BIM w projektowaniu sieci energetycznych AutoCAD Utility Design

Na przestrzeni ostatnich kilku lat przy okazji dyskusji o przyszłości projektowania budowlanego coraz częściej pojawiało się hasło BIM. O ile na początku o BIM mówiło się jedynie wśród pasjonatów nowych technologii związanych z budownictwem kubaturowym, o tyle dziś BIM coraz częściej pojawia się w odniesieniu do projektów infrastrukturalnych. Czym zatem jest wspomniany BIM? W tłumaczeniu dosłownym BIM (ang. Building Information Modeling) to modelowanie informacji o budynku. Budynku, bo termin faktycznie wywodzi się z branży budownictwa kubaturowego. W przypadku projektów infrastrukturalnych osobiście wolę używać określenia „modelowanie informacji budowlanych”. Jeśli zaś chodzi o aspekt praktyczny, BIM to inteligentny proces oparty na modelu, który zapewnia szybsze i bardziej ekonomiczne projektowanie, realizację i późniejsze zarządzanie inwestycjami. I nie chodzi tu jedynie o model 3D. Model BIM to cyfrowy odpowiednik rzeczywistego obiektu z jego kształtem oraz właściwościami fizycznymi. Śmiem twierdzić, że w przypadku projektów infrastrukturalnych ten drugi aspekt modelu BIM jest bardziej istotny. Zwłaszcza w projektach liniowych większą wartość niż model 3D mają właściwości i zależności między poszczególnymi elementami projektowanej inwestycji. Istotą BIM w infrastrukturze jest utworzenie modelu obiektowego budowli wraz z fizycznymi właściwościami jej elementów i interakcji zachodzących pomiędzy nimi oraz ich wykorzystywanie podczas budowy i późniejszego zarządzania inwestycją. Weźmy dla przykładu projekt podziemnej sieci energetycznej SN lub nN. BIM to możliwość uzyskania działek, istniejącego uzbrojenia bezpośrednio z systemu GIS w postaci obiektów przestrzennych z dołączonymi atrybutami opisowymi. BIM to projektowanie za pomocą inteligentnych obiektów przewodów, transformatorów, rozdzielnic itp. z dołączonymi właściwościami fizycznymi. BIM to automatyczny dobór elementów, obliczenia spadków napięć, raporty i zestawienia. To również automatyczny i precyzyjny kosztorys wykonawczy. Wreszcie BIM to łatwe zasilenie systemu ewidencji sieci kompletnymi informacjami o elementach nowej inwestycji i lepsza jakość zarządzania.

Jak widać z przykładu, BIM daje wymierne korzyści wszystkim uczestnikom procesu inwestycyjnego: projektantowi, wykonawcy oraz inwestorowi. Świadomość tych zysków największa jest w USA, gdzie obecnie wszystkie inwestycje publiczne muszą być projektowane i realizowane przy użyciu procesów BIM. Co oznacza, że praktycznie 100% firm projektowych sektora energetycznego w USA używa BIM. Około 60% z nich tworzy w BIM ponad 50% swoich projektów. Nakaz projektowania i realizacji wszystkich inwestycji publicznych przy użyciu BIM od przyszłego roku wprowadza również Wielka Brytania, Holandia, Dania, Norwegia oraz Finlandia. Szacuje się, że zastosowanie BIM prowadzi do oszczędności na poziomie od 5 do 20% wartości inwestycji, co jest niebagatelnym czynnikiem przy finansowaniu inwestycji ze środków publicznych. Przyjęte w 2014 r. dyrektywy Rady Unii Europejskiej wyraźnie wspierają rozwój BIM poprzez umożliwienie implementacji obowiązku stosowania narzędzi i procesów BIM w inwestycjach publicznych. Jak więc widać, BIM nie jest tylko modą, ale wręcz koniecznością i jedyną drogą rozwoju projektowania budowlanego.

Jednym z narzędzi dostępnych na polskim rynku, które realizują procesy BIM jest program AutoCAD Utility Design. Jest on dedykowany projektantom sieci energetycznych i wspiera procesy modelowania informacji danych budowlanych na wszystkich etapach tworzenia projektu: przygotowania danych mapowych, projektowania, tworzenia dokumentacji, zestawień oraz przekazania danych projektowych do systemów GIS.

Przygotowanie danych mapowych

Każdy projekt sieci energetycznej musi być dokładnie osadzony w terenie i zorientowany we współrzędnych geodezyjnych. Dokładne przygotowanie podkładów mapowych jest czynnikiem krytycznym dla właściwej jakości projektu. W przypadku rozległych inwestycji proces ten wymaga obróbki i skoordynowania dużej ilości danych będących w różnych formatach wektorowych i rastrowych. Jest to zadanie żmudne i długotrwałe. Wszelkie błędy powstające na tym etapie są trudne do wychwycenia i mają realne odbicie w kosztach wykonania.

AutoCAD Utility Design znacznie przyspiesza i upraszcza procesy związane z przygotowaniem podkładów mapowych. Przez automatyzację czynności eliminuje możliwość powstania błędów i niedokładności związanych z koordynacją danych pochodzących z różnych źródeł. Program obsługuje trzy podstawowe rodzaje danych mapowych: rastrowe, wektorowe oraz GIS w wielu formatach. Dla wszystkich tych rodzajów oferuje obsługę układów współrzędnych geodezyjnych wraz z przeliczaniem w locie danych między różnymi układami.

Projektant ma możliwość użycia rastrów zapisanych w kilkudziesięciu różnych formatach (w tym wszystkich używanych w naszym kraju). Co więcej, program odczytuje automatycznie współrzędne geodezyjne z plików rastrów. Dzięki temu użytkownik nie musi wczytywać każdego arkusza mapy osobno i orientować go ręcznie w przestrzeni rysunku, ale może wczytać wszystkie arkusze jednocześnie i pozostawić ich ułożenie programowi.

AutoCAD Utility Design pozwala na wczytanie danych wektorowych zapisanych w kilkunastu różnych formatach (np. DWG, DXF, DGN, SHP, GML, TXT). Dla większości obsługiwanych formatów możliwy jest import geometrii wraz z opisującymi ją atrybutami.

Program potrafi się łączyć również z wieloma źródłami danych GIS, zarówno plikowymi (np. SHP, SDF, SQLite, GML), jak i bazodanowymi (np. Oracle, MS SQL, ArcSDE, MySQL) w trybie bezpośredniego dostępu. Oferuje w ten sposób bezpośredni dostęp do obiektów mapy wraz z ich danymi opisowymi.

Program obsługuje również serwisy sieciowe WMS i WFS, otwierając projektantom drogę do zasobów serwisów mapowych gromadzonych w państwowym zasobie geodezyjnym – portali powiatowych, wojewódzkich czy krajowego Geoportalu.

Zaimplementowana w AutoCAD Utility Design obsługa formatów wektorowych oraz źródeł GIS pozwala na uruchomienie procesów BIM już na etapie przygotowania danych mapowych. Wyobraźmy sobie dostęp do ewidencji działek. I nie jest to mapa rastrowa lub wektor w postaci oddzielnych linii formujących granice działek i niezwiązanych z nimi etykiet numerów, ale obiekty działek z dowiązanymi danymi z numerami i danymi właścicieli. O ile prostsze staje się zadanie wykonania np. zestawienia wykupów lub służebności. Wystarczy wywołanie dwóch poleceń: bufora wokół projektowanej sieci i analizy nałożenia bufora na działki. Efekt? Lista zajętych obszarów, ich powierzchni, numerów działek, właścicieli. I to wszystko w kilkadziesiąt sekund dla sieci o długości kilkudziesięciu kilometrów. Należy wspomnieć również o fakcie, że narzędzia do obsługi danych GIS zaimplementowane w AutoCAD Utility Design oferują bardzo dużą wydajność, umożliwiającą obsługę setek tysięcy obiektów mapowych, co przekłada się na realizację projektów sieci liczonych w setkach kilometrów.

Projektowanie obiektowe

Istotą projektowania zgodnego z BIM jest tworzenie inteligentnego modelu sieci składającego się z parametrycznych modeli jej poszczególnych części. Takie projektowanie umożliwia AutoCAD Utility Design. Projektant, tworząc projekt sieci naziemnej lub podziemnej, korzysta z biblioteki parametrycznych elementów (np. słupy, kanały, przewody, transformatory, rozdzielnie). Każdy element opisany jest zestawem charakterystycznych dla niego parametrów i właściwości fizycznych. Na przykład dla przewodu będą to m.in.: materiał, przekrój, rezystywność, masa właściwa, współczynnik rozszerzalności cieplnej, natomiast dla transformatora: typ, wymiary zewnętrzne, moc znamionowa, napięcia znamionowe, waga.

Należy jednak zaznaczyć, że sam sposób projektowania bardzo przypomina klasyczne kreślenie na mapie. Projektant, tworząc przebieg sieci naziemnej, wybiera, z jakich słupów i przewodów będzie korzystał, a następnie wskazuje punkty załamania przebiegu sieci na mapie. O resztę dba program. Wstawia słupy narożne w wierzchołkach sieci oraz rozstawia słupy przelotowe w zadanym podziale. Rozpina przewody oraz liczy ich długości. Zapamiętuje topologię połączeń poszczególnych elementów sieci. Na tej podstawie sprawdza zgodność parametrów elektrycznych łączących się elementów i raportuje wszelkie niezgodności. Najbardziej popularne i oczywiste przykłady błędów to niezgodność napięć znamionowych i liczby faz przy łączeniu przewodów z łącznicami lub transformatorami.

Korzyści z podejścia BIM do projektowania są oczywiste. Sam proces wykreślania elementów sieci jest dużo szybszy, ponieważ część elementów wstawiana jest do rysunku automatycznie. Wszelkie edycje geometrii również są szybsze i łatwiejsze, bo po przesunięciu np. słupa przewody dociągają się do nowej pozycji automatycznie. Fakt, że program ostrzega o wszelkiego rodzaju błędach logicznych w projekcie, jest nie do prze­cenienia – jest gwarantem wysokiej jakości projektu i jego bezbłędności.

Obliczenia i raporty

Inteligentny model sieci składającej się z parametrycznych obiektów otwiera drogę do automatycznych obliczeń, zestawień i raportów, które są istotą procesu BIM. AutoCAD Utility Design zawiera algorytmy do obliczeń energetycznych oraz inżynieryjnych.

Obliczenia spadków napięć oferowane przez program wspierają sieci zasilane z jednego źródła oraz z wielu źródeł. W wyniku obliczeń projektant otrzymuje raport oraz możliwość automatycznego dopasowania parametrów transformatora, parametrów sieci nN oraz przyłączy.

Program zawiera również kalkulator do obliczeń i doboru obciążeń dla odbiorców końcowych.Pozwala on na obliczenie obciążenia dla przyłącza na podstawie funkcji budynku, jego powierzchni oraz obciążeń poszczególnych obwodów w budynku. Dane z obliczeń zapisywane są automatycznie do danych opisowych punktu przyłącza na budynku.

W skład obliczeń inżynieryjnych zawartych w AutoCAD Utility Design wchodzą algorytmy obliczeń minimalnych prześwitów dla przewodów sieci naziemnych. Program umożliwia wprowadzenie kilku warunków obliczeń strzałki ugięcia przewodu, m.in.: obciążenia prądowego, oblodzenia, temperatury powietrza, siły wiatru. Na tej podstawie liczone są prześwity między przewodami oraz pomiędzy przewodami i gruntem. Dla projektów sieci podziemnych program pozwala przeprowadzić obliczenia naprężeń wywołanych przeciąganiem przewodów przez kanały. Wyniki wszystkich obliczeń użytkownik może umieścić w raportach generowanych przez program.

System raportowania AutoCAD Utility Design zawiera również listy materiałowe, które projektant może wygenerować w końcowym etapie projektowania. Na uwagę zasługują dwa fakty związane z raportami. Pierwszym z nich jest ostrzeganie użytkownika o wszelkich zidentyfikowanych błędach w sieci (zarówno dotyczących zgodności parametrów, jak i spadków napięć) przy powstawaniu list materiałów. Drugim jest możliwość definiowania własnych szablonów raportów.

Obliczenia i raporty zawarte w programie AutoCAD Utility Design stanowią namacalną korzyść z użycia BIM w projektowaniu sieci. Utworzony wcześniej inteligentny model sieci służy projektantowi do generowania automatycznych obliczeń i raportów. Dzięki temu może on skupić się na pracy koncepcyjnej, nie tracąc czasu na żmudne obliczenia.

Przygotowanie dokumentacji

Dokumentowanie projektu zawierającego model BIM jest procesem dużo prostszym i łatwiejszym niż w przypadku klasycznego kreślenia. Wystarczy wspomnieć choćby o opisanych wcześniej zestawieniach w postaci raportów czy automatycznych etykietach. Oprócz standardowych narzędzi do tworzenia arkuszy, jakie oferuje AutoCAD, program umożliwia zaawansowane mechanizmy wspierające projektanta w szybkim tworzeniu dokumentacji.

AutoCAD Utility Design oferuje narzędzia do automatycznego etykietowania elementów sieci. Etykiety te mogą wyświetlać dowolne parametry fizyczne elementów i mogą być umieszczane zarówno w obszarze modelu, jak i na arkuszu w obszarze papieru. Co najważniejsze, po edycji etykietowanego obiektu etykieta uaktualnia się automatycznie.

Podczas tworzenia arkusza użytkownik ma możliwość umieszczenia dowolnych informacji o projekcie w tabeli rysunkowej. Informacje te, zapisane raz podczas tworzenia projektu, mogą być automatycznie umieszczane na dowolnej liczbie arkuszy rysunkowych.

Na arkuszu pojawić się mogą również detale poszczególnych elementów sieci. Raz zdefiniowane w bibliotece elementów są zawsze dostępne dla projektanta podczas tworzenia dokumentacji projektowej. Wystarczy, że wskaże on wybrany element, a powiązany z nim detal będzie gotowy do umieszczenia na arkuszu rysunkowym.

Narzędzia mapowe zawarte w AutoCAD Utility Design pozwalają na dodatkowe zwiększenie jakości i przejrzystości tworzonej dokumentacji projektowej. Mechanizm przyporządkowywania map tematycznych do rzutni pozwala użytkownikowi wyświetlić dowolne reprezentacje jednego projektu w różnych rzutniach bez potrzeby powielania danych projektowych. Przykładem niech będzie załączona ilustracja z przykładowym arkuszem. W dużej rzutni widoczny jest plan sytuacyjny z włączonym zdjęciem lotniczym. W rzutni mniejszej widoczny jest fragment sieci z dużej rzutni, ale już bez zdjęcia lotniczego i inną symboliką działek.

Funkcjonalność map tematycznych rozszerzają dodatkowe narzędzia do zarządzania treścią arkuszy. Projektant do dyspozycji ma automatyczne legendy, opisujące sposób wyświetlania obiektów GIS na mapie, które aktualizują się po zmianie stylizacji obiektów mapy. Każda rzutnia może zostać opisana siatką układu współrzędnych geograficznych. Projektant może dołączyć do rzutni również symbole skali i strzałki północy. Nie są to jednak jedynie symbole graficzne na arkuszu. Edycja parametrów symbolu skali powoduje automatyczne przeskalowanie mapy w powiązanej rzutni, a edycja kąta obrotu symbolu strzałki północy powoduje obrót mapy w powiązanej rzutni.

Mechanizmy wspierające tworzenie dokumentacji w programie, poza przyspieszeniem samego procesu, realizują kolejną korzyść płynącą z użycia BIM, jaką jest spójność projektu i dokumentacji. Każda zmiana w projekcie powoduje automatyczną aktualizację etykiet na arkuszach, legend oraz opisów w tabeli.

Eksport danych do systemów GIS

Istotą używania BIM w projektowaniu jest przekazywanie kompletnego modelu w łańcuchu realizacji inwestycji, tak aby po zakończeniu procesu budowy inwestor mógł wykorzystać ten model do zarządzania. W przypadku projektu sieci energetycznej idea migracji modelu BIM przekłada się na przekazanie danych z projektu do systemu GIS ewidencji sieci inwestora. Bez inteligentnego modelu sieci i dedykowanych narzędzi proces ten zazwyczaj kończy się konwersją samej geometrii i ręcznym przepisywaniem danych branżowych z projektu do systemu GIS. Jak łatwo się domyślić, proces staje się długotrwały, kosztowny oraz podatny na błędy ludzkie.

AutoCAD Utility Design idealnie wpisuje się w ideę BIM w tym zakresie. Nie dosyć, że posiada inteligentny model sieci, to jeszcze model ten utworzony jest z uwzględnieniem zgodności z systemami GIS. Ponadto program zawiera narzędzia, które bezstratnie potrafią przenieść dane projektowe do praktycznie każdego systemu ewidencji sieci energetycznej.

Jak widać, BIM służy efektywnemu projektowaniu sieci energetycznych, AutoCAD Utility Design jest zaś typowym przykładem narzędzia klasy BIM. Ważne jest, aby procesu BIM nie utożsamiać z modelem 3D, ale z inteligentnym modelem, którego główną wartością są właściwości fizyczne jego elementów oraz interakcje zachodzące między tymi elementami. Zwracam uwagę, że w całym opisie procesu projektowania nie wspomniałem o modelu 3D. Zrobiłem to celowo, ponieważ niektórzy wciąż mylą BIM z modelem 3D i w związku z tym moją intencją było pokazanie wartości BIM w innym ujęciu.

Oczywiście AutoCAD Utility Design tworzy model 3D w tle. Co więcej, nie można deprecjonować wartości takiego modelu zwłaszcza w procesie koordynacji międzybranżowej, gdzie istotne jest wychwycenie kolizji z obiektami innych branż, tworzonymi w innych systemach lub programach. W tym przypadku model 3D jest nieoceniony. Pamiętać należy jednak, że BIM to model najpierw inteligentny, a dopiero potem 3D, szczególnie w projektach sieci energetycznych.  projektów infrastrukturalnych, a programy komputerowe są narzędziami, które realizują procesy BIM.

Marek Majewski

Aplikom Sp. z o.o.