Технические науки
1600

Цифровой город будущего: уникальную методику эксплуатации зданий и сооружений создают в Новгородском университете

Цифровой город будущего:  уникальную методику эксплуатации зданий и сооружений создают в Новгородском университете

Новгородский университет включился в развитие информационного моделирования зданий в 2019 году. Сейчас работу специализированной лаборатории вуза положительно оценивают разработчики программ для создания BIM, а создаваемые методики их использования находятся в авангарде развития отрасли в России.

Революция BIM

Любое здание или сооружение — сложная многокомпонентная система. Каждый элемент имеет массу характеристик. Их важно учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации. А потому каждый объект — ещё и кипа документов с указанием разных параметров целого и частей. Никакое вмешательство невозможно без использования этих бумаг и появления новых. Найти документ с требующейся информацией в нужный момент бывает непросто. Но всё меняет цифровизация. Строительная отрасль переживает настоящую революцию, которая проходит под знаком BIM-технологий.

— Можно выделить три этапа развития проектирования в области строительства, — отметил заведующий кафедрой строительных конструкций НовГУ Александр Вареник. — Мы долго учили студентов работе с карандашом, линейкой и кульманом. В 70–80‑е годы начался переход на проектирование с использованием программных комплексов. Карандаш заменили такие инструменты, как AutoCAD. Сейчас в процессе проектирования здание собирается из готовых элементов: стен, окон, перекрытий. При этом проектировщик может менять их параметры — толщину стен, материал. Такое проектирование называется параметрическим. В результате мы получаем модель, на которой в трёхмерном виде представлен каждый элемент со всеми характеристиками — трубы, задвижки, дверные и оконные блоки.

За рубежом постепенно внедрять BIM-инструменты начали с 80‑х годов. Сейчас у некоторых городов там есть полноценные цифровые двойники. Россия только идёт к этому. Чтобы стимулировать развитие информационного моделирования, с 2022 года всё строительство по госзаказу идёт с применением BIM.

BIM-модель приюта для животных

Координация и коллизии

Работа над цифровой копией сооружения начинается с создания трёхмерной модели. Проектировщики могут использовать для этого разное ПО. Потом модель экспортируют в другие программы. Там её дополняют параметрами отдельных элементов, календарным графиком строительства, сметой. Временные показатели и стоимостные характеристики рассчитываются для каждой конструкции.

— BIM-технологии — это прежде всего процессы, сопровождающие весь цикл жизни сооружения, начиная с проектирования и строительства и заканчивая эксплуатацией, — подчёркивает заведующий лабораторией BIM-технологий Кирилл Вареник. — Модель можно экспортировать в программы для проверки на коллизии и ошибки, расчётные приложения, программы для координации проектов. BIM-модель от обычной трёхмерной отличает то, что она содержит полную информацию об объекте.

Первым проектом, в котором коллектив лаборатории реализует все возможности технологий информационного моделирования, стала BIM-модель строящейся Новгородской технической школы. Над ней работают уже около полутора лет. Сейчас в VR-очках можно прогуляться вокруг НТШ, зайти внутрь, подняться по лестницам, заглянуть в отдельные помещения. Работа на этом не заканчивается.

В BIM-модели Новгородской технической школы отражены не только внешний облик и внутреннее убранство здания, но и все сети — смотровые колодцы, канализация, водоснабжение, а также фундамент, в основание которого было вбито более 2100 свай

— Мы продолжаем моделирование внутренних инженерных сетей, — поясняет Кирилл Вареник. — Кроме того, по ходу строительства в проект вносятся корректировки, которые мы тоже должны отражать. Постоянное обновление модели — нормальный процесс. До разработки проектной документации она может быть выполнена эскизно и по ходу проектирования дополняется. На этапе эксплуатации это уже исполнительная модель.

Цифровая копия Новгородской технической школы активно используется уже сейчас — на стадии строительства. Во время приёма выполненных подрядчиком работ реальный результат сравнивается с моделью, созданной сотрудниками лаборатории.

— НТШ — уникальный проект, готовых шаблонов у лаборатории изначально не было, поэтому буквально каждый узел приходилось отрабатывать в ручном режиме, — говорит руководитель Центра междисциплинарных исследований и разработок НовГУ Степан Буйкин. — Возводящиеся конструкции соотносятся с BIM-проектом в привязке к топографии. Для этого объект снимается с дрона, проводится его лазерное сканирование. В результате оцениваются полнота и качество реализации работ, представленных по смете.

Тренировочный полигон

BIM-модели объектов университетского кампуса наполняются постепенно. Цифровые двой­ники есть у главного корпуса НовГУ, университетского общежития на улице Советской армии и Политехнического колледжа. Пока копиям далеко до полного соответствия реальным прототипам. Необходима кропотливая работа над каждым отдельным помещением с коммуникациями, мебелью и внутренней отделкой. В основном работу выполняют студенты магистратуры.

Наша цель — обучение через практику. При этом студенты могли бы отрабатывать свои навыки на тренировочных моделях. Их очень много. Но для нас важно и то, что, выполняя работу, студент не только учится, но и приносит пользу университету. Созданные модели можно будет использовать в эксплуатации зданий НовГУ. Конечно, для этого придётся обучиться и тем, кто отвечает за содержание объектов университетского кампуса. Иначе они не смогут пользоваться информацией, заложенной в BIM-модели.

Кирилл Вареникзаведующий лабораторией BIM-технологий

Осваивают программы для информационного моделирования и в бакалавриате. Проектные задачи для студентов на этом уровне подготовки попроще, чем у магистрантов. Они моделируют малые архитектурные формы. С помощью технологий дополненной реальности можно оценить, насколько объект впишется в городскую среду в конкретном месте.

Работа над моделью главного корпуса НовГУ идёт непрерывно. Студенты постепенно наполняют помещения мебелью, техникой и элементами коммуникаций

— Начиная с более простых заданий, студенты от 3D-моделирования идут к созданию моделей инженерных сетей, 4D- и 5D-проектированию — то есть привязке модели к временным характеристикам и смете проекта, — рассказывает Кирилл Вареник. — Позднее, в магистратуре, они смогут решать более серьёзные задачи в сфере BIM, имея хорошую базу специальных знаний в области проектирования и конструирования.

Студенты моделируют и другие объекты. Некоторые выпускники работают на предприятиях, здания которых оцифровали во время обучения. Университетские наработки они планируют использовать в своей профессиональной деятельности. Один из студентов создал объёмную модель всех инженерных сетей многоэтажки на Большой Санкт-­Петербургской, в которой он живёт.

Уже три года НовГУ выпускает специалистов в сфере информационного моделирования зданий. Потребность в них резко возросла в связи с необходимостью использования BIM-технологий при строительстве по госзаказу. В кадрах заинтересованы строительные и проектные организации. Специалисты некоторых из них уже прошли переподготовку в лаборатории BIM-технологий, чтобы уметь использовать инструменты цифрового проектирования в своей повседневной работе.

Два миллиона точек в секунду

С 2021 года Новгородский университет с двумя стратегическими проектами участвует в программе «Приоритет 2030». Один из них — «Университет как генератор культурной идентичности». В лаборатории BIM-технологий уверены, что архитектура — её важный элемент. Инструменты информационного моделирования могут сыграть важную роль в её сохранении и развитии.

За счёт грантовых средств программы «Приоритет 2030» для лаборатории приобрели современный швейцарский лазерный сканер. Он заменяет рулетки и дальномеры. Устройство работает по тому же принципу. Только если стандартный лазерный дальномер производит одно измерение при нажатии на кнопку, то сканер лаборатории BIM-технологий совершает два миллиона таких измерений в секунду.

BIM-модель общежития №8 Новгородского университета

Это позволяет осуществлять высокоточные измерения параметров архитектурных объектов. Результатом сканирования становится облако точек. При рассмотрении с места съёмки его не отличишь от фото с высоким разрешением. Но в программе можно приближать любой его фрагмент. Тогда цельная картинка распадается на множество точек. Сотрудники лаборатории уже опробовали прибор на фасаде главного здания НовГУ и готовы использовать его для измерения параметров промышленных сооружений и памятников архитектуры.

Эти показатели крайне важны при проектировании ремонтов, реконструкций и реставраций.  Зачастую оказывается, что чертежи сооружений утеряны. Всё приходится измерять с нуля. На объектах со сложным промышленным оборудованием сделать это бывает очень непросто. Использование лазерного сканера в этом случае позволяет сэкономить огромное количество времени. То же самое можно сказать и об объектах архитектурного наследия. Когда произошёл пожар в соборе Парижской Богоматери, погибла значительная часть деревянных конструкций. В восстановлении здания использовались результаты лазерного сканирования, проведённого до пожара. Расстояния между любыми точками были известны до миллиметра и даже меньше. Лазерное сканирование также можно использовать для сохранения и проведения необходимых работ на архитектурных объектах Великого Новгорода.

Александр Вареникзаведующий кафедрой строительных конструкций НовГУ

Для реставраторов и других специалистов достаточно загруженного со сканера на компьютер облака точек. Но его можно использовать и для создания полноценных параметрических моделей памятников и даже восстановления утраченного исторического облика.

BIM-эксплуатация

Пока технологии информационного моделирования в России используются в основном на этапе проектирования сооружений. В меньшей степени их применяют во время строительства. И совсем недооценены их перспективы при эксплуатации объектов.

Кафедра строительных конструкций НовГУ много лет участвует в экспертизах безопасности различных сооружений — промышленных зданий, производственных цехов, эстакад. Учёные университета решили использовать этот опыт в разработках лаборатории BIM-технологий.

— Мы вносим результаты экспертиз в параметрическую модель, — объясняет заведующий лабораторией Кирилл Вареник. — Эксплуатирующие организации и владельцы получают полную картину состояния здания, видят, когда, кем и какие обследования проводились, какие конструкции заменялись, могут увидеть фотографии выявленных дефектов и составить прогноз относительно того, что будет с объектом в дальнейшем.

Кирилл Вареник вместе с инженером лаборатории Даниславом Храмовым разработали модель парковой эстрады. С помощью технологий дополненной реальности её можно поместить в существующую городскую среду, чтобы оценить уместность размещения в конкретном месте

В этой связи перспективным выглядит сотрудничество научного коллектива с коллегами из лаборатории неразрушающего контроля.

BIM-паспорт объекта включает всё, что относится к материалам, эксплуатационным свой­ствам, дополнительным характеристикам, связанным с износом в зависимости от разных эксплуатационных свой­ств. Например, можно рассчитать срок службы крана при конкретных условиях эксплуатации. Есть паспорт устройства, известен напор воды в течение года и, соответственно, износ. Тестовый неразрушающий контроль проводится периодически, чтобы сопоставить, насколько модель соответствует реальным характеристикам эксплуатируемого объекта.

Степан Буйкинруководитель Центра междисциплинарных исследований и разработок НовГУ

Предполагается, что использование BIM-моделей для более безопасной эксплуатации зданий начнётся с промышленных сооружений. Уже идут переговоры с рядом крупных предприятий. Но, возможно, не за горами время, когда и в России для управления всей городской средой будет использоваться информационное моделирование, объединённое с технологиями ГИС, цифровых двой­ников и умных домов. За рубежом такое будущее уже наступает.

Фото: Светлана Разумовская, архив лаборатории BIM-моделирования