Digital twin – narzędzie procesu inwestycyjnego i użytkowania obiektów budowlanych

W prasie i literaturze fachowej pojawia się coraz częściej określenie digital twin. Cyfrowy bliźniak to wirtualny awatar, który jest elektronicznym odpowiednikiem w czasie rzeczywistym fizycznego obiektu lub procesu. Koncepcja ta powstała ok. 20 lat temu, a jej autorstwo jest przypisywane Michaelowi Grievesowi z University of Michigan.

Za jeden z pierwszych przypadków zastosowania technologii nazywanej dziś digital twin uważa się wielokrotną i sprawną adaptację symulatorów szkoleniowych w celu odtworzenia warunków panujących na uszkodzonym statku Apollo 13 podczas trzeciej misji na Księżyc w 1970 roku. Wykorzystanie symulatorów i danych z systemów komputerowych umożliwiło pracownikom NASA szybkie poszukiwanie, odrzucanie i doskonalenie scenariuszy działań zmierzających do zapewnienia bezpieczeństwa astronautom i ich powrotu na Ziemię.

Globalna firma badawcza ABI Research prognozuje, że światowa gospodarka osiągnie ponad 10,5% cyrkulacji ekonomicznej do 2030 roku. Wymagania dotyczące zrównoważonego rozwoju i skutki wkrótce obowiązujących przepisów wywołają daleko idące zmiany, a kluczową rolę w ich wprowadzeniu odgrywać będą właśnie cyfrowe bliźniaki.

Koncepcja ta jest wynikiem ciągłego doskonalenia w tworzeniu projektu produktu i inżynierii procesów. Rysunki produktów i specyfikacje techniczne przeszły długą drogę od ręcznego szkicowania do wspomaganego komputerowo projektowania i inżynierii systemów opartych na modelach. W wielu publikacjach zajmowano się teoretycznym analizowaniem tej metodyki, prezentując wykresy, diagramy i wyszukaną terminologię. Spójrzmy na tę koncepcję pod kątem możliwości wykorzystania jej w praktycznej codzienności inwestycyjnej.

Proces wdrażania BIM (Building Information Modeling) jest doskonałym przykładem trudności w przełamywaniu barier zachowawczego trybu myślenia decydentów pomimo oczywistych korzyści płynących dla gospodarki. Spróbujmy przeanalizować w sposób zrozumiały i przystępny (bez diagramów i wykresów) fazy procesu inwestycyjnego, w których tworzenie cyfrowego modelu pozwala osiągnąć bezdyskusyjne korzyści użytkowe i ekonomiczne.

Już w fazie zaawansowanej koncepcji istnienie modelu umożliwia przeprowadzenie kompleksowych symulacji i analiz elementów projektowanej budowli pod kątem ekologicznym, ekonomicznym, technicznym, komfortu użytkowania, możliwości adaptacji do zmienionej funkcji itp. W wielu opracowaniach analiza energetyczna budynku umiejscawiana jest błędnie w module 6D. Na tym etapie inwestor nie ma już możliwości wyboru najkorzystniejszych rozwiązań, uzyskuje jedynie prognozę kosztów, jakie będzie musiał ponosić w przyszłości.

Dotychczas ocena powyższych kryteriów opierała się z reguły na cząstkowych doświadczeniach architekta lub inwestora dotyczących względnie porównywalnych obiektów. Tymczasem jedynie kompleksowa, holistyczna analiza wszystkich czynników umożliwia uzyskanie podstaw do podjęcia racjonalnej decyzji o kompozycji przyszłego przedsięwzięcia inwestycyjnego.

Jednocześnie można wtedy rozważać zastosowanie nowoczesnych systemów czy urządzeń, w odniesieniu do których ani architekt, ani inwestor nie mają jeszcze własnych doświadczeń, a które skutecznie obniżają sumaryczne koszty, jakie zamawiający ponosić będzie w całym okresie użytkowania budowli. W ten sposób można minimalizować ryzyko podjęcia kosztownych błędnych decyzji w oparciu o niepełne lub subiektywne dane. Wprowadzanie do modelu różnych wariantów rozwiązań technicznych jest w początkowej fazie projektowania stosunkowo proste. Przeprowadzanie stosownych obliczeń eliminuje powszechnie praktykowane posługiwanie się obiektami referencyjnymi, które niejednokrotnie skutkuje kopiowaniem popełnionych wcześniej błędów.

Niemniej istotna jest odpowiednio wczesna wizualizacja geometryczna, która pozwala uniknąć jałowych dyskusji odnośnie do zapotrzebowania na miejsce poszczególnych branż technicznych. Dość powszechne jest jeszcze stosowanie przez architektów dyrektywnego określania tego zapotrzebowania w [m2]. W przypadku jednej z dużych inwestycji architekt, wspierany przez producenta central wentylacyjnych, „zaprojektował“ pomieszczenie techniczne na 12 kondygnacji budynku, nie przewidział jednak przestrzeni potrzebnej na kanały. W efekcie po rozrysowaniu konieczne było podniesienie dachu o ponad 3 m, a niestety nie było to możliwe ze względu na ograniczenie wysokości budynku z uwagi na sąsiedztwo pasa startowego.

Posługiwanie się modelem cyfrowym i włączenie już na etapie koncepcji branż inżynierskich pozwala na odpowiednio wczesne wykrycie tego typu konfliktów. W fazie projektowania wybrane rozwiązania podstawowe są uszczegóławiane. Oczywiście mogą być wtedy wprowadzane zmiany służące optymalizacji, jednak cały czas istnieje możliwość kontroli dotrzymania lub poprawy założonych na wstępie parametrów poprzez kontynuowanie wspomnianych powyżej symulacji na modelu.

Nie trzeba chyba podkreślać znaczenia, jakie już w fazie realizacji ma wirtualna koordynacja geometrii elementów budowli, otworowania czy przebiegu tras instalacyjnych. Opóźnienia i obniżenie jakości wynikające z konieczności szukania kompromisów są w ten sposób również redukowane do minimum. Kolejny przykład: w pewnym dużym obiekcie hotelowym szyb, którym przebiegały kanały wentylacyjne, zredukowany pod presją architekta do minimum, umożliwiał wprawdzie prowadzenie kanałów, jednak na niektórych kondygnacjach nie było możliwości wyprowadzenia odejść wyposażonych w klapy pożarowe.

Starannie wykonany model cyfrowy eliminuje praktycznie roboty dodatkowe, które ograniczają się do ewentualnych zmian na życzenie inwestora. W tym przypadku dzięki modelowi można jeszcze przed realizacją kompleksowo przedstawić wynikające z nich konsekwencje. Ponadto za pomocą modułu 4D (harmonogram) i 5D (koszty) możliwe jest określenie kosztu i ewentualnych opóźnień spowodowanych wprowadzeniem zmian jeszcze przed ich realizacją. Dzięki temu inwestor może w niektórych przypadkach nawet odstąpić od ich wprowadzenia. Rozliczenie z wykonawcą za te roboty odbywa się bez mała automatycznie, bez dotychczasowych napięć i nieporozumień. Podobnie miesięczne rozliczenie z wykonawcami w oparciu o systematycznie nanoszony w modelu postęp robót staje się zwykłą formalnością.

Równie systematycznie nanoszone są w trakcie realizacji dopuszczone materiały i urządzenia, a ich dane techniczne wprowadzane w sposób ciągły do powiązanego z modelem banku danych. W ten sposób stopniowo powstaje dokumentacja powykonawcza, bez spiętrzeń po zakończeniu realizacji, gdy posiadacze niezbędnych informacji są już dawno na innych budowach. W niektórych obiektach, takich jak szpitale czy hotele, praktykowane jest także tworzenie na budowie pomieszczeń wzorcowych. Model cyfrowy może z powodzeniem zastąpić to kosztowne i uciążliwe dla wykonawców działanie poprzez wykonanie modelu pomieszczenia w dowolnym stopniu dokładności i kolorystyce.

Zbliżamy się do sedna idei digital twin. Model cyfrowy towarzyszący projektowaniu i realizacji, aktualizowany na bieżąco aż do odbiorów końcowych i uzyskania pozwolenia na użytkowanie, zawiera komplet danych technicznych i serwisowych budowli. Jest to moduł 6D metodologii BIM dający użytkownikowi niezastąpione narzędzie do racjonalnego zarządzania budynkiem. Towarzyszące realizacji symulacje energetyczne i kosztowe, służące kontroli zachowania pierwotnie założonych parametrów energetycznych, ekonomicznych, ekologicznych, komfortu użytkowania itp. są w trakcie eksploatacji weryfikowane w oparciu o rzeczywiste dane. Ponadto planowane zmiany funkcji poprzedzane są analizą i optymalizacją ich konsekwencji.

Sprzedaż obiektu nie wymaga już przeprowadzenia kosztownego due diligence. Nabywca po analizie modelu i dokumentacji eksploatacyjnej może sobie wyrobić wystarczająco dokładny pogląd na stan obiektu będącego przedmiotem transakcji. Właściciel użytkujący obiekt może analizować aktualizowany model, wyciągając odpowiednie wnioski przydatne przy projektowaniu kolejnych przedsięwzięć.

Należy tu zaznaczyć, że użytkownik nie musi się obawiać konieczności zatrudnienia drogich, wysoko wyspecjalizowanych fachowców do obsługi samego modelu. Po upowszechnieniu się tej metody zarządzania budynkiem powstaną z pewnością firmy świadczące usługi w tym zakresie. Dodatkowo usługi te można rozszerzyć o kompletny serwis, który przy połączeniu modelu BIM 6D z Building Management System (BMS), zapewniającym ciągły monitoring funkcjonowania poszczególnych elementów wyposażenia technicznego, pozwoli na stałe zdalne serwisowanie grup obiektów z jednej centrali przez wyspecjalizowanych serwisantów. Zwolni to użytkownika z obowiązku zdefiniowania i meldowania o awarii i uwolni od troski o jej możliwie szybkie usunięcie. W ten właśnie sposób rozwiązany został np. problem zarządzania zabudową miasteczka akademickiego w Doha w Katarze. Nawet sporządzona w tradycyjnym systemie 2D dokumentacja powykonawcza została przez polski zespół przekształcona w model 3D i przez partnera niemieckiego uzupełniona danymi do statusu 6D.

Wskazana byłaby pomoc naszym decydentom odpowiedzialnym za inwestycje i eksploatację obiektów publicznych w zrozumieniu, że w ten sposób możliwe jest uzyskanie ogromnych oszczędności oraz rzeczywistej kontroli nad zarządzanym zasobem. Wobec nadal kulejącej implementacji BIM w zakresie zamówień publicznych istnieje jednak stosunkowo nieskomplikowana opcja stopniowego wdrażania obowiązku przekazywania dokumentacji powykonawczej zbliżonej do modułu 6D.

W artykule oczywiście nie wyczerpano wszystkich aspektów stosowania przyszłościowej idei digital twin, która utorowała sobie już drogę do globalnych systemów gospodarki zasobami naszej planety.

Literatura

1. Digital Twins will help build the circular economy, https://cityzenith.com/post/digital-twins-will-help-build-the-circular-economy (dostęp: 17.12.2021)
2. Sacks Rafael, Brilakis Ioannis et al., Construction with digital twin information systems, „Data-Centric Engineering”, December 2020, DOI: 10.1017/dce.2020.16.
3. Wołejko Marcin, Czym jest Cyfrowy Bliźniak – jakie możliwości otwiera technologia Digital Twin?, https://www.cire.pl/artykuly/brak-kategorii/czym-jest-cyfrowy-blizniak---jakie-mozliwosci-otwiera-technologia-digital-twin-czesc-2 (dostęp: 17.12.2021)
4. Po co przedsiębiorstwom digital twin?, https://przemyslprzyszlosci.gov.pl/po-co-firmom-digital-twin/1 (dostęp: 17.12.2021)

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!