев, вовремя ли придут стройматериалы и хватит ли места для работы двух кранов одновременно.

Затем модель используется для расчетов стоимости. Модель содержит точные объемы материалов, поэтому сметы генерируются автоматически. Такой формат помогает быстрее обновлять расчеты при изменениях в проекте, сравнивать плановые и фактические показатели, а также прозрачнее оценивать стоимость решений для заказчика.

Далее модель переходит из офиса на стройплощадку, где строители используют планшеты с доступом для уточнения сложных узлов. Выполненные работы фиксируются в ЦИМ. С помощью лазерного сканирования фактическое положение стен сравнивается с проектным — так создается база для «исполнительной модели».

На этапе эксплуатации и управления модель используют управляющая компания, инженерная служба или иной технический персонал. По ЦИМ можно видеть, когда требуется заменить фильтры в вентиляции или где в стене проходит скрытый кабель. При интеграции с датчиками и системами мониторинга модель может отображать температуру в помещениях, протечки, аварийные сигналы и другие параметры здания.

Реконструкция и демонтаж — это конец жизненного цикла, при котором оценивается безопасность и экологичность. На основе модели рассчитывается объем строительного мусора, моделируется безопасная последовательность разборки конструкций.

Требования к моделям

Требования можно разделить на четыре блока: технические, информационные, геометрические и координационные.

Координационные и технические обеспечивают сборку и работоспособность модели. Архитекторы, конструкторы, инженеры должны использовать общую точку привязки и ориентацию по северу. Существуют требования по разбивке по секциям, этажам или дисциплинам, чтобы обеспечить скорость работы ПО.

Геометрические определяют, как объект выглядит и как он соотносится с реальностью. То есть, насколько детально проработаны элементы. В модели не должно быть «наложенных» друг на друга элементов.

Информационные определяют набор атрибутов, которые должны быть заполнены. Например, для окна это: материал рамы, коэффициент теплопередачи, предел огнестойкости и ссылка на сертификат. Каждому элементу присваивается код из классификатора (например, по КСИ — Классификатору строительной информации).

Проверка и контроль на соответствие требованиям

Контроль разделяется на уровни: от самопроверки проектировщиком до аудита специализированным софтом.

Визуальный контроль выполняет автор модели (архитектор или инженер) перед передачей файла координатору.

Автоматизированный аудит — когда с помощью программ сводная модель проверяется на геометрические пересечения. Проверяются расстояния, например, достаточно ли места вокруг щитового оборудования для его обслуживания или выдержано ли расстояние между кабелем и газовой трубой.

Проверяется информационное наполнение, например, если в требованиях (EIR) указано, что у каждого насоса должен быть серийный номер и мощность, система проверяет наличие этих данных. Для этого используются скрипты (например, на Dynamo или Python), которые анализируют тысячи элементов за секунды и выдают отчет о пустых полях. Также контролируется, всем ли элементам присвоены коды по классификатору строительной информации.

Также проводится аудит модели ЦИМ на соблюдение правил моделирования, прописанных в BEP. То есть, находится ли она в проектных координатах, правильны ли наименования слоев, семейств и типов.

Проверяется ЦИМ на соответствие нормативным документам. В основном это касается путей эвакуации, наличие нормативного количества парковочных мест или доступность среды для маломобильных групп населения.

Что дает ЦИМ участникам проекта

Выгоды от использования информационной модели специфичны для каждого специалиста, но общим результатом является создание «единого поля доверия», где данные не подвергаются сомнению.

Заказчик получает контроль над деньгами и сроками.

• Погрешность в сметах может снижаться с типичных 10–15% до 1–3%.
• Проектные ошибки устраняются до начала стройки. По статистике, использование ЦИМ сокращает срок реализации проекта на 10–20%.
• Заказчик в любой момент видит реальный прогресс — какие элементы смонтированы, а какие находятся в закупке.
• По завершении строительства инвестор получает готовую базу данных для управления зданием.

Для инженеров и архитекторов цифровая информационная модель (ЦИМ) — это инструмент качества и автоматизации рутины. Они видят работу друг друга в реальном времени. Чертежи, спецификации и ведомости генерируются из модели. Есть возможность проработать несколько вариантов проекта и выбрать оптимальный по энергоэффективности или стоимости.

ЦИМ в строительстве — это навигатор и инструмент защиты от рисков. Подрядчик заказывает ровно столько каждого материала, сколько заложено в модели. Сложные узлы можно изучить в 3D на планшете перед началом работ, а не пытаться «разобраться по месту». То есть она переносит решение проблем со стройплощадки в офис.

Для тех, кто будет обслуживать здание модель поможет найти место пролегания трубы за фальшстеной или узнать артикул сломавшегося насоса (не нужно искать бумажные чертежи в архиве). Кроме того, система автоматически напоминает о необходимости регламентных работ.

Частые ошибки при работе с 3D-моделями

Одна из распространенных ошибок у начинающих BIM-специалистов — избыточная детализация. То есть проводится моделирование элементов, которые не несут полезной информации для текущего этапа. Например, отрисовка сложных декоративных элементов фасада.

Другая ошибка — игнорирование атрибутов. То есть элементы созданы, но у них не заполнены параметры. Такую модель невозможно использовать для автоматического расчета смет и заказа материалов.

Отдельная группа ошибок связана с координацией. Если архитекторы, конструкторы и инженеры начинают работу в разных локальных координатах и заранее не согласовывают базовую точку, уровни и ориентацию модели, разделы затем плохо совмещаются между собой.

Серьезные проблемы создают и «непараметрические» объекты. Это когда используются простые 3D-формы вместо системных семейств. Например, когда стена формируется как «произвольная форма», а не как объект «Стена». Такие объекты не учитываются в спецификациях, не реагируют на изменение уровней этажей и их сложно редактировать.

Еще один риск — дублирование элементов, например, два одинаковых окна в одном проеме или две плиты перекрытия одна в другой. Визуально это незаметно, но в данных ошибка налицо. Ведомость материалов покажет в два раза больше бетона или арматуры, чем нужно. Это ведет к завышению сметы и конфликтам с заказчиком.

Чек-лист: что проверить перед разработкой ЦИМ

• Подготовлены ли инженерные изыскания и актуальная топографическая основа
• Определены ли цели создания модели и состав требуемых разделов
• Согласованы ли единые координаты и система уровней для всех участников
• Определен ли требуемый уровень детализации модели для каждой стадии проекта
• Проверены ли требования экспертизы и заказчика к формату передачи данных
• Настроены ли правила работы со сводной моделью и проверки коллизий
• Утвержден ли перечень обязательных атрибутов для элементов модели
• Проверена ли совместимость библиотек, классификаторов и IFC-форматов
• Назначены ли ответственные за координацию и актуализацию модели

Цифровая информационная модель постепенно становится базовым инструментом современного строительства. По мере развития технологий и нормативной базы роль ЦИМ будет только усиливаться — от проектирования отдельных зданий до управления городской инфраструктурой и жизненным циклом объектов капитального строительства.