BIM-технологии. Информационное моделирование климатических систем


Автоматизация и цифровизация медленно, но верно проникают в проектную отрасль. Если первые расчетные программы предназначались для помощи инженерам, то современное программное обеспечение, судя по всему, стремится заменить человека. Роль последнего постепенно сводится лишь к контролю над действиями программы. Впрочем, творческое начало компьютеры пока не обрели. Но обо всем по порядку.

Вычислительная техника находится на службе человека достаточно давно. С появлением первых калькуляторов человек перестал складывать и умножать в столбик, отложил в сторону логарифмическую линейку. С тех пор компьютер все глубже проникал в трудовую жизнь типичного инженера, и нынешний бум BIM‑технологий — ​лишь один из этапов этого пути. Но для его понимания и принятия следует обратиться к истории, а где-то даже и к психологии.

Этапы автоматизации процесса проектирования

История повторялась, повторяется и впредь будет повторяться. Я хорошо помню рассказы старшего поколения о специалистах, которые считали вручную при помощи логарифмической линейки быстрее, чем я сейчас на калькуляторе. Человеку свойственно соревноваться с техникой, и только время способно наглядно показать, кто выиграл. В случае с калькулятором очевидно, что некоторые умельцы до сих пор способны опередить технику, но в среднем по планете победил, безусловно, калькулятор.

Первые расчетные программы, написанные, как правило, в виде формул в Microsoft Excel, предназначались для расчета сечения воздуховодов и трубопроводов по скорости потока, соответственно, воздуха или воды. Впоследствии появились программы расчета систем дымоудаления, таблицы воздухообмена в помещениях, программы расчета теплоизбытков и другие. Некоторые из них оказались действительно полезными и практически не вызывали нареканий. К другим относились с пренебрежением.

Изучая эволюцию инженерного программного обеспечения, важно понять, почему одни программы заслужили уважение, а другие нет. Опыт показывает, что отношение к вспомогательным инструментам, которыми мог бы пользоваться человек, во многом формируется по двум критериям — ​степени формализации и гибкости. Рассмотрим их по отдельности.

Формализм программ

Под степенью формализации подразумевается, как много условий должен выполнить человек, чтобы инструмент наконец начал помогать ему. Иными словами, этот критерий можно назвать ценой помощи.

Вспомните любую из программ расчета теплоизбытков в помещении. Их не любил никто. В первую очередь потому, что они требовали указать слишком много параметров — ​материал, толщину, длину и высоту стен; толщину, количество, ширину и высоту стекол в окне, характеристики электроприборов и многое другое. Никто из инженеров не знал, однослойная ли у здания кирпичная кладка или двухслойная, четырехмиллиметровое стекло в окне или шестимиллиметровое, а потому многие параметры указывались случайным образом. Как результат — работа с такой программой скорее раздражала, чем приносила пользу.

Инженеру было проще умножить площадь помещения на средние удельные теплоизбытки — ​100 ватт на квадратный метр — ​и получить необходимую мощность кондиционера. Если в комнате было большое окно или оно выходило на южную сторону, площадь умножалась на 120 ватт на квадратный метр, если и то и другое одновременно, то на 150 ватт на квадратный метр. Вот и весь расчет. Но насколько он точен?

Теперь представьте, что, начиная работать с объектом, инженер получает не номер телефона местного дяди Васи, чтобы задать вопрос о толщине стен, а некий сводный файл, в котором толщина и материалы стен и окон, расстановка мебели и компьютеров уже указаны соответствующими специалистами — ​конструкторами, архитекторами, дизайнерами и электриками.

Более того, так как это здание кто-то где-то планирует построить, то в файле уже содержится информация о сторонах света, географических координатах объекта и, вероятно, даже о близлежащих зданиях, в частности, о том, насколько сильно они загораживают от солнца рассматриваемый объект. При этом в программу, которая открывает такой файл, встроен алгоритм расчета теплоизбытков и их величина уже отображена в характеристиках помещения. Ничего рассчитывать, собственно, и не надо.

Именно по такому принципу построена технология BIM‑проектирования. Фактически каждый следующий инженер отталкивается от файла, сформированного на предыдущем этапе, и накладывает свой собственный слой данных по той инженерной системе, за которую он отвечает.

Гибкость программ

Под гибкостью программ понимается, насколько сложно сделать перерасчет системы при изменении тех или иных входных данных. Косвенно здесь также имеют значение скорость такого перерасчета и понимание того, как эти изменения влияют на прочие системы.

Например, в некотором здании из кабинета начальника сделали переговорную. Вместо одного кресла появилось 8 посадочных мест, вместо одного компьютера — ​плазма, проектор и оборудование для видеоконференц-связи. Как это отразится на системах вентиляции и кондиционирования? Насколько сложно будет инженеру внести правки в проект? Повлияют ли они на основное климатическое оборудование?

В ручном режиме, надо полагать, специалист потратит полдня на изменение таблицы воздухообменов, перерисовку воздуховодов, добавление решеток и пересчет кондиционеров. В специализированной среде проектирования такие изменения займут меньше времени, так как часть процесса автоматизирована, а извечная головная боль инженеров — ​актуализация спецификации и вовсе выполнится автоматически.

Но ведь можно представить ситуацию, когда один проектировщик вносит правки в свой слой того самого сводного файла, а у другого инженера тут же появляется уведомление о том, как именно это отразится на его системах. Если дизайнер установил 8 рабочих мест вместо одного, то проектировщику систем вентиляции будет автоматически предложен вариант системы с увеличенным расходом приточного воздуха, увеличенным сечением воздуховодов и обновленной спецификацией. А если новый воздуховод будет «наползать» на стены, возникнет соответствующее уведомление.

И вновь мы пришли к тому принципу организации процесса проектирования, который заложен в концепцию BIM, — ​принципу гибкости и взаимосвязи, когда какое-либо изменение в одной системе находит мгновенное отражение в другой.

Что же такое BIM‑технология?

BIM расшифровывается как «Building Information Modeling», или «Building Information Model» — ​информационное моделирование здания или информационная модель здания. В современном виде понятие BIM закрепилось в 1992 году, однако его истоки берут начало в середине 1970-х. В те годы в США были попытки сформировать так называемую систему описания здания (BDS — Building Description System). Вскоре этой концепцией заинтересовались в Европе, где стали появляться схожие термины, которые в итоге и привели к аббревиатуре BIM.

Информационное моделирование подразумевает управление всем жизненным циклом здания — ​его строительством, оснащением и эксплуатацией. При этом информация обо всех материалах и элементах, а также об их взаимосвязях и взаимозависимостях хранится в едином месте — ​цифровой модели.

Важно отметить, что под информацией понимается не просто спецификация оборудования и материалов. Это и габариты оборудования, и его местоположение внутри здания, и технические характеристики, а также стоимость закупки, потребляемый расход воды и электроэнергии, дата установки и прочие данные.

Очевидно, что для корректного функционирования информационной модели здания в электронный вид должны быть перенесены все виды оборудования и материалов всех марок, производителей и типоразмеров. На первый взгляд это кажется невыполнимой задачей. В то же время следует ожидать, что в будущем без наличия таких моделей производитель просто не сможет выйти на рынок.

Если ранее созданием таких моделей занимались в основном энтузиасты, то сегодня сами производители заинтересованы в том, чтобы самостоятельно и наиболее качественно подготовить их. Впрочем, для них этот процесс не составит труда, поскольку те же производители кондиционеров еще на этапе проектирования агрегата имеют его цифровую модель.

Распространенные заблуждения

BIM — ​это не компьютерная программа конкретного производителя. Информационное моделирование — ​это подход, этап развития сферы проектирования и эксплуатации здания. Упрощенно можно принять, что изначально проекты выполнялись от руки, позже они обрели электронный вид, а в настоящий момент обретают цифровой вид. Реализуется этот подход через конкретные программы, такие, как ArchiCAD, MagiCAD, Revit, и другие.

Иными словами, BIM — ​это концепция, набор положений, видение того, как должен выглядеть комплексный подход к построению и эксплуатации зданий. Для разработчиков программного обеспечения этот набор положений фактически представляет собой техническое задание, то есть перечень требований, какой именно функционал должен иметь программный продукт.

BIM не заменяет человека. Информационная модель здания создается человеком, им же и редактируется. Эти процессы требуют работы все тех же специалистов, но методы их работы существенно трансформируются, о чем будет сказано ниже.

BIM не приходит на смену привычным чертежам и планировкам, а скорее является развитием этого метода проектирования. Основной задачей становится не начертить линию на планировке, а установить требуемый элемент в трехмерной модели здания и наделить его нужными характеристиками. Привычные чертежи при этом являются не целью, а одной из форм представления информационной модели на бумаге. Соответственно в ближайшем будущем следует ожидать появления нового поколения инженеров — ​тех, которые будут мыслить на уровне информационных моделей, а не на уровне планировок.

Наконец, нельзя сказать, что BIM полностью автоматизирует или сильно упрощает процесс проектирования. Выгоду получают те, кто уделил время обучению работе с BIM‑технологиями. Затраты времени несколько выше на начальном этапе проектирования, но заметно ниже в последующем — ​в ходе формирования комплекта рабочей документации и при внесении изменений в нее. Особенно это заметно на крупных объектах, при проектировании которых возникает множество правок. BIM позволяет заметно упростить процесс корректировки проекта.

Обзор рынка программного обеспечения BIM

В данном обзоре представлено только краткое описание наиболее распространенных программных продуктов, поскольку их возможности в целом схожи, а общая концепция работы с ними приведена отдельно.

Revit

Revit — ​это мощный программный продукт, соответствующий концепции BIM и включающий инструменты для архитекторов, конструктов, строителей и проектировщиков инженерных систем.

Интересной функцией Revit является возможность одновременной работы разных специалистов над одним проектом, реализованная через рабочие наборы — ​коллекцию элементов, относящуюся к определенной инженерной системе. Каждый специалист может видеть смежные рабочие наборы, но изменять он может только свой.

Кроме того, в Revit реализовано и множество других функций — ​расчетные модули, проверка на наличие пересечений, автоматическое формирование планировок, чертежей и разрезов на базе трехмерной модели, автоматическое создание спецификаций и иные функции.

MagiCAD

MagiCAD — ​это устанавливаемая поверх AutoCAD и Revit программа трехмерного проектирования инженерных систем, которая также включает в себя ряд расчетных модулей и обширную базу оборудования и материалов.

На базе MagiCAD можно проектировать не только системы вентиляции, кондиционирования, отопления, водоснабжения и канализации, но и пожаротушения и электроснабжения. Программа способна автоматически выполнять акустический, аэродинамический, гидравлический и другие виды расчетов, выполнять подбор оборудования, производить балансировку систем.

С 2016 года MagiCAD запустила онлайн-библиотеку, содержащую более 1 миллиона компонентов инженерных систем от 250 ведущих производителей. Все модели содержат точные размеры и полный набор технических характеристик. Кроме того, в MagiCAD работают над внедрением нормативных требований — ​автоматизацией расчета систем по той или иной методике, подбором сечений трубопроводов и воздуховодов и иных подобных функций.

AllPlan

AllPlan позиционируется как интеллектуальная платформа, предназначенная для архитекторов, конструкторов и специалистов по инженерным системам, а также для сметчиков. Последнее, кстати, встречается весьма редко, и в AllPlan делают на этом акцент — ​программный комплекс включает в себя сметные расценки на материалы и работы.

Как и Revit, AllPlan позволяет разным людям совместно работать над одним проектом. Кроме того, программа выполняет проверки на пересечения, формирует чертежи и спецификации, учитывает требования ГОСТа и СНиП, имеет библиотеки элементов.

Иной стиль проектирования

Процесс проектирования с использованием BIM‑инструментов существенно отличается от привычного. И здесь стоит подчеркнуть слово «процесс».

Концептуальная часть в целом остается неизменной: проектировщику, как и прежде, следует самому определить количество вентсистем и систем кондиционирования, выбрать места расположения оборудования, определить места прокладки магистральных трасс, установки отводов и размещения решеток.

Но вот механическая часть процесса проектирования изменяется кардинально. Раньше основным инструментом инженера была линия. Из линий на планировке получались воздуховоды, вручную выполнялось их скругление на поворотах, еще некоторое время занимала прорисовка тройника. Из линий формировалось и условное обозначение клапана, фильтра или нагревателя, а потом линиями рисовались выноски с указанием наименования элемента.

В современной среде проектирования BIM все иначе. Работа идет на уровне конкретных элементов, выбранных из базы, и программа, так же как инженер, понимает, что это за элемент, для чего он нужен в системе и как отражается на ее работе. Например, при добавлении в проект конкретной модели нагревателя сразу известно, до какой температуры он нагреет воздух конкретно в этой системе с конкретно таким расходом воздуха. При добавлении фильтра сразу известно, какое сопротивление он создаст и справится ли с ним вентилятор — ​опять-таки конкретно в этой системе с конкретно таким расходом воздуха.

Если проектировщик изменит расход воздуха, все параметры будут пересчитаны автоматически. Если проектировщик передвинет решетку, длина воздуховодов будет пересчитана автоматически и это отразится сразу на всех видах, планировках, разрезах и в спецификации.

Необходимо понимать, что BIM может помочь с выполнением расчетов, может обратить внимание на узкие места в системе, но решение всех принципиальных вопросов остается за человеком.

Например, появление еще одной системы вентиляции ведет к увеличению нагрузки на кабель и автомат. При появлении перегрузки появится соответствующее оповещение, но решать проблему перегрузки программа сама не будет — ​оставит это человеку.

Аналогично, если в ходе проектирования здания в результате каких-либо изменений в помещении возросли теплопритоки, программа будет сигнализировать о недостатке холодильной мощности в помещении, но не будет самостоятельно заменять кондиционер на более мощный, чтобы покрыть избытки тепла.

Проблему снятия излишних теплопритоков должен решить специалист, и, как он это сделает (установит более мощный кондиционер или добавит второй блок в помощь первому), его дело. Но какое бы решение ни принял специалист, программа поможет ему — ​после его действий она автоматически увеличит диаметры труб, что мгновенно отобразится на всех планировках и разрезах, при этом обновится спецификация.

Впрочем, постепенно программы берут на себя функцию советчика и предлагают возможные пути решения проблемы. Вполне вероятно, что постепенно программы научатся решать простые проблемы самостоятельно.

Отметим также, что оценить преимущества BIM можно только при использовании качественных цифровых моделей, а их создание — ​дело весьма кропотливое, поскольку требует указания даже мелких деталей, используемых в системе. Однако вносить изменения в проект окажется проще, поскольку их достаточно внести в одном месте — ​в самой модели. По всем чертежам, схемам и спецификациям эти изменения распространятся автоматически.


В итоге цифровая модель здания способствует более быстрому принятию проектных решений, более точно отслеживает взаимосвязь систем, автоматически формирует чертежи, планы и проектную документацию, позволяет предсказывать эксплуатационные параметры объекта, помогает в процессе строительства и эксплуатации.

Кому нужен BIM

В первую очередь информационное моделирование зданий оправдывает себя при строительстве новых крупных объектов. И это объяснимо — ​новый объект позволяет начать писать цифровую историю здания с нуля. В свою очередь масштабность всегда вызывает массу проблем взаимной увязки инженерных систем и их актуализацию в случае каких-либо изменений, то есть те самые проблемы, с которыми лучше всего справляется концепция BIM.

Применение BIM на малых объектах оправданно в меньшей степени. Однако переход с классического проектирования на информационное моделирование стоит начинать именно с небольших объектов — ​это позволит на малом объеме данных разобраться с концепцией и овладеть азами ее применения.

Внедрение BIM на существующих объектах обоснованно опять-таки в целях обучения, а также в расчете на долгосрочную перспективу. В итоге когда-то отрасль к этому придет в обязательном порядке.

Наконец, в BIM нет никакого смысла на объектах из нескольких помещений, когда ставится задача — в буквальном смысле по-быстрому набросать проект, особенно если проектируется только одна система.

BIM — ​это новый серьезный и комплексный подход к строительству и эксплуатации зданий, который, следовательно, наилучшим образом покажет себя на крупных, сложных и серьезных проектах.

Проектировщик или оператор

Взрывное развитие BIM‑технологий невольно ставит ребром вопрос существования самой должности инженера, в первую очередь инженера-проектировщика: зачем нужен такой специалист, если все расчеты может сделать программа?

Для понимания ситуации было бы уместно обратиться к опыту развития промышленности и эволюции заводских рабочих. С появлением автоматизированных программируемых станков токари и фрезеровщики превратились в операторов токарного и фрезеровального станков. Всю работу выполняет машина, а задача человека сводится к наблюдению, причем не за одной, а за несколькими машинами одновременно. Как-то раз в Нидерландах мне довелось увидеть местный кирпичный завод, на котором работало всего 6 человек — ​операторов станков и конвейеров.

Вполне вероятно, что проектная и монтажная отрасли в скором времени придут к тому же — ​вместо инженеров и монтажников появятся операторы, соответственно, проектных и строительно-монтажных агрегатов.

Безусловно, мощность даже самого современного компьютера значительно ниже потенциала человеческого мозга, а способность машины к творчеству и принятию решений в условиях недостатка информации или на основе собственного опыта и вовсе смехотворна. Но как часто тому или иному инженеру приходится решать именно творческие задачи? Каково отношение этого периода ко всему рабочему времени инженера в году? Вероятно, невелико. Следовательно, переложив рутинную работу на машину, оператор «проектного станка» сможет решать больше творческих задач одновременно по нескольким объектам.

Собственно, нынешний этап развития BIM подтверждает это. За счет сокращения объемов рутинной работы проект, которым раньше занималось несколько человек, теперь может вести 1 специалист. Если раньше ведущий инженер для корректировки проекта обращался к помощи чертежников, то сегодня в этом нет необходимости.

Прогресс BIM‑технологий рождает еще один важный вопрос — ​условно говоря, вопрос размножения. Предположим, что одна платформа для BIM‑проектирования научится вполне успешно справляться с задачей проектирования систем вентиляции и кондиционирования. Сколько времени потребуется на «воспитание» второго такого «проектировщика»? Очевидно, не более часа — ​нужно лишь установить эту программу на другой компьютер. А люди так быстро обучаться не умеют.

Но и здесь обратимся к опыту промышленности, где помимо операторов станков остались и пользуются весьма высоким спросом специалисты, занимающиеся ручной работой, а их уникальная продукция ценится дороже типовой заводской. Вероятно, подобное явление в том или ином виде будет иметь место и в климатической отрасли. А это означает, что спрос на высококвалифицированных инженеров и проектировщиков с годами не ослабеет.

Заключение

Как уже подметили многие специалисты, информационное моделирование зданий — ​это не программа и не технология. Это среда обитания для нынешних и будущих поколений инженеров.

Начиная разговор об изменении среды обитания, важно помнить о долгосрочной перспективе. На заре компьютерной эпохи сообщество разделилось на тех, кто продолжил чертить вручную, и тех, кто стал осваивать компьютер. Очевидно, что в долгосрочной перспективе получили преимущество вторые. Сегодня есть все основания полагать, что те, кто не желает осваивать основы информационного моделирования зданий, в скором будущем могут остаться за бортом технического прогресса. Причем именно в скором будущем, поскольку смена эпох в современном мире происходит все чаще и быстрее.

Юрий Хомутский,
технический редактор журнала «Мир климата»