Technologia BIM - nowoczesny sposób projektowania w budownictwie

Obecnie praktycznie nie wykonuje się już ręcznie dokumentacji technicznej. Systemy komputerowego wspomagania kreślenia (CAD - Computer Aided Design) pozwalają na nieograniczone możliwości korekty, oszczędność czasu, większą dokładność sporządzanej dokumentacji, a przy tym są narzędziami coraz prostszymi w obsłudze.

Powszechnie wykorzystywane systemy nie są jednak pozbawione ograniczeń. Informacje zawarte w plikach stworzonych za pomocą tradycyjnego programu CAD zawężają się do zbioru elementów geometrycznych, takich jak linie proste, krzywe, powierzchnie, prymitywne bryły itp., a program samodzielnie nie jest w stanie do takiego zbioru przypisać dodatkowych informacji. Do tego potrzebna jest wykwalifikowana osoba z wykształceniem technicznym, która przetworzy taką dokumentację.

Kolejne ograniczenie tradycyjnego procesu projektowania wynika z faktu, że jego poszczególni uczestnicy (inwestor, architekt, konstruktor, instalator, kosztorysant itd.), zazwyczaj korzystają z programów, między którymi nie ma bezpośredniej wymiany danych, co powoduje wielokrotne wprowadzanie tych samych informacji [1].

Koncepcje rozwiązania wymienionych problemów pojawiły się już w latach 70. XX w. [2, 3], ale dopiero od kilku lat obserwuje się tzw. nowe podejście w projektowaniu, a mianowicie modelowanie informacji o budynku (Building Information Modelling), w skrócie BIM [4]. Podejście to popularyzuje stowarzyszenie Building SMART, które opracowało otwarty format wymiany danych zwany IFC (­Industrial Foundation Classes) [5, 6].

Czym jest BIM?

W przeciwieństwie do tradycyjnego sposobu projektowania, BIM nie opiera się na wprowadzaniu prostych elementów geometrycznych, ale obiektów. Przykładowo, jeśli wprowadzamy do programu BIM drzwi, określamy ich położenie, wymiary przestrzenne, materiał z jakiego są wykonane, wartość współczynnika przenikania ciepła, koszt itp. [6, 7] (RYS. 1a, RYS. 1b i RYS. 1c).

Program wykorzystuje parametry do analizy. Liczba drzwi w projekcie może wówczas zostać automatycznie zliczona.

Wykryte zostaną także kolizje geometryczne drzwi z innymi obiektami [8, 9]. Podczas takiego projektowania modeluje się informację o budynku, a jej odczyt nie wymaga interpretacji poszczególnych uczestników procesu budowlanego. Informacja ta może zostać wykorzystana bezpośrednio przez program.

Obecnie mówi się o BIM, że jest to nie tyle narzędzie, co proces, podczas którego tworzony jest wirtualny model budynku - jego prototyp, nad którym praca trwa przez cały cykl życia produktu, jakim jest budynek [10].

Nie każdy uczestnik procesu budowlanego potrzebuje wszystkich informacji na temat budynku, jednak niemal każdy potrzebuje informacji na temat jego geometrii.

W celu wymiany informacji między oprogramowaniem dostarczanym przez różnych producentów rozwijane są obecnie uniwersalne formaty wymiany danych. Jednym z nich jest otwarty format wymiany danych IFC (Industrial ­Foundation ­Classes), który pozwala przypisać do obiektów informacje wykorzystywane w poszczególnych branżach.

Do jednej geometrii przypisane zostają informacje dotyczące materiału, kosztów, czasu wbudowania, przenikania cieplnego itp. [6]. Unika się w ten sposób powtórnego wprowadzania geometrii w poszczególnych programach i eliminuje związane z tym błędy oraz znacznie oszczędza czas.

Kolejne osoby dokładają obiekty do modelu i przypisują im odpowiednie cechy oraz zależności geometryczne między nimi a istniejącymi już obiektami. Przykładowo, kosztorysant wprowadza jedynie informacje dotyczące kosztów poszczególnych elementów. Wszystko to odbywa się w modelu przestrzennym 3D, a więc automatycznie zostaną wykryte kolizje.

Jeśli mamy model 3D budynku, możemy otrzymać jego przecięcie (przekrój) w dowolnym miejscu.

Kiedy do obiektów w modelu przypisane są ich cechy, można automatycznie sporządzić rysunek [7], którego linie będą miały odpowiednią grubość, osie będą umieszczone w odpowiednich miejscach, a wymiarowanie zostanie sporządzone przez program według ustalonych reguł.

Sporządzona dokumentacja jest połączona z modelem i jeżeli dokonamy w nim zmiany (np. przesuniemy jedną ze ścian), rysunki zostaną automatycznie zaktualizowane [8, 9, 10]. Zestawienia materiałowe, elementów konstrukcyjnych, pozycji warsztatowych czy też wysyłkowych również mogą zostać wygenerowane automatycznie.

Gromadzenie informacji w jednym pliku przy wykorzystaniu ujednoliconego formatu wymiany danych poprawia jakość projektu nie tylko ze względu na ograniczenie pomyłek, skrócenia czasu pracy, lecz także ze względu na formę przekazania informacji niezbędnej do realizacji konstrukcji. 

Przykład wykorzystania technologii BIM

W przykładzie opisano projektowanie więźby dachowej z wykorzystaniem technologii BIM. Sporządzony przez architekta przestrzenny model wykorzystano do wizualizacji projektu oraz sporządzenia rysunków architektonicznych (RYS. 2).

Następnie model w formacie IFC wysłano do konstruktora, którego zadaniem było zaprojektowanie więźby dachowej. Na podstawie kształtu dachu, rozmieszczenia ścian na poddaszu oraz zawartych w projekcie ograniczeń geometrycznych konstruktor zamodelował kształt więźby.

W technologii BIM ukształtowanej belce może zostać automatycznie przypisany jej model analityczny. Możliwość tę wykorzystano w projekcie i po ukończeniu modelu geometrycznego został on przesłany do programu obliczeniowego.

W programie obliczeniowym nadano warunki brzegowe oraz obciążenia konstrukcji, a następnie wykonano obliczenia statyczne.

Warto zauważyć kształt deformacji płatwi podpierających krokwie. Analizując ich wytężenie w modelu płaskim bez uwzględnienia dokładnej geometrii dachu w postaci lukarny nad balkonem, otrzymuje się wytężenie o 8% mniejsze w porównaniu z modelem przestrzennym.

Ze względu na czasochłonność sporządzania przestrzennych modeli w programach obliczeniowych bez użycia technologii BIM konstruktorzy korzystają z płaskich modeli obliczeniowych, często uproszczonych w stosunku do modeli 3D. Wówczas, jak w powyższym przykładzie, mogą powstać rozbieżności w obliczeniach w modelu 2D i 3D.

Geometrię w formacie IFC stosunkowo małym nakładem pracy można wykorzystać do wykonania obliczeń na podstawie modelu 3D, dzięki czemu otrzymuje się dokładniejsze wyniki.

Kolejnym zadaniem jest dobranie przekrojów o odpowiedniej nośności. Po kompletnym obliczeniu konstrukcji informacje o przekrojach, warunkach brzegowych i obciążeniach przesyłane zostają do modelu geometrycznego więźby, który z kolei może zostać przesłany do architekta, a następnie scalony z całym projektem budynku. Na podstawie modelu geometrycznego zostaje sporządzona w sposób automatyczny dokumentacja projektowa.

Podsumowanie

Dzięki technologii BIM projektant korzystający z aktualnych narzędzi wspomagania projektowania może skupić uwagę na rozwiązaniach jakościowych. Automatyczne wykrywanie kolizji eliminuje wiele błędów występujących w trakcie realizacji obiektu, a możliwość wykorzystania informacji zawartych w plikach podczas eksploatacji budowli ułatwia zarządzanie nią.

Modele 3D w porównaniu z modelami 2D w lepszym stopniu odzwierciedlają rzeczywistość, a dzięki otwartym formatom wymiany danych (np. IFC) informacje wprowadzane do programów w trakcie projektowania nie są dublowane, co oszczędza czas i środki finansowe oraz przyczynia się do polepszenia jakości projektów.

Proces wdrażania technologii BIM trwa w wielu krajach już od kilku lat. Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej, jako jedna z nielicznych uczelni w Polsce, popularyzuje technologię BIM wśród studentów [10], dzięki czemu wiele wrocławskich biur projektowych wykorzystuje tę technologię.

Obecnie największym problemem wydaje się wykorzystanie współpracy międzybranżowej. Wiąże się to w dużej mierze ze zróżnicowanym poziomem implementacji technologii BIM w poszczególnych branżach uczestniczących w procesie budowlanym. Branża architektoniczna i konstrukcyjna wydają się gotowe do takiej współpracy, co pokazano na przykładzie zamieszczonym w artykule.

Literatura

1. GCR, "Cost analysis of inadequate interoperability in the US capital facilities industry", Natl. Inst. Stand. Technol. NIST, 2004.
2. C. Eastman, A. Others, "An Outline of the Building Description System. Research Report No. 50.", 1974.
3. "BIM Handbook: A Guide to Building Inform Free Download", Free Textbook Haven.
4. "Autodesk White Paper - autodesk_bim.pdf", strona internetowa: http://www.laiserin.com/features/bim/autodesk_bim.pdf.
5. A/E/C Industry Alliance for Interoperability Links Building Industry Professions AT&T, Carrier Corp., Honeywell, Inc. and HOK Among Founding Members, Free Online Library”, strona interentowa: http://www.thefreelibrary.com/A%2FE%2FC+Industry+Alliance+for+Interoperability+Links+Building+Industry...-a016817760.
6. "IFC4 Documentation", strona internetowa: http://www.buildingsmart-tech.org/ifc/IFC4/final/html/index.htm.
7. K.Z. Chen, X.A. Feng, L. Ding, "Intelligent approaches for generating assembly drawings from 3-D computer models of mechanical products", "Computer-Aided Design", t. 34, nr 5/2002, s. 347-355.
8. A. Monteiro, J. Poças Martins, "A survey on modeling guidelines for quantity takeoff-oriented BIM-based design", "Automation in Construction", t. 35/2013, s. 238–253.
9. J.D. Manrique, M. Al-Hussein, A. Bouferguene, i R. Nasseri, "Automated generation of shop drawings in residential construction", "Automation in Construction", t. 55/2015, s. 15–24.
10. K. Schabowicz, T. Gorzelańczyk, "Materiały do ćwiczeń projektowych z budownictwa ogólnego", Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!