Модель-ориентированный подход на примере BIM-моделирования строительных конструкций

В результате прихода цифровых технологий в отрасль архитектуры, проектирования и инженерной оценки зданий (отрасль AEC) стало очевидным, что каждый из нас теперь должен разбираться в управлении информацией. Сейчас вершиной эффективной работы с информацией считается технология информационного моделирования зданий (BIM — Building Information). Если вы следите за публикациями в области информационной технологии для архитектуры и строительства, информационное моделирование (BIM) должно быть уже знакомой для вас темой. Информационное моделирование имеет множество определений на нескольких концептуальных уровнях (от инструмента до целой парадигмы проектирования), но то главное, на что опираются все преимущества BIM, — это информация. Структурированное хранение информации, позволяющее обеспечивать бесшовную совместную работу с ней для разнообразных участников проекта — это главный козырь BIM, предмет большинства презентаций, книг и дискуссий о BIM.

Вполне возможно, что вы знакомы также с редкой по интенсивности дискуссией о применении, внедрении и обучении технологии BIM, которая уже не первый год длится в интернете. В качестве примера приведу перегретую дискуссию вокруг статей BIM-евангелиста Владимира Талапова «Технология BIM: что можно считать по модели здания» и «Технология BIM: в основе лежит единая модель!» (ссылки на источники — в конце статьи) — да и, пожалуй, любую ленту комментариев к тематическим материалам на Isicad.

Во всех дискуссиях о применимости BIM — как среди отечественных, так и среди западных экспертов — обсуждение рано или поздно затрагивает вопрос используемых моделей. Можно ли смоделировать с использованием BIM ту или иную конструкцию, рабочий процесс, инженерный феномен, расчетную процедуру? Является ли тот или иной вид моделирования или же сама создаваемая модель частью BIM, частью BIM-модели? И, наконец, какова структура и взаимоотношение разных моделей, специализированных и общих, и целесообразна ли интеграция специализированных моделей в единую?

Как правило, эти вопросы попросту гибнут в полемике, но упорство, с которым они вновь возникают, требует отдельного осмысления места моделирования в современном, насыщенном информацией рабочем процессе. Поэтому мы попробуем освободить от BIM-контекста проблематику процессов и моделирования. Передний край информационного фронта не исчерпывается одной парадигмой BIM: основой для производительного процесса может стать подход к организации взаимодействия между специализированными моделями, так называемая модельная инженерия (model-based engineering).

Что означает «инженерия на базе моделей»?

Цитируя отчет американского Института стандартов и технологий, модель — это численная абстракция (упрощённое формальное представление) структуры, поведения, метода функционирования и других характеристик системы из реального мира. Модели используется для описания проектной информации, имитирования реального поведения, определения процесса. Инженеры используют модели для сообщения информации об изделии или иного определения формы, назначения и функциональности.

Модели могут быть численными или описательными. Численные модели предназначены для компьютерной обработки и обладают машино-читаемым форматом и синтаксисом. Описательные модели интерпретируются человеком и предназначены для обработки людьми (т.е. имеют символическое представление и описание).

Практически любую инженерную работу и многие виды творческой архитектурной деятельности можно описать в виде работы с абстракцией — моделью, определив три элемента: входные данные, результат и метод (алгоритм) получения этого результата из имеющихся входных данных.

Инженерия на базе моделей — это подход к организации процесса работы над информацией путём определения используемых моделей, интеграции их между собой, и в идеале — объединения описательных и вычислительных моделей. Ранние модели в AEC предназначались исключительно для чтения человеком-оператором. Теперь существует множество стандартных форматов обмена для автоматизированного обмена инженерными данными; модели могут напрямую обрабатываться другими инженерными приложениями.

Два критических фактора дают инженерии на базе моделей значительное преимущество по сравнению с инженерией, основанной на чертежах и документах: во-первых, обрабатываемость компьютером, и во-вторых, ассоциативность данных между моделями. Через ассоциативность возможно достижение режима сквозного моделирования, характеризуемого наличием уникального источника актуальной информации (Single Source of Truth), когда данные в рабочем процессе не дублируются в нескольких моделях, а извлекаются по ссылкам-ассоциациями из источника актуальных данных.

В документо-ориентированной среде пользователь должен интерпретировать результаты работы модели в виде документов и вручную передавать данные на вход пользовательского интерфейса каждой из используемых инженерных программ. Каждая программа, начиная с расчетных процессоров и заканчивая программами автоматизации изготовления, создаёт собственную внутреннюю модель. В парадигме инженерии на базе модели программы непосредственно читают входные данные из моделей. Модели являются полным описанием объекта инженерной работы.

Моделирование рабочего процесса — это отдельная большая тема, которая не является предметом статьи, но следует сказать, что представление инженерной работы в виде комплекса моделей с взаимосвязанными входными и выходными данными позволяет перейти к целостному моделированию всего рабочего процесса на различных его этапах, причем методы такого моделирования могут не ограничиваться популярными сейчас методами BIM. Проблемы конструкционного BIM с точки зрения модельного подхода

В качестве практического примера попробуем охарактеризовать с точки зрения модельного подхода такую интересную дисциплину, как конструктивный анализ (расчет) конструкций в рамках парадигмы информационного моделирования.

Начнем с общей картины. На рисунке 1 показаны отношения между различными специализированными моделями при обычном режиме работы (в отличие от парадигмы информационного моделирования, один из вариантов которой показан на рисунке 2.)

Рис. 1. Классическая схема моделей в рабочем процессе и обмена данными между ними

Рис. 2. Идеальная схема взаимодействия моделей в ряде вариантов парадигмы BIM

С точки зрения BIM, задача расчета конструкций является просто одним из видов специализированных задач анализа информационной модели, которую следует решать в рамках BIM-парадигмы. Если принять эту точку зрения, то существует ряд распространенных в контексте информационного моделирования зданий представлений о том, как следует проводить расчетный анализ конструкций зданий и сооружений. Согласно этим представлениям:

• всю информацию о цифровом представлении здания и его систем следует собрать в единую информационную модель;
• архитектурную модель можно полностью интегрировать с «конструкторской» моделью в такую единую модель и бесшовно переходить между этими разновидностями представлений модели сооружения с сохранением всей однажды введённой информации о конструкциях (т.е. реализовать вышеупомянутую концепцию уникального источника).

Для дальнейшего анализа нам придется разобраться с некоторыми терминами. В рамках нашего небольшого примера мы рассмотрим три вида моделей конструкций.

1. Физическая модель, она же архитектурная модель. Её главный признак — строгое соответствие формы элементов модели тому, что должно быть возведено в реальности. Физическая модель — распространенный результат работы архитектурных BIM-пакетов, Строго говоря, даже плоские планы здания можно считать очень простой физической моделью, но мы ограничимся пониманием того, что результат моделирования конструкций в BIM со всеми атрибутами (перегородки, «пироги» стен, оборудование, даже мебель) — это физическая модель.

2. Конструктивная модель, часто неправильно называемая «аналитической» в материалах, относящихся к программе Revit Structure. Конструктивная модель состоит из конструктивных элементов (колонны, балки, пластины, грунтовые массивы и т.д.), специальных элементов (связи, жесткие вставки, нуль-элементы, шарниры и великое множество зависящих от среды реализации тонкостей) и целого набора свойств и параметров для анализа. Конструктивная модель — это (очень грубо говоря) то, что раньше рисовали на бумаге и называли «расчетной схемой». Конструктивная модель — это не воспроизведение формы объекта, а абстракция ещё более высокого порядка, чем архитектурная модель, призванная наилучшим, простейшим образом отобразить механические особенности деформирования конструкции. В классическом образовании самым близким предметом для конструктивной модели является строительная механика.

3. Расчетная модель, которая для нас сейчас почти соответствует понятию «конечно-элементная модель», она же численная модель — строится на базе конструктивной и передаётся непосредственно на расчет в специализированную программу анализа. Строго говоря, все расчетные модели делятся на два больших математических класса задач: аналитические модели и численные модели. Аналитическая модель (простые примеры: символьная формула, расчетный лист в MathCAD, расчет по нормативным документам) — реализуется т.н. аналитическими методами, позволяющими получить решение в виде формулы. Численная модель — требует итерационного процесса решения численными методами. Все конечно-элементные решатели (например, ЛИРА, Autodesk Robot, ETABS) используют численное моделирование конструкций.

Вот от этих определений мы теперь и будем отталкиваться. Для простоты не будем касаться других видов моделей — например, конструкторских моделей, к которым относятся смоделированные в 3D результаты расчета и конструирования армирования. По выбранным нами критериям такая модель будет относиться к категории физических моделей, поскольку отображает действительную форму элементов. Мы сейчас не пытаемся отобразить реальную сложность процесса моделирования конструкций, а только устанавливаем некоторые базовые понятия: категории моделей и их упрощенные отношения между собой.

Уяснив всё написанное выше, попробуем описать проблематику BIM-подхода к расчетам несущих конструкций на базе модельного подхода.

Суть проблематики BIM для расчетов конструкций c точки зрения анализа процесса моделирования

Теперь вспомним, что мы разговариваем о парадигме BIM, и покажем, как в рамках BIM и в рамках модельного модхода эти категории моделей сообщаются между собой (см. рис. 3).

Рис. 3. Фрагмент системы BIM-моделей, относящийся к расчетам конструкций

Совместимая с BIM конструктивная модель

Основные проблемы, возникающие на этом этапе — технические. Трудно бесшовно работать с конструктивной моделью на уровне BIM, поскольку у анализа конструкций есть масса технических нюансов, реализация которых зависит от конечной программы, в которой будет выполняться расчет (на этапе численной модели). Продуктов, действительно предназначенных для работы именно с этим видом конструктивной модели (например, Revit Structure), на самом деле существует немного.

Возможна работа с такой конструктивной моделью с использованием средств моделирования от разных вендоров (а комбинировать решения от разных вендоров нужно по простому и всепоглощающему принципу: выполнять специализированный вид работы в том продукте, который лучше всего для неё предназначен), но сколько-нибудь эффективные результаты получаются, конечно, при использовании линейки программ одного производителя.

Совместимая с расчетами конструктивная модель

Дело в том, что для качественного анализа конструкции недостаточно попросту преобразовать полученную из BIM конструктивную модель в расчетную модель для нашей программы-решателя. Совместимая с BIM конструктивная модель ведь полностью аналогична физической модели, и следовательно, отражает точную форму конструкции, что нам как расчетчикам совершенно не нужно.

Парадокс расчетного анализа состоит в том, что нам не надо отражать точную форму конструкции. Ведь, как мы уже узнали, предназначение расчетной модели — абстракция от действительной конструкции с целью максимально просто смоделировать её механическую работу.

Из-за такого абстрагирования от реальной формы конструктивная модель, пригодная для расчетов, становится топологически несовместимой с моделью из BIM. Это значит, что мы не просто переходим к конструктивной модели при помощи инструмента вроде Structural Adjust (из продукта Autodesk Revit). Мы нарушаем целостность связей, номенклатуру объектов — всё, что можно нарушить в модели. Мы можем поменять колонны на стены и наоборот, заменить два объекта одним, разнести элементы в пространстве из-за особенностей расчета конкретной FEA-программы, убрать связи между элементами и смоделировать их через подходящую специальную функцию, доступную только в избранной нами программе анализа — короче говоря, сделать всё, чтобы результат так же мало походил на исходную подложку из BIM, как BIM мало походит на исходные двумерные DWG-кальки.

Напоследок в качестве примера приведем два относительно простых случая топологической несовместимости, которые оказались у меня под рукой.

1. Учет разбиения на конечные элементы соединений. На рисунке показана, допустим, железобетонная рампа с окружающими её стенами. В местах с плохой сеткой потребуется видоизменять конструкцию, причем приёмы её изменения могут зависеть от выбранной инженером конечной расчетной программы.

Рис. 4. Пример одного из узкоспециальных вопросов, которые портят красоту парадигмы единой модели для BIM.

Рис. 5. Два топологически несовместимых вида моделей: архитектурная (серая подложка) и конструктивная (цветные линии).

Результаты анализа модельной структуры BIM для расчетов

Дискуссия

<...> Есть одно замечание. Раз уж есть такое стремление к чистоте терминов. Под физической моделью часто понимается макет или «аналоговая модель». Мне кажется уж лучше оставить просто «архитектурную модель» ведь это тоже в рамках функционального типа модели, как и «конструктивная». А то сбивает. В качестве пруфлинка могу указать Коэна «Строительная наука XIX-XX веков». <...> «Единая модель» опять же намекает на включенность в нее всего того чего в ней на самом деле нет. Может «рабочая архитектурная модель»? Будет даже логическая связка с «рабочей моделью» ренессанса)) (Антон Алтунян, http://www.aaltunian.ru/)

Мне волей-неволей закрадывается мысль об искушенности автора изначально «завалить» BIM, ничего стоящего не предлагая взамен. BIM выставляется как серьезно-несовершенная технология моделирования/проектирования, хотя это всем понятно, идеалов не бывает, это сделано не инопланетянами (вариант Талапова). Это некрасиво по отношению к ищущему истину неискушенному читателю. Нужна какая-то объективность или уравновешенность что-ли, речь то идет о серьезной технологии, которую успешно использует масса серьезных специалистов.

На мой взгляд (и большой опыт) две якобы серьезные проблемы BIM на самом деле некритичные и нормальные для сегодняшнего этапа развития технологии. Ошибки и проблемы допиливаются, и успешно. По крайней мере в своей архитекторско-конструкторско-расчетной работе, реализуя проекты в BIM-среде, я их просто ... не заметил, и получил на выходе то, что нужно мне, заказчику и экспертизе. А что еще нужно?

Получается, что «Успеха достигает только тот, кого вовремя не предупредили, что это невозможно.» Вот автор «заботливо» и предупреждает ищущих истину, что работать полноценно в BIM невозможно. Мой совет: не бойтесь их, «Стучите в BIM — и вам отворят.» (Николай Васюта, http://revit-robot.blogspot.com/)

Мне все стало понятным вдруг. У нас, архитекторов, похожая история с моделированием, например, в райно и экспортом всей модели на станок. И там начинаются зашивание дырок в сетке, перемоделивание самих поверхностей и т.п. Мой пример не очень корректный, но в целом я понял, о чем Саша говорит. Раличение терминов в этой крайне важной области строительство обеспечивает надежность конечного решения. Постоянный критический взгляд на проектирование. Мне понравилась реплика Волкодава — «Повторюсь, на сложных объектах расчетчик должен поднимать модель сам, с нуля. Для того, чтобы её знать как свои пять пальцев. Хоть ночью разбуди. Наизусть.» Очень для меня понятно. Ты ответственнен за каждый полигон в таких моделях, и этот уровень отвественности нельзя сравнить с архитектурной областью.

Мне все это напоминает нашу дигитальную архитектуру — по началу многие пытаются с помощью алгоритмов решить все проблемы (от формообразования до симуляции потоков чего-либо). Однако, позже выясняется, что данный «эволюционистский» подход не может решить все проблемы. Т.е. упование на «новую» технологию может поставить в тупик весь проектный процесс. Схожая ситуация с BIM — объявив эту среду (настаиваю на этом понятии для этого случая) наилучшей технологией для проектирования, мы получаем опасную ситуацию. Пока не пришло то критическое видение, которое позволит разводить области на нужном этапе, а в нужный момент объединяться. Я думаю, Саша, пусть иногда несдержанно и слишком резко, борется против потери различения. Проблема различения вообще философская и очень актуальная для всех сфер нашей жизни. <...> (Евгений Ширинян, http://prosapr.blogspot.com/)

Особенно примеры убедительны, именно так и бывает на практике. Редко когда не нужно упрощение моделей. (Олег Т., http://goo.gl/5icQr)

Заключение. AEC и инженерия на базе моделей — перспектива будущего

Приведенный в статье простой анализ моделей в BIM для расчетов конструкций, конечно, открывает лишь малую часть возможностей, которыми обладает подход на базе моделирования к инженерной работе в отрасли AEC. Мы не притрагивались к таким заманчивым темам, как моделирование рабочего процесса в целом, учет развития во времени не только здания, но и самого процесса инженерной работы над объектом. Остались незатронутыми заманчивые параллели между старым испытанным понятием технологических карт и процессом выстраивания связей между рабочими моделями. Мы совсем не затронули одну из главных проблем модель-ориентированного подхода — разработку открытых транспортных форматов данных и протоколов обмена между разнородными специализированными программами, которые позволили бы реализовать автоматизированный, бесшовный обмен данными между моделями.

Однако если довольно молодую и страдающую от недостатка публикаций и материалов тему инженерии на базе моделей проработать подробнее, то возможности увеличения производительности работы, как я надеюсь, открываются замечательные, поскольку при помощи модель-ориентированных инструментов становится возможным принести уже всем известные преимущества BIM в узкоспециальные области и задачи, где BIM вряд ли в обозримом будущем сможет стать альтернативой «ручному» обмену данными.

Чтение по теме:

All models are purpose-built, even when they’re not, by Federico Negro: goo.gl/TTKlU

Model-Based Design Requires More than BIM, by Ian Howell: goo.gl/Hyb7S

Почему вам надо понимать модель-ориентированный подход, от Эвана Яреса: goo.gl/M7ily

Статья о конструкционном BIM и обсуждение на Writandraw.ru: goo.gl/vlbpZ

«Опровержение анти-BIM», комментарий к статье в части конструкций: goo.gl/ALSls

«Технология BIM: что можно считать по модели здания», от В. Талапова: goo.gl/PRVsS

«Технология BIM: в основе лежит единая модель!», от В. Талапова: goo.gl/wHLcW