Современные строительные проекты характеризуются высокой сложностью: от реализации инновационных архитектурных решений до интеграции многочисленных инженерных систем. Это приводит к экспоненциальному росту объёмов данных, с которыми традиционные методы управления качеством строительства зачастую не справляются. В результате возникают такие проблемы, как фрагментированность информации, ошибки в документации, дублирование процессов и отсутствие единого источника достоверных данных. Всё это снижает прозрачность контроля качества, увеличивает сроки строительства и повышает риски дорогостоящих ошибок.
Целью данной статьи является анализ потенциала использования цифровых двойников для повышения эффективности контроля качества в строительстве.
В рамках исследования были решены следующие задачи:
- выявлены текущие проблемы и узкие места в существующих процессах; построена процессная модель компании «Глобус» в части реализации строительства гипермаркетов;
- проведена автоматизация строительных процессов с интеграцией в информационную модель объекта;
- внедрено QR-кодирование элементов модели с их физическим размещением на строительной площадке для обеспечения оперативного доступа участников строительства к информации и цифровому двойнику объекта.
Актуальные проблемы контроля качества строительства
Возросшая в последние десятилетия сложность строительных объектов как в плане реализации сложных конструктивных решений, так и развитии и увеличении объёма инженерных систем привела к увеличению потоков данных, что усугубляет проблему управления проектами в такой консервативной отрасли, как строительство.
В виду этого, к одной из основных проблем контроля качества строительства можно отнести сложность управления большими потоками данных, причинами которой являются:
- множество различных систем и инструментов ведения документации, что приводит к не структурированности, к временным потерям на поиск информации и актуальных документов;
- ошибки при заполнении бумажных и электронных несвязанных между собой форм и журналов работ;
- отсутствие единой базы данных для хранения информации, что усложняет доступ к актуальным документам для всех участников проектирования и строительства;
- не структурированность или отсутствие глубоко формализованных процессов проектирования и строительства;
- отсутствие единой информационной среды взаимодействия всех участников строительного проекта.
Цифровые двойники зданий. Системы управления строительством и эксплуатацией
В настоящее время в действующей нормативной базе отсутствует понятие «цифровой двойник объекта (здания)». В то же время присутствует понятие «информационная модель объекта». В соответствии с градостроительным кодексом РФ информационная модель объекта — это совокупность взаимосвязанных сведений, документов и материалов об объекте капитального строительства, формируемых в электронном виде на этапах выполнения инженерных изысканий, осуществления архитектурно-строительного проектирования, строительства, реконструкции, капитального ремонта, эксплуатации и (или) сноса объекта капитального строительства.
В соответствии с ГОСТ Р 57563-2017 «Моделирование информационное в строительстве», информационная модель — это объектно-ориентированная параметрическая ЗD-модель, представляющая в цифровом виде физические, функциональные и прочие характеристики объекта (или его отдельных частей) в виде совокупности информационно насыщенных элементов.
Также отметим, что ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения» устанавливает единое определение понятия «цифровой двойник изделия»: цифровой двойник изделия — это система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями.
Принимая во внимание указанные выше определения, введём понятие «Цифровой двойник объекта (здания, сооружения)».
Цифровой двойник объекта (здания, сооружения) — это цифровое представление физического объекта, которое в реальном времени синхронизируется с оригиналом через данные, поступающие от датчиков, устройств или других источников информации. Цифровой двойник позволяет моделировать, анализировать и оптимизировать процессы или характеристики объекта на протяжении его жизненного цикла.
Упрощая, можно проследить следующую эволюцию цифрового двойника объекта:- Переход от двумерных электронных чертежей к 3D-моделям.
- Переход от 3D-моделей к информационным моделям (BIM-моделям), которые дополняются разнородной информацией.
- Эволюционирование моделей до цифровых двойников, путём интеграции BIM-моделей с процессами и данными, в том числе от IoT-устройств.
Основным отличием цифрового двойника от BIM-модели является связь с оригиналом через получение информации из различных источников и возможность измерения и анализа различных параметров функционирования физического объекта.
Поэтому цифровой двойник здания можно представить в виде следующих компонент:
- система управления информацией, обеспечивающая процессный подход к сбору, накоплению, обработке, изменению (актуализации) и представлению всей информации об объекте и его составных частей (включая инженерные системы и их компоненты) в систематизированном виде на протяжении всего жизненного цикла объекта, в том числе, на базе информационных моделей здания (BIM-моделей). Фактически, такая информационная система формирует цифровую модель и обеспечивает двусторонние информационные связи с объектом (зданием);
- информационные модели объекта (BIM-модели), включающие трёхмерные модели, содержащие связи с согласованной технической, сметной, технологической и эксплуатационной документацией по объекту в соответствии со стадиями его жизненного цикла.
С учётом тренда цифровизации строительной отрасли, информационные системы, обеспечивающие процессный подход к управлению потоками данных, становятся основным инструментом для построения цифровых двойников зданий, в том числе системного решения задач контроля и управления качеством строительства.
Далее, для простоты изложения, будем называть системы, обеспечивающие процессный подход к управлению потоками данных в строительстве и эксплуатации зданий — системами управления строительством и эксплуатацией.
Отметим важные технические требования или признаки современных и перспективных систем управления строительством и эксплуатацией для построения цифровой модели здания в условиях наличия больших потоков данных и неструктурированности входящей информации.
Признаки современных и перспективных систем управления строительством и эксплуатацией для построения цифровой модели здания с поддержкой BIM-технологии:
Датацентричность системы. При работе система опирается на актуальный и достоверный источник данных (объект системы), при этом в зависимости от задач пользователя (групп или ролей пользователей) представляет эти данные в различных требуемых разрезах (представлениях).
Объектно-ориентированность системы. Возможность формирования любого количества сущностей и связей между ними (конструктивный элемент здания, элемент инженерной системы, документ, замечание, задача, проект, цель, актив и пр.).
Масштабируемость системы. Обеспечение расширения функциональности системы как за счёт визуальной настройки (low-code подход), так и за счёт разработки дополнительных программных модулей, на более низком уровне (hard-code подход), например на языках Python, C# и пр.
Современный стек технологий, опираясь на микросервисную архитектуру системы. Обеспечивает возможность гибкой масштабируемости системы с точки зрения потребных аппаратных мощностей, сокращает время разработки новой функциональности, повышает скорость, качество и гибкость разработки новых, а также доработки имеющихся функциональных блоков.
Поддержка BIM-технологии. Возможность импорта информации о компонентах информационных моделей, обеспечение связей между компонентами информационных моделей и системы, обеспечение возможности отображения информационных моделей в системе в различных представлениях.
Наличие развитого инструментария разработки и интеграции с внешними системами, в частности, наличие REST API и пакета SDK.
В перечень основных функциональных блоков систем управления строительством и эксплуатации, необходимых для построения цифровой модели и реализации концепции цифрового двойника здания с поддержкой BIM-технологии, входят блоки для работы: с задачами, с проектами, с ключевыми показателями (KPI), графиками проектов, со справочниками, с бизнес-процессами (маршрутами), с документами и технической документацией с поддержкой BIM-технологии (контроль, согласование, формирование замечаний, запросов на изменения, версий и редакций), для контроля качества и приемки строительно-монтажных работ и др.
На рис. 1–4 приведены примеры интерфейсов системы управления строительством и эксплуатацией.
Рис. 1. Пример интерфейса системы управления строительством и эксплуатацией. Рабочее место руководителя
Рис. 2. Пример интерфейса системы управления строительством и эксплуатацией. Настройки системы. Редактор бизнес-процессов
Рис. 3. Пример интерфейса системы управления строительством и эксплуатацией. Настройки системы. Динамические реестры BIM-моделей
Процессный подход к организации контроля качества строительства
Как отмечалось выше, основой формирования цифровой модели и цифрового двойника здания является систематизация информационных потоков и структурирование данных.
Процессный подход в рамках данной концепции дополнительно повышает ценность от автоматизации управления информацией, как за счёт обеспечения возможности глубокой стандартизации процессов управления, так и за счёт обеспечения получения качественных и количественных метрик для поддержки принятия управленческих решений при строительстве и эксплуатации зданий.
Так, в стандарте ГОСТ Р ИСО 9001 «Системы менеджмента качества. Требования», процессный подход — это один из ключевых принципов системы менеджмента качества, который акцентирует внимание на управлении организацией через понимание, контроль и улучшение взаимосвязанных процессов. Этот подход помогает организации достигать повышать качество и эффективность своих процессов и продукции.
Процессный подход предполагает, что любая деятельность или набор действий в организации можно рассматривать как процесс. Процессы в организации взаимосвязаны и взаимодействуют между собой, образуя единую систему. Цель процессного подхода — обеспечить контроль за всеми процессами, их оптимизацию и постоянное улучшение.
Для реализации процессного подхода в системах управления строительством и эксплуатацией должна быть обеспечена возможность создания и настройки основных элементов процессов, формирования связей между элементами процессов, а также подсчёта, как минимум, указанных выше ключевых метрик скорости и качества выполнения процессов. На рис. 4 приведён пример настройки подсчёта ключевых метрик выполнения процесса в системе управления строительством и эксплуатацией.
Рис. 4. Метрики процесса в системе управления строительством и эксплуатацией
Пример контроля качества с использованием цифровых двойников
Для повышения качества строительства объектов ООО «ГИПЕРГЛОБУС» на базе системы управления строительством и эксплуатацией SODIS Building и low-code платформы Lement Pro (далее — система) был настроен инструмент контроля качества строительно-монтажных работ по готовым к приёмке помещениям объекта с использованием BIM-модели и этикетированием элементов здания на основе QR-кодов.
BIM-модель строящегося объекта создаётся в соответствии с корпоративным BIM-стандартом ООО «ГИПЕРГЛОБУС» и типовой процедуры проектирования, ядром которой является наличие «эталонной модели объекта», являющейся преднастроенным шаблоном для работы проектировщиков и генподрядчика с корректно смоделированными, запараметризированными и заклассифицированными элементами всех компонент и систем строящегося здания (рис. 5).
Рис. 5. Общий вид эталонной модели гипермаркета «Глобус»
Ниже рассмотрим порядок действий и описание инструмента контроля качества строительно-монтажных работ по помещениям.
При помощи специального инструмента из BIM-модели в cистему выгружается и собирается в отдельной категории динамическая ведомость помещений, именуемая в системе «ГИПЕРГЛОБУС», по-немецки «Raumbuch» (или «Книга помещений», «Ведомость помещений»), рис. 6.
Рис. 6. Общий вид интерфейса категории «Raumbuch»
По каждому выгруженному из BIM-модели помещению в cистеме автоматически создаётся карточка, где во вкладке «Описание» из модели собирается требуемая информация по помещению (рис. 7), в нашем случае это:
- площадь;
- объём;
- материалы отделки полов, потолков и стен (если эти данные внесены в модель);
- дата начала передачи помещения генподрядчиком для монтажа торгового и производственно-технологического оборудования;
- дата окончания передачи помещения генподрядчиком для монтажа торгового и производственно-технологического оборудования.
Рис. 7. Вид карточки помещения в категории «Raumbuch»
Во вкладке «Обсуждение» пользователями системы может вестись диалог по вопросам, касающимся данного помещения (рис. 8).
Рис. 8. Вкладка «Обсуждение»
Во вкладке «Файлы» пользователи, при необходимости, могут размещать файлы любого типа (рис. 9).
Рис. 9. Вкладка «Файлы»
Во вкладке «История» администраторам проекта доступны для анализа и контроля все действия пользователей в cистеме, относящиеся к данному помещению (рис. 10).
Рис. 10. Вкладка «История»
Во вкладке «BIM» доступен просмотр и интерактивное взаимодействие с BIM-моделью помещения как частью BIM-модели всего объекта, включая создание замечаний (заявок) по отдельным объектам модели — элементам здания или единицам инженерного или производственно-технологического оборудования (рис. 11).
Рис. 11. Вкладка «BIM»
Во вкладке «QR-код» доступен уникальный QR-код данного помещения, автоматически генерируемый системой и служащий «мостом» между единой цифровой платформой и реальным физическим миром строительного процесса (рис. 12).
Рис. 12. Вкладка «QR-код»
Во вкладку «Оборудование» автоматически выгружается перечень имеющегося в данном помещении BIM-модели инженерного, торгового и производственно-технологического оборудования (рис. 13).
Рис. 13. Вкладка «Оборудование»
Во вкладке «Замечания» доступны замечания или заявки, формирующиеся с привязкой к помещению и элементу модели, в которых при создании может назначаться ответственный исполнитель. Эта функциональность также может широко использоваться на этапе эксплуатации объекта (рис. 14).
Рис. 14. Вкладка «Замечания» Вкладка «Фото»
В ней во время строительства размещаются референсные фото данных помещений по другим объектам как образцы того, как должно данное помещение выглядеть в готовом виде. Этот инструмент был очень востребован в процессе строительства объектов ГМ Косино и ГМ Митино, поскольку позволял оперативно визуализировать спорные вопросы по инженерии и отделке (рис. 15).
Рис. 15. Вкладка «Фото»
Отметим, что на данный момент также добавлена возможность размещения и отображения сферических панорам помещений.
«Этикетирование» помещений
В системе настроена автоматизированная выгрузка выборочной информации из карточек помещений категории «Raumbuch» для формирования «этикеток помещений». Этикетки автоматизированно выгружаются по этажам в преднастроенный шаблон формата Excel и могут быть распечатаны на листы формата А4.
После распечатки этикетки наклеиваются на доступные поверхности помещений строящегося объекта (рис. 16):
Рис. 16. Этикетки с QR-кодом на объекте
Далее на стройплощадке с использованием смартфона или планшета обеспечивается переход к соответствующему помещению в системе для получения информации, оперативного взаимодействия с участниками проекта или размещения замечаний.
Результаты
Несмотря на отсутствие чёткой нормативной базы, регулирующей применение цифровых двойников в строительстве, их использование демонстрирует значительный экономический эффект. Как показывают глобальные тренды, рынок цифровых двойников стремительно растёт: по итогам 2023 года его объём достиг $12,81 млрд, а согласно прогнозам Verified Market Research (март 2024 года), в ближайшие годы отрасль ожидает ускоренное развитие.
В рамках данного исследования была разработана методология оценки эффективности цифровых двойников на основе анализа реального опыта внедрения системы управления строительством и эксплуатацией объектов сети гипермаркетов «Глобус». Ключевые критерии оценки включали:
- Снижение трудозатрат за счёт автоматизации процессов.
- Оптимизацию документооборота (технического и административного).
- Ускорение проектирования, строительства и эксплуатационного контроля.
Основные выводы:
1. Сокращение трудозатрат на 25 % за счёт:- Устранения дублирования данных;
- Автоматизации отчётности и контроля качества;
- Снижения времени на поиск и согласование документации.
2. Срок окупаемости проекта составил менее 2 лет, что подтверждает его высокую экономическую целесообразность даже в условиях отсутствия стандартизированных методик расчёта.
3. Косвенный эффект выразился в:
- Повышении прозрачности процессов для всех участников проекта.
- Снижении количества ошибок и переделок на этапах строительства.
- Формировании единой цифровой базы данных для последующей эксплуатации объекта.
Хотя российская нормативная база пока не закрепляет понятие «цифрового двойника здания», практические результаты внедрения, как в случае с «Глобусом», доказывают его рентабельность и потенциал для масштабирования. Данный опыт может стать основой для разработки отраслевых стандартов оценки эффективности цифровых двойников в строительстве.
