BIM – pierwszy krok do cyfryzacji w budownictwie

Czasem słyszy się pytanie – co po BIM?

A to tylko pierwszy krok, po którym będą dalsze – w świat cyfryzacji i nowe możliwości stojące przed budownictwem.

Z inicjatywy Ministerstwa Rozwoju trwają prace nad projektem, którego celem jest opracowanie planu wdrożenia BIM w naszym kraju. Zespół pracujący nad projektem[1] opracował Raport „Cyfryzacja procesu budowlanego w Polsce – Zarządzanie inwestycją budowlaną w metodyce BIM”, którego kolejne wersje są udostępnione zainteresowanym. Jego Autorzy skupili swoją uwagę na ekonomicznych aspektach technologii BIM realizując zapewne postawione przed nimi zadanie. Zasadnicza część Raportu obejmuje zagadnienia związane z przygotowaniem dokumentacji BIM, (Wymagań BIM, Planu BIM, Szablonu tabeli produkcji i dostaw modeli). W Raporcie wyeksponowana jest rola MacroBIM, którą określono  jako „..element procesu zakupowego zasobu, który obejmuje dostarczenie koncepcji programowej (projektowo-wykonawczej) z proponowanym wskaźnikowym łącznym kosztem wykonania danej inwestycji”. Nawiasem mówiąc Raport wprowadza własną definicję MacroBIM nieco odmienna od autorskiej definicji wprowadzonej przez DProfiler [1] i używanej przez innych autorów[2]. Końcowa część Raportu obejmuje Zalecenia dla PROJEKTÓW, w tym PP, realizowanych przy wykorzystaniu szablonów dokumentów BIM. W Raporcie dużo uwagi poświęcono kosztom, w szczególności szacowaniu kosztów w etapie MacroBIM. Autorzy Raportu pomijają fakt, że dotychczasowe dane (cenniki)  służące do wyceny kosztów inwestycji nie są dostosowane do technologii BIM zarówno co do jakości danych kosztowych jak i niewielkiego zakresu bazy danych obiektów stanowiących podstawę wycen. Warto zwrócić uwagę, że w Raporcie mowa jest o bezpośrednich kosztach realizacji bez uwzględnienia cyklu życia budowli. Mowa tu np. o kosztach związanych z efektami ekologicznymi (np. koszty emisji gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń, koszty związane ze śladem wodnym, itp.) [3]. W Raporcie nie ma o tym żadnej wzmianki. Akceptując fakt, że Raport z założenia ogranicza się do stosunkowo wąskiego zakresu zagadnień, należy jednak zauważyć, że zarówno sam Raport nie odnosi się do planu cyfryzacji w budownictwie jak i nie odwołuje się do innych dokumentów, które taki plan nakreślają. 

Współczesne wyzwania, które stoją przed budownictwem są dużo poważniejsze niż zakres Raportu i wykraczają daleko poza kwestie ekonomiczne i fazę projektowania i przygotowania inwestycji. Obecnie szacuje się, że 55% świata żyje na obszarach miejskich, a ONZ szacuje, że do 2050 r. Liczba ta wzrośnie do 68%. Budownictwo niedalekiej przyszłości musi dostosować się do nowego kształtu miast, które będą funkcjonować według całkiem nowych reguł. Ich fundamentem nie jest ekonomia lecz ekologia. Na tym fundamencie budowane są smart cities i ich pochodne – miasta ekologiczne. Strategiczna rola miast w rozwoju współczesnych gospodarek zapoczątkowała powstanie nowych wizji i kierunków rozwoju miast oraz implementacji technologii informacyjno-komunikacyjnych nowej generacji i wdrażania innowacji ekologicznych[2]. Model więc do którego chcemy zmierzać to miasto ekologiczne, które dostarcza swoim mieszkańcom zdrowego i sprzyjającego środowiska, ze zrównoważoną konsumpcją (odnawialne zasoby) i gospodarką odpadami i bez toksycznych działań w stosunku do siebie i sąsiedztwa [4].

Z tej perspektywy należy spojrzeć nieco inaczej na BIM i opisać jak wpisuje się w szerszy kontekst cyfryzacji tym bardziej, że w powszechnym, błędnym przekonaniu BIM wiąże się głownie z projektowaniem.

Budowle należą do szeroko rozumianej infrastruktury miast, a efektywne zarządzanie zasobami miast (mieszkańcy, energia, woda, ścieki, powietrze, śmieci etc.) wymaga cyfryzacji na każdym poziomie tej złożonej struktury. BIM stanowi początkowy fragment tej cyfryzacji. Cyfrowy model zbudowanego, fizycznego obiektu (cyfrowy bliźniak), można potraktować jako punkt wyjścia dla analiz i symulacji, które umożliwiają racjonalizację zarządzania zasobami budowli.

Cyfrowe bliźniaki

Pomysł tworzenia cyfrowych modeli urządzeń wywodzi się z czasów pierwszych projektów agencji kosmicznej NASA, w której tworzono repliki kapsuł kosmicznych na potrzeby  testowania instalowanego w nich sprzętu i oprogramowania. Wraz z rozwojem narzędzi informatycznych pojawiła się możliwość przeniesienia modeli fizycznych do wirtualnej rzeczywistości. Technologie związane z cyfrowym odwzorowaniem rzeczywistości znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach i stwarza ogromne możliwości rozwoju.

Cyfrowe bliźniaki (ang. digital twins) to wirtualne repliki fizycznych obiektów, systemów lub procesów. Wszystkie zmiany w rzeczywistym obiekcie są rejestrowane poprzez sensory i odzwierciedlone w jego cyfrowej replice. Dzięki temu możliwa jest nie tylko analiza procesów w trakcie użytkowania rzeczywistego obiektu, ale także symulacja i przewidywanie różnych zdarzeń, na przykład awarii.

Tworzenie cyfrowych bliźniaków stało się możliwe dzięki rozwojowi sensoryki i Internetu rzeczy, co pozwala generować w czasie rzeczywistym informacje zwrotne między obiektami fizycznymi i ich cyfrowymi replikami. W tym obszarze coraz częściej wykorzystuje się sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe.

Cyfrowe bliźniaki miast

Podobne działania można prowadzić na poziomie infrastruktury całego miasta pod warunkiem cyfryzacji poszczególnych jego elementów. Gdzie w tym procesie jest BIM? Na poniższym rysunku przedstawiono cyfrowy model (cyfrowy bliźniak) miasta, gdzie dane GIS + BIM + IoT odpowiadają cyfrowemu bliźniakowi budowli. Budowle wyposażone w cyfrową replikę w oparciu o dane generowane z infrastruktury miasta mogą być skutecznie połączone w jeden cyfrowy organizm zarządzany przez systemową nadbudowę sztucznej inteligencji [5,6]. Ta struktura to cyfrowy bliźniak miasta.

Oznaczenia: GIS, BIM. Objaśnienie skrótów:
IoT – Internet of Things, koncepcja, według której przedmioty mogą pośrednio albo bezpośrednio wymieniać dane za pośrednictwem inteligentnej instalacji elektrycznej lub sieci komputerowej
AI – Artificial Intelligence czyli Sztuczna Inteligencja
DANE – Big Data 

Problemy związane z przekształceniem modelu BIM w cyfrowego bliźniaka są pokazane na szeregu przykładach w opracowaniu ARUP [6]. ARUP opisuje kilka przykładów cyfrowych bliźniaków miast. Za pierwszy na świecie cyfrowy bliźniak w skali miasta obejmujący dane komunikacyjne od przystanków autobusowych począwszy poprzez infrastrukturę telekomunikacyjną po budynki, uchodzi Singapur. Jest to bogaty w dane, cyfrowy wirtualny model wykorzystywany przez różne agencje rządowe do opracowania centralnej platformy do modelowania danych. Cyfrowy bliźniak czerpie z czujników IoT, wykorzystuje big data i przetwarzanie w chmurze w połączeniu z modelami 3D, danymi geoprzestrzennymi i BIM. Współdziałanie danych z mapy i terenu w czasie rzeczywistym, informacje o ruchu drogowym oraz informacje demograficzne i klimatyczne ilustrują jak pojedyncza zmiana może wpłynąć na życie milionów ludzi i systemów, które są w użyciu. Wirtualny Singapur oferuje środowisko, które może być wykorzystywane przez urbanistów do testowania i symulacji rozwiązań w środowisku wirtualnym z uwzględnieniem ekologii, a które następnie są wdrażane w mieście. Nie możemy bowiem tracić z oczu faktu, że to ekologia zdecyduje o nowej roli budownictwa. Wpłynie to w pierwszym rzędzie zarówno na prace projektowe jak i rewizję podejścia do kosztów które powinny uwzględnić znacznie szerszy ich zakres. Wpłynie także na ewolucję narzędzi software’owych we wspomnianym zakresie jak i platform CDE, które nie są obecnie przystosowane do obsługi nowego typu strumieni danych danych. Na bazie modelu i obiektu rzeczywistego tworzony jest cyfrowy bliźniak. ARUP ujmuje to tak: „Klikając na element w trójwymiarowym modelu BIM, operatorzy mogą wizualizować określone parametry i statystyki dla danego elementu za pomocą interaktywnych i responsywnych pulpitów, co znacznie zwiększa przejrzystość działania budynku.”

Jak widać BIM jest pierwszym elementem tego rozwiązania. Cytując za Fraunhofer Institute: „ Modelowanie informacji o budynku (BIM) ze spójnym i ustrukturyzowanym zarządzaniem danymi jest kluczem do wygenerowania takiego cyfrowego (bliźniaczego) budynku, którego dynamiczną wydajność można badać poprzez symulację budynku uwzględniając różne warunki brzegowe.”

Czytając wspomniany Raport „Cyfryzacja procesu budowlanego w Polsce – Zarządzanie inwestycją budowlaną w metodyce BIM” można było oczekiwać, że nawiąże on do opisanych tu tendencji tym bardziej, że w wielu opracowaniach – zarówno europejskich i krajowych zarówno rządowych jak i wielu organizacji inżynierskich, cyfryzacja procesu budowlanego występuje w szerszym kontekście. Mowa np. o raporcie o Smart Cities in the EU Departamentu Ekonomii i Nauki Parlamentu Europejskiego [8], Raporcie Min. Inwestycji i Rozwoju wraz z  Global Compact Network Poland [9], Raporcie Grupy Roboczej ds. Internetu Rzeczy przy Min. Cyfryzacji [10], czy opracowaniu SGH z 2016 roku [11], a w końcu szereg raportów Fundacji digitalpoland; przytoczone są jedynie publikacje łatwo dostępne dla każdego zainteresowanego tematyką przyszłości miast.

Reasumując – warto spojrzeć na BIM jako na początek procesu cyfryzacji, w którym model wirtualny wzbogacony o dane sensoryczne obiektu rzeczywistego staje się jego cyfrowym bliźniakiem. Cyfrowe bliźniaki budynków i miast umożliwiają wykonywanie wszechstronnych analiz i symulacji, a w efekcie kształtowanie w sposób przyjazny mieszkańcom i środowisku.

1. DProfiler: A „Macro” BIM Solution, AECbytes Product Review (July 22, 2008)
2. Krzysztof Zima 1,*and Agnieszka Leśniak, Index Cost Estimation Using Case Based Reasoning 2 Model Based on Macro BIM, https://www.preprints.org/manuscript/201801.0262/v1
3. B.Kacprzyk „UDZIELANIE ZAMÓWIEŃ PUBLICZNYCHNA ROBOTY BUDOWLANE PO NOWELIZACJIUSTAWYPRAWO ZAMÓWIEŃ PUBLICZNYCH”, Konferencja UZP 30 listopada 2016.
4. Brodowicz D.P., Pospieszny P., Grzymała Z., Eco Cities, CeDeWu 2015
5. Raport „Cyfrowe Miasta” PHILIPS, https://pl.iot-nn.com/2018/04/20/cyfrowe-miasta/
6. Are Digital Twins the key for IoT?  website: www.thoughtwire.com
7. ARUP, Digital twin TOWARDS A MEANINGFUL FRAMEWORK, 2019
8. Smart Cities in UE https://ec.europa.eu/info/eu-regional-and-urban-development/topics/cities-and-urban-development/city-initiatives/smart-cities_en
9. Min. Inwestycji i Rozwoju&Global Compact Network Poland „Zrównoważone miasta. Poprawa jakości powietrza w Polsce 2018”
10. Raport Grupy Roboczej ds. Internetu Rzeczy przy Min. Cyfryzacji „IoT W POLSKIEJ GOSPODARCE, 2019
11. Z.Grzymała, MIASTA EKOLOGICZNE – STUDIA PRZYPADKÓW I PERSPEKTYWY ROZWOJU, Szkoła Główna Handlowa w Warszawie, 2016

---

[1] Autor nie jest członkiem zespołu pracującego nad projektem.

[2] W ramach firmy Datacomp, Autor uczestniczy w dwóch ekologicznych projektach europejskich, w których BIM jest zastosowany do analizy śladu węglowego, energetycznego, wodnego i czynników zdrowotnych.