Metodyka BIM dla infrastruktury kolejowej

Sieć kolejowa w Polsce, ze względu na położenie geograficzne, odgrywa niezwykle istotną rolę w polityce tranzytowej związanej z przewozem osób i towarów na terenie Europy. Równocześnie obejmuje styk sieci normalnotorowej z siecią szerokotorową, dominującą za naszą wschodnią granicą. Obecnie w użytkowaniu pozostaje ok. 19 tys. km linii kolejowych, których długość systematycznie spadała od lat 90. [1]. Proces degradacji infrastruktury kolejowej udało się zatrzymać przy okazji Euro 2012, kiedy systematyczna poprawa warunków przewozu osób stała się absolutnym priorytetem. Wraz ze wzrostem potrzeb, związanych z transportem i ustawicznym starzeniem się infrastruktury kolejowej, istnieje ogromne zapotrzebowanie na coraz bardziej efektywne narzędzia i metody budowy, utrzymania, monitorowania i naprawy jej elementów.

Jak pokazują międzynarodowe raporty, inwestycje infrastrukturalne w krajach wysoko rozwiniętych, dzięki wykorzystaniu nowoczesnych narzędzi związanych z rozwojem technologii informacyjnych, są najsprawniej prowadzonymi inwestycjami budowlanymi. Jednakże w kontekście zapóźnienia branży budowlanej w stosunku do pozostałych gałęzi gospodarki wciąż istnieje olbrzymi potencjał dalszej implementacji nowoczesnych narzędzi i metod w inwestycjach infrastrukturalnych [2].

Rys. 1. Projekt przebudowy infrastruktury drogowej i torowej, rejon ul. Towarowej i al. Niepodległości w Poznaniu

Metodyka BIM (z ang. Building Information Modelling) stanowić ma odpowiedź sektora budowlanego na rewolucję cyfrową, której podlegają praktycznie wszystkie aspekty naszego życia. Technologia BIM opisuje proces tworzenia i wykorzystania modeli informacyjnych obiektów budowlanych w pełnym cyklu ich życia [3]. Modele informacyjne składają się z trójwymiarowych komponentów wzbogaconych o metadane w środowisku wirtualnym.

W przypadku prawidłowo wykonanych modeli BIM, dzięki połączeniu wizualizacji 3D oraz danych niegeometrycznych, możliwa jest integracja, wyszukiwanie oraz analiza złożonych informacji na temat obiektów budowlanych, a co za tym idzie zyski na etapie ich projektowania, realizacji i eksploatacji. Światowe projekty pilotażowe, a także doświadczenia autora z rynku polskiego pozwalają spodziewać się znacznych benefitów nie tylko dla obiektów kubaturowych, ale również projektów infrastrukturalnych, w tym kolejowych. Znajduje to swoje odzwierciedlenie w dążeniach wielu państw europejskich do legislacji zobowiązującej do stosowania modeli informacyjnych przy realizacji projektów publicznych.

Polecamy też: BIM w projektowaniu i realizacji mostów

W Polsce wykonane zostały projekty pilotażowe z zastosowaniem elementów metodyki BIM dla prywatnych operatorów infrastruktury kolejowej. W ostatnich miesiącach również PKP ogłosiło pierwszy przetarg pn. „Rozbiórka i budowa wiaduktu kolejowego w km 33,994 na linii kolejowej nr 140 Katowice Ligota – Nędza” [4].

Rys. 2. Model BIM projektu estakady

Specyfika inwestycji kolejowych

Co oczywiste, budowa oraz eksploatacja obiektów kolejowych wymagają integracji olbrzymiej ilości danych oraz precyzyjnego planowania w szerokim kontekście regionu, a nawet kraju. Tymczasem bieżące działania (i nie jest to jedynie polski problem) prowadzone są w dużym rozproszeniu, bez odpowiedniego przygotowania inwestycji oraz przede wszystkim bardzo często bez uwzględnienia potrzeb dalszej eksploatacji [5]. Brak informacji na temat stanu istniejącego terenu inwestycji, błędna geolokalizacja elementów projektów, kolizje projektowe czy brak kontroli nad harmonogramem rzeczowo-finansowym to tylko niektóre z przyczyn wysokiego ryzyka związanego z inwestycjami kolejowymi. Przedłużające się roboty budowlane są też problemem w kontekście rosnących cen materiałów oraz niedoborów specjalistów na placu budowy.

Również koszty eksploatacji infrastruktury kolejowej są bardzo wysokie. Składają się na to m.in.:

• trudności logistyczne związane z odległościami pokonywanymi przez służby eksploatacyjne,
• braki w dokumentacji powykonawczej oraz brak szybkiego dostępu do jej aktualnej wersji,
• brak centralnej spójnej bazy danych na temat prowadzonych inwestycji.

Wobec tych trudności coraz częściej mówi się o konieczności bardziej efektywnego zarządzania informacją w pełnym cyklu życia inwestycji.

Rys. 3. Model zarządczy infrastruktury kolejowej

Metodyka BIM w inwestycjach kolejowych

Jak wspomniano, ostatnie lata obfitują w projekty BIM w infrastrukturze kolejowej [6]. Analiza projektów własnych oraz studia przypadku, realizowanych na całym świecie, pozwalają stwierdzić, że dobrze zaplanowane wdrożenie metodyki, przynieść może znaczne korzyści na każdym etapie cyklu inwestycyjnego. Najważniejsze benefity można zakwalifikować do pięciu głównych kategorii:

• Podwyższenie jakości oraz tempa projektowania, m.in. przez eliminację prostych błędów projektowych oraz możliwość generowania dokumentacji płaskiej wprost z modelu.
• Zwiększenie efektywności procesu budowy, m.in. przez weryfikację dokumentacji, zwiększoną kontrolę logistyki placu budowy czy też harmonogramowanie w oparciu o elementy budynku w środowisku wirtualnym.
• Wsparcie procesów decyzyjnych, m.in. w oparciu o wielozakresowe analizy modeli informacyjnych.
• Kontrola ryzyka związanego z inwestycją przez integrację i wizualizację krytycznych informacji w środowisku wirtualnym.
• Zwiększona kontrola kosztów cyklu życia obiektu oparta na precyzyjnym planowaniu w ramach cyfrowej bazy danych.

W kontekście danych liczbowych raporty wskazują na znaczące zyski, m.in. do:

• 40% wyeliminowanych nieplanowanych zmian w budżecie inwestycji,
• 3% bardziej precyzyjne kosztorysowanie,
• 80% szybsze kosztorysowanie w porównaniu z metodami tradycyjnymi,
• 10% oszczędności w kontekście kosztów inwestycji uzyskanych na etapie realizacji,
• 7% redukcji czasu przeznaczonego na budowę [7].

Realizacja i zarządzanie projektami infrastrukturalnymi obarczone są zazwyczaj wyższymi kosztami niż w przypadku obiektów kubaturowych. Składają się na to m.in. skala inwestycji, ich sieciowy charakter oraz potrzeba integracji olbrzymiej ilości niegraficznych danych. Można więc się spodziewać relatywnie wyższych zysków z zastosowania podejścia bazodanowego już na etapie projektowania [6]. Poniżej przedstawiono ramowy program implementacji metodyki dla projektu kolejowego. Należy zaznaczyć, że skala modeli BIM jest ograniczona. W zależności od typu oprogramowania należy wziąć pod uwagę m.in. limity związane z poprawnym wyświetlaniem kilkudziesięciokilometrowych modeli, krzywizną Ziemi, czy układem współrzędnych. które jest w stanie objąć całą sieć połączeń krajowych i zagranicznych [8].

Rys. 4. Model inwentaryzacyjny wykonany w oparciu o pomiary metodą LiDAR oraz geoskaningu

Metodyka BIM w sektorze kolejowym. Propozycja programu wdrożenia

Dokumenty przetargowe

Ogólne ramy procesu związanego z wymianą informacji opartego na modelu BIM, określone są m.in. w normie ISO 19650. Ze względu jednak na stosunkowo niski stopień implementacji metodyki na rynku polskim niżej przedstawiono jego przebieg w formie uproszczonej. Metodyka BIM opiera się na bazie danych. Możliwych sposobów na jej stworzenie jest nieskończenie wiele. Każdy element (fragment nasypu, tor, podkład kolejowy) może być wymodelowany z różną dokładnością geometryczną oraz opisany dowolną liczbą parametrów niegeometrycznych (wysokość, materiał, data wykonania etc.). Ze względu na brak uznanego w Polsce standardu technicznego – szczególnie w zakresie infrastruktury liniowej – zamówienie „projektu BIM” samo w sobie nie stanowi więc precyzyjnej informacji dla potencjalnego wykonawcy. W konsekwencji braku szczegółowych wynagań zamawiający otrzymuje w najlepszym przypadku kosztowny model z parametrami, które nigdy nie zostaną wykorzystane, lub model, którego wartość informacyjna zawężona jest do wizualizacji geometrii poszczególnych elementów z dokładnością arbitralnie przyjętą przez modelującego.

W tej sytuacji podstawowym wymogiem każdej implementacji metodyki BIM, szczególnie dla projektów pilotażowych, jest określenie kluczowych celów oraz wymogów związanych z jej realizacją. Wymagania te powinny zostać dostarczone potencjalnym wykonawcom na etapie zapytania ofertowego w postaci dokumentu określającego m.in.: zagadnienia technologiczne, organizacyjne oraz standard oczekiwanej dokumentacji. Następnie prawidłowo prowadzony proces zakłada odpowiedź oferentów w postaci odrębnego opracowania. Dokument powinien definiować m.in. sposób realizacji wymagań oraz wyczerpujące deklaracje na temat szczegółowości, zakresu, formatów przekazania oraz struktury modeli informacyjnych, a także procesów oraz interesariuszy związanych z ich tworzeniem, analizą i odbiorem.

Dalsza praca oparta jest na cyklach modelowania, koordynacji, weryfikacji i archiwizacji modeli informacyjnych, zgodnie z określoną we wspomnianych dokumentach procedurą. Szczegóły uzależnione są ściśle od ustaleń poczynionych między zamawiającym a wykonawcą. Można jednak przyjąć pewną dobrą praktykę implementacji metodyki dla obiektów torowych.

Inwentaryzacja stanu istniejącego

Projektowanie obiektów inżynieryjnych, jak nasypy kolejowe, wiadukty, estakady etc., wymaga szczegółowej inwentaryzacji terenu, jego warstw podziemnych, a także bardzo precyzyjnej weryfikacji położenia wykonywanych elementów. Metodyka BIM zakłada wykorzystanie możliwie najbardziej precyzyjnych metod i narzędzi w trakcie opracowania dokumentacji inwetaryzacyjnej oraz do badania stanu prowadzonych robót. Zaliczyć do nich można oprócz tradycyjnie wykorzystywanych pomiarów tachimetrycznych czy odwiertów, m.in.:

• pomiary terenu, w technologii UDAR (np. skanery naziemne);
• fotogrametria np. wykonywana w oparciu o naloty tzw. dronami;
• pomiary artefaktów i warstw podziemnych za pomocą georadaru, tomografii elektrooporowej czy magnetometrii.

Trójwymiarowe dane są następnie integrowane bezpośrednio w dedykowanym oprogramowaniu do projektowania klasy BIM, jak Bentley OpenRail czy Autodesk AutoCAD Civil 3D. Co bardzo istotne, pomiary wykonane przez kompetenengo geodetę pozwalają na bardzo precyzyjną geolokalizację tworznych modeli BIM w środowisku wirtualnym.

Rys. 5. Wizualizacja modelu BIM węzła multimodalnego

Opracowanie oraz weryfikacja projektu

Za pomocą odpowiedniego oprogramowania opracowuje się trójwymiarowy model projektowanych obiektów wraz z przypisanymi do poszczególnych jego komponentów parametrami technicznymi. W zależności od etapu projektowego oraz planowanego zastosowania modelu może on być bogaty w metadane lub umożliwiać jedynie eksport dokumentacji budowlanej z właściwymi dla niej oznaczeniami. Bez względu jednak na szczegółowość informacyjną modelu BIM, dedykowane oprogramowanie pozwala na pracę na parametrycznych komponentach.

Dla przykładu projektowanie przebiegu torów wiąże się z analizą krytycznych parametrów, jak planowana prędkość na danej trasie, waga taborów, częstotliwość użytkowania, a także parametrów gruntu czy obowiązujących norm. Na podstawie powyższych parametrów możliwe jest opracowanie reguł tworzenia i weryfikacji projektowanej infrastruktury. Poprzez tyczenie przebiegów sieci, semiautomatycznie generować można niwelety terenu, nasypy czy dopuszczalne krzywizny, a także związane z nimi rzuty i przekroje. Raz „zaprogramowane” komponenty mogą być wykorzystywane jak przysłowiowe klocki przy tworzeniu kolejnych projektów tego samego typu infrastruktury. Następnie w przypadku projektów obejmujących wiele branż (np. sieci podziemne) wykonać można automatyczne sprawdzenie potencjalnych kolizji geometrycznych oraz braków informacyjnych w generowanej z modelu dokumentacji. Dzięki wizualizacji w środowisku 3D koordynacja takiej dokumentacji jest prostsza i dużo bardziej efektywna, m.in. dzięki automatycznej aktualizacji wszystkich rysunków i zestawień po wprowadzeniu zmian w bazie danych [9], [10].

Zobacz: Korzyści z projektowania w BIM

Analizy modeli informacyjnych

Modele BIM pozwalają na prowadzenie wielozakresowych analiz w środowisku wirtualnym. Poprawnie wykonane komponenty można grupować oraz eksportować ich właściwości w postaci przedmiarów i zestawień. Poprzez przypisanie do poszczególnych komponentów dat ich planowanej bądź faktycznej realizacji tworzyć można wirtualne harmonogramy oraz planować logistykę budowy. Po przypisaniu kosztów wykonania poszczególnych grup elementów, generowany jest też kosztorys sprzężony z planowanymi lub faktycznymi pracami na budowie. Wszystkie te analizy można prowadzić w czasie rzeczywistym przez automatyczną aktualizację po zmianie jednego lub zestawu parametrów modelu. Weryfikacji podlegają też m.in. modele analityczne symulacje ruchu pojazdów i ludzi, czy analizy energetyczne obiektów kubaturowych [11]. Jest to szczególnie istotne w przypadku projektów, gdzie dochodzi do styku różnego typu skomplikowanej infrastruktury podziemnej i naziemnej, jak np. węzły multimodalne. Symulacje w środowisku wirtualnym pozwalają na optymalizację parametrów funkcjonalnych i sprawnościowych obiektów jeszcze na etapie koncepcji, kiedy koszt ewentualnych zmian jest minimalny.

Realizacja robót

Na etapie realizacji robót modele informacyjne wykorzystywać można w pierwszej kolejności jako referencję dla tyczonych i wykonywanych obiektów infrastruktury. Opierając się na pomiarach geodezyjnych i georeferencjowanych modelach, można realizować roboty ziemne czy żelbetowe z doskonałą precyzją. Począwszy od prostego tyczenia elementów w oparciu o punkty charakterystyczne w modelu aż po semiautomatyczne prowadzenie robót ziemnych – np. za pomocą koparek wyposażonych w urządzenia pomiarowe zintegrowane z geometrią wykopów w modelu 3D.

W trakcie odbiorów i inspekcji ewentualne uwagi mogą być nanoszone na placu budowy bezpośrednio na modele wykonawcze warsztatowe za pomocą urządzań mobilnych zintegrowanych z platformami chmurowymi (potocznie zwanymi Common Data Environemnt – CDE). W przypadku „dojrzałego BIM” platformy te stanowią główne repozytorium wiedzy o projekcie. Integrują modele BIM, kompletną dokumentację, komunikację oraz procesy związane z projektowaniem i realizacją inwestycji.

Wraz z archiwum na platformie CDE systematycznie uzupełniany w trakcie realizacji robót budowlanych model BIM stanowi w momencie zakończenia prac doskonałe repozytorium dokumentacji powykonawczej. Archiwum takie można i powinno się wykorzystywać oraz aktualizować w trakcie przekazania BIM do użytkowania oraz dalszej eksploatacji.

Użytkowanie

Wykorzystanie modeli na etapie użytkowania stanowi obszerny temat, a pełen potencjał z nim związany jest wciąż badany na podstawie wykonanych w ostatnim dziesięcioleciu modeli powykonawczych i inwentaryzacyjnych. Z doświadczeń autora oraz analizowanej literatury wyróżnić tu można kilka podstawowych zalet dla obiektów kolejowych. Po pierwsze, poprawnie wykonany model stanowi spójną bazę dokumentacji i metadanych, dając możliwość błyskawicznego wyszukiwania i analizowania niezbędnych informacji na temat modernizowanego bądź konserwowanego elementu. Integracja modeli w dedykowanych platformach chmurowych pozwala np. na identyfikację i wyświetlenie informacji przypisanych do konserwowanego elementu przez skanowanie kodu QR czy znacznika RFID powiązanych z modelem.

Po drugie, przypisanie do poszczególnych komponentów informacji związanych z eksploatacją, jak daty przeglądów, osoba odpowiedzialna czy nazwa dostawcy, pozwala na szybsze raportowanie i precyzyjne planowanie działań w przypadku konieczności napraw lub przeglądów. Integracja kolejnych modeli w środowisku GIS zapewnić może nie tylko bardziej precyzyjne projektowanie i analizy, ale również pełniejszą integrację danych na etapie eksploatacji [8].

Metodyka BIM dla projektów kolejowych. Wyzwania

Do realizacji projektów infrastrukturalnych w technologii BIM przyczynił się niewątpliwie rozwój dedykowanego oprogramowania i formatów zdolnych przenosić informacje na temat obiektów liniowych. Do tych ostatnich zaliczyć można prowadzone przez organizację buildingSMART starania na rzecz rozszerzenia definicji neutralnego formatu IFC o klasy odpowiadające infrastrukturze liniowej – m.in. o elementy IFC Rail dla kolejnictwa [12]. Efektem tych działań jest m.in. stworzenie IFC. Pozwala to na koordynację przestrzenną obiektów i rysunków w ramach otwartego formatu IFC między platformami projektowymi oraz innymi formatami, a także poszczególnymi etapami cyklu inwestycyjnego [13].

Mimo realizacji coraz większej liczby projektów istnieje jednak kilka istotnych barier na drodze do pełnej adaptacji BIM dla obiektów infrastrukturalnych. Są to m.in.:

• Różnice w definicji poziomów dokładności poszczególnych elementów infrastrukturalnych.
• Ciągłe braki w możliwości integracji różnorodnych typów elementów (m.in. torowych) i ich właściwości między różnymi rodzajami oprogramowania i sprzętu – szczególnie na etapie eksploatacji.
• Coraz wyższe wymagania sprzętowe przy obróbce olbrzymich modeli BIM, obejmujących obiekty w skali urbanistycznej.
• Ograniczenia prawne, obejmujące m.in. wykorzystanie cyfrowych wersji dokumentacji w procesach administracyjnych i uzgodnieniach umownych.
• Ograniczenia procesowe i społeczne związane m.in. z koniecznością dostosowania procedur, kultury pracy, wiedzy i możliwości technicznych inte- resariuszy realizujących inwestycję.
• Wymagania związane ze stopą zwrotu w inwestycje w BIM, które to koszty stanowią dużą barierę dla mniejszych przedsiębiorstw mimo dostępnych darmowych narzędzi oraz udokumentowanych zysków wynikających z ich wdrożenia.

Bodajże najbardziej istotnym ograniczeniem dla decydentów pozostaje brak wyraźnych wytycznych w zakresie standardu, zakresu i momentu dostarczenia informacji w ramach modeli BIM. To jednak wyzwanie pokonać można przez poprawne opracowanie wymagań po stronie inwestora oraz rzetelne przygotowanie przez wykonawcę wspomnianego wyżej planu wdrożenia metodyki.

Metodyka BIM dla infrastruktury kolejowej. Podsumowanie

Polska kolej stanowi drugą najważniejszą po transporcie samochodowym gałąź transportową zarówno w realizowaniu przewozów osobowych, jak i towarowych [14]. Najtrudniejszym obecnie zadaniem dla sektora pozostaje rewitalizacja i modernizacja istniejącej infrastruktury torowej [15] oraz realizacja Programu inwestycji dworcowych [16].

Opisane w artykule procesy powiązane z metodyką BIM oraz przytoczone przykłady jej implementacji dla projektów kolejowych pokazują potencjał podniesienia efektywności w całym sektorze. Już na etapie projektów pilotażowych, mimo konieczności adaptacji do nowych narzędzi oraz kosztów związanych z ich wprowadzeniem, spodziewać się można realnych zysków wynikających z ograniczenia błędów korygowanych na placu budowy oraz opóźnień w zakończeniu robót [17].

Jednakże maksymalizacja efektów wdrożenia metodyki, szczególnie na etapie eksploatacji, wymaga wiedzy, określenia jasnych celów oraz definicji wymagań po stronie zamawiających. Tylko kompleksowo opracowana strategia pozwoli na systematyczną budowę bazy danych oraz jej wykorzystanie w trakcie pełnego cyklu inwestycyjnego. Można się spodziewać, że wraz z realizacją kolejnych projektów pilotażowych oraz rozwojem oprogramowania i formatów wymiany danych, nastąpi coraz szersza adaptacja metodyki w projektach infrastruktury liniowej. W przyszłości będą one stanowić doskonały materiał i wsad do baz danych tworzonych w ramach koncepcji inteligentnego transportu, zarządzania obiektami inżynieryjnymi czy też szerzej idei SmartCity.

Bibliografia

1. Polska sieć kolejowa w liczbach – jak wyglądamy na tle Europy?, „zbiorowy. info” [Online]. Available: https://zbiorowy. info/2018/08/polska-siec-kolejowa-na-tle-europy-czy-jest-sie-czym-chwalic/. [Accessed: 28-Aug-2019].
2. MGI-Reinventing-construction-A-route-to-hi- gher-productivity-Full-report, no. February, 2017.
3. D. Holzer, The bim manager’s handbook, Southern Gate: John Wiley & Sons Ltd., 2016.
4. „Platforma Zakupowa PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.” [Online]. Available: https://za- mowienia.plk-sa.pl/servlet/HomeServlet?MP_ module=outErfx&MP_action=supplier- Status&iRfxRound=56734. [Accessed: 30-Aug-2019].
5. M. Suchocki, The BIM-for-rail opportunity, WIT Trans. Built Environ. vol. 169, 2017.
6. A. Bradley, H. Li, R. Lark and S. Dunn, BIM for infrastructure: An overall review and constructor perspective, Autom. Constr. vol. 71,2016.
7. A. Salman, Building Information Modeling (BIM): Trends, Benefits, Risks, and Challen- ges for the AEC Industry, Leadersh. Manag. Eng. no. 3, 2011.
8. S. Kurwi, PI Demian and T.M. Hassan, Integrating BIM and GIS in railway projects: A critical review, Assoc. Res. Constr. Manag. ARCOM – 33rd Annu. Conf. 2017, Proceeding, 2017.
9. S.F. Huang, C.S. Chen and R.J. Dzeng, Design of track alignment using building information modelling, J. Transp. Eng. vol. 137, no. 11,2011.
10. J. Zak and H. Macadam, Utilization of building information modeling in infrastructure’s design and construction, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 236, no. 1,2017.
11. P Matejka, The Importance of a Transport Infrastructure Construction for the Implementation of Bim, People, Build. Environ., vol. 2014.
12. G. Gao, Y Liu, J. Wu, M. Gu, X. Yang and H. Li, IFC Railway: A Semantic and Geometric Modeling Approach for Railways based on, Icccbe2016, no. 1,2016.
13. J. Amann, M. Flurl, J.R. Jubierre and A. Borrmann, An Approach to Describe Arbitrary Transition Curves in an IFC Based Alignment Product Data Model, Comput. Civ. Build. Eng., 1993.
14. E. Zielińska, Analiza rynku usług kolejowych w Polsce, „Autobusy” vol. 12, 2017.
15. Kolejnictwo polskie – Infrastruktura [Online]. Available: http://www.kolejnictwopolskie.pl/default_015.html. [Accessed: 28-Aug-2019].
16. Program inwestycji dworcowych na lata 2016-2023, Ministerstwo InfrastrukturyPortal gov.pl. [Online]. Available: https:// www.gov.pl/web/infrastruktura/program-in- westycji-dworcowych-na-lata-2016-2023. [Accessed: 28-Aug-2019].
17. M.H. Shin, H.K. Lee and H.Y Kim, Benefit- Cost analysis of Building Information Modeling (BIM) in a Railway Site, Sustain. vol. 10, no. 11,2018.

mgr inż. architekt Paweł Łaguna

Grafiki: firma Graph'it

Zobacz też: BIM w prawie zamówień publicznych