Od CAD do BIM

W budownictwie odbywa się proces, który przemysł maszynowy ma już za sobą od wielu lat – zmiana technologii projektowania i realizacji inwestycji. W projektowaniu maszyn znacznie wcześniej niż w budownictwie po­wszechnie stosowano pracę w trzech wymiarach, narzędzia projektowania bryłowego będące w powszechnym użyciu i zarządzanie cyklem życia produktu znane jako PLM1. Powstał otwarty format wymiany modeli me­chanicznych oraz szereg standardów ułatwiających projektowanie i pro­dukcję, a także wiele innowacyjnych rozwiązań, które zwiększyły produk­tywność w przemyśle maszynowym. Nic dziwnego, że w poszukiwaniu efektywnych metod wspomagających proces inwestycyjny w budownictwie sięgnięto po sprawdzone wzorce z przemysłu, a wznoszenie budowli coraz bardziej przypomina linię produkcyjną. Oczywiście istnieją różnice między produktem mechanicznym i budowlą. W przypadku finalnego wy­robu przemysłowego mamy do czy­nienia z seryjnym produktem użytko­wanym zwykle przez jedną bądź kilka osób, natomiast w przypadku budow­li – jednostkowy produkt użytkowany jest przez wielu użytkowników. Ma to konsekwencje w rozwiązaniach, jakie są używane w obu sytuacjach, które uwzględniają specyfikę obu domen. W projektowaniu maszyn od dawna stosowane są systemy badania kolizji i symulacji umożliwiające przeprowa­dzenie złożonych analiz. Uchybienia na tym etapie zwielokrotnione w se­ryjnym wyrobie przemysłowym mogą być bardzo kosztowne (np. w przy­padku jednego z modeli Mercedesa klasy A, a ostatnio Volkswagena są to setki milionów euro). Podobne techniki kontroli modelu są przeno­szone do budownictwa, chociaż błędy w budowli dotyczą zwykle mniejszej skali użytkowników.

Rys. 1 Zarządzanie zintegrowanym modelem wielobranżowym

Wiele koncepcji rodem z przemysłu zostało zaimplementowanych do bu­downictwa. W monografii [3] zwróco­no uwagę na powinowactwo rozwią­zań w przemyśle (np. PLM, otwarty format STEP, kalkulacja kosztów planowanie produkcji, TC[1][2]) i budow­nictwie (odpowiednio – BIM, otwarty format IFC, projektowanie 4D, 5D ze względu na koszty i czas, IPD[3]).

Jaki cel ma zwrócenie uwagi na powi­nowactwo technologii w obu dziedzi­nach? Chodzi o wskazanie sceptykom w naszym środowisku, którzy traktu­ją BIM jako eksperyment lub modę, że mamy do czynienia z technikami sprawdzonymi o udokumentowanej skuteczności wdrożonymi już w wielu firmach i krajach [3].

Analiza różnic między CAD i BIM jest przedmiotem wielu opracowań [1, 2, 3]. W istocie w obu przypadkach ist­nieje taka jakościowa różnica, że nie ma między nimi możliwości wymiany pełnej informacji; nie da się danych z modelu BIM wczytać w całości do uboższego CAD, który ograniczony jest w zasadzie tylko do parametrów geometrycznych. Systemy CAD posłu­gują się z reguły danymi geometrycz­nymi, takimi jak: punkty, linie proste, krzywe, dwuwymiarowe powierzchnie, trójwymiarowe bryły itp. do tworze­nia modeli konstrukcji. Służą do tego specjalistyczne funkcje do budowania geometrycznego modelu, takie jak: kopiuj, wklej, odbicie zwierciadlane, translacja, obrót, dodaj-usuń ele­ment. W trakcie pracy z rysunkiem użytkownik ma do dyspozycji narzę­dzia wspomagające jak: różne widoki, zmiana wielkości rysunku (zoom) oraz przyciąganie do węzłów (snap). Sys­temy CAD pozwalają grupować dane geometryczne w bloki, warstwy albo tablice. Dla aplikacji zorientowanych na określoną branżę tworzone są in­terfejsy z dedykowanymi funkcjami. Systemy BIM działają na całkiem in­nej zasadzie. W tej technologii użyt­kownik nie posługuje się danymi geo­metrycznymi na takim poziomie, jak opisano wyżej (linia, płaszczyzna itd.). Poziom, na którym odbywa się Mode­lowanie Informacji o Budowli, korzysta z wirtualnych elementów, które są odzwierciedleniem rzeczywistych ele­mentów budowlanych.

Systemy BIM są wynikiem doskonale­nia systemów CAD, ale powstały już jako całkowicie nowe narzędzia, utwo­rzone od początku według nowych za­sad. I tak Revit nie jest kolejną wersją Autocada, ale jest całkowicie nowym systemem, a każdy, kto zna oba sys­temy, wie o zasadniczych różnicach, jeśli chodzi o modelowanie.

Rys. 2 Wykres Mac Leamy'ego: W – wymagania, K – koncepcja, U – uszczegółowienie, DP – dokumentacja projektowa, PP – pozwolenia, przetarg, B – budowa, ZN – zarządzanie nieruchomością

Najważniejsze elementy technologii BIM

Jak już wspomniano, niniejszy artykuł nie jest wprowadzeniem do BIM. Za­równo podstawowe definicje, jak i wiele zagadnień szczegółowych było niejednokrotnie omawianych w „Inżynierze Budownictwa” oraz w wielu innych opracowaniach, w tym w monografii autora [3]. Zwrócimy w tym miejscu uwagę na takie elementy technologii BIM, które są jej wyróżnikiem. Podstawową funkcję pełnią standar­dy technologiczne, przede wszystkim standard wymiany modeli (otwarty format IFC), klasyfikacji (w wielu kra­jach funkcjonują zbliżone do siebie me­tody klasyfikacji, np. w USA OmniClass, w Wielkiej Brytanii Uniclass), Zintegrowana Realizacja Inwestycji (IPD) i inne [3].

Zasadniczą rolę przy użytkowaniu BIM w środowisku wielobranżowym odgry­wają standardy projektowania, które regulują zasady współużytkowania mo­deli opracowanych przez poszczególne branże. Chodzi o to, żeby modele mo­gły być użytkowane nie tylko w projek­cie 3D, ale także w kalkulacji kosztów, analizie czasu realizacji i symulacjach energetycznych (i innych), co określa się symbolem 4D, 5D i kolejnymi nu­merami określającymi, że w projekcie wirtualnego modelu budowli uwzględ­niono parametry pozageometryczne.

Rys. 3 Zależność między kosztem zmian w zależności od technologii projektowania (wg J.C. Cannistraro na podstawie 408 projektów o wartości ok. 560 mln dolarów)

A co z oprogramowaniem?

Wbrew sloganowi reklamowemu BIM nie jest żadnym określonym opro­gramowaniem. Oprogramowanie jest tylko narzędziem. W praktyce mamy do czynienia z sytuacją, że w jednej firmie są eksploatowane systemy różnych producentów, które muszą ze sobą współpracować i wymagają wymiany modeli. Taka sama sytuacja występuje także w przypadku realiza­cji przedsięwzięć przez firmy wyposa­żone w różne systemy.

Mówimy wówczas o interoperacyjności jako istotnym wyróżniku BIM, czyli zdolności systemów BIM do efektywnej wymiany danych poprzez interfejsy w celu zapewnienia dobrej współpracy.

Tab. Zmiana kosztów w projektach BIM w odniesieniu do podejścia tradycyjnego

Formaty natywne a format otwarty

Na etapie projektowania geome­trycznego 3D (architektura, kon­strukcje, instalacje) stosowane są systemy posługujące się formata­mi wewnętrznymi związanymi z da­nym oprogramowaniem/producentem, zwane formatami natywnymi.

W praktyce możemy mieć do czynie­nia z sytuacją, gdzie poszczególne branże, a nawet części modelu jednej branży mogą być opracowane w róż­nych systemach i formatach. W tej sytuacji zarządzanie całym modelem można efektywnie realizować przez otwarty format IFC i na tym modelu można prowadzić projektowanie ze względu na inne pozageometryczne parametry (rys. 1).

Obecnie mamy do dyspozycji szeroki wybór ponad 160 systemów certyfiko­wanych ze względu na zgodność z IFC, obejmujących rozmaite zagadnienia.

Rys. 4 Model wyjściowy

CAD 2D i BIM – porównanie kosztów pracy w obu standardach

Entuzjaści BIM, relacjonując korzy­ści z tytułu przejścia ze standardu CAD 2D na BIM, często używają pochopnie argumentu, że BIM jest tańszy. Trzeba wyjaśnić znaczenie i kontekst, w jakim nawiązuje się do ocen ekonomicznych. Można się z pewnością zgodzić, że ze wzglę­du na sposób zarządzania całą in­westycją technologia BIM oferuje skuteczniejsze rozwiązania pozwa­lające zrealizować budowę w zało­żonym czasie lub krócej i bez tylu błędów w dokumentacji, które ujaw­niają się w trakcie realizacji budowy. W takim kontekście jest prawdą, że

technologia BIM wraz z towarzyszą­cymi jej rozwiązaniami organizacyj­nymi pozwala budować oszczędniej w porównaniu ze standardem 2D. W niektórych krajach podjęto próbę regulacji w tym zakresie, na przy­kład komitet sterujący BIM w Singa­purze[4], uznając, że stosowanie BIM zwiększa nakład pracy na pewnych etapach projektu, zaleca przesunię­cie o 5% wydatków z etapu realizacji do projektowania, co ilustruje tabe­la. Jednakże, jak widać, końcowy bi­lans kosztów jest korzystny dla no­wego podejścia.

Rys. 5 Nałożone na siebie oba modele: pierwotny i zmodyfikowany z wyróżnionymi elemen­tami zmienionymi

Proces tradycyjny vs. IPD

Wyróżniamy trzy podstawowe metody realizacji przedsięwzięcia budowlane­go: DBB (Design-Bid-Build), DB (Design&Build) oraz IPD (Integrated Project Delivery). W Polsce najczęściej stoso­wany jest obecnie tradycyjny system realizacji inwestycji DBB, który roz­dziela wykonanie prac projektowych od zamówienia i wykonania robót budow­lanych. W USA i na Zachodzie popu­larny jest system zaprojektuj i buduj DB, w którym jednemu zleceniobiorcy powierza się zarówno wykonanie prac projektowych, jak i wykonanie robót budowlanych. W Polsce udział tego podejścia w zamówieniach publicznych jest niewielki i dopiero niedawno prze­kroczył 1% wszystkich zamówień na roboty budowlane.

Technologia BIM oferuje całkiem nowe podejście Zintegrowanej Realizacji Inwestycji określanej w literaturze światowej akronimem IPD. Polega ono na ścisłej współpracy między inwe­storem, projektantem i wykonawcą budowlanym. Wymaga to określenia nowych relacji między tymi trzema stronami, tak aby zapewnić wymia­nę informacji, ich dobrą współpra­cę i w efekcie sukces jako wspólny rezultat trzech stron. Wydaje się, że to właśnie te nowe relacje zmieniają­ce dotychczasowe zasady współpra­cy budzą najwięcej oporów. Wymagają bowiem całkiem nowego uregulowania kwestii praw autorskich, odpowie­dzialności i ryzyka.

Wykres ilustruje różnice między tra­dycyjną organizacją inwestycji budow­lanej (CAD + DBB/DB) a proponowaną (BIM + IPD). Punkt przecięcia (czer­wona strzałka) wzrastającej krzywej kosztu z krzywą odpowiadającą male­jącej decyzyjności w projekcie ilustru­je fakt, że od tego miejsca zmiany w projekcie mogą stwarzać poważne problemy i rodzić wzrastające koszty. Zbiega się to z końcową fazą tworze­nia dokumentacji. Wpływy i rola pro­jektanta stopniowo maleją na rzecz wykonawcy. Przeniesienie okresu po­dejmowania zasadniczych decyzji pro­jektowych na początek procesu jest więc korzystne; taka zasada organi­zacyjna jest realizowana w procesie IPD, z BIM jako technologią tworze­nia i zarządzania wirtualnym modelem budowli. Zagadnienie to w nieco inny sposób ilustruje także wykres (rys. 3) prezentujący porównanie nakładów ponoszonych na modyfikację projek­tów w zależności od techniki pracy – od tradycyjnego CAD do pełnej wersji BIM. Jak wszyscy wiemy, w praktyce mamy do czynienia niemal wyłącznie z przypadkami, w których wykonywa­nie zmian w projekcie i to wielokrot­nych jest regułą. Rysunek 3 ilustruje różnicę kosztów w obu przypadkach z tego tytułu i przewagę BIM nad CAD.

Ciekawe dane przytacza Dan Gonzales, dyrektor korporacyjny Działu Projektowania Wirtualnego i Realiza­cji w Swinerton Builders w wywiadzie publikowanym w Blogu Vico w 2010 r. Firma zaczęła projektować w CAD 3D sześć lat wcześniej z użyciem syste­mu Archicad. Ale dopiero od objęcia funkcji dyrektora przez Gonzalesa przez ostatnie trzy i pół roku wpro­wadzono zasady BIM, standardy pro­jektowania, koordynację modeli itp. W ciągu tego okresu zrealizowano 160 projektów o wartości 9 mld do­larów. Dan Gonzales za najważniejszą zmianę związaną z BIM uważa orga­nizację pracy zespołu oraz lepszą współpracę z inwestorem. Oddzielną i fundamentalną różnicę między omawianymi dwiema technikami pracy stanowi eliminacja błędów w projekcie na etapie modelu wirtualnego. W fir­mie wykonano szczegółowe analizy kosztów powstałych ze względu na zmiany spowodowane błędami mode­li, oczywiście chodzi o poważniejsze błędy o charakterze kolizji wymagają­cych koniecznych interwencji i zmian w dokumentacji.

Obliczono, że średni jednostkowy koszt obsługi takich błędów wyno­si ok. 17 000 dolarów. Na przykład w procesie projektowania Ritz-Carlton wykryto 450 takich poważnych błędów, które w tradycyjnym procesie skutkowałyby zleceniem zmian i kosz­tami. Łatwo policzyć, że tylko z tego tytułu oszczędzono 6,7 mln dolarów. Obliczono także, że w samej tylko fa­zie projektu z tytułu oszczędności na czasie spotkań, wyjazdach i wydru­kach używanych do uzgodnień zyskano ok. 185 000 dolarów, a średni czas spotkań koordynacyjnych skrócił się z pięciu do półtorej godziny.

Rys. 6 Pokazane są tylko elementy zmienione w modelu i kosztorysie

Automatyzacja prac na modelu BIM

Kolejna różnica między CAD i BIM do­tyczy możliwości wykonania pewnych działań na wirtualnym modelu budow­li, które nie są możliwe w technikach CAD. Jedną z nich jest, wspomniana wcześniej, znana i bardzo ceniona możliwość automatycznego wyzna­czania kolizji. Inny przykład automa­tyzacji prac dotyczy zmian w modelu i ich konsekwencji na koszt i harmo­nogram. Zmiany mogą polegać na usunięciu, dodaniu bądź modyfikacji geometrii elementów lub – co jest bardziej złożone – parametrów typu „properties”, takich jak np. marka betonu. Zadanie automatycznego uwzględnienia tych zmian na przykład w przedmiarze i kosztorysie jest bar­dzo złożone i bierze pod uwagę wiele możliwości; część zmian, takich jak usunięcie elementu, może być w pełni zautomatyzowana, pozostałe są pro­cesem wspomaganym przez koszto­rysanta.

Na kilku rysunkach zilustrowano te możliwości. W modelu wyjściowym[5] (rys. 4) wprowadzono pewne zmiany (usunięto i zmodyfikowano kilka ścian). Oba modele – pierwotny i zmieniony – są łącznie analizowane (rys. 5), a róż­nice mogą być prezentowane z wyłą­czeniem pozostałych, niezmienionych elementów (rys. 6, kolor określa ro­dzaj zmian, czerwony – usunięte, fiole­towy – zmodyfikowane). Konsekwencje tych zmian mogą być w dużym stop­niu zautomatyzowane, co znakomicie przyspiesza obliczenie nowego kosztorysu[6]. Rezultaty te są prezentowane przez autora po raz pierwszy.

Konkluzja

Na kilku wybranych zagadnieniach po­kazano istotne różnice między CAD i BIM i ich różnorakie konsekwencje. Dotyczą one nie tylko technik projek­towania i tworzenia dokumentacji, ale organizacji procesu inwestycyjnego, zautomatyzowania i przyspieszenia wielu czynności, dzięki czemu otwie­ra się możliwość wszechstronnych symulacji i analizy wielu wariantów, a w rezultacie wyboru wariantu ko­rzystnego ze względu na koszt i pa­rametry użytkowe.

dr inż. Andrzej Tomana Datacomp Sp. z o.o.

Literatura

1. J.P Rammant, Explanatory Note on the Relation of SCIA.ESA PT Structural Modeller with CAD SOFTWA­RE, Background on SCIA software for Structural Building Information Modeling (S-BIM) April 2005.

2. J. Bratton, Making the Transition from CAD to BIM, The benefits of switching from CAD to Building Information Modeling (BIM) for electrical engineers and designers designing in today's virtual construction world, Mar. 1, 2009, Electrical Construction and Maintenance.

3. A. Tomana, BIM – Nowa technologia w bu­downictwie, 2015 (www.bimblog.pl).