Wdrożenie BIM w przedsiębiorstwie projektowym

*****
Proces inwestycyjno-budowlany w Polsce przechodzi głęboką cyfryzację. Rynek zamówień prywatnych i publicznych coraz częściej wymaga stosowania BIM (modelowanie informacji o obiekcie budowlanym) przez pracownie projektowe. Wdrożenie BIM nie jest procesem ani łatwym, ani szybkim. Wymaga dobrego przygotowania oraz specyficznego podejścia. W artykule przedstawiono korzyści i zalety stosowania BIM, zaprezentowano poziomy dojrzałości i omówiono pojęcie produktywności, które ma kluczowe znaczenie przy implementacji BIM.

Implementation of BIM in a design organization

The investment and construction process in Poland is undergoing profound digitization. The private and public procurement market increasingly requires the use of BIM by design studios. Implementing BIM is not a process, neither easy nor quick. It requires good preparation and a specific approach. The article outlines the reasons why BIM should be used, presents the maturity levels and discusses the concept of productivity, which is crucial for BIM implementation.
*****

Obecnie wiąże się to zazwyczaj z przekazywaniem rysunków technicznych projektu budowlanego, w formie graficznej, w postaci rzutów, przekrojów poziomych i pionowych oraz rysunków szczegółowych. Oprogramowanie używane do tworzenia tych rysunków (aplikacje CAD) imituje wielowiekowy sposób pracy przy użyciu deski kreślarskiej. Rysunki liniowe nie mogą być jednak w pełni zrozumiane przez komputery i systemy bazodanowe. Zawarte w nich informacje mogą być tylko częściowo interpretowane i przetwarzane metodami obliczeniowymi.

Czytaj też: Pomiar pionowości budynków i budowli 

Oparcie przepływu informacji wyłącznie na rysunkach nie pozwala zatem wykorzystać ogromnego potencjału technologii informatycznych do wspierania zarządzania projektami i eksploatacji budynków. Kluczowym problemem jest to, że spójność różnorodnych rysunków technicznych może być sprawdzana jedynie ręcznie. Jest to potencjalnie ogromne źródło błędów, zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę, że rysunki są zazwyczaj tworzone przez ekspertów z różnych dziedzin projektowania i są sporządzane w wielu przedsiębiorstwach.

Zmiany projektowe stanowią szczególne wyzwanie: jeśli nie są one stale śledzone i przekazywane do wszystkich powiązanych planów, mogą łatwo powstać niespójności i często pozostają nieodkryte aż do faktycznej budowy, gdzie następnie pociągają za sobą znaczne dodatkowe koszty związane z rozwiązaniami ad hoc na placu budowy. W konwencjonalnej praktyce zmiany projektowe są oznaczane jedynie za pomocą chmur rewizji na rysunkach, które mogą być trudne do wykrycia i często są niejednoznaczne [1].

Dlaczego warto wdrażać najnowsze rozwiązania technologiczne?

Przed odpowiedzią na to pytanie należy przeanalizować aktualny stan wiedzy i techniki, zalety i korzyści oraz bariery i ograniczenia. Podając kilka faktów:

• Branża AECOO (ang. architecture, engineering, construction, owners, operators) i jej klienci mają ogromny wpływ na emisję dwutlenku węgla (CO₂), jednego z najważniejszych gazów cieplarnianych. AECOO odpowiada za ok. 50% całkowitego światowego zużycia surowców i 36% końcowego zużycia energii [2].
• Dane Ministerstwa Spraw Gospodarczych i Komunikacji Estonii z 2019 r. pokazują przykład efektu marnotrawienia zasobów w Estonii: problem sprawdzania dokumentacji do wydawania decyzji administracyjnych jest znaczny, ponieważ w kraju każdego roku przetwarzanych jest ponad 12 tys. pozwoleń na budowę i ponad 8,6 tys. pozwoleń na użytkowanie. Ani jeden projekt nie przeszedł procedury bez żadnych poprawek.
• Z danych rządu Wielkiej Brytanii wynika, że dzięki wdrożeniu BIM tylko w latach 2013–2015 udało się zaoszczędzić 2,2 mld funtów w branży budowlanej (w inwestycjach publicznych).
• Z danych USA, na podstawie analizy 32 projektów zrealizowanych z użyciem technologii BIM, wynikają następujące zalety BIM: redukcja o ok. 40% kosztów pozabudżetowych generowanych przez zmiany, dokładność oszacowania kosztów w granicach 3%, do 80% redukcji czasu opracowywania kosztorysów, oszczędność do 10% wartości kontraktu dzięki wykrywaniu kolizji na etapie projektu, a nie jak bywało dotychczas – na etapie realizacji, skrócenie czasu przedsięwzięcia o ok. 7%.
• Gospodarka o obiegu zamkniętym, inaczej gospodarka cyrkularna, staje się jednym z ważniejszych elementów na drodze do bardziej zrównoważonego rozwoju. Jest to podejście, które stawia pod znakiem zapytania podstawy naszego aktualnego modelu konsumpcyjnego, nadal w dużej mierze opartego na linearnej, jednorazowej gospodarce, w której zasoby są wydobywane, przetwarzane, zużywane, a następnie odrzucane. Model cyrkularny oznacza brak odpadów, obieg zasobów i regenerację przyrody.

W tym miejscu do gry wkracza modelowanie informacji o obiekcie budowlanym (BIM). Dzięki zastosowaniu BIM możliwe jest znacznie głębsze wykorzystanie technologii komputerowej w projektowaniu, inżynierii, realizacji i eksploatacji obiektów budowlanych. Zamiast zapisywać informacje na płaskich rysunkach, BIM przechowuje, utrzymuje i wymienia informacje za pomocą kompleksowych reprezentacji cyfrowych: branżowych i federowanych modeli informacyjnych, w całym cyklu życia obiektu.

Takie podejście znacznie poprawia koordynację działań projektowych, integruje interesariuszy, wspiera konfigurację i kontrolę procesu budowy, a także usprawnia przekazywanie informacji o obiekcie budowlanym operatorowi. Ograniczając do minimum ręczne wprowadzanie danych i umożliwiając ponowne wykorzystanie informacji cyfrowych, unika się pracochłonnej i podatnej na błędy pracy, co z kolei przekłada się na wzrost wydajności i jakości projektów budowlanych.

Główne cele wdrożenia BIM to osiągnięcie wyższej jakości projektów i budżetów, gwarantujących szybszą realizację bez przekraczania zakładanych kosztów, przy jednoczesnej optymalizacji kosztów eksploatacji w całym cyklu życia budowli [3].

Szerokie spektrum zastosowań technologii BIM w cyklu życia obiektu budowlanego powoduje, iż grupa zainteresowanych nią podmiotów jest bardzo liczna. Należą do nich: zamawiający (dysponujący środkami publicznymi), prywatny inwestor, projektant, wykonawca, właściciel obiektu, zarządca, deweloper itd. Korzyści płynące ze stosowania BIM są zauważalne nawet przy zastosowaniu podstawowych poziomów. Każda z informacji zawarta na danym poziomie modelu może być wykorzystana oddzielnie i wpływa na zakres dostępny na poziomie sąsiadującym, a jednocześnie zintegrowana jest z określoną fazą cyklu życia obiektu budowlanego [4]. Jednakże to głównie projektowanie jest kluczem do zrównoważonego rozwoju, gdyż szacuje się, że 50% oddziaływania produktu (np. budynku) na środowisko tworzy się na tym etapie [5–6]. Podczas etapów projektowych jest najwięcej miejsca i czasu na przeprowadzanie analiz oraz dokonywanie zmian. Im później, tym koszt wprowadzenia zmian rośnie. Potwierdzają to liczne studia przypadków i publikacje, w których często prezentowana jest tzw. krzywa MacLeamy’ego (RYS. 1) [7]. Po prawej jego zmodyfikowana wersja na podstawie publikacji Kensek [8] i Kumara [9]. Więcej wysiłku poświęconego na wczesnych etapach (koncepcji, projekcie budowlanym) skutkuje mniejszymi problemami w późniejszych etapach (dokumentacji, budowie), gdzie koszt wprowadzania zmian może być znaczny.

Poziomy dojrzałości BIM

Drogę, jaką przedsiębiorstwo musi przejść, by dojrzale pracować w BIM, prezentuje tzw. klin Bewa-Richardsa (RYS. 2). W 2008 r. Mark Bew i Mervyn Richards [10] przedstawili na diagramie brytyjski model zwany dojrzałością BIM, bez którego trudno byłoby zrozumieć rozwój BIM. Model ten, rozpowszechniony przez British Standards Institution (BSI), obejmował wówczas cztery poziomy BIM, które były nośnikiem informacji związanych m.in. z dokumentacją papierową, dwuwymiarową oraz zaawansowanym modelem cyfrowym 3D.

BIM Poziom 0 nie obejmuje współpracy zespołu projektowego, a jedynie tworzenie płaskich rysunków CAD, gdzie praca odbywa się etapami, a komunikacja przebiega za pomocą jednostronnie zintegrowanego systemu zarządzania. Na tym poziomie wymagana jest stała komunikacja z każdą zainteresowaną stroną, ponieważ trudno śledzić wszystkie zmiany, co powoduje większe prawdopodobieństwo błędu, tym bardziej że podstawą do komunikowania się jest papierowa dokumentacja.

Poziom BIM 1 charakteryzuje się współpracą zespołu projektowego, gdzie kooperacja oparta jest na plikach w środowiskach CAD 3D i/lub BIM, co pozwala lepiej zarządzać pracami nad projektem. Współpraca odbywa się z reguły w ramach danej branży (nie są federowane modele), która zapewnia lepszą metodę opracowywania, organizowania i zarządzania informacjami dla branży budowlanej, przy ściśle określonej polityce związanej z kodyfikacją nazewnictwa.

Poziom BIM 2 wyznacza standard, w którym każdy pracuje na własnym modelu w środowisku 3D i korzysta z możliwości współpracy z innymi członkami zespołu oraz innymi branżami. Na tym poziomie używa się CDE (ang. common data environment), czyli wspólnego środowiska danych, które w założeniu ma stanowić podstawowe repozytorium i główny kanał komunikacji pomiędzy interesariuszami. Na tym poziomie pojawiają się nowe formy współpracy i dokumentacji, takie jak EIR, BEP czy macierz odpowiedzialności BIM (omówione dalej). Wszystko dąży do tzw. zintegrowanego procesu inwestycyjnego IPD (ang. integrated project delivery), który ma zapewnić korzyści i zalety dla wszystkich stron.

Poziom BIM 3 zakłada otwartą integrację danych z różnych źródeł, co umożliwia scentralizowaną współpracę i zarządzanie projektami nie tylko w kooperacji z innymi branżami, lecz także zarządzania finansami oraz cyklem życia budynku. Poziom ten zakłada interoperacyjność na każdym szczeblu. Ciągłe powiadomienia o zmianach są umożliwione przez otwarte formaty IFC (ang. Industry Foundation Classes) czy BCF (BIM Collaboration Format). Poziom 3 często określany jako antycypowany iBIM (RYS. 3).

Konotacje i zależności pomiędzy różnymi poziomami są abstrakcyjne i trudne do określenia. Ciężko stwierdzić, czy dane przedsiębiorstwo już pracuje na poziomie 3 czy to nadal poziom 2. Stąd w poziomie 3 zaczęto wyróżniać podpoziomy.

Ostatnie badania sugerują, że doskonalenie wymiany informacji z pomocą otwartych standardów to poziom 3A. Poziomem 3B określa się dodatkowo bezpośrednie połączenie z sensorami urządzeń i maszyn (IoT – ang. Internet of Things).

W przypadku przesyłania danych z sensorów w czasie rzeczywistym (telemetria) mamy do czynienia z poziomem 3C. Monitoring stanu urządzeń i ich potencjalnych awarii przybliża tym samym do idei cyfrowego bliźniaka. Poziomem najwyższym jest 3D, gdzie dodatkowo zdefiniowane są ramy i struktura ontologii, tzn. kodyfikacja wszystkiego, co używane w BIM. Tym samym nie powinno być problemów w komunikacji, a jej stopień efektywności jest na możliwie najwyższym poziomie. Tym samym dąży się do osiągnięcia idealnego zintegrowanego modelu BIM.

Idealny zintegrowany model BIM powinien zawierać nie tylko projekt budowlany, ale też wszystkie niezbędne elementy do przeprowadzania analiz i symulacji. Taki model powinien być wykorzystywany we wszystkich fazach i etapach procesu inwestycyjno-budowlanego, od najwcześniejszej koncepcji, poprzez projekt, budowę, realizację, eksploatację, możliwe remonty i modernizacje, aż po potencjalną rozbiórkę obiektu budowlanego. Droga do tego jest długa, a przedsiębiorstwo zainteresowane wdrożeniem BIM musi być przygotowane na trudny i pracochłonny proces adopcji. Wdrożenie BIM powinno się odbywać przy udziale całego zespołu, przede wszystkim lidera oraz dodatkowo z udziałem eksperta/specjalisty z zakresu oprogramowania.

Wieloczęściowa norma ISO 19650 [12] opisuje nowe rodzaje dokumentów, które występują w procesie BIM. Diagram podstawowych dokumentów przedstawiono poniżej (RYS. 4).

Klient publiczny lub prywatny chcący zamówić projekt w BIM musi mieć świadomość przygotowania dokumentów, które w tradycyjnym procesie projektowym CAD nie miały miejsca. Zaczynając od wymagań informacyjnych organizacji (OIR – ang. Organisational Information Requirements), poprzez wymagania informacyjne aktywów (AIR – ang. Asset Information Requirements) i projektu (PIR – ang. Project Information Requirements), aż po wymagania wymiany informacji (EIR – ang. Exchange Information Requirements), które są kluczowe podczas rozmów i negocjacji z wykonawcą.

Na podstawie tych dokumentów o charakterze strategicznym sporządzany jest tzw. BEP (ang. BIM Execution Plan). BEP jest swego rodzaju kontraktem, który towarzyszy umowie i szczegółowo opisuje plan współpracy klienta z wykonawcą, w tym plan dostarczania modeli czy sposoby komunikacji.

Po podpisaniu BEP przez obie strony zespół projektowy może przejść do tzw. etapu mobilizacji, który też jest nowością w procesie inwestycyjno-budowlanym. Na tym etapie sprawdzane są rozwiązania informatyczne służące komunikacji pomiędzy klientem a wykonawcą. Zwykle chodzi tu o sprawdzenie CDE lub innych platform współpracy. Następnie można przejść do budowy modelu informacyjnego projektu (PIM – ang. project information model). W celu jego sprawnej realizacji czasami tworzona jest tzw. macierz odpowiedzialności BIM (ang. BIM Responsibility Matrix), gdzie wymieniane są zasoby osobowe, przypisane są role i zakresy odpowiedzialności. Każdy nowy etap, dokument czy proces ma za zadanie jedno: zwiększyć produktywność.

Produktywność

Od dawna toczy się debata na temat tego, jak mierzyć wydajność projektowania. W porównaniu do produktywności budowlanej, produktywność projektowa jest znacznie trudniejsza do zmierzenia, ponieważ projektowanie jest procesem iteracyjnym i innowacyjnym. Obecnie, wraz z szybkim rozwojem aplikacji BIM, ogromne ilości dzienników projektowych są generowane przez systemy oprogramowania do projektowania. Opracowano już systematyczne podejście składające się ze szczegółowej procedury krok po kroku, aby dogłębnie wydobywać dzienniki projektowe w celu monitorowania i pomiaru wydajności procesu projektowania [14].

Na początku wdrożenia BIM to jednak inwestycja w szkolenia i świadomy trening wyda się być ważniejsza. Proces uczenia się BIM jest trudny i wymagający uwagi, tym samym może się pojawić moment zniechęcenia wynikający z braku kompetencji. Jednakże przy odpowiednim wsparciu technicznym osób doświadczonych (innych pracowników czy trenerów) można dokonać sprawnej implementacji BIM, która będzie skutkować zwiększeniem produktywności (RYS. 5).

W makroekonomii pod pojęciem produktywności rozumie się stosunek ilości wytworzonej oraz sprzedanej produkcji w określonym czasie (ang. output) do ilości wykorzystywanych lub zużytych zasobów wejściowych (ang. inputs). Inaczej: wielkość produkcji uzyskanej z jednostki nakładu czynnika produkcji.

Badania coraz częściej analizują wpływ BIM na wydajność projektu (RYS. 6). Jedną z powszechnie zgłaszanych korzyści jest poprawa produktywności w budownictwie, a w szczególności wydajności pracy. Najczęstszym używanym wskaźnikiem produktywności jest właśnie wydajność pracy.

Dla organizacji, które chcą przejść na BIM, możliwość uchwycenia tych korzyści i ilościowego określenia ich wpływu jest niezwykle ważna dla zapewnienia rentowności procesu wdrażania BIM. Istnieją różne perspektywy dotyczące tego, co stanowi pomiar wydajności pracy w branży budowlanej. Różnice te dotyczą metod, za pomocą których dane są gromadzone i analizowane, jakości analizowanych danych oraz, co najważniejsze, skali, w jakiej dane są gromadzone [17]. Park i inni omawiają brak ustandaryzowanej definicji produktywności w branży budowlanej [18]. Postanowili oni jednak zdefiniować wydajność pracy za pomocą następującego równania:

Z drugiej strony, inni wskazują [19], że wydajność pracy w budownictwie powinna odzwierciedlać jednostki lub pracę wykonaną lub wyprodukowaną na roboczogodzinę, zgodnie z następującym równaniem:

Aczkolwiek współczynnik wydajności pracy jest również postrzegany jako sposób pomiaru produktywności [20]:

Istnieje wiele podejść do pomiaru i oceny wydajności pracy. Kluczem jest porównanie w czasie lub między systemami. Generalnie, produktywność jest pojęciem względnym, które musi być kontekstualizowane, aby było wartościowym wskaźnikiem wydajności. Metody takie jak ocena w trakcie pracy, badanie próbek pracy, ocena pięciominutowa, ankiety i modele mają na celu identyfikację i łagodzenie czynników, które negatywnie wpływają na produktywność. Pojawiają się różne modele, które są wykorzystywane jako narzędzia do ilościowego określania i oceny zmienności produktywności, przydatnej jako miary sukcesu projektu, która może z kolei działać jako wskaźnik ogólnej wydajności projektu i uzasadniać roszczenia z tytułu utraconej produktywności.

Podsumowanie i dyskusja

Podsumowując, przy wdrażaniu BIM i budowaniu swoich standardów przedsiębiorstwa należy poszukiwać najszerszych uogólnień odnoszących się do wszelkich form świadomego i celowego działania rozpatrywanego ze względu na sprawność, konstruowanie i uzasadnianie dyrektyw praktycznych, np. katalogu dobrych praktyk. Niezbędne jest też wypracowywanie systemu jednolitych pojęć i sformalizowania pewnych twierdzeń. Tym samym można stwierdzić, że jest potrzeba wypracowania pewnej prakseologii BIM, gdzie najlepsze będą szerokie uogólnienia plus:

• nakazy i zakazy,
• zalecenia i przestrogi,
• wypracowanie systemu pojęć niezbędnych lub swoiście przydatnych,
• pluralizm rozwiązań technicznych,
• dociekanie przyczyn powodzeń i niepowodzeń.

Połączenie wymienionych elementów finalnie umożliwi sprawne działanie przedsiębiorstwa projektowego. We wdrażaniu BIM należy doskonalić procesy w połączeniu z dociekaniem przyczyn ich powodzeń i niepowodzeń.

Literatura

1. Borrmann, A., König, M., Koch, C., Beetz, J., „Building information modeling: Why? what? how?”, Springer International Publishing, 2018, s. 1–24.
2. Norouzi, M., Chàfer, M., Cabeza, L.F., Jiménez, L., Boer, D., „Circular economy in the building and construction sector: A scientific evolution analysis”, „Journal of Building Engineering”, Vol. 44: 102704, 2021, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102704 (dostęp z dnia 22 lipca 2022).
3. Miecznikowski, P., „Inwestor publiczny – dobre bliskie praktyki wdrożenia BIM”, „Builder”, 21:5, 2017, s. 42–45.
4. Grzyl, B., Apollo, M., & Miszewska-Urbańska, E., „Building Information Modeling: analiza zakresu i stanu implementacji w polskiej branży budowlanej. Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportowe, 17:12, 2016, s. 1762–1768.
5. Asif, M., Muneer, T., & Kelley, R., „Life cycle assessment: A case study of a dwelling home in Scotland”, „Building and environment”, 42(3), 2007, s. 1391–1394.
6. Bribián, I. Z., Capilla, A. V., & Usón, A. A., „Life cycle assessment of building materials: Comparative analysis of energy and environmental impacts and evaluation of the eco-efficiency improvement potential”, „Building and environment”, 46(5), 2011, s. 1133–1140.
7. MacLeamy, P., „The future of the Building Industry (3/5): Effort curve”, YouTube, Feb. 2, 2010 [Video file]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=9bUlBYc_Gl4. (dostęp z dnia 19 sierpnia 2022).
8. Kensek, K.M., „Building Information Modeling”, Routledge Taylor and Francis Group, New York 2014, s. 285.
9. Kumar, B., „A Practial Guide to Adopting BIM in Construction Projects”, Whittles Publishing, 2015, s. 128.
10. Norma BS 8536-1:2015 na podstawie PAS 1192-2:2013, https://knowledge.bsigroup.com/products/briefing-for-design-and-construction-code-of-practice-for-facilities-management-buildings-infrastructure/tracked-changes (dostęp z dnia 7 grudnia 2022).
11. Esser, S., Vilgertshofer, S., Borrmann, A., „A reference framework enabling temporal scalability of object-based synchronization in BIM Level 3 systems, European Conference on Computing in Construction”, 40th International CIB W78 Conference Heraklion, Crete, Greece, July 10–12, 2023.
12. PN-EN ISO 19650-1:2019-02, „Organizacja i digitalizacja informacji o budynkach i budowlach, w tym modelowanie informacji o obiekcie budowlanym (BIM). Zarządzanie informacjami za pomocą modelowania informacji o obiekcie budowlanym. Część 1: Koncepcje i zasady”.
13. Roberti, F., Ferreira, D., „Increasing Autodesk Revit Productivity for BIM Projects”, Packt Publishing, 2021, s. 474.
14. Zhang, L., Wen, M., & Ashuri, B., „BIM log mining: measuring design productivity”, „Journal of Computing in Civil Engineering”, 32(1), 2018, 04017071.
15. Tomana, A., „Projektowanie w BIM – tańsze czy droższe?”, „Materiały Budowlane”, 564, 8, 2019, s. 64–65.
16. Tiveron, A., „e-BIM. The methodology of information modeling in a “result” economy, Selfpublishing with Amazon, 2020, s. 392.
17. Poirier, E. A., Staub-French, S., Forgues, D., „Measuring the impact of BIM on labor productivity in a small specialty contracting enterprise through action-researc”, „Automation in construction”, 58, 2015, s. 74–84.
18. Park, H. S., Thomas, S. R., Tucker, R. L., „Benchmarking of construction productivity. Journal of construction engineering and management”, 131(7), 2005, 772–778.
19. Halligan, D. W., Demsetz, L. A., Brown, J. D., Pace, C. B., „Action-response model and loss of productivity in construction”, „Journal of construction engineering and management”, 120(1), 1994, s. 47–64.
20. Thomas, H. R., Maloney, W. F., Horner, R. M. W., Smith, G. R., Handa, V. K., & Sanders, S. R., „Modeling construction labor productivity”, „Journal of construction engineering and management”, 116(4), 1990, 705–726.