Projektowanie jak w filmie - Inżynier Budownictwa

Świat współczesnego projektanta powinien być zwirtualizowany i trójwymiarowy. Odwrotu od wirtualizacji i trójwymiarowego projektowania w budownictwie nie ma.

Otaczający nas świat przesiąkł technikami komputerowymi stosowanymi w każdej dziedzinie. Wraz ze wzrostem możliwości komputerów wszystko staje się wirtualne i trójwymiarowe. Oglądamy kino 3D, telewizję 3D i już nikomu nie trzeba wyjaśniać tego terminu. Gdy zajrzę do pokoju nastoletniego syna, to widzę, jak przemieszcza się on po wirtualnych, trójwymiarowych światach gry, które sam projektował. Planując nową aranżację salonu, zaglądam na stronę sprzedawcy mebli i urządzam nimi wirtualne mieszkanie. Intuicja mówi, że również świat współczesnego projektanta powinien być zwirtualizowany i trójwymiarowy. Czy tak jest w rzeczywistości, jak rozwijają się systemy inżynierskie, jak wpływa to na codzienną praktykę pracy to zagadnienia, które pragnę poruszyć w tym artykule.

Nowe technologie, nowa terminologia, stare wymagania

Mimo iż od wielu lat komputer wyparł deskę kreślarską, niepodważalnym faktem jest, że ostatecznym wyrobem projektanta, a zwłaszcza projektanta w branży budowlanej jest papierowy rysunek. Możliwe, że projektant mechanik może stworzyć komputerowo projektowany element, a potem wykonać prototyp czy też bezpośrednio wysłać projekt do sterowanej numerycznie obrabiarki bez drukowania dokumentacji z całym wymiarowaniem, wykazami i tabelkami.

W przypadku obiektów budowlanych musimy wyprodukować płaską dokumentację papierową,która będzie podlegała procesowi weryfikacji i zatwierdzania w urzędach, czy to jako projekt budowlany, projekt techniczny czy też rysunki warsztatowe (np. konstrukcji czy kształtek wentylacyjnych). Na taką dokumentację czekają urzędy i wykonawcy, w tej formie trafia ona do inwestora.

Wolniej lub szybciej, zależnie, o jakiej specjalności inżynierskiej mówimy, zmienia się jednak sposób powstawania tej płaskiej dokumentacji. Jeszcze kilka lat temu praktycznie 100 procent rysunków pochodziło z płaskich systemów CAD (Computer Aided Design), takich jak AutoCAD, Microstation, InteliCAD czy Briscad.

Obecnie niejednokrotnie rysunek płaski jest wygenerowany ze stworzonego w systemie trójwymiarowego modelu projektowanego obiektu. W tym celu system posiada funkcje pozwalające tworzyć rzuty, przekroje czy złożenia poprzez odpowiednie pokazanie lub odwzorowanie modelu cyfrowego. W mniej lub bardziej automatyczny sposób uzupełnia się taką dokumentację o ramki, tabelki, wykazy czy wymiarowanie.

Sam, wcześniej stworzony, model ma dużo większą funkcjonalność niż dokumentacja papierowa. Na etapie powstawania modelu zamieszcza się informacje o elementach składowych (np. numerach urządzeń, zastosowanych materiałach). Tworzona geometria powstaje z elementów bibliotecznych (np. biblioteki okien, drzwi, katalogi profili stalowych, katalogi armatury dla instalacji przemysłowych). Sam sposób projektowania w 3D, zwłaszcza w projekcie wielobranżowym, powoduje redukcję błędów poprzez lepszą koordynację i unikanie kolizji. Fakt automatycznego generowania dokumentacji z ukończonego modelu zapewnia wyższą jakość dokumentacji, bez zagrożenia wydaniem projektów nieskoordynowanych, na nieaktualnych podkładach architektonicznych.

Wygenerowane z modelu dane mogą posłużyć do wykonywania obliczeń wytrzymałościowych lub cieplnych, generowania wykazów, kontroli kompletności w zestawieniu ze schematami.

Wszystkie powyższe zalety sprawiają, że jednostki projektowe decydują się na inwestycje w drogie systemy projektowania 3D, nawet jeśli stosowania takich narzędzi nie wymaga ani klient, ani tym bardziej jednostka zatwierdzająca dokumentację.

Istnieje duże prawdopodobieństwo, że zawarte w modelu dodatkowe informacje i włożona w jego powstawanie praca zmarnują się i po wydaniu dokumentacji nie zostaną więcej użyte. Aby tak się nie działo, coraz częściej myśli się o przekazywaniu do eksploatacji (inwestora, właściciela czy operatora obiektu) całej powstającej bazy danych, a nie tylko dokumentacji rysunkowej lub modelu. Służyć temu mają systemy BIM (Building Information Modeling) w budownictwie czy EDM (Engineering Design and Managment) w budownictwie przemysłowym powiązane często z systemami obsługi obiektu czy sterowaniem produkcją przez cały czas życia i eksploatacji.

Przegląd niektórych aplikacji 3D w architekturze

Bardzo wiele firm dostarcza rozwiązania dla architektów, trudno więc zrobić ich pełny przegląd w jednym artykule. Ze względu na długoletnie tradycje na pewno trzeba wymienić produkty firm Bentley, Autodesk czy Graphisoft. Wszyscy ci producenci wspierają ideologię BIM, choć w różny sposób do tego dochodzili. Ogólnie nie proponują jednego produktu, ale całą gamę programów wspierających poszczególne zadania. Jest to konsekwencja dawnego podejścia, gdy celem było stworzenie jednobranżowego rysunku, a nie kompletnego bazodanowego modelu.

W świecie rozwiązań Bentleya mamy takie produkty, jak: Generative Components (modelowanie na etapie koncepcji bryły budynku), Bentley Architecture (projekt architektoniczny), Structural Modeler (projekt konstrukcji), Building Mechanical Systems (wentylacja i wodno-kanalizacyjny), Electrical Systems (instalacje elektryczne) oraz ProjectWise Project Team Collaboration usprawniający zespołową pracę nad złożonymi zadaniami. Spójne środowisko ma też programy do obliczeń wytrzymałościowych, cieplnych czy oceny sprawności energetycznej budynku.

Autodesk również oferuje zestawy produktów kierowane dla odbiorcy o konkretnym profilu. W architekturze mamy AutoCAD Architecture (projektowanie architektoniczne) oraz AutoCAD Revit Architecture (nowszy produkt, dublujący funkcjonalność, ale o nowoczesnym podejściu i większych możliwościach – wszystko oparte na dobrze znanym środowisku flagowego produktu AutoCAD. Dodatkowo mamy 3ds Max Design (tworzenie efektownych wizualizacji projektowanego obiektu), Autodesk Collaborative Projekt Management (usprawnienie wymiany danych pomiędzy uczestnikami projektu), Audodesk Design Review (prowadzenie przeglądów projektu, śledzenie zmian), Autodesk Alias Design (prace koncepcyjne).

Graphisoft dostarcza obecnie już 14. wersję programu ArchiCAD, który od razu uwzględnia podejście do projektu w filozofii BIM, opierając tworzenie modelu na bazie danych, i BIM Server umożliwiający pracę grupową w wielu dyscyplinach. Dodatkowo dostępne są narzędzia komunikacji z aplikacjami specjalistycznymi (takimi jak TEKLA Structures), z aplikacjami opartymi na formatach dwg Autodesku oraz narzędzia do eksportu kompletnego projektu do systemów zewnętrznych (np. biura inwestora), które nie muszą mieć dostępu do serwera BIM.

Przegląd niektórych aplikacji 3D w projektowaniu przemysłowym

Omawiając projektowanie zakładów przemysłowych, mówi się o całych systemach, a nie pojedynczych programach. Przy projektowaniu fabryk dużo wcześniej niż w zwykłym budownictwie zrozumiano potrzeby i korzyści wynikające z modelowania i wprowadzono rozwiązania bazodanowe. W odróżnieniu od budynków mieszkalnych czy użyteczności publicznej, gdzie wiodąca jest rola architekta, w fabryce wszystko jest podporządkowane technologii, zainstalowanym w niej urządzeniom i instalacjom. Nie bez przyczyny systemy do takiego projektowania dostarczają firmy, które rozwijały od lat oprogramowanie dla budownictwa okrętowego, lotniczego, samochodowego czy dla rafinerii. Wymienić tu należy takie firmy, jak Aveva, Intergraph czy wcześniej wspominany Bentley.

Produkty Aveva Plant to przede wszystkim znany od lat PDMS – Plant Design and Management System oraz moduły z nim związane. PDMS to kompletne rozwiązanie pozwalające zamodelować zakład przemysłowy, jego konstrukcję wraz z zainstalowanymi urządzeniami, aparatami, zbiornikami, pompami, łączącymi je instalacjami orurowania i elektryczności. Z modelu generowana jest automatycznie dokumentacja płaska, niezbędne rysunki warsztatowe i rysunki izometryczne dla prefabrykacji orurowania. Dostępne są bogate biblioteki elementów: profile stalowe, rury, zawory, kształtki. Serwer PDMS umożliwia współpracę (również zdalną, przy użyciu produktu Aveva GLOBAL) przy projektach dowolnej wielkości. Program Aveva NET służy do integracji danych projektowych z bazą danych służącą do zarządzania i eksploatacji obiektu przez cały jego cykl życiowy. Sprawne przeglądy projektu również we współpracy z inwestorem zapewnia moduł Review.

Podobnie jak Aveva Intergraph od wielu lat dostarcza oprogramowanie plantowe. Bardzo długo był to PDS – Plant Design System – konkurencyjny do PDMS produkt o zbliżonej funkcjonalności. Wraz z wydaniem nowego produktu o nazwie Smart Plant 3D stary PDS pomału odchodzi. Klienci Intergraphu mają zapewnione wsparcie, ale nie mogą liczyć na rozwój tego produktu i namawiani są do przejścia na nowocześniejsze rozwiązanie. Smart Plant nie tylko posiada bazę danych i moduły do zaprojektowania fabryki od schematów po trójwymiarowy model, ale posiada też wersję Smart Plant Enterprice for Owners and Operators do zarządzania informacjami o obiekcie przez jego użytkownika.

Duże zamieszanie występuje w stajni Bentleya. Przy sporej ilości aplikacji dla budownictwa w systemach plantowych do niedawna miał on dwie propozycje: środowisko Plant Space oraz konkurencyjne środowisko AutoPLANT. Obydwa produkty posiadały moduły Piping (orurowanie), Equipment (aparaty), Isometrics (generowanie rysunków izometrycznych), Support Modeler (podparcia) i Raceways (trasy kablowe). Podstawową różnicę obydwu systemów stanowił Inerfejs graficzny oparty na formacie Microstation *.dgn w pierwszym przypadku oraz Auto-CAD *.dwg w drugim. Od niedawna Bentley zaoferował nowy produkt o nazwie OpenPlant Modeler. Idea nowego produktu jest o tyle ciekawa, że proponuje się otwarty format wymiany danych o zakładzie przemysłowym, tzw. i-model. Ma on w przyszłości ułatwić wymianę danych pomiędzy wieloma uczestnikami projektu, z których każdy pracowałby w innym środowisku. Tak jak idea Open Office pozwala tworzyć i wymieniać dokumenty tekstowe czy arkusze kalkulacyjne przy niższych kosztach i w oderwaniu od dominacji Microsoftu, tak idea OpenPlant miałaby usprawnić świat projektowania. W przyszłości OpenPlant ma pozwalać np. na zrobienie przeglądu projektu, w którym jedni podwykonawcy pracowaliby w środowisku Bentleya, a inni w PDMS lub PDS. Czas pokaże, czy się to uda.

Autodesk jako największy na rynku producent oprogramowania CAD również próbuje wejść na rynek plantowy. Przez lata istniały programy nakładkowe na AutoCAD (np. Cadpipe, Softdesk). Egzystują, zostały wchłonięte przez inne firmy bądź wykupione przez Autodesk. W efekcie powstały nowe produkty oparte na wersji AutoCAD2011: AutoCAD P&ID, AutoCAD Plant 3D i Autodesk Navisworks Simulate 2011. Całość oferowana jest jako Autodesk Plant Design Suite w cenach bardzo konkurencyjnych w porównaniu z wcześniej omawianymi systemami. Teoretycznie ten nowy produkt ma funkcjonalność niezbędną do zamodelowania fabryki i wygenerowania dokumentacji. Posiada też bogate biblioteki elementów normowych i możliwości dodawania własnych. Z Navisworks możemy też przeglądać model i koordynować projekt. Ponieważ jest to produkt nowy, trudno jeszcze powiedzieć, jak będzie z jego wydajnością i jak zostanie przyjęty na rynku. Na pewno jego wielkim atutem jest łatwość przystąpienia do pracy z produktem zgodnym z AutoCAD, który posiada największą liczbę użytkowników.

Poza opisanymi istnieje jeszcze wiele produktów takich jak: Plant-4D, CADMATIC, MPDS4 3D, CADWORKS. Są firmy, które z powodzeniem produkują trójwymiarowe projekty tymi narzędziami. Zainteresowanych odsyłam do Googli, gdzie na pewno znajdą interesujące informacje.

Plusy i minusy (czyli pochwała wyobraźni)

W czasach gdy drukowane z plotera rysunki komputerowe były nowością, spotkałem się z przypadkiem weryfikatora uznającego (o zgrozo), że jeśli coś wyszło z komputera, to jest dobre i nie sprawdzał rysunku. Projektowanie w wirtualnym świecie niesie podobne zagrożenie. Istnieje tendencja, że firma wykonuje bardzo efektowny projekt 3D pokazujący, jak będzie wyglądał budynek czy zainstalowane w nim urządzenia. Ciężar szczegółów przerzucany jest natomiast na podwykonawcę za pomocą zapisów typu „szczegóły podłączenia w zakresie wykonawcy robót”. Prowadzić to może do błędów i problemów. Również młodzi projektanci nie zawsze mają szanse zetknięcia się z realnym zakładem i poczucia błota pod gumiakami i kasku na głowie. W wirtualnym świecie łatwo wygina się wirtualne rury i przesuwa konstrukcje i urządzenia. W realu czasem to o wiele trudniejsze i bardzo ważne jest, by ten prawdziwy świat budowy poznać. Żaden system nie zastąpi praktyki i rzetelnego rzemiosła inżynierskiego.

Podsumowanie

Odwrotu od wirtualizacji i trójwymiarowego projektowania w budownictwie nie ma. Branża ta jest jednak daleko w tyle za postępem, jaki się dokonał w projektowaniu w takich dziedzinach, jak lotnictwo, przemysł samochodowy czy przemysł stoczniowy. Jest to zrozumiałe ze względu na ilość środków, jakie w danej dziedzinie można było przeznaczyć na rozwój, oraz ze względu na wymagania klientów. Świat się jednak zmienia i całkiem możliwe, że już niedługo klient zamawiający projekt domku jednorodzinnego będzie chciał otrzymać model 3D w postaci cyfrowego pliku. Nie będzie mu chodziło jedynie o to, żeby zobaczyć, jak wygląda biały domek z czerwoną dachówką, ale o odczytanie z modelu przebiegu tras kablowych czy instalacji wodnej, poznanie, jak funkcjonuje klimatyzacja i kiedy trzeba zrobić przegląd pompy. Taka zmiana podejścia musi nastąpić u większych inwestorów. Inwestorzy powinni być świadomi, że od zastosowanego w projekcie systemu modelowania zależeć będzie funkcjonalność bazy danych eksploatowanego w przyszłości obiektu czy dostępność posiadanej dokumentacji płaskiej.

Tomasz Kwaśniewski

Prochem SA, Oddział Informatyka

Więcej informacji:

http://pl.wikipedia.org/wiki/BIM

http://en.wikipedia.org/wiki/

Building_Information_Modeling