4D моделирование в строительстве

Автор статьи: Сергей Бовтеев, кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Что такое 4D модели?

4D моделью называют 3D модель здания или сооружения, к которой добавляется четвёртое измерение – время. Для этого 3D модель синхронизируется с календарно-сетевым графиком строительства.

Если 3D модель объекта капитального строительства нужна для понимания, что нужно построить, то 4D модель отвечает на вопрос: «Как планируется строить?».

Такое моделирование также называется «визуализацией строительства», так как позволяет наглядно показать ход возведения объекта во времени всем заинтересованным участникам инвестиционно-строительного проекта, в том числе тем инвесторам, заказчикам или потенциальным покупателям объектов недвижимости, которые слабо разбираются в специфике строительного производства и обычно не готовы детально анализировать календарные планы, представленные в традиционном формате.

Формирование 4D моделей заключается в синхронизации каждого элемента 3D модели с соответствующей работой календарно-сетевого графика. При этом могут использоваться разные типы увязки, соответствующие процессам монтажа, демонтажа или временного использования 3D элемента. Для небольших проектов возможно формирование календарного плана непосредственно из 3D моделей, то есть выбор на цифровой модели 3D элементов в соответствии с последовательностью их монтажа или демонтажа для включения этих элементов в календарный план с последующим указанием параметров выполнения строительно-монтажных работ.

Четырёхмерное проектирование невозможно без специализированного программного обеспечения. В настоящее время наиболее распространёнными программами для построения 4D являются SYNCHRO Pro и Autodesk Navisworks. Каждый из этих программных продуктов имеет свои преимущества и недостатки, однако SYNCHRO Pro, кроме всего, обладает встроенным мощным функционалом календарно-сетевого планирования, что позволяет разрабатывать календарные планы и 4D модели в единой среде. Autodesk Navisworks, в свою очередь, позволяет формировать лишь простые и статичные линейные графики.

На сегодняшний день в нашей стране нормативно-законодательная база, регламентирующая процессы формирования и применения 4D моделей в строительстве, отсутствует.

Зачем нужны 4D модели?

4D модели являются развитием принципов VDC (Virtual Design and Construction): намного выгоднее вначале провести компьютерные имитации различных вариантов организации строительства объекта, а затем, выбрав наиболее эффективный вариант и определив возможные риски, перейти к реальным строительным работам, чем сразу приступить к стройке и пытаться решать многочисленные проблемы по мере их появления.

4D модель строительства промышленного объекта на этапе монтажа конструкций

Кроме того, 4D модели позволяют:

• обнаружить ошибки (или пространственно-временные коллизии) в календарно-сетевом графике строительства и исправить их ещё до утверждения графика и до начала работ. В масштабных графиках (включающих более пяти тысяч работ) планировщику очень трудно найти несоответствия, для этого зачастую используются достаточно трудоёмкие подходы, далеко не всегда гарантирующие результат. Визуализация строительства позволяет наглядно увидеть большинство коллизий, предоставляя планировщику возможности оперативно их устранить;
• найти оптимальные организационные и управленческие решения, особенно при строительстве масштабных и технически сложных объектов; в стеснённых условиях; при увязке различных строительных процессов на одной территории (например, при реконструкции электрической подстанции). Кроме того, если масштабные календарно-сетевые графики лица, принимающие решения, смотреть детально часто не готовы, так как это отнимает очень много времени, то модели визуализации это время экономят и позволяют предпринимать взвешенные и эффективные действия;
• визуализировать решения, представленные на технологических картах («4D технологическая карта») и строительных генеральных планах («4D стройгенплан»), в том числе динамически показывать зоны действия постоянно или потенциально действующих опасных факторов (опасные зоны);
• наглядно осуществлять план-фактный анализ, сравнивая работы, которые должны быть сделаны по плану, с тем, что сделано по факту по состоянию на дату отчета.

Кто разрабатывает 4D модели?

Ответственными за проектирование 4D могут быть разные специалисты различных организаций-участников строительного производства. Единого подхода, равно как и наименования специальности, на сегодняшний момент не существует. Кроме того модель, по мере своего развития, может передаваться от одного «владельца» к другому. Поэтому итоговая модель также может войти в состав организационно-технологической документации, в частности в проект производства работ (ППР).

Если 4D модель формируется уже на этапе проектирования (разработки проектной документации), то ответственным может являться специалист ПОС проектной организации, который одновременно разрабатывает календарный план и стройгенплан в составе проекта организации строительства (ПОС), дополняя проект моделями визуализации.

4D модель строительства здания в составе проекта организации строительства

После передачи проектной документации застройщику ответственность за 4D может быть также передана ему же, особенно если застройщиком является инжиниринговая или девелоперская организация, непосредственно управляющая инвестиционно-строительным проектом создания или развития объекта. Застройщик должен быть напрямую заинтересован в эффективности строительства и готов использовать инновационные технологии для достижения результата. Если проектная организация не разрабатывала 4D модель, работники инжиниринговой или девелоперской организации могут выполнить такое моделирование самостоятельно. В роли таких сотрудников могут быть:

• специалист по календарно-сетевому планированию («планировщик»), который разрабатывает календарный график и хорошо знает все его нюансы, а также имеет возможность проверить и откорректировать данный график на основании полученной 4D модели;
• выделенный специалист (специалист по 4D моделированию), который «сшивает» календарно-сетевой график, разработанный планировщиком, с 3D моделью, полученной от проектной организации.

Наряду с инжиниринговыми и девелоперскими организациями, ответственность за формирование и ведение 4D моделей могут взять на себя представители генподрядной строительной организации, в которой в роли специалистов, занимающихся этим направлением, могут выступить специалисты по календарно-сетевому планированию (специалисты по КСП) или инженеры производственно-технического отдела (инженеры ПТО).

Иными словами, наиболее эффективно заниматься четырёхмерным проектированием специалистам, входящим в рабочую группу или в команду строительного проекта. Такие специалисты не только должны владеть методами и инструментами 4D моделирования и календарно-сетевого планирования, но и должны хорошо знать особенности объекта капитального строительства, технологию и организацию строительно-монтажных работ на данном объекте, детально разбираться в конкретных производственных условиях и быть способными учитывать нюансы организации работ.

Какие исходные данные нужны для разработки 4D моделей?

Разработать 4D модель невозможно, если отсутствует 3D модель и качественный календарно-сетевой график строительства данного объекта.

Календарно-сетевой график строительства объекта, разработанный в среде Microsoft Project

Актуально начать формирование 4D модели ещё на этапе разработки проектной документации (во время разработки ПОС) с последующей детализацией и уточнениями 4D на этапе выполнения рабочей и организационно-технологической документации, а также с возможными дальнейшими корректировками и изменениями на этапе строительства. Так как в модели визуализации строительства календарно-сетевой график синхронизируется с 3D моделью, детализации и корректировки исходных данных не приводят к переделке 4D модели. Специалисту необходимо добавлять и увязывать только новые работы и новые 3D элементы.

При разработке 3D моделей, в случае дальнейшего формирования на их основе четвёртого измерения, желательно назначать на 3D элементы коды согласно разработанному классификатору с целью дальнейшей автоматизированной увязки данных элементов с работами календарно-сетевого графика. Например, если один код назначен как на 3D элемент, так и на работу графика, синхронизация будет осуществлена автоматически, что резко уменьшит количество «ручной» работы.

Следует ещё на этапе трёхмерного проектирования понимать, как объект капитального строительства разбивается на захватки для каждого из видов работ, а также воздерживаться от применения многослойных элементов. Саму 3D модель можно разрабатывать как в среде Revit, так и с помощью другого специализированного программного обеспечения.

К формированию календарно-сетевых графиков также могут быть предъявлены дополнительные требования. В этом случае также нужно использовать специализированное программное обеспечение, список которого ограничен. Например, Autodesk Navisworks может импортировать данные графиков из Microsoft Project, Oracle Primavera P6, Powerproject (бывшая Asta Powerpoject). SYNCHRO Pro, в свою очередь, не только взаимодействует с этим же программным обеспечением, но и, как отмечалось выше, предоставляет возможности формирования профессиональных календарно-сетевых графиков в своей среде.

Что является результатом 4D моделирования?

В результате четырёхмерного проектирования получают динамическую наглядную модель хода строительства объекта, которая может быть применена для визуализаций:

• решений календарно-сетевого графика;
• решений по организации строительной площадки, принятых на строительном генеральном плане;
• организационно-технологических решений по производству отдельных видов строительно-монтажных работ, отображенных на технологических картах.

Наиболее удобно просматривать сформированные 4D модели в среде соответствующего программного обеспечения (SYNCHRO Pro, Autodesk Navisworks). Альтернативой является создание анимации и её выгрузка в видеофайл (например, формата avi), что позволяет просматривать решения по визуализации строительства абсолютно всем заинтересованным лицам, независимо от наличия необходимого программного обеспечения и умения им пользоваться. Часто именно такие видео считают основным результатом 4D моделирования, однако это мнение ошибочно.

Как можно применять 4D модели в процессе строительства?

Визуализация решений календарно-сетевого графика позволяет увидеть и понять последовательность и взаимоувязку строительно-монтажных работ даже лицам, не умеющим «читать» календарные планы; сравнивать несколько вариантов возведения объекта и выбирать наилучший; увидеть неточности и ошибки в самом календарно-сетевом графике и своевременно их исправить; а также использовать визуальные модели для контроля сроков выполнения работ, включая план-фактный анализ. Возможность заглянуть внутрь объекта реализуется с помощью такого инструмента как сечения.

4D модель

Визуализация решений строительного генерального плана позволяет динамически и в интерактивном режиме расставлять объекты строительного хозяйства таким образом, чтобы они не мешали друг другу (возможно даже автоматически определять превышение минимальных расстояний между разными объектами, например, между бытовками и ограждением строительной площадки); также можно показать движение строительных машин и автомобилей по строительной площадке; определить и визуально отобразить зоны постоянно и потенциально действующих опасных факторов.

Визуализация решений технологических карт позволяет наглядно показать последовательность и взаимоувязку отдельных рабочих операций на отдельных захватках. При этом можно анимировать движение строительной техники; увидеть направление развития каждого строительного процесса (например, сверху вниз или слева направо); а также использовать инструмент «Визуальный профиль» для того, чтобы разными цветами показывать разные операции. Например, процесс бетонирования стены проходит следующие шаги: армирование, армирование завершено, установка опалубки, опалубка установлена, бетонирование, набор прочности бетона, набор прочности бетона завершён, распалубка, бетонирование стены завершено. Каждую из этих стадий можно задать своим цветом и прозрачностью.

4D модель строительства сборно-монолитного каркаса жилого дома