29.01.2016

Системное объединение BIM-технологий и моделей геодинамических рисков в строительной сфере

Авторы: Минаев В.А., д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник Регионального учебно-научного центра «Безопасность» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Мохов А.И., д.т.н., профессор, директор Института управления устойчивым развитием территорий Государственной академии Минстроя РФ. Фаддеев А.О., д.т.н., профессор, профессор Рязанского государственного радиотехнического университета.


Информационное моделирование в строительстве (BIM-технологии) – новая технология информационного сопровождения строительного объекта. Моделирование строительного объекта позволяет уточнить влияние производимых в нем изменений и рисков (включая геодинамические) на всех этапах жизненного цикла.

Охватываемые информационным моделированием объекты, имеющие отношение к этому жизненному циклу, в настоящее время включают продукцию, оборудование здания, технологическую платформу, само здание, инженерные, транспортные сети и системы коммуникации зданий. Перечисленные объекты являются элементами описываемой в статье семислойной модели комплексного объекта переустройства.

Модель расширяет возможности внедрения инновационных технологий, позволяя составить целостное представление о размерах, направлениях и рисках инвестирования, следовательно, и определения реального объема затрат на реализацию объекта.

РесурсыBIM-технологий, обеспечивающие взаимосвязь большинства элементов комплексного объекта переустройства, распространены на такой его элемент, как территория расположения строительного объекта.

Территория расположения объекта при ее информационном моделировании представляется набором данных, аналитическая обработка которых обеспечивает комплексный прогноз изменений слоев объекта переустройства и инвестирования во времени и пространстве.


BIM-технологии как инструмент инвестиционных решений


Комплексные объекты переустройства (КОП) становятся важным инструментом формирования обоснованных экономических решений при оценке возможностей внедрения инновационных технологий [1].

Модель КОП в условиях модернизации промышленного предприятия за счет внедрения CALS-технологий

Примером такого применения можно назвать приведенный в работе [2] анализCALS-технологий. CALS – это аббревиатура от английских слов (Continuous Acquisition and Lifecycle Support), что переводится как «непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла (продукции)» [3]. CALS-технологии – перспективное направление, имеющее целью повышение производительности труда и качества продукции промышленных предприятий. Они направлены на значительное сокращение сроков вывода новых изделий в производство.

На рисунке 1, взятом из работы[2],слои модели КОК, задействованные во внедренииCALS-технологий,выделены тональной подсветкой. Отметим, что слои 1 и 7 КОП не задействованы в процессе моделирования, поскольку вCALS-технологиях не предусмотрены инвесторы при развитии этих слоев.

Отсутствие полной кооперации заинтересованных сторон проекта может привести к неуспеху его реализации. Объединить все слои КОП (в частности, слоя 7 – «территория расположения здания») в процессе реализацииCALS-технологий представляется возможным при применении одной из современных технологий информационного моделирования зданий –BIM-технологий.BIM– аббревиатура от английских слов «BuildingInformationModeling» [4].

Идея BIM родилась в 70-х годах ХХ века и с тех пор активно развивается. В стандарте NBIMS (Национальный стандарт BIM в США) содержится следующее определение этой технологии: «Информационная модель здания (BIM) является физическим и функциональным отображением сооружения. Модель BIM – это общий источник информации, помогающий принимать ответственные решения и сопровождающий весь жизненный цикл сооружения от концепции до сноса» [2].

BIM-технологии относятся к семействуCALS-технологий, но в отличие от других представителей этого семейства оперируют с наглядным (инфографическим) представлением моделей. Инфографическая модель – это информационная модель объекта (предмета или процесса), которую задают в терминах геометрии и графики (образы абстрактного пространства, фигуры и тела реального пространства и т.д.) [5]. Такое представление позволяет на точное описание формы объекта накладывать различные интерпретации его функционального наполнения.

Перед CAD, широко распространенном в строительном проектировании, BIM имеет два главных преимущества:

1. Модели и объекты управления BIM – это не просто графические объекты, это информация, позволяющая автоматически создавать чертежи и отчёты, выполнять анализ проекта, моделировать график выполнения работ и эксплуатации объектов и т.д., предоставляющая строителям новые возможности для принятия наилучшего решения с учётом всех имеющихся данных.

2. BIM поддерживает распределённые группы, поэтому люди, инструменты и задачи могут эффективно и совместно использовать эту информацию на протяжении всего жизненного цикла здания, что исключает избыточность, повторный ввод и потерю данных, ошибки при их передаче и преобразовании.

Заметим, что трёхмерные (3D) модели используются в целях визуализации объектов уже давно, но информационная база поддержки и профессиональная открытость, необходимые для BIM-моделей и их баз данных, доступных для широких кругов заинтересованных специалистов,возникла только в последние годы [3].

Модель комплексного объединения жизненных циклов здания и его оборудования

BIM представляет собой комплексную программу, использующую трехмерную единую для модели и инструментов базу, пополняемую и совершенствующуюся в процессе проектирования.Основой технологии BIM является создание единой интегрированной информационной среды общих данных CDE (Common Data Environment).

Данные для технологииBIM выбирают заданием поточечного представления объекта, полученные, например, путем проведения измерений и задающие параметрическую модель здания, которая объединяет 3D-модель и внешние данные. Причем каждому элементу модели можно присвоить дополнительные атрибуты. Особенность такого подхода заключается в том, что строительный объект проектируется фактически как системное целое. Изменение какого-либо его параметра влечёт за собой автоматическое изменение остальных связанных с ним параметров, объектов и документального сопровождения, вплоть до уровня чертежей, визуализаций, спецификаций и календарного графика.


Основные этапы информационного моделирования


Использование технологии BIM предполагает работу непосредственно с моделью здания из любого вида (планы, разрезы, спецификации) с возможностью внесения автоматически синхронизируемых изменений. Модель за счет наличия взаимозависимости всех элементов корректно обновляется и позволяет автоматически формировать актуализированную проектную документацию.

Основными задачами, решаемыми внедрениемBIM-технологии, являются:

- повышение качества выпускаемой проектной документации и сокращение сроков проектирования;

- работа с единой базой данных об объекте и получение объективной информации о нем;

- оперирование с наглядной моделью;

- повышение степени координации участников проектного и строительного процесса;

- повышение эффективности используемого программного обеспечения.

Информационное моделирование здания – это новый подход к возведению, оснащению, обеспечению эксплуатации и ремонта здания (т.е. к управлению жизненным циклом объекта), что предполагает комплексные сбор и обработку в процессе проектирования всей архитектурно-конструкторской, технологической, экономической и иной информации о здании со всеми её взаимосвязями и зависимостями, когда здание и все, что имеет к нему отношение, рассматриваются как единый объект, в нашем случае это комплексный объект капитализации. Комплексное объединение жизненных циклов различных взаимодействующих объектов, находящихся в единой системе [6], представлено на рисунке 2. Жизненный цикл здания, обеспеченныйBIM-технологиями [4], представлен на рисунке 3 в объединении с жизненным циклом территории.

Посредством создания точной цифровой информационной модели объекта интегрированная информационная среда общих данных (CDE) дает возможность всем участникам инвестиционно-строительного процесса согласно регламенту получать и обмениваться нужной информацией об объекте строительства/проектирования/модернизации в любой момент времени. За счет CDE технологияBIM позволяет инвестору контролировать использование и расходование средств на всех этапах реализации проекта здания, а объединение с циклом жизни территории позволяет учесть вносимые изменением характеристик территории перемены в параметрах здания и наоборот.


Моделирование геодинамических рисков


Территория расположения здания в зависимости от ее географической привязки, климата и других факторов требует проведения дополнительных исследований для обеспечения его безопасного построения и эксплуатации.

Известно [7], что в последние годы число опасных крупных техногенных катастроф и опасных природных явлений неуклонно растет. Риски чрезвычайных ситуаций (ЧС), возникающие в процессе хозяйственной деятельности, глобальных земных изменений, несут значительную угрозу для зданий и сооружений.

Согласно данным Центра «Антистихия» МЧС России наибольший риск обрушения зданий и сооружений прогнозируется на территориях Дальневосточного (Камчатский край, Магаданская, Амурская области, Якутия), Сибирского (Республики Бурятия, Тыва, Алтай, Иркутская область), Уральского (Тюменская область, Ямало-Ненецкий и Ханты-Мансийский автономные округа), Северо-Западного (Архангельская область, Коми), Центрального (Тульская область), Южного (Астраханская область),Северокавказского (Дагестан, Чечня, Ингушетия), Крымского федеральных округов и города Севастополь [7].

Для определения изменений в зданиях и территории их расположения используют мониторинг каждого из объектов.Число контролируемых параметров при мониторинге определяется ГОСТ 26433.2-94 и включает в себя группы, каждая из которых содержит десятки параметров, например, линейные размеры, угловые размеры, отклонения от совмещения ориентиров, совпадения осей, симметричности установки, совпадения поверхностей и т.д. Фиксация таких данных определяет изменения в функционировании наиболее уязвимых элементов: строительных конструкций, инженерных сетей и т.д.

Угрозы безопасности также связаны с жизненными циклами здания, сооружения и территории его расположения, с износом инженерных, транспортных сетей и систем коммуникации зданий.

Так, например, высокий риск обрушения автомобильных мостов прогнозируется в Башкирии, Кабардино-Балкарии, Ингушетии, Чечне, Республике Алтай, Тыве, Приморском, Алтайском, Краснодарском краях, Тюменской, Магаданской, Калининградской, Архангельской, Кировской, Нижегородской, Пензенской, Оренбургской, Тверской, Северо-Костромской, Орловской, Тульской, Рязанской областях, а также в Москве и Ненецком автономном округе [7]. Местоположения разрушений зданий и сооружений на конкретной территории могут быть с достаточной точностью определены на основе расчетов с использованием моделей геодинамических рисков. Основная идея, положенная в основу таких моделей, связана с описанием, анализом и оценкой сейсмо-деформационных процессов в территориально-динамическом аспекте [8-13].

Основное средство борьбы с угрозами такого рода заключается в проведении мониторинга каждого из названных объектов. Причем результатом мониторинга может стать принятие решения об укреплении территории расположения здания, фундамента здания, усилении конструкции здания путем применения современных технологий модернизации строительных объектов [14]. В частности, может быть применена технология «интеллектуального здания», на основе которой организуется структурированная система мониторинга и управления инженерным оборудованием. Эта система должна обеспечивать контроль следующих основных дестабилизирующих факторов:

– нарушения в системе отопления, подачи холодной и горячей воды, вызванные выходом из строя инженерного оборудования на центральных тепловых пунктах, в котельных, а также авариями на трубопроводах и неисправностями в приборах отопления;

– нарушения в подаче электроэнергии;

– отказы в работе лифтового оборудования;

– возникновение пожароопасных ситуаций;

– повышение уровня радиационных и отравляющих веществ;

– затопление помещений, дренажных систем и технологических приямков;

– утечка газа;

– отклонение от нормативных параметров производственных процессов, способных привести к возникновению чрезвычайных ситуаций.

Выявление названных факторов обуславливает принятие решений об оперативном отключении неисправного участка системы инженерных коммуникаций и осуществлении работ по устранению неисправности и восстановлению утраченной функции здания, относящихся к таким видам переустройства, как ремонт, реконструкция, реставрация [14].

Организационно-технологические решения, направленные на сохранение и восстановление функций зданий, сооружений на этапе переустройства, должны предусмотреть применение средств защиты функционального ресурса здания, контроля за параметрами технологического процесса, обеспечивающего аварийное отключение оборудования, остановку технологического процесса и своевременное получение информации о возникновении опасных ситуаций.


Геоинформационные системы


Заметим, что на 2-7 слоях КОП технологияBIMоблегчает создание геоинформационной системы (ГИС), которая способна оперировать максимально подробной информацией об указанных слоях и поддерживать принятие инвестиционных решений.

Разработка ГИС КОП дает возможность инвесторам иметь точное представление о готовности слоёв КОП к вложениям материально-финансовых средств. При этом каждый инвестор может по отдельности инвестировать только в свой переустраиваемый слой, однако в итоге вся модель КОП, наполняясь информацией по слоям, позволит иметь точное представление о состоянии проекта переустройства к инвестированию.

Формирование пространственной информации о каждом из 2-7 слоев КОПBIM-технология позволяет наряду с традиционными методами геодезических изысканий применять высокопроизводительные измерительные системы (ВИС) наземного и воздушного мобильного лазерного сканирования, которые на сегодняшний день являются одними из самых эффективных методов сбора и регистрации пространственных данных. Результатом лазерного сканирования являются так называемые облака точек, которые наряду с другими источниками информации об объекте модернизации (чертежи, рисунки, фотографии, видео, имеющиеся базы данных и др.) являются исходными данными для создания информационных моделей слоев КОП, а также геодинамических моделей рисков строительства и модернизации.

Заметим, что на сегодняшний день без дополнительного инвестирования в разработку специализированного ПО задействовать все слои КОП и построить адекватные модели геодинамических рисков не представляется возможным.BIM-технология делает возможным в краткосрочной перспективе решить локальные задачи по каждому из слоев модели КОП, а в долгосрочной – задействовать все слои КОП.

В нашей стране за последние пять лет технология информационного моделирования в области строительства и проектированиягражданских и промышленных объектов получила широкое распространение. Все больше компаний как государственных, так и частных вкладывают средства в модернизацию своих активов для внедрения технологииBIMна всех этапах жизненного цикла сооружения. ТехнологияBIMполучила поддержку и на государственном уровне:принят план поэтапного внедрения технологий BIM в области промышленного и гражданского строительства, утвержденный приказом Минстроя России № 926/пр от 29 декабря 2014 года [15].

Модель комплексного объединения жизненных циклов здания и территории его расположения

Представляется, что системное объединение возможностейBIM-технологий и моделей геодинамических рисков даст возможность на принципиально новом уровне проектировать, строить и эксплуатировать современные здания и сооружения, осуществлять мониторинг их безопасности.


Литература

1. Светлаков В.И., Мохов А.И. Модель цикла комплексного развития территории // Интернет-журнал «Науковедение». М., №2 (11) 2012 г. – 0421100136.

2. Мохов А.И. Модели модернизации промышленных предприятий // В кн. Инновационные процессы в российской экономике. Коллективная монография / Под ред. Веселовского М.Я., Кировой И.В. М.: Издательство «Научный консультант». 2016. 340 с.

3. NBIMS – Национальный Стандарт BIM в США.

4. http://opinionbuilders.com/ru/bim/

5. Чулков В.О. Инфография. Курс лекций. М.: МИСИ, 1991. Кн. 1 и 2. Части 1 и 2. 455 с., илл.

6. Косоруков Ю.Д., Фатеев А., Светлаков В.И., Табаков С.А.Ресурсы BIM-технологий для расширения представления о комплексных объектах капитализации/ Интернет-журнал «Ресурсы и отходы». М., № 2. 2015 г.

7. https://news.mail.ru/incident/24408983/?frommail=1

8. Минаев В.А., Фаддеев А.О., Топольский Н.Г. и др. / Моделирование геодинамических рисков в чрезвычайных ситуациях. Хабаровск. Изд-во ДВЮИ МВД России. 2014. 123 с.

9. Минаев В.А., Фаддеев А.О., Топольский Н.Г. и др. Строительство без катастроф: учет геодинамических рисков // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». Выпуск № 1 (53), март 2014.http://ipb.mos.ru/.

10. Минаев В.А., Фаддеев А.О., Абрамова А.В. Разломно-узловая тектоническая модель оценки геодинамической устойчивости территориальных систем //Проблемы управления рисками в техносфере. 2014,№ 1(29). С. 90-99.

11. Минаев В.А., Фаддеев А.О., Абрамова А.В., Павлова С.А. Обобщенная вероятностная модель для оценки геодинамической устойчивости территорий //Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». Выпуск № 5 (51), октябрь 2013.http://academygps.ru/img/UNK/asit/ttb/2013-5/17-05-13.ttb.pdf.

12. Минаев В.А., Фаддеев А.О., Данилов Р.М. Математическое моделирование рисков геодинамического происхождения // Спецтехника и связь, 2011, № 1. С. 48-52.

13. Минаев В.А., Фаддеев А.О. Моделирование геоэкологического риска // Спецтехника и связь. 2009, № 2. С. 24-30.

14. Мохов А.И. Системотехника и комплексотехника строительного переустройства // Переустройство. Организационно-антропотехническая надежность строительства. М.: СвР-АРГУС, 2005. С. 129-163.

15.http://www.minstroyrf.ru/upload/iblock/383/prikaz-926pr.pdf


Архив журнала "Управление развитием территории", № 1/2016 г.