4D-моделирование

Проектирование на сегодняшний день ушло уже очень далеко от чертёжных планшетов, штангенциркулей и линеек. Точность при разработке проектов достигается использованием высококлассного современного программного обеспечения (систем автоматизированного проектирования – САПР), наглядно изображающего внешний вид конструкций и их поведение с учётом нагрузок. Термины 2D-, 3D-моделирование, а также BIM (Building Information Modelling – технология, в которой прототип сооружения, представленный в 3D-модели, не только визуально копирует сооружение, но и с высокой точностью отражает фактическую информацию о нём) прочно вошли в жизнь проектировщиков как за рубежом, так и в нашей стране. Наша компания, например, работает с программным комплексом Revit, позволяющим осуществлять проектирование с помощью BIM.

Очевидно, что границ в компьютерном моделировании быть не может. Так, относительно недавно в обиходе конструкторов появился термин «4D-моделирование», затрагивающий, как становится ясно из названия, 4 измерения объекта проектирования. То есть, помимо возможности представить проектируемое здание или сооружение в объёме, рассмотреть каждый узел, увидеть нестыковки проектирования и получить фактическую информацию о любом элементе сооружения, 4D-модель даёт возможность получить информацию о процессе возведения здания ещё до момента его постройки. Говоря другими словами, 4D-модель осуществляет взаимную увязку BIM-модели с временной шкалой строительных работ по возведению объекта.

Безусловно, есть хорошие программные комплексы для составления календарно-сетевых графиков планирования (Microsoft Project, Oracle Primavera и др.). Такие программы используют классические инструменты управления проектами: метод критического пути, построение диаграммы Ганта, постановку задач, отслеживание эффективности выполнения и др. Однако у всех этих комплексов имеется один очень важный недостаток: описывая состав работ, их последовательность и взаимосвязь, а также  необходимые для выполнения этих работ ресурсы, они не дают возможности увидеть в прямом смысле этого слова, как работы будут выполняться и какой результат будет получен, перекладывая данную задачу на программных пользователей. Отсюда и огромное количество пространственно-временных нестыковок, которые просто невозможно быстро обнаружить в графике из множества взаимосвязанных работ. Именно для решения этой проблемы формируются 4D-модели.

Вопрос 4D-моделирования за рубежом начали изучать раньше, чем в России, и в данном случае обращение к опыту иностранных специалистов представляет большой интерес. В данной статье мы хотели бы обратить внимание на Руководство по системам автоматизированного проектирования для архитекторов, инженеров и строителей (Computer Aided Design Guide for Architecture, Engineering and Construction written by Ghassan Aouad, Song Wu,Angela Lee and Timothy Onyenobi – доступ на https://www.safaribooksonline.com/)

Рисунок 1. Руководство по системам автоматизированного проектирования для архитекторов, инженеров и строителей.

Следующие фрагменты представляют собой перевод с языка оригинала выдержек из данного Руководства (для ознакомления/все права сохранены):

«В строительном проекте 4D-модель симулирует проект преобразования пространства во времени и отражает четырёхмерную природу строительных процессов. Развитие 4D компьютерных чертежей включает в себя связывание 3D-графической модели или BIM-модели с графиком строительной деятельности.

4D-модели в использовании

4D-модели могут быть использованы на протяжении всего проекта:

• Подготовка: 4D-модели могут быть использованы для стратегического проектного планирования на стадии оценки возможности реализации проекта.
• Разработка проекта и фаза подготовительных строительных работ: 4D-модели могут быть использованы для улучшения технической возможности реализации проекта строительства и для определения преимуществ разных строительных процессов.
• Строительство: 4D-модели также используются для временных аспектов строительства, координации и возможности технической реализации. Это включает в себя понимание того, как и где подрядчик будет работать в определённый период времени, а также понимание поточного движения и состояния процесса строительства. На объекте подобные модели могут применяться для регулярной проверки текущего строительного процесса и для сравнения фактического графика работ с запланированным для правильного менеджмента и оценки проекта.

преимущества 4D

Преимущества использования 4D-моделирования состоят в следующем:

При проектировании и на подготовительной стадии строительства возможны:

• Более тесное сотрудничество между заинтересованными сторонами с помощью визуализации и более глубокое понимание проектных предложений.
• Предварительный анализ генерального плана строительной площадки, организации строительства с разделением на очереди, строительных работ и конфигурации строительной площадки.
• Оптимизация порядка выполнения строительных работ.
• Улучшенная интеграция и контроль бюджета/оценка затрат.
• Раннее выявление конфликтных ситуаций и их возможные решения.

На стадии строительства:

• Улучшенная система взаимодействия с субподрядчиками.
• Минимизация проектных изменений в процессе строительства.
• Детальный анализ порядка выполнения строительных работ для выявления конфликтных ситуаций. 

4D-модели помогают продемонстрировать заинтересованным сторонам  визуализированный процесс строительства, а также вести контроль за ходом строительства.

Кроме того, использование 4D может способствовать повышению безопасности на строительной площадке: 4D-модели  могут быть синхронизированы с правилами безопасности для автоматического обнаружения рисков при работе на высоте, а также указать любые необходимые меры безопасности с точки зрения выполняемых работ и нормативных документов (Benjaoran и Bhokha , 2010). Эти меры безопасности могут быть включены в график строительства и показаны на 4D-модели вместе с другими этапами строительства.

Ограничения 4D компьютерных чертежей

• 4D-модель требует сопряжения между проектированием и информацией о планировании. Пользователям часто приходится переключаться между двумя или несколькими программными приложениями, чтобы получить всю необходимую информацию для создания 4D-модели. Тем не менее, последние разработки в области специализированного программного обеспечения делают процесс более эффективным.
• 4D-модель может предоставить виртуальный опыт работы в команде. Однако 4D-модель до сих пор не в состоянии предоставить визуализацию всей информации о планах строительства, а также не все строительные работы могут иметь визуальное отображение.
• В 4D графической модели продолжительность работ непосредственно не представлена в количественном выражении. Зачастую трудно оценивать и сравнивать продолжительность работ, в частности, когда проект объёмный либо когда различные виды работ имеют большую разницу во времени их начала.
• 4D-модель не может легко представить взаимозависимость работ, поэтому диаграмма Ганта по-прежнему остаётся востребованной.
• Разработка моделей требует большого количества времени, и с помощью программного обеспечения не так легко выявить ошибки. Существует фактор человеческой ошибки, которую достаточно трудно выявить при взаимоувязке 3D-модели и графика проекта, особенно в крупных и сложных проектах.
• 4D-модели не могут сами вносить изменения или автоматически оптимизировать план проекта, поэтому при реализации всех преимуществ данной модели всё ещё существует потребность во взаимодействии программы с человеком.

4D процесс моделирования

Процесс 4D-моделирования может быть представлен следующими этапами:

Подготовка 3D-модели с помощью 2D-чертежей или моделей BIM (включая архитектуру, структуру и информацию об инженерных сетях):

1. Подготовка графика строительства, который включает в себя все проектные работы;
2. Привязка 3D-/BIM-объектов к проектным работам с помощью связующих элементов (например, название работы, слой, имя объекта и т.д.)
3. Обновление и поддержка 4D-модели.

Рисунок 2. Процесс создания 4D модели.

Программное обеспечение 4D-моделирования

• ProjectWise Schedule Simulation – часть программы Bentley Navigator:
  

ProjectWise Schedule Simulation даёт возможность более глубокого погружения в планирование критических моментов проекта, используя импортированную информацию и привязывая объект к графикам работ, разработанных в Microsoft Project, Excel or Primavera.
С помощью ProjectWise Schedule Simulation можно визуально сравнивать альтернативные варианты и находить наиболее выгодные и безопасные варианты выполнения строительных работ, используя визуализацию информации из графика и анимируя 3D инженерную модель, основанную на информации графика производства работ (Bentley, 2010).

• Naviswork Timeliner – часть Autodesk Naviswork Suite:
  

TimeLiner добавляет 4D-симуляцию графиков к Autodesk Navisworks Manage. TimeLiner импортирует графики из различных источников, позволяет соединять различные объекты в самой модели с заданиями из графика и симулирует график, отражая эффекты на самой модели, включая сравнение запланированных и фактических порядков выполнения строительных работ. Кроме того, TimeLiner позволяет использовать экспорт изображений и анимации, основанный на результатах симуляции. TimeLiner автоматически обновляет симуляцию, если модель или график изменяются (Beyond the Paper, 2010).

Рисунок 3. Модуль Timeliner. Подключение календарного графика из MS Project к BIM-модели. Анализ планового хода возведения объекта.

• Innovaya Visual Simulation интегрирует BIM с графиком производства работ для того, чтобы представить планирование 4D-конструкций и анализ технологичности строительства. Программа эффективно улучшает проектное взаимодействие, координацию и планирование строительной логистики. Надёжная программа реализации 3D-моделей и чрезвычайно дружелюбный и лёгкий интерфейс делают Visual 4D Simulation отличным помощником в построении оптимальной последовательности задач для достижения цели проекта и сохранения времени. (Innovaya, 2010)».
  

Рисунок 4. Интерфейс Innovaya Visual Simulation.

Вышеописанные моменты дают лишь общее представление о технологии 4D-проектирования, её плюсах и ограничениях. Без ответов остаются ещё нескольких вопросов о дальнейшем развитии 4D, в том числе распознавание 3D-объектов по отношению к элементам здания, автоматическая привязка строительных работ к элементам здания и т.д.

С внедрением BIM большинство этих сложностей было преодолено, и в будущем САПР на основе BIM будут повсеместно использоваться в 4D-моделировании.