Применение BIM к существующим зданиям

Технологию информационного моделирования зданий обычно рассматривают в контексте нового проектирования. Однако в наиболее развитых мировых центрах уже построено так много, что на первое место там выходит реконструкция и реставрация имеющихся зданий и сооружений.

Эта сторона использования новой технологии почему-то малоизвестна, но попытки применения BIM к существующим объектам начались практически одновременно с широким внедрением информационного моделирования зданий.

И здесь, пожалуй, становятся еще более очевидными преимущества BIM перед традиционным проектированием:

1. возможность моделировать изменения в конструкции здания,
2. проектировать переоснащение здания новым инженерным оборудованием, доводя его эксплуатационные характеристики до современного уровня требований,
3. отслеживать текущее состояние здания (особенно важно для памятников архитектуры) и своевременно принимать меры по реставрации,
4. грамотно эксплуатировать существующие объекты.

Оперный театр в Сиднее

Всемирно известный своими сенсационными крышами Сиднейский оперный театр проектировался с 1957 года датским архитектором Йорном Утзоном (Jorn Utzon) и инженерами британской фирмы Ove Arup.

В 2003 году Йорн Утзон был удостоен Прицкеровской премии (это самая престижная в мире премия для архитектора, некоторый аналог Нобелевской премии), а в 2007 году здание Оперного театра в Сиднее было внесено в список Мирового наследия ЮНЕСКО. В наши дни это здание, которое не обходит упоминанием ни один учебник по истории архитектуры, стало визитной карточкой Австралии (рис.1).

Рис. 1 Здание Сиднейского оперного театра напоминает надутые ветром паруса. Архитектор Йорн Утзон, 1973.

Но сегодняшний заслуженный и безоговорочный успех Оперного театра в Сиднее не означает, что с ним все было хорошо и гладко – история возведения этого здания полна проблем и драматизма.

В 1957 году достаточно молодой тогда архитектор Йорн Утзон неожиданно для всех выиграл проводившийся под эгидой ЮНЕСКО-МСА (Международный Союз Архитекторов) конкурс на лучший дизайн здания оперы в Сиднее. Австралийские власти не смутили смелые, совершенно не характерные для театральных зданий того времени футуристические линии проекта. По словам автора, идея формы будущего здания пришла к нему, когда он чистил апельсин и разламывал его на дольки.

В результате теперь, когда проект полностью реализован, одни люди видят в форме здания наполненные ветром паруса яхт, другие – морские раковины с намеком на жемчуг, никто не видит апельсина, и, что самое удивительное, это здание всем нравится и все по своему правы (рис.2).

Рис. 2 Здание Сиднейского оперного театра, год 2009.

Однако с возведением здания оказалось намного сложнее, чем с очищенным апельсином. Воплощение в жизнь столь смелого замысла потребовало гораздо больше усилий и средств, чем изначально предполагали заказчики. Причем это мягко сказано. Первоначально планировалось построить здание за 4 года и потратить 7 миллионов австралийских долларов. Реально же Сиднейский оперный театр возводился 14 лет и обошелся казне в 102 миллиона австралийских долларов. Если в области строительных ошибок рекорды фиксируются, то это явно один из них.

В 1966 году, на седьмом году строительства, когда ошибочность в проектно-сметных расчетах стала очевидной, возведение здания было заморожено властями Нового Южного Уэльса, а возмущенный этим автор проекта покинул Австралию, поклявшись более никогда туда не возвращаться.

Тогда же окончательно выяснилось, что гигантские параболы, обрамляющие контуры крыши и прекрасно смотрящиеся на бумаге, невозможно повторить в бетоне – по чисто технологическим соображениям. А компьютерных инструментов, столь успешно применявшихся спустя двадцать лет Фрэнком Гери при создании своей барселонской «рыбы» и других объектов с нелинейными формами, тогда еще просто не было.

Впрочем, австралийские коллеги Утзона, в первую очередь Питер Холл, Дэвид Литтлмор и Лионэль Тодд, а также инженеры фирмы Arup во главе с Питером Райсом, все же произвели сложнейшие компьютерные расчеты и смогли в отсутствии автора довести начавшееся строительство этого архитектурного шедевра до его логического завершения (рис.3).

Рис. 3 Различные этапы строительства театра.

В результате здание Сиднейского оперного театра было достроено и открыто в 1973 году королевой Англии Елизаветой Второй. А первой постановкой в тот же день стала опера Сергея Прокофьева «Война и мир».

Место для здания Оперного театра было выбрано весьма неординарное. Если по исторической традиции театры располагались обычно на главных площадях или в центральных кварталах городов, то на этот раз оно разместилось на Беннелонг-Пойнт - мысу, выступающему в Сиднейскую гавань, и с трех сторон окружено океанскими водами.

Внешний вид сооружения классическим тоже не назовешь. Оно в значительной степени составлено из крыш, которые поднимаются над относительно невысоким «подиумом», контрастирующим с верхней частью и формирующим основание здания размером 185х120 метров.

Удачная аэродинамическая форма всего сооружения позволяет ему успешно выдерживать почти постоянные ветровые нагрузки, вызванные его необычным местоположением.

Крыша здания составлена из 2194 очень тонких бетонных секций заводского изготовления. Ее удерживают 350 километров натянутых стальных тросов. Всю эту конструкцию из стали и бетона дополняют около 6225 квадратных метров остекления.

Внутри театра находится порядка 1000 помещений, в том числе 7 театральных залов, 2 главных холла и 4 ресторана, 37 помещений с озеленением (зимних садов) и 12 лифтов. Наиболее значимые из них - Концертный зал на 2679 мест и Оперный зал на 1507 мест (расположен в меньшей из двух частей здания). Концертный зал театра отличается своей необычной планировкой – зрители в нем сидят со всех сторон от сцены (рис.4).

Рис. 4 Концертный зал Сиднейского оперного театра.

Бары и холлы театра расположены в его передней, выходящей к океану, части, позволяя посетителям наслаждаться видами Сиднейской гавани. При этом большое количество стекла защищает внутреннее пространство от океанского ветра и шума волн, создавая комфорт и одновременно сохраняя ощущение непосредственной близости морской стихии (рис.5).

Рис. 5 Вверху - фрагмент внешнего остекления здания, внизу - смотровая площадка–бар перед Концертным залом.

Здание театра активнейшим образом эксплуатируется. В нем работает 300 постоянных и 500-600 временных сотрудников.

Ежегодно в здании проводится порядка 2500 мероприятий (это примерно по одному на каждый театральный зал в день), которые посещает более двух миллионов человек, в том числе огромное количество иностранных туристов. Для них визит в Сиднейскую оперу давно уже стал частью общепринятого ритуала.

Еще больше мероприятий, чем внутри здания, проводится на прилегающей к театру территории.

Будучи очень маленькой по площади и не имея ни одного дерева, площадка вокруг здания фактически стала своеобразным общественным парком (или «культовой» площадкой), где любят проводить свободное время горожане и туристы и куда довольно часто съезжаются (слетаются) на свои акции активисты различных общественных организаций и движений со всего мира (рис.6).

Рис. 6 На площадке вокруг здания театра всегда многолюдно.

Столь подробный рассказ о здании театра потребовался для того, чтобы показать, что это – сложнейший и активнейшим образом эксплуатируемый объект, имеющий для Австралии государственное значение.

Когда проектировался и строился Оперный театр в Сиднее, технологии BIM и в помине не было, у автора имелся лишь картонный макет (рис.7).

Рис. 7. Здание Сиднейской оперы и его автор, датский архитектор Йорн Утзон. В 1957 году технологии BIM еще не было, так что модель столь сложного сооружения была представлена картонным макетом.

Более того, сейчас совершенно очевидно, что отсутствие BIM породило создателям театра массу проблем (сложность инженерных и технологических расчетов, перерасход средств и т.п.), которых в современных условиях уже научились избегать либо делать их решение менее трудоемким. В частности, с технологией BIM таких проблем, как ошибки в сметных расчетах и последовавших затем финансовых затруднений, у создателей здания не было бы вообще.

Но историю назад не повернешь. И вот к началу 2000х годов здание театра достигло уже своего тридцатилетнего возраста (по проекту оно рассчитано на 250 лет эксплуатации). Всё установленное в нем инженерное оборудование не только морально, но и физически устарело. К тому же за это время серьезно изменились общие подходы и требования к функционированию подобных сооружений, их экологичности и энергоэффективности.

Так что в начале XXI века совершенно логично и в полную силу встал вопрос о реконструкции и переоснащении Сиднейского оперного театра.

К этому следует добавить, что, как мы уже отмечали, здание весьма активно эксплуатируется и весомо входит в городскую инфраструктуру. А это, в свою очередь, наряду с переоборудованием, требует новых технологических подходов в управлении функционированием сооружения, всеми его внутренними и внешними связями (рис.8).

Рис. 8 Оперный театр – неотъемлемая часть городской инфраструктуры современного Сиднея. 2010.

А это как раз те задачи, для решения которых и предназначается по своей сути технология BIM. Все это и привело к пониманию необходимости создания информационной модели уже существующего здания. Причем эта модель призвана была решать две основных задачи:

• разработка и реализация проекта реконструкции Оперного театра и его переоснащение новым оборудованием,
• обеспечение на новом технологическом уровне управления дальнейшей эксплуатации здания.

Затем к ним присоединился и Австралийский объединенный исследовательский центр по строительным инновациям (CRC) с задачей адаптировать создаваемую модель к управлению системами жизнеобеспечения и общей эксплуатации здания (AM/FM).

В 2003 году в Австралию вернулся и Йорн Утзон и активно включился в работу по архитектурному обновлению своего детища. В результате в 2004 году в здании даже был открыт новый Зал Утзона, полностью выполненный по проекту архитектора.

Теперь о модели театра. Поставленная задача использовать BIM для реконструкции, управления и обслуживания здания решалась путем создания комплексной модели, состоящей из основной части и логически определенных подмоделей, содержание которых соответствовало строительно-техническим, управленческим, логистическим и финансовым задачам.

Целесообразность такого (нерационального, на первый взгляд) деления единой модели на части определялась прежде всего тем, что задачи раздела AM/FM требовали использования дополнительных «административных» данных, которые были явно лишними для конструктивно-строительной модели, и наоборот, конструктивные характеристики здания совершенно не использовались при управлении и обслуживании Оперного театра.

Все связанные с моделью подрядчики получали данные и обменивались ими с помощью формата IFC. Другой особенностью информационной модели театра в Сиднее было то, что все ее составные части выполнялись в разных BIM-программах, обмен данными между которыми также осуществлялся с помощью формата IFC (рис.9).

Рис. 9 Схема передачи данных информационной модели здания между различными участвующими в ее создании программами с использованием формата IFC.

Учитывая особое место расположения театра (мыс, выступающий в залив), особое внимание было уделено точной геодезической привязке объекта и моделированию местности на основе данных GIS-систем. В информационной модели были также объединены кадастровые, землепользовательские, геологические и многие другие данные из различных местных и федеральных источников, полученные в различных GIS-форматах и переведенные в IFC.

Основу конструктивной подмодели здания составили проектные данные, имевшиеся у фирмы Arup. Основными программами моделирования для этого раздела стали Bentley Architecture и Bentley Structure, в которых в основном и разрабатывался проект реконструкции Оперного театра.

Конструктивная модель была после этого передана в ArchiCAD, где завершилось создание уже архитектурной подмодели (рис.10).

Рис. 10 Вид компьютерной модели здания театра в разрезе.

Уже из архитектурной подмодели данные в формате IFC передавались в специализированные FM-программы, созданные для задач управления и эксплуатации здания. Мы не будем подробно останавливаться на детальном описании моделирования Оперного театра, отослав читателя к специальной литературе. Но отметим, что «главным героем» в этом проекте стал формат IFC.

А также подчеркнем то обстоятельство, что при моделировании театра для решения задач управления зданием большое внимание уделялось визуальному представлению количественной информации. В частности, для количественной оценки состояния помещений здания использовался так называемый Индекс состояния здания (Building Condition Index, BCI), цветная визуализация которого представлялась весьма удобной для пользователей, позволяя быстро оценивать общую ситуацию в помещениях театра (рис.11).

Рис. 11 Визуализация коэффициента BPI (составной части BCI) в специализированном FM-приложении облегчала работу управленческим сотрудникам театра.

Проделанная работа по созданию информационной модели была высоко оценена не только заказчиками и пользователями.В декабре 2007 года фирма Arup и CRC получили от Ассоциации консультирующих инженеров Австралии (ACEA) премию «Проект года» за «совместную разработку системы управления обслуживанием здания мирового уровня для Сиднейского оперного театра». Также они удостоились золотой медали в категории «Информационные и коммуникационные технологии».

Новый офис компании Autodesk в Уолтхэм, Массачусетс, США

Поскольку проектирование велось с использованием компьютерных программ собственной разработки, то таким образом компания Autodesk устроила своим клиентам (потенциальным и реальным) своеобразный «мастер-класс» использования BIM со всеми необходимыми «зелеными» добавками. Для разработки информационной модели взятого на реконструкцию здания нужна была точная информация о его нынешнем состоянии, для чего было проведено всестороннее лазерное сканирование объекта. Результаты этого трехмерного сканирования и легли в основу BIM (рис.12).

Рис. 12 Новый офис компании Autodesk в Уолтхэм, Массачусетс, США. Реконструкция полностью выполнена по технологии BIM. Вверху – современный вид здания; ниже – результаты объемного лазерного сканирования; внизу справа – фрагмент построенной модели. Архитекторы KlingStubbins, строители Tocci Building Companies, 2008.

Затем модель использовалась для проектирования внутренней организации здания, его оснащения инженерными системами и другим оборудованием. При этом рассчитывались многочисленные эксплуатационные характеристики будущего офиса, что позволило получить высокие энергетические и экологические показатели (рис.13).

Рис. 13 Новый офис компании Autodesk. Слева – фрагменты проекта; справа – фотографии уже действующего офиса. 2008.

Результат получился симпатичным и весьма эффективным. Был на деле опробован целый комплекс BIM-программ и средств экологически рационального проектирования в составе Revit Architecture, Revit MEP, NavisWorks и Ecotect, а также Inventor для изготовления отдельных элементов инженерного оснащения и дизайнерского оформления здания. Создатели этих программ получили ценнейший фактический материал для дальнейших разработок (рис.14).

Рис. 14 Новый офис компании Autodesk. Реконструкция здания полностью выполнена по технологии BIM. «Платиновый» сертификат LEED. Архитекторы KlingStubbins, строители Tocci Building Companies, 2008.

При проектировании реконструкции здания Autodesk также использовался достаточно новый и многообещающий организационно-экономический принцип взаимодействия архитекторов, собственников, строителей и подрядчиков – Интегрированная Проектная Поставка (IPD), при котором все перечисленные категории заинтересованных в реконструкции здания лиц работали с самого первого этапа проектирования как единая команда, объединенная общими интересами и технологически связанная инструментарием BIM.

Так что вновь полученное здание стало одним из первых и весьма интересным примером комплексного использования BIM с программами энергетически эффективного проектирования в условиях взаимодействия всех участников проекта на принципах IPD. Такой подход несколько лет назад получил полное одобрение Американского Института Архитекторов (AIA) как весьма перспективный.

Другими словами, в этом проекте новые проектно-строительные технологии объединились с не менее новаторскими формами организации взаимоотношений участников создания объекта. Думается, что именно так, то есть комплексно, и надо подходить к решению проектно-строительных задач, а не уповать на один, пусть и весьма эффективный («BIM или не BIM?») сегмент всей цепочки.

Памятники архитектуры Новосибирска

Для памятника архитектуры его внешний облик всегда имели первостепенное значение. Поэтому и информационная модель исторического здания, особенно нацеленная на реставрационное проектирование, в основе должна иметь стопроцентно выверенную геометрию этого объекта, но выполненную в одной из BIM-программ, чтобы стать основой для других разделов модели.

Это и определяет наш интерес к изучению возможностей и отработке методики моделирования памятников архитектуры в технологии BIM. Все работы ведутся в программах семейства Revit, которые компания Autodesk весьма дальновидно и бесплатно предоставила всем студентам и преподавателям.

Очень часто все архитектурные и строительные элементы (декоративное украшение фасадов, кирпичная кладка, оконные рамы, наличники, двери, лестницы, ограждения и т.п.) исторических памятников уникальны, так что здесь не воспользуешься готовыми библиотеками элементов или предшествующими наработками. Практически для каждого памятника архитектуры все базовые элементы приходится делать «с нуля». Так что моделирование такого исторического объекта можно без преувеличения отнести к «высшему пилотажу» в применении BIM (рис.15).

Рис. 15. Елена Педан. Памятник архитектуры – особняк по ул. Мичурина,4 в Новосибирске. Модель выполнена в Revit Architecture. НГАСУ(Сибстрин), 2010.

Результат даже такой «геометрической» деятельности - это больше, чем просто модель отдельного объекта. Ведь все полученные в процессе моделирования фрагменты и детали здания образуют новую библиотеку элементов, характеризующих тот или иной стиль или историческую эпоху. Этой библиотекой можно затем пользоваться при реставрации других памятников архитектуры того же периода (рис.16).

Рис. 16. Татьяна Козлова. Памятник архитектуры – «Дом композиторов» в Новосибирске. Созданное специально для этой модели окно и его использование в проекте. Модель выполнена в Revit Architecture. НГАСУ(Сибстрин), 2009.

Но это еще не все. Созданные элементы можно применять при проектировании новых или реконструкции имеющихся зданий вблизи исторических объектов или сложившихся архитектурных ансамблей. А это технологически облегчает проектировщикам возможность стилистически учитывать при создании новых современных зданий уже существующие рядом с ними памятники архитектуры.

Таким образом, появляется мощный и удобный инструмент для решения достаточно важной архитектурной задачи - сохранения средового единства внешнего облика находящихся рядом зданий различных эпох, при этом технология BIM гарантирует новым объектам оптимальные эксплуатационные качества и современное инженерное наполнение. Раньше при решении подобной задачи архитектору приходилось серьезно изучать материалы по стилям той эпохи, к которой относился имеющийся исторический памятник, на что уходило много времени и усилий. Теперь же достаточно брать готовые библиотечные элементы (например, окна) нужного архитектурного стиля и вставлять их в проект, где по технологии BIM уже автоматически учитываются примененные материалы, физические (например, тепловые) характеристики, стоимость, данные об изготовителе и другие заложенные в этот элемент параметры.

Еще раз подчеркнем, что благодаря технологии BIM при всей своей специфике проектно-реставрационная работа с памятниками архитектуры становится столь же технологичной (следовательно, столь же точной, производительной, энергоэффективной и т.п.), как и при создании новых объектов (рис.17).

Рис. 17. Софья Аникеева. Памятник архитектуры – здание Коммерческого клуба (ныне театр «Красный факел») в Новосибирске. Модель выполнена в Revit Architecture. НГАСУ(Сибстрин), 2010.

Внесение изменений в существующее здание – дело очень деликатное. Для исторического сооружения часто добавляется и необходимость его адаптации к эксплуатации в современных условиях. А это уже новые требования к прочности и теплозащите, комфорту, новые системы отопления, электро и водоснабжения, пожаротушения, телекоммуникации, вентиляция и т.п.

Для памятника архитектуры, который строился без учета всех этих современных условий и требований, становится актуальным и даже единственно возможным компьютерное экспериментирование с уже существующим объектом, подбор и компоновка оборудования, оптимизация проектных решений и т.п. Совершенно очевидно, что проблемы вовлечения старых зданий в новую жизнь, возникающего сейчас в массовом масштабе, без BIM вряд ли удастся эффективно решать (рис.18).

Рис. 18. Татьяна Козлова. Памятник архитектуры – здание гостиницы «Метрополитен» в Новосибирске. Модель выполнена в Revit Architecture. НГАСУ(Сибстрин), 2010.

И очень бы хотелось, чтобы такое понимание приходило к ответственным лицам в нашей стране как можно быстрее.

Цикл публикаций Владимира Талапова о BIM продолжается статьей "Что предшествовало BIM: вехи в истории развития «докомпьютерного» проектирования".