Современная строительная отрасль активно внедряет инновационные технологии для улучшения процессов проектирования и строительства. Среди них особое место занимает трехмерное моделирование (3D), которое становится неотъемлемой частью многих строительных проектов. 3D технологии позволяют создавать более точные и детальные модели зданий и сооружений, что помогает улучшить качество проектирования и минимизировать ошибки в строительных проектах.

Перечень сокращений

ОКС – объект капитального строительства

СОД – среда общих данных

ИС – информационная система

ГПЗУ – градостроительный план земельного участка

ЦИМ - цифровая информационная модель

Определение понятий

В литературе можно найти множество определений, описывающих 3D-модели с разных точек зрения. Простыми словами, 3D модели — это те, которые имеют ширину, высоту и глубину, в отличие от 2D моделей, которые состоят только из ширины и высоты.

3D моделирование в строительстве — это создание трёхмерных виртуальных моделей зданий, сооружений или инфраструктурных объектов с помощью специализированных программных средств. [1] Модели могут включать в себя детальное представление архитектурных элементов, инженерных систем, ландшафта и других параметров, связанных с конкретным проектом.

Технологии информационного моделирования есть способ преобразования информации об объекте капитального строительства в информационную модель/модели ОКС, путем построения взаимосвязей внутри и между различными информационными частями посредством использования среды общих данных. [2]

Среда общих данных (СОД) — это единый программно-технический комплекс для совместной работы участников проекта с информационными моделями на всех стадиях жизненного цикла. [2]

Этапы разработки и реализации строительных проектов

При разработке и реализации строительных проектов существует ряд ключевых этапов, каждый из которых имеет свои особенности. Эти этапы требуют тщательного планирования и контроля для успешной реализации проекта. Прежде чем определить полезность 3Д на данных этапах, рассмотрим каждый из них подробнее:

1. Предпроектная подготовка и планирование строительства

На этом этапе осуществляется первоначальное изучение технической и экономической осуществимости проекта. Проводятся различные исследования, включая анализ рыночных условий, оценка эффективности и рентабельности проекта. Производится анализ возможных рисков и препятствий, которые могут возникнуть в процессе строительства. Определяются его цели, задачи, технические требования, а также составляется предварительный бюджет и план мероприятий.

Условно, данный этап можно поделить на три подэтапа:

• Организационно-техническая подготовка. Включает сбор всех важных технических условий будущего объекта, подготовку всех необходимых данных и документов для выпуска градостроительного плана земельного участка (ГПЗУ).
• Составление эскизного проекта. Поиск концепции строительства будущего здания, выбор его ориентации на площади, расчет базовых технических и экономических характеристик объекта.
• Инженерно-технические изыскания. Разработка проекта включает обязательное исследование особенностей почвы, проведение геологических и топологических работ. Если планируется реконструкция или снос существующих зданий, проводится их инженерное обследование. [3]

2. Обеспечение проектной документацией

После подготовки основных концептуальных аспектов проекта, необходимо разработать детальную проектную документацию.

Этот этап включает подготовку и утверждение всех необходимых документов, начиная от технического задания, заканчивая получением разрешений экспертной комиссии. Подготовленные документы проходят процесс согласования и экспертизы для подтверждения их соответствия нормам и требованиям, а также утверждение с подрядчиком и заказчиком этапов, объемов и стоимости всех предполагаемых работ, выбор подрядчика (одного или нескольких) для выполнения предстоящих работ, выполнение рабочей и проектной документации, экспертиза и т.д. Оформление всех необходимых разрешений и лицензий на строительство соответствующих органов и учреждений. Эти подэтапы необходимы для обеспечения прозрачности и законности строительства. [4]

3. Организация строительства

Если основные фазы разработки проекта были выполнены правильно, строительство переходит на этап непосредственной реализации проекта.

• Подготовительные работы: Подготовка строительной площадки, доставка материалов, мобилизация необходимой техники и рабочей силы.
• Основные строительные работы: Возведение конструкций, монтаж инженерных систем, проведение отделочных работ и прочее.
• Контроль качества и безопасности: Непрерывный контроль за качеством работ и соблюдением требований по безопасности на стройплощадке.

Как только процесс строительства завершится, происходит приемка готового объекта. Если все успешно – подписывается КС-11 (Акт законченного строительством объекта). [5] Здание вводится в эксплуатацию, постепенно происходит процесс оформления прав собственности.

4. Приемка в эксплуатацию завершенного строительством объекта

После завершения строительства объект сдаётся заказчику, происходит передача всех необходимых документов и ключей, и объект вводится в эксплуатацию. На этой стадии предполагается выполнение следующих видов работ: осмотр объекта заказчиком или экспертами для убеждения в соответствии выполненных работ проектной документации и нормам, при необходимости проводятся работы по пуску и наладке инженерных систем и оборудования.

После успешной приемки и подготовки объект передается в эксплуатацию заказчику, происходит подписание договоров на принятие в обслуживание объекта недвижимости и предоставление услуг в сфере обслуживания инженерных сетей и обеспечение энергоресурсов; поддержание структуры недвижимости в соответствии с нормами действующих регламентов; планирование профилактических мероприятий, текущего обслуживания и ремонта объекта; распределение бюджета в соответствии с планируемыми расходами, необходимыми для содержания объекта. [6]

Полезность 3D моделирования на различных этапах для управления строительными проектами через СОД

Рассмотрим, какая польза может быть получена от применения 3D моделей на каждом из вышеописанных этапов:

1. Предпроектная подготовка и планирование строительства

3D моделирование позволяет создать виртуальную модель будущего объекта, что помогает заказчику и инвесторам лучше понять концепцию проекта и его потенциальный внешний вид, тем самым снижая риск «информационных дыр» и конфликтов. На этом этапе хорошо решается вопрос архитектурной согласованности с окружением будущего объекта. Есть задачи моделирования освещенности объектов солнцем или закрытия видимости из разных важных точек наблюдения. Виртуальная проба, или воображение эксплуатации объекта в своем окружении способствует более осознанному принятию решений и уменьшает риск возникновения недоразумений на более поздних этапах.

В настоящее время трехмерное моделирование на предпроектном этапе не получило широкого распространения, но постепенно его внедрение становится более востребованным. К примеру, один из важнейших разделов для технологии 3Д моделирования – это инженерно-геодезические изыскания, так как на этой стадии подготавливаются исходные данные для проектирования всех составляющих строительства. [7] В 3Д-модель инженерно-геодезических изысканий входят следующие компоненты:

• цифровая модель местности;
• цифровая модель рельефа;
• цифровая модель инженерных сетей.

Цифровая модель местности ЦММ (digital surface model) — это трехмерное графическое представление данных о возвышении «подъеме» точек земной поверхности на территории производства работ и ситуации на ней (рис. 1). На начальной стадии проектирования часто необходима цифровая модель рельефа (ЦМР). Многие компании, проектирующие линейные объекты строительства, используют 3D-модели рельефа, полученные на стадии инженерно-геодезических изысканий, так как их преимущества и наглядность очевидны. [8]

Применимость трехмерного моделирования на данном этапе:

Визуализация концепции

позволяет заказчикам и заинтересованным сторонам лучше понять предполагаемый вид будущего объекта, что облегчает принятие решений на ранних этапах проекта.

Анализ местности и условий

3D-модели помогают анализировать местность, выявлять особенности рельефа и инфраструктуры, что способствует более точному планированию и разработке проекта.

Плюсы:

• Улучшенное понимание проекта.
• Возможность предотвращения ошибок и конфликтов.
• Эффективное использование ресурсов.

Минусы:

• Высокие затраты на создание и поддержание трехмерных моделей.
• Необходимость обучения персонала.

Вывод:

3D-моделирование на предпроектной стадии и стадии инженерных изысканий может быть востребовано в следующих случаях:

3D-модель требуется для лучшей визуализации и защиты проекта перед инвесторами. В этом случае дополнительные затраты на создание модели должны окупаться за счет повышения вероятности того, что проект будет принят.

3D модели на стадии инженерных изысканий требуется готовить в случае, когда известно, что разработка проектной документации будет включать в себя создание цифровых информационных моделей. Бюджеты на подготовку 3D-моделей местности и иных должны быть учтены в бюджете проекта.

2. Обеспечение проектной документацией

Во время разработки технического проекта 3D-моделирование обеспечивает возможность визуализации всех аспектов строительства: архитектурных решений, расположения коммуникаций, конструктивных особенностей и т.д.

Анализ 3D-моделей ОКС позволяет инженерам заранее выявлять проблемы и коллизии в проектной документации, что позволяет устранять их на ранних стадиях разработки проекта, сокращая расходы на исправление ошибок. Визуально разного рода коллизии на модели можно отслеживать гораздо быстрее, чем на чертежах. Конечно, не все коллизии благодаря 3D получится выявить, но какие-то бросаются в глаза. Если при разработке проектной документации использовать среду общих данных, то, наладив частый обмен данными между участниками проекта, поставки моделей от рабочих групп в общую сводную модель, получится существенно сократить работу инженеров по устаревшим данным, так называемую "работу в корзину". Это существенно сокращает общие сроки проектирования и повышает прогнозируемость развития проекта целиком.

Кроме того, 3D-модели позволяют лучше представить конечный результат строительного проекта, что помогает заинтересовать потенциальных клиентов и инвесторов. Визуализация проекта в 3D-формате делает его более привлекательным и понятным для широкой аудитории. Данный факт может быть использован в тех случаях, когда к обсуждению проекта требуется привлекать внешних заинтересованных лиц, которые могут не иметь инженерного образования.

Применимость трехмерного моделирования на данном этапе:

• Создание документации: Использование трехмерных моделей для основы создания чертежей и спецификаций.
• Взаимодействие с заинтересованными сторонами: Позволяет лучше представить проект заказчикам и контролирующим органам.

Плюсы:

• Улучшенная документация: 3D-модели могут служить основой для разработки проектной документации, включая чертежи, спецификации и технические решения, что улучшает качество и понимание проекта.
• Высокая детализация проработки проекта.

Минусы:

• Повышенная трудоемкость процесса подготовки проектной документации, и, как следствие, повышенная стоимость таких работ.
• В некоторых случаях требуется модернизация парка компьютерной техники.

Вывод:

Так, как разработка проектной документации, которая включает в себя создание цифровых информационных моделей ОКС более затратна, то обоснование необходимости создания такого проекта должно быть приведено в задании на проектирование. При этом необходимо указать способы дальнейшего использования (на следующих этапах жизненного цикла) подготовленных 3D-моделей и требования к ним.

Необходимость подготовки ЦИМ должна быть обусловлена спецификой самого объекта капитального строительства. Недопустимо включать требования по подготовке 3D-моделей без проработки вопросов их дальнейшего использования.

3. Организация строительства

С распространением технологий распределенной работы, 3D-модели играют важную роль в обмене информацией между удаленными участниками строительного производства. Они позволяют эффективно представлять данные и обсуждать их коллективно, облегчая работу группы и их понимание текущего состояния объекта. Кроме того, 3D-модели позволяют участникам лучше понимать пространственные отношения и архитектурные детали проекта, что повышает качество строительства.

Применимость трехмерного моделирования на данном этапе:

• Планирование строительных работ
  позволяет оптимизировать последовательность выполнения работ и управлять ресурсами, уменьшая возможные конфликты и ошибки.
• Контроль качества
  позволяет непрерывно контролировать соответствие выполненных работ проекту.

Плюсы:

• Улучшенная координация между различными участниками проекта.
• Уменьшение риска возникновения конфликтов и задержек.

Минусы:

• Ограничения в использовании для сложных инженерных систем.
• Повышенные требования к квалификации участников строительного производства и к их оснащению.

Вывод:

Цифровые информационные модели на этапе строительства могут применяться при готовности каждого из участников данного этапа к работе с использованием данной технологии. В ином случае 3D-модели ведутся параллельно традиционному документообороту и являются дополнительным обременением. Такой способ работы можно рассматривать только, как временный на переходный период.

4. Приемка в эксплуатацию завершенного строительством объекта

3D-модели могут быть использованы для создания детальных отчетов о выполненных работах и состоянии объекта после завершения строительства. Это облегчает процесс проверки соответствия выполненных работ требованиям заказчика и ускоряет процесс сдачи и ввод объекта в эксплуатацию. Однако со временем потребуется постоянное обновление 3D-моделей в соответствии с изменением объекта.

Сроки эксплуатации зданий составляют десятки, а для инфраструктурных объектов сотни лет, что в десятки и в сотни раз превышает период действия не только самой модели, но и одного поколения инструментария для информационного моделирования. Другими словами, трехмерная модель здания, построенная при его возведении и переданная в службу эксплуатации, в первозданном виде долго не проживёт.

В статье «Аналитики Росатома оценили рынок IoT в России» Валентин Чубаров, руководитель проектного офиса «Инфраструктурная IoТ-платформа» РИР, отмечает: «Цифровая модель объекта на этапе его эксплуатации не актуализируется и через 3-5 лет перестает соответствовать реальному объекту. Актуализированная на этапе строительства цифровая информационная модель становится эксплуатационной информационной моделью только в том случае, если служба эксплуатации использует её, например, для диспетчеризации и управления инженерной инфраструктурой. В этом случае эксплуатационная информационная модель обогащается данными с оконечных устройств, различных датчиков и анализаторов и начинает, что называется, «дышать». Как на кардиомониторе в больнице, на мониторах в службе эксплуатации виден актуальный статус «жизненно важных» функций объекта. Более того, инженеры могут корректировать работу оборудования в дистанционном формате, используя эксплуатационную цифровую информационную модель». [9]

Применимость трехмерного моделирования на данном этапе:

• Трехмерное моделирование может быть использовано для создания виртуальной модели завершенного объекта, которая может быть использована для обучения персонала, планирования технического обслуживания и проведения ремонтных работ.

Плюсы:

• Документация и обслуживание
• 3D-модели могут служить основой для документации об объекте, упрощая последующее техническое обслуживание и ремонт.

Минусы:

• Обновление и поддержка
• требуется постоянное обновление 3D-моделей в соответствии с реальными изменениями в объекте, что может быть трудоемким процессом.

Заключение

3D-моделирование предоставляет наглядное представление проекта, что улучшает коммуникацию между заинтересованными сторонами и помогает избежать недопонимания. Точность и детализация моделей способствуют выявлению конструктивных конфликтов до начала строительства, экономя время и средства. Однако, высокая стоимость, необходимость в специализированном программном обеспечении и обученных специалистах может быть барьером на начальных этапах, особенно для малых компаний. На более поздних этапах появляется необходимость в обновлении моделей для отражения изменений в здании, облегчая при этом управления зданием и планирование обслуживания, благодаря доступу к детальным моделям здания.

3D-моделирование несомненно улучшает процесс строительства, но требует значительных инвестиций в технологии и обучение персонала, а также постоянного обновления данных и программного обеспечения для поддержания актуальности и эффективности. Полезность и применимость во многом будет зависеть от специфики проекта, его масштабности и бюджета.

Использование 3D в проектировании объектов это объективный тренд развития на базе ИТ, но он сложный, долгий и дорогой. По нему важно двигаться вперед, чтобы повысить совокупную производительность труда на всём жизненном цикле объекта строительства. За этим направлением стратегическое будущее.

При этом важно отметить, что для повышения производительности труда на тактическом уровне, нужно искать способы снизить потери (издержки) на базе уже сложившихся и устоявшихся 2D-технологий. Организация эффективного обмена и управления информацией через СОД может дать существенный эффект для строительной отрасли на порядок быстрее, чем только 3D-моделирование.

Авторы: А.А. Ислам, П.В. Черенков, В.И. Пронин, Д.В. Медведев, ООО «Ингипро»