В статье рассмотрены перспективы внедрения и развития технологий компьютерного моделирования зданий, их экологических и эксплуатационных свойств в городской среде с использованием ГИС. Описывается государственная поддержка развития и внедрения BIM-технологий, их типичные особенности на примере решения задачи расчета инсоляции. В результате анализа обосновывается необходимость использования и увеличения финансирования этих технологий, а также важность концентрации внимания на проблеме подготовки кадров в этой области.
В последние два десятилетия успешно развивается концептуальный подход в городском планировании при создании новых объектов строительства, получивший название экологически рациональное проектирование (Sustainable Design), который заключается в создании компьютерной модели нового здания, несущей в себе массив детализированной информации о будущем объекте и объединяет принципы экологичности материалов, энергоэффективности, качества и долговечности конструкций и безвредности для здоровья человека. Данный подход получил в мире широкое распространение и по своей сути ориентирован на тесное взаимодействие геоинформационных технологий (ГИС) и технологий информационного моделирования зданий (BIM — Building Information Modeling).
Строительная практика подтверждает, что детальное проектирование сооружения с учетом процессов, которым оно будет подвержено на протяжении всего жизненного цикла, позволяет застройщикам избежать таких проблем, как получение претензий от различных служб, судебных исков и незапланированных затрат. При этом, данные, используемые при проектировании объекта строительства (сооружения) имеют высокую степень интероперабельности и доступны для работы в большинстве современных программных продуктов, обеспечивая возможность решения задач рационального планирования на основе единой модели ГИС и BIM.
В статье ставится задача осветить проблему неполного взгляда на управление объектом строительства, которая решается на основе совместного использования технологий информационного моделирования зданий и геоинформационных систем в городском планировании.
Для решения поставленной задачи рассмотрим подробно понятие BIM — технологий, практическую пользу их применения в экологическом планировании и преимущества их интеграции с ГИС.
- BIM технологии: практическая польза иперспективы развития
В проектировании объекта отдельное место занимает определение оптимальных параметров будущей эксплуатации здания в течение всего его жизненного цикла и рациональный взгляд в будущее на такие аспекты жизни объекта, как удовлетворение юридическим, экологическим, эксплуатационным и т. п. требованиям, о которых застройщики зачастую не задумываются, пока не возникают проблемы или претензии со стороны различного рода служб. Все эти параметры могут быть учтены в информационной модели здания, так как BIM позволяет работать с большим объемом правильно организованной атрибутивной и пространственной информации об объекте, используемой на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации. (Рисунок.1)
Рис. 1. Информация, имеющая отношение к BIM
Главными лицами по внедрению BIM-технологий во всем мире являются собственники объекта, поскольку они заинтересованы в комплексном и эффективном подходе к решению проблем сооружения, которым владеют или собираются владеть.
Следует выделить ряд основных преимуществ, которые представляют интерес проектировщикам и застройщикам в ходе работ с объектом при использовании BIM-технологий:
- Возможность проектирования объекта с высокой степенью достоверности со всеми конструкциями, материалами, инженерным оснащением и протекающими в нем процессами.
- Возможность проверки и испытания эксплуатационных характеристик на основе виртуальной модели проектных решений.
- Возможность достижения высокой скорости, объема, качества строительства за счёт эффективного взаимодействия между участниками проектного процесса в организации проектирования, строительства, эксплуатации и сноса.
- Возможность значительной экономии бюджетных средств.
- Возможность максимально приближенного соответствия эксплуатационных характеристик нового здания требованиям заказчика.
Кроме того, с ростом значимости надзорных (экспертных) органов, заинтересованных в совершенствовании строительной области и внедрении технологий информационного моделирования зданий, регулирование применения BIM технологий осуществляется на уровне законодательства, как в мире, так и в России в частности.
Так,по итогам заседания президиума Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России от 04 марта 2014 года было принято решение о разработке и утверждении «Плана поэтапного внедрения технологий информационного моделирования в области промышленного и гражданского строительства» [5], который включает этапы разработки нормативно-правовых актов, [П1]подготовки кадров, обязательного применения BIM-технологий в ходе проектирования, строительства и эксплуатации объектов, финансируемых за счет средств федерального бюджета.
Стоит отметить, что органы законодательной власти США, Великобритании и Китая более десяти лет назад определили BIM-технологии как соответствующие государственным стратегическим интересам, и государственные строительные и инфраструктурные проекты в обязательном порядке реализуются с их применением,а разработка систем информационного моделирования за рубежом ведется с 80-х годов прошлого столетия.
Владельцы зданий используют BIM для управления данными конкретных эксклюзивных зданий. При запросе информации о нескольких зданиях, таких как небольшие города или районы, или выполняя географические анализы, как лучший анализа путь каждого конкретного объекта, владелец здания сталкивается с проблемами.
BIM позволяет осуществить интеграцию с ГИС и тем самым позволяет открыть доступ к ряду новых опций анализа для больших групп зданий (районы, поселения, города и т. п.) для широкого круга специалистов, в том числе для пространственного анализа, где важно учитывать ряд дополнительных параметров (рельеф, относительное расположение объектов и т. д.). Подобного рода интеграция позволит увидеть здание в пространстве в процессе управления объектом и анализа с учетом более широкого спектра данных, что дает возможность ответить на такие вопросы, как:
– где расположены активы и как наиболее эффективно размещать и поддерживать их?
– какие объекты наиболее пострадают в случае стихийного бедствия и как расставить приоритеты, учитывая эти возможности?
– где потребление энергии выше, чем она должна быть и почему?
Примером решения задачи может послужить расчет инсоляции в градостроительстве, так как эта задача может помочь детально взглянуть на этапы и проектные решения в соответствии с требованиями постановления Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076–01«Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий» [3], которыми, в ряде случаев, пренебрегают в строительной практике, что несет в себе такие потенциальные проблемы, как судебные иски и незапланированные крупные затраты.
- Пример решения задачи экологически-рационального планирования вградостроительстве сиспользованием технологий информационного моделирования иГИС.
Внимание стоит уделить проблемам, сопутствующим возведению новых или реконструкции старых зданий на территории уже сложившихся жилых районов. Одна из них заключается в возникновении конфликтных ситуаций между жильцами существующих домов и застройщиком из-за несоблюдения последним норм инсоляции [6].
Гигиеническая оценка жилых и общественных зданий и территорий жилой застройки проводится для установления соответствия настоящим санитарным правилам [3]. Также эти расчеты являются обязательным разделом в составе предпроектной и проектной документации. Соблюдение санитарных требований является обязательным для физических и юридических лиц, занимающихся проектированием, строительством, реконструкцией и эксплуатацией объектов.
Ниже представлен пример решения задачи расчета инсоляции на этапах согласования проекта и проверки на соответствие требованиям норм СанПиН с использованием модели данных, разработанной и адаптированной в среде BIM-проектирования, а затем импортированной в ГИС.
В рамках рассматриваемой задачи требуется определить численное значение количества времени, проведенного под действием солнечного излучения, соответствующее каждому участку.
Для расчета инсоляции недостаточно модели исследуемого здания, необходимо получить и обработать данные движения Солнца по небесной сфере. Следует отметить, что угол, под которым плоскость движения Солнца пересекает математический горизонт (плоскость, перпендикулярная радиусу Земли, проведенному к положению исследуемой местности) индивидуальна для исследуемого района.
Для объекта, расположенного в городе Уфа в летний периода времени, требуется узнать значение широты (составляет 54° северной широты) и величину отклонения, плоскости движения Солнца от зенита (направление, указывающее непосредственно «вверх» над конкретным местом) (31°).
Для расчёта использовались ряд программных продуктов компании ESRI. В CityEngine модели прошли предобработку (Рис.2 и 3), в результате которой был получены полигональный слой панелей на поверхности зданий и отдельный слой точечных объектов, где каждая точка соответствует своему полигону на поверхности объекта. Далее в программе ArcScene был проведен расчёт при помощи созданных в этой же программе слоя точек местоположений Солнца на небесной сфере и инструмента геообработки.
Рис. 2. Вид моделей до предобработки
Рис. 3. Результат предобработки. Точки на поверхности здания и полигоны
Таким образом, в расчете используются следующие данные: точечный слой местоположений Солнца в разное время дневных суток, точки на поверхности объекта, слой, полученный в результате предобработки моделей исследуемых зданий и, в качестве потенциальных преград для солнечных лучей, цифровая модель рельефа и ближайшие городские здания.
Алгоритм автоматизированного учета инсоляции с использованием информационного трехмерного моделирования в ГИС приведен на рисунке 4.
Рис. 4. Алгоритм работы инструмента
В ходе работы программы строятся прямые линии видимости, которые выполняют роль солнечных лучей, от точек положений Солнца до точек на поверхности исследуемого объекта (рис.3) и численно определятся количество входящих линий в каждую точку. В ходе расчёта линии проверяются на наличие препятствий, таких как другие городские здания и рельеф местности, и далее линии, встретившие препятствие на своем пути до исследуемой точки, больше не учитываются в ходе анализа и статистика подводится только по линиям, достигнувшим исследуемый объект.
Рис. 5. Линии видимости
Рис. 6. Отобранные линии видимости
По окончании проверок линий на наличие препятствий на своем пути по каждой точке на поверхности объекта подводится статистика, включающая информацию о количестве входящих в неё линий видимости или солнечных лучей, которая записывается затем в слой полигонов, из которых состоят объекты.
В результате работы (Рисунок 7), объект будет визуализирован в соответствии с данными статистики, где участки, наиболее подвергнутые солнечному излучению в течение суток, будут окрашены в светлые тона.
Рис. 7. Результат работы инструмента
Далее, исходя из данных о длительности дневных суток в исследуемый период, вычисляется количество времени для каждого участка, проведенного под действием солнечного излучения. Далее в соответствии с требованиями СанПиН к освещению здания, приведенными в часах воздействия инсоляции на объект, в программе есть возможность задать параметры визуализации, которые покажут наличие участков неподходящих под требования.
Преимущества, которые следует отметить, это возможности учёта рельефа местности в ходе расчёта солнечного воздействия, использования одних и тех же моделей в BIM-программах и ГИС и относительно небольшие временные затраты на подготовку данных и оценку инсоляции.
Заключение
В данной статье были рассмотрены основные концепции BIM-технологий и их государственная поддержка, кратко описаны отличительные черты экологически- рационального моделирования. Подробно описываются преимущества совместного использования технологий информационного моделирования зданий и ГИС в рациональном планировании, а также приводится пример задачи и её подробное решение с применением описанных концепций и технологий.
Литература:
- Трехмерные ГИС приходят в Россию. Autodesk Infrastructure Modeler как инструмент создания 3D ГИС. Галина Емельянова, Иван Спивак, Александр Шатохин. Неолант. Инженеринг, IT, Инновации. // Ваше окно в мир САПР. URL: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=15195 (дата обращения: 11.05.2016).
- ArcGIS Resources: Справочная система // Справка | ArcGIS Resources. URL: http://resources.arcgis.com/ru/help/ (дата обращения: 11.05.2016).
- СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076–01 «Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий» // Библиотека ГОСТов и нормативов. URL: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/9/9741/ (дата обращения: 11.05.2016).
- The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences // International Society for Photogrammetry and Remote Sensing. URL: http://www.int-arch-photogramm-remote-sens-spatial-inf-sci.net/XL-2-W2/31/2013/isprsarchives-XL-2-W2–31–2013.pdf (дата обращения: 11.05.2016).
- Об утверждении Плана поэтапного внедрения технологий информационного моделирования в области промышленного и гражданского строительства (с изменениями на 4 марта 2015 года) // Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. URL: http://docs.cntd.ru/document/420245345 (дата обращения: 11.05.2016).
- Способ учета инсоляции как инструмент формообразования в архитектурном проектировании. // Периодическое издание ФГБОУ ВПО Уральская государственная архитектурно-художественная академия. URL: http://archvuz.ru/2012_22/61 (дата обращения: 11.05.2016).
- Краус Д. Д., Перевод с англ. Федорова. В. Т. Радиоастрономия. — Москва: Сов. радио, 1973. — 456 с.
[П1]
