Integracja modeli BIM i GIS na przykładzie projektu infrastrukturalnego

W artykule:

• Integracja modeli
• Wykorzystanie modeli w projektach infrastrukturalnych
• Wykorzystanie modeli w Polsce
• Materiały i metody
• Wyniki
• Dyskusja i podsumowanie

***

Rozwój dychotomicznych względem siebie technologii BIM i GIS spowodował konieczność ich integrowania w celu wykorzystania obu w inwestycjach infrastrukturalnych. Metodyka BIM najczęściej stosowana jest w projektowaniu i realizacji obiektów kubaturowych. Mimo tego od lat stopniowo wdrażana jest również przy tworzeniu projektów infrastrukturalnych. W niektórych państwach stała się ona obowiązkowa w realizacji zamówień publicznych, włączając w to również budowy dróg czy modernizacje linii kolejowych. Zarządcy infrastruktury drogowej i kolejowej niejednokrotnie tworzyli szczegółowe wytyczne korzystania z BIM, jednocześnie nie rezygnując z danych pochodzących z systemów GIS. Integracja obydwu technologii jest ciągłym wyzwaniem dla naukowców i praktyków. Artykuł odpowiada na pytania: Czy istnieje możliwość uproszczonej integracji na poziomie aplikacyjnym wymienionych technologii w przypadku projektu infrastrukturalnego? I czy takie uproszczenie procesu integracji może przynieść pożądany efekt poprawy procesu inwestycyjnego?

Integration of BIM and GIS models on the example of an infrastructure project

The development of BIM and GIS technologies, which are dichotomous to each other, has made it necessary to integrate them in order to use both in infrastructure investments. BIM methodology is most often used in the design and construction of building objects. Nevertheless, for years it has also been gradually implemented in the development of infrastructure projects. In some countries it has become mandatory in the implementation of public contracts, including road construction or railroad upgrades. Road and rail infrastructure managers have repeatedly created detailed guidelines for the use of BIM, while not abandoning GIS data. The integration of the two technologies is an ongoing challenge for researchers and practitioners. The research questions, therefore, are: Is it possible to simplify application-level integration of the aforementioned technologies for an infrastructure project? And can such simplified integration have the desired effect of improving the investment process?

***

BIM umożliwia sprawne zarządzanie i efektywną koordynację międzybranżową na etapie koncepcji i projektowania. Z kolei technologia GIS (ang. Geographic Information System) pozwala na przeprowadzenie szczegółowych analiz środowiskowych oraz analiz wielokryterialnych z uwzględnieniem aspektu przestrzennego położenia inwestycji. Jedną z największych zalet GIS w projektowaniu przestrzeni oraz obiektów budowlanych jest możliwość uwzględnienia różnic wysokości terenu poprzez wykorzystanie danych Numerycznego Modelu Terenu (NMT). NMT pozwala odwzorować fizyczną powierzchnię terenu w dość szczegółowy sposób zbliżony do rzeczywistości. Możliwość integracji BIM i GIS przyciągnęła uwagę naukowców zarówno branży budowlanej, architektonicznej, jak i branży geoprzestrzennej [17]. Dostawcy oprogramowania, odpowiadając na oczekiwania branż, zaczęli wdrażać działania mające na celu prostą i czytelną integrację modeli dla każdego uczestnika procesu inwestycyjnego. Póki co nie został jednak opracowany jeden format danych, co utrudnia dość znacznie ich wymianę w prosty sposób [16]. W technologii GIS najczęściej korzysta się ze standardu CityGML (GML – ang. City Geography Markup Language) oraz natywnych formatów, np. Shapefile. W BIM otwartym, niezależnym formatem do wymiany danych (również między programami różnych dostawców) jest standard IFC (ang. Industry Foundation Classes) [6].

Zobacz też: Dane a informacje w BIM

Integracja modeli

W 2017 r. najwięksi vendorzy oprogramowania rozpoczęli współpracę w celu integracji danych pochodzących z obu systemów. Firma Esri, będąca renomowanym dostawcą technologii GIS, wraz z firmą Autodesk (wiodący dostawca BIM) rozpoczęli wspólne działania od dopracowania ówcześnie funkcjonującego programu Autodesk InfraWorks, który oferował możliwości integracji danych GIS za pomocą narzędzia Autodesk Connector ArcGIS. Dzięki wymienionej wtyczce istnieje możliwość implementacji do projektu np. danych o sieci uzbrojenia terenu. Kontynuacja współpracy między firmami umożliwiła dodanie danych GIS z programu ArcGIS do aplikacji Autodesk Civil 3D, co umożliwiło np. projektowanie sieci przesyłowych. Kolejnym efektem współpracy było stworzenie nowej usługi ArcGIS GeoBIM, która oparta jest na platformie chmurowej, a dane umieszczone są w modelu centralnym BIM [3]. Ułatwia to wymianę danych między wszystkimi uczestnikami procesu inwestycyjnego, dzięki pracy w tzw. wspólnym środowisku danych – CDE (ang. Common Data Environment) [18].

Wykorzystanie modeli w projektach infrastrukturalnych 

Modelowanie BIM zostało spopularyzowane przede wszystkim przy projektach budynków i budowli. Projektowanie infrastruktury liniowej z wykorzystaniem metodyki BIM nadal nie jest tak popularne, choć w ostatnich latach, szczególnie w niektórych państwach, zaczęto stosować ją również przy projektowaniu linii kolejowych i autostrad. Obiekty infrastruktury liniowej są skomplikowane i składają się z wielu elementów, które warto odwzorować w modelu 3D, aby poprawić czytelność projektu [4]. Jezdnia ulicy jest strukturą warstwową i składa się m.in.: z warstw bitumicznych, podbudowy, warstwy mrozoochronnej, a trasa tramwajowa z szyn, podbudowy, odwodnienia, słupów i sieci trakcyjnych czy peronów przystankowych. W pasie drogowym umieszczane są również dodatkowe elementy pod powierzchnią gruntu. W mieście często umieszcza się tam sieci wodno-kanalizacyjne, elektroenergetyczne, gazowe czy kable teletechniczne. Wszystkie te elementy wraz z ostatecznym zagospodarowaniem, w tym również zielenią, można uwzględnić w modelu BIM. Zapotrzebowanie stosowania BIM w tym zakresie pojawiło się później niż w przypadku obiektów kubaturowych, dlatego też większość dostępnych programów opartych na BIM nie jest przystosowana do projektowania infrastruktury o charakterze liniowym. Z kolei nacisk na rozwój nowoczesnych technologii w sektorze transportu spowodował przyjęcie niektórych metod z branży budowlanej [5]. Tym samym wykorzystanie BIM wraz z technologiami do zarządzania infrastrukturą może przyczynić się do zwiększenia jej niezawodności i bezpieczeństwa przy zmniejszeniu kosztów utrzymania [9], a także znacząco skrócić czas projektowania [7].

W ramach jednej z prac naukowych utworzono platformę przystanku tramwajowego wraz z fragmentem trasy, włączając w to sieć uzbrojenia terenu oraz oświetlenie uliczne [1]. W konstrukcji przystanku uwzględniono wszystkie jego warstwy. Na RYS. 1 przedstawiono warstwy torowiska tramwajowego, które można zamodelować za pomocą BIM.

Pozytywnym efektem stworzenia modelu BIM okazała się być możliwość zbadania interakcji między poszczególnymi elementami. Wspomaga to proces projektowy, umożliwiając sprawne korzystanie z modelu trójwymiarowego przez wszystkich uczestników procesu inwestycyjnego. Warstwa informacyjna, o którą są uzupełnione poszczególne elementy geometryczne, jest tu szczególnie istotna, gdyż szybki dostęp do informacji umożliwia sprawne podejmowanie decyzji. W dotychczasowych badaniach zauważono również możliwość poprawy koordynacji międzybranżowej oraz szybszą reakcję na wystąpienie kolizji między projektowanymi komponentami. Identyfikacja takich problemów w przypadku budowy infrastruktury liniowej w mieście jest szczególnie istotna na etapie projektowym, gdyż końcowo skraca czas prowadzenia robót budowlanych, które są znacznym utrudnieniem dla społeczności lokalnej.

Z kolei dane z systemów GIS umożliwiają zarówno reprezentację topograficzną terenu, jak i wspomagają zarządzanie nieruchomościami i integrację obiektów kubaturowych z obiektami infrastruktury liniowej [14]. Zarządzanie obiektami infrastruktury z wykorzystaniem GIS jest znacznie bardziej przejrzyste i pozwala na szybką reakcję. W Irlandii GIS wspomaga zarządzanie działaniami naprawczymi, obsługę danych i bardziej efektywne utrzymanie sieci wodociągowej. Z kolei korzyści z integracji modeli BIM i GIS skłoniły władze Wielkiej Brytanii do korzystania z niej w ramach największych projektów infrastrukturalnych – budowy kolei dużych prędkości H2S oraz budowy nowej linii kolei miejskiej Elizabeth Line w Londynie [10]. Integracja modeli usprawnia również zarządzanie infrastrukturą liniową, szczególnie w przypadku długich obiektów, jak np. linie kolejowe [8].

Wykorzystanie modeli w Polsce

Technologie BIM i GIS wykorzystywane są przez krajowe i samorządowe jednostki oraz spółki publiczne. Jednym z przykładów jest działalność spółki Centralny Port Komunikacyjny (CPK). Spółka ta dba o to, by projekt każdej nowej infrastruktury został wykonany w BIM. Inwestor wskazał kilkanaście celów stosowania BIM. Należą do nich m.in.: efektywna współpraca międzybranżowa, wysoka jakość dokumentacji projektowej, analiza wariantów i wybór optymalnych rozwiązań dzięki zastosowanym symulacjom, optymalizacja projektu pod względem kosztów czy obniżenie kosztów eksploatacji oraz skuteczne zarządzanie obiektami dzięki nasyceniu modeli niezbędnymi danymi. W przypadku każdej umowy ma zostać uzgodniony plan realizacji BIM (BEP – ang. BIM Executive Plan) [15].

Modelowanie BIM zostało wykorzystane nieraz do projektowania budowy dróg, czy też modernizacji linii kolejowych. Nie wymagano jednak wprost, podobnie jak w przypadku zamówień z CPK, integracji z modelem GIS. Modele przestrzenne zostały jednak wykorzystane w zarządzaniu infrastrukturą kolejową przez narodowego zarządcę PKP Polskie Linie Kolejowe (PKP PLK) w ramach systemu SILK (System Informacji dla Linii Kolejowych), który jest narzędziem do przedstawienia i monitorowania zjawisk zachodzących na sieci kolejowej [13]. Jednym z elementów SILK jest również moduł wspomagający kompletowanie i zarządzanie dokumentacją techniczną w formatach tekstowych i graficznych wraz z określoną lokalizacją. Nie jest to jednak pełne wykorzystanie potencjału BIM, ponieważ model informacyjny nie został dostatecznie rozwinięty (brak modelowania obiektowego) [12]. Jeżeli linie kolejowe planowane do budowy przez spółkę CPK zostaną wybudowane, a następnie przekazane PKP PLK w celu dalszego zarządzania, istnieje wysokie prawdopodobieństwo konieczności integracji modelu BIM z danymi GIS.

Wymienione przykłady nie są jednak efektem systemowego (odgórnego) wprowadzenia nowoczesnego podejścia do procesów inwestycyjnych [19]. W wielu państwach europejskich, również mniej zamożnych, jak Czechy czy Litwa, wprowadzono obowiązek lub znaczne zachęty do korzystania z BIM w zamówieniach publicznych oraz prywatnych. W Polsce mimo wielu działań ukierunkowanych na korzystanie z metodyki BIM, również w publicznych zamówieniach infrastrukturalnych, nie udało się dotąd wprowadzić realnych zmian w postaci wprowadzenia obowiązku stosowania BIM (tzw. mandatu) lub choćby stworzenia katalogu dobrych praktyk [11].

Materiały i metody

Koncepcja trasy tramwajowej w wymiarze 2D

Projektowanie ulicy z trasą tramwajową wraz ze wszystkimi koniecznymi elementami jest procesem trudnym, skomplikowanym i wymaga specjalistycznej wiedzy. W niniejszym opracowaniu zdecydowano się na skorzystanie z istniejącego projektu trasy tramwajowej na ul. Spacerowej i Goworka w Warszawie. Inwestycja zlecona przez Tramwaje Warszawskie, a realizowana przez firmę Budimex, jest częścią większego założenia mającego na celu stworzenie połączenia tramwajowego Wilanowa z Dworcem Zachodnim. Budowa trasy tramwajowej przebiega w terenie intensywnie zabudowanym i użytkowanym. Konieczne jest, aby budowa przebiegała jak najsprawniej, aby zminimalizować w największym możliwym stopniu uciążliwości dla mieszkańców. Do analizy wybrano ten fragment trasy ze względu na pochylenie terenu, gdyż ul. Spacerowa prowadzi przez teren skarpy wiślanej.

Otrzymany projekt trasy tramwajowej został uproszczony w środowisku CAD (ang. Computer Aided Design). Celem niniejszego badania było sprawdzenie możliwości integracji danych teoretycznie dwóch dychotomicznych technologii, a nie stworzenie modelu informacyjnego, który miałby zostać wykorzystany w trakcie procesu budowy. Z tego powodu pominięto niektóre elementy projektu takie jak słupy trakcyjne, sieć trakcyjna, sieć uzbrojenia terenu, grubość warstw jezdni, szczegółowe otoczenie obszaru, słupki miejskie i płytę torową (RYS. 2).

Przygotowanie danych przestrzennych

Do stworzenia zintegrowanego modelu konieczne było pozyskanie danych geoprzestrzennych. Wykorzystano dane Numerycznego Modelu Terenu (NMT) o rozdzielczości <1 m, które pobrano z Geoportalu. Analiza danych w aplikacji ArcScene 10.8.1. wskazała, że na odcinku o długości 911 m ulicy spadek wysokości terenu wynosił 21 m. Z kolei maksymalne nachylenie wyniosło ok. 4,6 stopnia. Dane potwierdziły zasadność skorzystania z możliwości modelowania terenu. Aby wgrać dane do natywnego środowiska BIM (Autodesk Revit) konieczne było przekonwertowanie danych wysokościowych do rozszerzenia.csv, gdyż w takim formacie istnieje możliwość importu danych terenowych. W tym celu wykorzystano wolne oprogramowanie (ang. open source) QGIS.

Odległość między izohipsami danych na mapie wyniosła 0,5 m. Warstwice te stanowią pewne przybliżenie realnego spadku terenu. Podobnie jest na mapie fizycznej, która prezentuje dane o konkretnym poziomie terenu, natomiast nie jest pewne, jak wygląda spadek terenu pomiędzy warstwicami – czy jest on jednostajny (deterministyczny), czy też nie (stochastyczny). Problem ten został szczególnie zauważony podczas integracji modeli.

W kolejnym etapie pracy należało przekonwertować warstwice na chmurę punktów. W tym celu wykorzystano narzędzie „wydobądź wierzchołki”. Warstwę z wierzchołkami przekonwertowano do pliku.csv, w którym to wierzchołki zostały opisane za pomocą trzech wymiarów – x, y i z. Warstwę tę zaimplementowano do programu Autodesk Revit.

Wyniki

Projekt warstwy drogowej wczytano do programu Autodesk Civil 3D, w którym nadano mu układ współrzędnych geograficznych. Następnie wgrano go do modelu BIM. Autodesk Revit przystosowany jest bardziej do projektowania elementów pionowych [2], dlatego ze względu na brak dostępnych komponentów elementów drogi takich jak jezdnie, torowisko, chodnik, opaski betonowe itd., zdecydowano się na modelowanie poszczególnych elementów jako stropy. Takie obejścia są konieczne w aktualnym stanie techniki. Dzięki dostępnym możliwościom każdy element ulicy został zdefiniowany jako osobny zespół, co umożliwiło nadanie odpowiedniej struktury i tekstury poszczególnym warstwom (RYS. 3). Uwzględniono również orientacyjne grubości poszczególnych elementów jezdni, takie jak podbudowa czy warstwa bitumiczna.

Obiekty typu szyny modelowano z kolei narzędziem „poręcz”, gdzie jest możliwość przeciągania po ścieżce wybranego profilu. Fragment modelowanej trasy tramwajowej wraz z jezdnią przedstawiono na RYS. głównym.

Uproszczone modelowanie jezdni za pomocą stropów oraz szyn za pomocą poręczy nie powinno mieć miejsca w przypadku projektu budowlanego inwestycji liniowej. Jednakże takie podejście pozwala na szybsze oszacowanie ilości potrzebnych materiałów oraz kosztów inwestycji niż tradycyjne rysowanie CAD i ręczne przedmiarowanie.

Dzięki nadaniu układu współrzędnych możliwe było dopasowanie modeli tak, aby znajdowały się w tym samym miejscu w przestrzeni geograficznej. W modelowaniu pokrycia terenu wykorzystano dwa podejścia wyznaczenia punktów odniesienia. 

Pierwsze polegało na jak najwierniejszym odzwierciedleniu modelu terenu, dlatego gęsto rozmieszczono punkty odniesienia. W wariancie drugim punkty umieszczono rzadziej, dzięki czemu uzyskano łagodniejsze spadki poszczególnych elementów jezdni, co pozwoliło na lepsze odzwierciedlenie położenia szyn. Na RYS. 4–5 przedstawiono efekty obu podejść.

Wyniki i wizualizacje z takiej pracy mogą okazać się przydatne przy informowaniu społeczeństwa o planowanych zmianach, wskazując docelowy układ ulicy, przebieg linii tramwajowej czy lokalizację zieleni wysokiej.

Dyskusja i podsumowanie

Integracja modeli BIM i GIS w uproszczony sposób może przynieść korzyści zamawiającemu dzięki bogatej warstwie informacyjnej umożliwiającej sprawne oszacowanie ilości potrzebnych materiałów, sporządzanie kosztorysów czy przygotowanie ofert. Stosowanie BIM w projektach infrastrukturalnych w Polsce jest nadal na etapie pilotaży, a integracja z GIS występuje jedynie na poziomie aplikacyjnym (nie na bazodanowym). Rozwiązania technologiczne cały czas są rozwijane. Nacisk branży infrastrukturalnej również mógłby przyczynić się do szybszego podjęcia właściwych kroków przez dostawców oprogramowania, którzy z pewnością dostosują swoje produkty do oczekiwań rynkowych. Efekty opisane w niniejszym artykule wskazują jednak, że nawet przy ograniczeniach oprogramowania można osiągnąć zadowalające efekty.

W wielu państwach korzyści dostrzeżone przez prywatnych inwestorów w zakresie projektowania z wykorzystaniem BIM zauważono również w jednostkach publicznych, dzięki czemu powstały szczegółowe wytyczne do korzystania z BIM w projektach infrastrukturalnych, które stanowią kluczowy element funkcjonowania państwa, jak np. linie kolejowe i autostrady. Wielorakie możliwości wykorzystania metodyki BIM oraz technologii GIS wpływają zachęcająco na korzystanie z obydwu, a w konsekwencji tworzą potrzebę integracji modeli. Mimo zastosowania pewnych uproszczeń w integracji modeli BIM i GIS, zidentyfikowano korzyści wynikające z połączenia modelu trasy tramwajowej oraz modelu terenu:

• możliwość dokładnej analizy odcinka ulicy, który jest położony na najbardziej nachylonym terenie,
• zwiększenie dokładności sporządzenia zestawienia materiałów w stosunku do modelu, w którym nie uwzględniono nachylenia terenu,
• możliwość wizualizacji inwestycji, która mogłaby zostać zaprezentowana mieszkańcom w procesie partycypacji społecznej,
• możliwość przeprowadzenia dodatkowych analiz przestrzennych 2D i 3D uwzględniających np. spływ wód opadowych z różnych fragmentów ulicy oraz jej najbliższego otoczenia.

Integracja BIM i GIS umożliwia efektywniejsze przeprowadzanie procesów inwestycyjnych, wpływających na komfort życia mieszkańców oraz osób przyjeżdżających do miasta. Natomiast na etapie eksploatacji model BIM obiektu infrastrukturalnego może wspomagać zarządzanie zasobami materialnymi i ruchem.

Literatura

1. Acerra E.M., Busquet G.F.D., Parente M., Marinelli M., Vignali V., Simone A., „Building Information Modeling (BIM) Application for a Section of Bologna’s Red Tramway Line”, „Infrastructures” 2022, 7, 168.
2. Biancardo SA, Viscione N., Cerbone A., Dessi E. „BIM-Based Design for Road Infrastructure: A Critical Focus on Modeling Guardrails and Retaining Walls”, „Infrastructures” 2020, 5(7), 59.
3. Borkowski A.S., Osińska N., Szymańska N., „Przegląd dotychczasowych rozwiązań na poziomie aplikacyjnym w zakresie integracji technologii BIM i GIS”, „Builder” 12 (305), 2022.
4. Chong H., Lopez R., Wang J., Wang X., Zhao Z., „Comparative Analysis on the Adoption and Use of BIM in Road Infrastructure Projects”, „Journal of Management in Engineering” 2016.
5. Costin A., Adibfar A., Hu H., Chen S.S., „Building Information Modeling (BIM) for transportation infrastructure—Literature review, applications, challenges, and recommendations”, „Automation in Construction” 2018, 94, 257–281.
6. D’Amicoa F., Calvia A., Schiattarellaa E., Di Preteb M., Veraldi V., „BIM And GIS Data Integration: A Novel Approach Of Technical/Environmental Decision-Making Process In Transport Infrastructure Design”, „Transportation Research Procedia” 45 (2020) 803–810.
7. Dzeng R., Chen C., Huang S., „Design of Track Alignment Using Building Information Modeling”, „Journal of Transportation Engineering”, 2011.
8. Garramone M., Moretti N., Scaioni M., Ellul C., Re Cecconi F., Dejaco M.C., „BIM and GIS integration for infrastructure asset management: a bibliometric analysis”, 3rd BIM/GIS Integration Workshop and 15th 3D GeoInfo Conference, Londyn, 7–11 September 2020.
9. Gerges M., Austin S., Mayouf M., Ahiakwo O., Jaeger M., Saad A., El Gohary T., „An investigation into the implementation of building information modeling in the Middle East”, „Journal of Information Technology in Construction” 2017, 22, 1–15.
10. Kurwi S., Demian P., M. Hassan T., „Integrating BIM and GIS in railway projects: a critical review”, Loughborough University, 2017.
11. Pinkosz M., Borkowski A.S. „Problematyka implementacji BIM na poziomie krajowym”, „Przegląd Budowlany” 94 (5-6): 116–121, 2023.
12. Vystavel O. „The use of BIM in transport infrastucture construction in the Czech Republic”, Geoinformatica Polonica – Polska Akademia Umiejętności, 2022.
13. Wesołowski T. „Technologia GIS w PKP PLK”, grudzień 2015 https://www.arcanagis.pl/technologia-gis-w-pkp-plk/(dostęp: 19.09.2024).
14. „Wprowadzenie do stosowania technologii BIM w budownictwie drogowym”, Wzorce i standardy rekomendowane przez Ministra właściwego ds. transportu, Ministerstwo Infrastruktury, 2022.
15. Wymagania Informacyjne Projektu (PIR-PK) dla projektów kolejowych w Podprogramie Kolejowym CPK, Centralny Port Komunikacyjny, Warszawa 2021.
16. Zhu J., Wang X., Chen M., Wu P., Kim M. J., „Integration of BIM and GIS: IFC geometry transformation to shapefile using enhanced open-source approach”, „Automation in Construction” vol. 106, 2019.
17. Zhu J., Wu P., „BIM/GIS data integration from the perspective of information flow”, „Automation in Construction” vol. 136, 2022.
18. Borkowski A.S., Brożyna J., Litwin J., Rączka W., Szporanowicz A., „Use of the CDE environment in team collaboration in BIM”, „Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska” 13(4), 2023.
19. Borkowski A.S., Drozd W., Zima K., „The Status of the Implementation of the Building Information Modeling Mandate in Poland: A Literature Review”, „ISPRS International Journal of Geo-Information” 13(10), 343, 2024.