Wykorzystanie technologii BIM w pracy projektanta instalacji

Projektowanie oparte na rysowaniu najprostszymi nieparametryzowanymi elementami, tzw. rysowanie kreską, powoli staje się przeszłością – obecnie znajdujemy się w fazie wkraczania w erę projektowania obiektowego.

Tak jak kiedyś koniecznym wyposażeniem biura projektowego była deska kreślarska, a teraz oprogramowanie typu CAD, tak w niedalekiej przyszłości niezbędne będą aplikacje umożliwiające projektowanie obiektowe. Koncepcja tworzenia obiektowego jest nierozerwalnie związana z ideą Building Information Modeling, czyli modelowania informacji o budynku.

Idea BIM narodziła się równolegle w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii na początku XXI wieku i szybko zdobyła dużą popularność (w USA funkcjonuje wymóg projektowania w BIM wszystkich projektów rządowych i NASA). Również w Polsce od paru lat cieszy się coraz większym zainteresowaniem projektantów.

Przyjęta w styczniu br. dyrektywa 2014/24/UE w sprawie zamówień publicznych [14] nadaje duże znaczenie rachunkowi kosztów cyklu życia, który obejmuje poniesione przez instytucję zamawiającą lub innych użytkowników koszty: związane z nabyciem, użytkowania (zużycie energii i innych zasobów), utrzymania, związane z wycofaniem z eksploatacji (zbiórka i recykling) oraz przypisywane ekologicznym efektom zewnętrznym (np. koszty emisji gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń oraz inne związane z łagodzeniem zmian klimatu).

Wdrożenie jej wymagań do regulacji krajowych ma nastąpić do 18 kwietnia 2016 r. i tym samym w niedalekiej przyszłości pojawi się konieczność stosowania narzędzi elektronicznego modelowania danych budowlanych.

Wyznacznikiem idei BIM jest skoordynowana i spójna baza danych o obiekcie, która tworzy wirtualny model. Modelowanie odbywa się poprzez generowanie w wybranym pakiecie komputerowym tzw. komponentów parametrycznych, czyli trójwymiarowych elementów danego obiektu z nadanymi im wcześniej atrybutami. Cyfrowy model zawiera zdefiniowane wszystkie możliwe parametry odpowiadające rzeczywistemu obiektowi.

Komponentów tych można używać do tworzenia form podstawowych, np. przegród budynku czy przewodów instalacyjnych, ale również form o wysokim poziomie szczegółowości, takich jak np. zawory.

Technologia BIM umożliwia tworzenie modeli trójwymiarowych, ale jej głównym atutem jest wykorzystanie otwartego systemu graficznego również do obliczeń, symulacji oraz opartych na nich analiz i raportów. Automatyczne generowanie raportów jest dużym wsparciem dla projektantów, co w połączeniu z doświadczeniem przekłada się na szybszą i trafniejszą interpretację oraz zastosowanie najefektywniejszego rozwiązania.

Szczególnie warta podkreślenia jest współpraca międzybranżowa – wszyscy uczestnicy procesu tworzenia budynku pracują na jednym modelu cyfrowym jednocześnie, widząc zmiany i postępy pozostałych zespołów projektantów.

Otwiera to bardzo duże możliwości w zakresie wprowadzania kreatywnych, innowacyjnych rozwiązań, które mogą być bezpośrednio weryfikowane przez pozostałych członków procesu tworzenia obiektu, zwiększając tym samym wydajność na wielu płaszczyznach.

Niektóre aplikacje CAD umożliwiają rysowanie w trójwymiarze, ale nawet w ograniczonym jedynie do grafiki zakresie aplikacje BIM zyskują przewagę (tabela 1). Technologia CAD wymusza pewien schemat procesu projektowania – w pierwszej kolejności pracuje nad nim zespół architektów, a następnie konstruktorów i instalatorów. W razie konieczności naniesienia zmian projekt przechodzi ponownie przez kolejne pracownie.

Pod tym względem technologia projektowania obiektowego ma bardzo dużą zaletę: jednoczesną pracę wszystkich zespołów nad danym projektem oraz takie zdefiniowanie składowych elementów modelu, że zmiana jednego z nich powoduje dostosowanie się elementów sąsiadujących.

W związku z tym nie ma również konieczności manualnej koordynacji rzutów z przekrojami – wszystko jest automatycznie aktualizowane, generowane na rysunkach 2D i widoczne dla każdego uczestnika procesu tworzenia budynku. Tak więc po zmianie np. przebiegu przewodów instalacyjnych ich położenie zmienia się również w pozostałych przekrojach, rzutach, widokach 3D i zestawieniach, co skutkuje skróceniem czasu realizacji takiego projektu.

Z punktu widzenia projektanta instalacji niezmierne istotna wydaje się funkcja wykrywania zakłóceń, która umożliwia sprawdzenie kolizji w odniesieniu do określonej geometrii, np. typu konstrukcja nośna – instalacja wymagająca przebić tejże konstrukcji czy pozostałych instalacji (rys. 1). Powiązanie testów na występowanie kolizji z symulacjami i animacjami obiektów pozwala w przystępny sposób analizować różne rozwiązania.

Istnieje możliwość zarówno analizy bezpośrednich kolizji elementów budynku, jak i kolizji wynikających z minimalnych odległości narzuconych przez przepisy czy wytyczne. Praca w modelu 3D daje również lepsze wyobrażenie o przestrzeni, która jest projektowana, co ma duże znaczenie dla jakości projektu.

W aspekcie zmierzania współczesnego budownictwa w kierunku budownictwa inteligentnego umożliwiającego sterowanie wszystkimi parametrami obiektu, a co za tym idzie, z bardzo dużą różnorodnością i liczbą instalacji (nie tylko sanitarnych, ale również technologicznych czy elektrycznych), jest to ogromna zaleta.

Na rys. 1 pokazano przykładowy projekt realizowany w aplikacjach opartych na idei BIM. Szczególną uwagę należy zwrócić na możliwość automatycznego wykrywania wszelkiego rodzaju kolizji (rys. 2).

Nie do przecenienia jest możliwość łatwego wprowadzania zmian czy tworzenia pakietu alternatywnych rozwiązań będących podstawą optymalizacji projektu oraz weryfikacji w fazie niegenerującej dużych nakładów finansowych, czyli na etapie modelu cyfrowego.

Obecnie używane aplikacje muszą umożliwiać nie tylko dokonywanie zmian w architekturze, takich jak np. orientacja, rodzaj i wielkość przeszklenia, dobór elewacji, oświetlenia, ale również posiadać narzędzia do szybkiej oceny skutków zastosowania tych rozwiązań.

Technologia oparta na BIM dzięki automatycznej aktualizacji danych umożliwia stosunkowo szybkie wykonanie symulacji energetycznych, prowadzi też do równoczesnego zapisywania i gromadzenia wszystkich danych niezbędnych do wyznaczenia zużycia i zapotrzebowania na energię danego budynku. Pozwala to na dobór rozwiązań optymalnych zarówno pod względem kosztów eksploatacji, jak i zanieczyszczenia środowiska naturalnego.

Dostępne oprogramowanie

Przykładem oprogramowania realizującego założenia BIM, wyposażonego w narzędzia do przeprowadzania symulacji i analiz energetycznych jest Revit. Obliczenia wykonywane są w tzw. chmurach obliczeniowych, które umożliwiają szybkie porównywanie zużycia energii i kosztów cyklu życia obiektu w różnych wariantach projektowych (rys. 3).

Idee BIM wdrożyły już w swoich aplikacjach takie firmy jak Autodesk (pakiet Building Design Suite, w tym Revit, Navisworks; 3Ds Max, Robot Structural Analysis, Vasari), Graphisoft (popularne oprogramowanie ArchiCAD) czy Tekla. Z technologii BIM od wielu lat mają możliwość korzystania architekci. Rynek programów, które mogą wykorzystać projektanci pozostałych branż, jest aktualnie w fazie rozwoju. Problemem hamującym wykorzystanie wielu aplikacji na polskim rynku jest obecnie dostosowanie ich do naszych wymagań i przepisów.

Przykładami aplikacji rozwijających idee BIM w branży instalacyjnej, które obsługują format IFC będący standardem w tej technologii, są Revit MEP firmy Autodesk oraz DDS-CAD firmy Data Design System. Aplikacja DDS-CAD MEP to zaawansowane narzędzie do projektowania instalacji wewnątrz budynku umożliwiające korzystanie z technologii BIM przy projektowaniu instalacji wentylacyjno-klimatyzacyjnej, sanitarno-grzewczej, elektrycznej, a także systemów fotowoltaicznych (rys. 4).

Wadą oprogramowania Revit MEP jest amerykańska baza danych, co mimo zaawansowania programu uniemożliwia korzystanie z aplikacji przy polskich projektach (polska norma jedynie w nakładce do obliczania obciążenia cieplnego). Próbą dostosowania aplikacji Revit do krajowych wymagań zajmuje się firma Robobat. Opublikowano już moduł służący do wyznaczania obciążenia cieplnego oraz aplikację do sporządzania certyfikatu energetycznego (wg aktualnego rozporządzenia), symulator energetyczny pozwalający dobrać najlepsze ekonomicznie i energetycznie rozwiązanie w oparciu o dane dostarczane z modelu BIM.

Formaty plików

Żeby możliwe było projektowanie zgodne z ideą BIM, niezbędne są narzędzia pozwalające na wymianę danych pochodzących z różnego rodzaju programów, np. pomiędzy informacjami, które są zawarte w aplikacji CAD, a programami obliczeniowymi. Formatem wykorzystywanym przez aplikacje BIM jest bardzo uniwersalny i obszerny IFC (Industry Foundation Classes).

Jednak w aspekcie analizy energetycznej budynku zawiera on wiele niepotrzebnych, za to wydłużających czas operacji i danych. Interesujący z punktu widzenia projektowania zgodnie z koncepcją zrównoważonego rozwoju jest format Green Building XML (w skrócie gbXML). Ma on służyć transferowi niezbędnych w aspekcie analizy energetycznej budynku danych, jednocześnie eliminując nieistotne dla tego typu analizy inne elementy modelu.

GbXML umożliwia szybką analizę danego modelu pod kątem energochłonności, certyfikacji energetycznej, kosztów eksploatacji czy wpływu użytych materiałów na środowisko naturalne. Dużą zaletą formatu jest jego otwartość, która umożliwia korzystanie każdemu.

W skrócie można powiedzieć, że gbXML jest otwartym formatem zawierającym zarówno geometrię, jak i informacje energetyczne dotyczące budynku wraz z założeniami dotyczącymi funkcjonowania obiektu, np. wymaganą temperaturą czy rodzajem instalacji grzewczej. Podobnie jak popularny język HTML będący podstawą tworzenia stron internetowych format gbXML należy do języków znaczników, co oznacza, że tekst wewnątrz dokumentu wzbogacony jest o znaczniki informujące o jego cechach.

Dokumenty w języku XML to zwykłe dokumenty tekstowe (otwierane np. w programie Notepad firmy Microsoft). Archiwizowanie projektów w formacie gbXML daje możliwość automatycznego transferu danych, np. w celu utworzenia certyfikatu energetycznego.

Format ten wykorzystywany jest obecnie przez takie dostępne oprogramowanie, jak np. Revit firmy Autodesk (eksport do formatu gbXML jest jedną z funkcji), ArchiCAD firmy Graphisoft (powstał specjalny dodatek eksportujący do pliku gbXML) czy gModeller dla SketchUp firmy Google.

Powstaje również oprogramowanie mogące importować tego rodzaju pliki. W zakresie analiz energetyczno-instalacyjnych przydatne mogą być takie programy, jak Audytor OZC firmy Sankom (eksport danych z programu Revit na potrzeby obliczania charakterystyki energetycznej oraz obciążenia cieplnego) oraz EXPERT Certyfikat Energetyczny i ProGreen firmy Robobat Polska (eksport danych z programu Revit na potrzeby obliczania charakterystyki energetycznej).

Aplikacja firmy Sankom ma na celu umożliwienie transportu danych z popularnego wśród architektów programu, tj. Revit Architecture, do programu używanego przez instalatorów, tj. Audytor.

Z programu Revit można wyeksportować i na tej podstawie stworzyć dane niezbędne do analizy cieplnej budynku. Transfer może obejmować dane związane z takimi elementami, jak ściany (osłonowe i standardowe), sufity (w tym sufity złożone), dachy, stropy, okna i drzwi. Do tych elementów dodawane są informacje związane z analizą cieplno-wilgotnościową.

Program EXPERT Certyfikat Energetyczny+ służy do obliczenia zapotrzebowania na energię budynku (lub jego części) z uwzględnieniem instalacji ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia.

Program umożliwia również sporządzenie świadectwa charakterystyki energetycznej lub projektowanej charakterystyki energetycznej. Aplikacja ma funkcję importowania danych geometrycznych z pliku zapisanego w formacie gbXML (współpraca m.in. z Revit Architecture, Revit MEP) w postaci informacji o rodzaju, powierzchni, orientacji przegród oraz geometrii, lokalizacji okien/drzwi wraz z możliwością ustalenia domyślnych parametrów (U, g ,c).

Drugim narzędziem mającym możliwość importu pliku gbXML jest aplikacja ProGREEN (możliwość importu danych o geometrii z Autodesk Revit Architecture oraz z programu EXPERT Certyfikat Energetyczny). ProGREEN służy do wspierania procesu projektowania budynków z uwzględnieniem aspektów ekologicznych.

Prowadzi analizy symulacyjne zużycia energii i pozwala na stworzenie optymalnej konfiguracji parametrów budynku w taki sposób, żeby uzyskać obiekt spełniający kryteria ekologiczne w ramach narzuconych ograniczeń kosztowych. System dodatkowo pozwala zweryfikować model budynku poprzez generowanie świadectwa charakterystyki energetycznej.

Optymalizacja energetyczna budynku w systemie ProGREEN prowadzona jest w kilku głównych obszarach decydujących o jego ekologiczności: geometrii, właściwości obudowy, rodzaju systemu wentylacji, instalacji grzewczej (rodzaj paliwa, rodzaj źródła ciepła, budowa instalacji) oraz instalacji ciepłej wody (rodzaj paliwa, rodzaj źródła ciepła, budowa instalacji).

W przypadku bardziej zaawansowanych narzędzi do analizy i wykonywania symulacji interoperacyjność z modelem BIM zapewniają programy takie, jak Energy Plus i stworzony na jego bazie DesignBuilder. Funkcja importu w postaci formatu gbXML pozwala na transfer architektonicznych modeli 3D stworzonych w programach Revit, ArchiCAD lub Microstation do programu obliczeniowego.

Ważna z punktu widzenia tworzenia modelu i korzystania z technologii BIM jest możliwość wykorzystania laserowego skanowania obiektów rzeczywistych w celu utworzenia dokładnych cyfrowych modeli trójwymiarowych. Efektem skanowania jest chmura punktów zawierająca wszystkie współrzędne każdego z nich. Odbywa się to w bardzo krótkim czasie – pomiar rzędu miliona punktów z dokładnością ±1 mm w zasięgu nawet 300 m.

Chmury punktów są cennym źródłem danych wyjściowych w procesie modelowania informacji o budynku i jego otoczeniu. Narzędzia współpracujące z laserem dają możliwość edycji chmury punktów, tworząc konkretne elementy będące podstawą obiektów w technologii BIM. Żeby model cyfrowy mógł funkcjonować w tej technologii, konieczne jest nadanie elementarnych opisów, tj. nazwy, cech materiałowych, i przydzielenie ich do odpowiedniej rodziny elementów.

Technika ta jest bardzo przydatna w początkowej fazie projektowania, kiedy niezbędna jest inwentaryzacja (stanu rzeczywistego obiektu czy ukształtowania terenu) i stworzenie modelu bazowego oraz w fazie powykonawczej, żeby sprawdzić zgodność wykonania z pierwotnym projektem i stworzyć dokumentację powykonawczą.

Skanowanie jest techniką tak dokładną, że wykorzystując trójwymiarowy obraz istniejącej architektury i konstrukcji, można nie tylko dopasować bezkolizyjnie przebieg nowej instalacji lub wykorzystać istniejącą, ale również zinwentaryzować i zamodelować zamontowane na rurach zawory [12]

Podsumowanie

Koncepcja modelowania informacji o budynku jest przyszłością projektantów. Jednak proces wdrażania BIM w polskich pracowniach projektowych może sprawnie przebiegać tylko w przypadku dużych korporacji. W mniejszych pracowniach jest on hamowany przez dość wysokie jak na razie koszty oprogramowania (w przypadku projektanta instalacji koszt stworzenia stanowiska to ok. 25 tys. zł) oraz szkoleń i wdrożeń pracowników (ok. 500–2000 zł za dzień szkolenia) [13].

Inwestycja w projektowanie w technologii BIM to nie tylko koszty, ale również czas niezbędny do przestawienia się na inny rodzaj projektowania i związany z nim inny sposób myślenia o projekcie – nie w kategorii kresek, rzutów, ale całego budynku, łącznie z jego wszystkimi parametrami, zachowaniem w świecie rzeczywistym i wpływem na otoczenie.

Żeby efektywnie projektować, wykorzystując wszystkie możliwości oprogramowania BIM, wymagana jest spora wiedza. Specyfika działania większości firm projektowo-wykonawczych (z dużą liczbą projektów prowadzonych równocześnie i przy wymuszonym krótkim czasie ich realizacji) powoduje, że kwestia czasu wydaje się być często bardziej zaporowym warunkiem niż finanse.

Żeby wszystko się powiodło, potrzeba siły napędowej w postaci zrozumienia i analizy opłacalności kosztów – inwestycja w technologię może się zwrócić parokrotnie, biorąc pod uwagę efektywność późniejszej pracy oraz mniejsze ryzyko błędów, które generują niemałe koszty. Firmy, które już wdrożyły technologię BIM w swoich pracowniach, wykorzystują to skutecznie w celach marketingowych, zyskując przewagę nad konkurencją.

Literatura

1.  Eastman C., Teicholz P., Sacks R., Liston K., BIM Hand­book: a guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers and contractors, John Wiley & Sons, 2008.
2. Jones S., SmartMarket Report, The Business Value of BIM in Europe, McGraw-Hill Professional, 2009.
3. Jones S., SmartMarket Report, Building Information Modeling Transforming Design and Construction to Achieve Greater Industry Productivity, McGraw-Hill Professional, 2009.
4. Krygiel E., Read P., Vandezande J., Mastering Autodesk Revit Architecture 2011, Wiley Publishing Inc., 2010.
5. Kymmell W., Building information modeling: Planning and managing construction projects with 4D CAD and simulations, McGraw-Hill Professional, 2008.
6. Wing E., Autodesk Revit Architecture 2011: No Experience Required, Sybex, 2010.
7. Materiały firmy Autodesk.
8. Materiały firmy Robobat.
9. Materiały firmy Bentley.
10. www.projektowaniebim.pl.
11. www.dds-cad.net.
12. Dorna S., Glema A., Zastosowanie techniki skanowania dla geotechnicznych, architektonicznych, konstrukcyjnych oraz instalacyjnych aspektów tworzenia modelu BIM budynku, XIII Konferencja Naukowo-Techniczna „Techniki komputerowe w inżynierii”, 2014.
13. Dejer M., Akademia BIM. BIM – kosztowny czy opłacalny?, „Builder” nr 1/2014.
14. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/24/UE z dnia 26 lutego 2014 r. w sprawie zamówień publicznych, uchylająca dyrektywę 2004/18/WE (DzU UE L 94/65).