Цифровизация линейных объектов: ключ к эффективности в инфраструктурном строительстве

Введение

Цифровизация меняет все сферы жизни человека, делая привычные процессы удобнее и продуктивнее. Строительный сектор играет значительную роль в экономике, поэтому его модернизация с помощью цифровых технологий особенно важна.

По данным Минстроя, российская строительная отрасль должна в ближайшие годы перейти на отечественное программное обеспечение и усовершенствовать свои цифровые инструменты. Это критически важно для технологической независимости страны.

Уровень цифровизации сильно зависит от вида строительства. В строительстве площадных гражданских и промышленных объектов передовые технологии внедряются быстро и охватывают почти все процессы. В компаниях, которые строят объекты инфраструктуры: автомобильные дороги, железные дороги, магистральные трубопроводы, мосты, тоннели — цифровизация протекает намного медленнее.

Строительство инфраструктурных объектов всегда было сложнейшей инженерной задачей: колоссальные масштабы, протяженность в сотни километров, непростой рельеф, пересечение с существующими коммуникациями и т. д. К этому добавляются новые условия: растущие требования к скорости реализации, ужесточение экологических норм, управление стареющими активами и оптимизация жизненного цикла в условиях ограниченных бюджетов.

Цифровизация перестала быть опцией – это необходимость. Необходимость выйти за рамки простой замены 2D-чертежей на 3D-модели, применять комплексный подход, основанный на данных и создании цифровых нитей на всех этапах – от изысканий до вывода из эксплуатации.

В статье мы затронем следующие этапы:

• Инженерные изыскания
• Проектирование
• Планирование

Преимущества BIM-моделирования уже не оспариваются так, как это было несколько лет назад. Компании, включившие его в список своих компетенций, выходят вперед в конкурентной борьбе на рынке. Но время ставит перед участниками рынка новые вызовы. Одним из них является импортозамещение иностранного ПО.

В этой статье рассмотрим решения, которые используются для предпроектных и проектных работ.

Инженерные изыскания

При строительстве линейных объектов особо важную роль играют достоверные данные инженерных изысканий. С них все начинается, а ошибки, сделанные на этом этапе и обнаруженные уже в ходе строительно-монтажных работ (СМР), могут существенно увеличить сроки и стоимость строительства.

Инженерные изыскания в этой области специфичны:

• Большой объем работ ввиду большой протяженности. Изысканий объемом в 10 млн. кв. м топографической съемки и 500 геологических выработок хватит, чтобы застроить район Москвы или чтобы проложить участок автомобильной дороги, преодолеваемый за полчаса, а это далеко не самый большой проект.
• Часто труднодоступная местность. Доступ к исследуемой местности, особенно при новом строительстве, бывает затруднен: отсутствие подъездных путей, горы, леса, болотистая местность и т. д.
• Изменения трассировки и, как следствие, необходимость дополнительных изысканий. Проектирование — это итерационный процесс. Маршрут линейного объекта часто приходится корректировать по мере изучения рельефа и других условий местности. Из-за этого инженерные изыскания приходится проводить заново на каждом новом участке.

Основная задача цифровизации – сделать данные точнее и подробнее, оставить как можно меньше возможностей для неожиданностей на этапе СМР.

Все трудности инженерных изысканий решаются только усовершенствованием инструментов и методов получения данных. В случае с объемом и доступностью местности частично помогают беспилотные летательные аппараты для фотограмметрической съемки и лазерного сканирования. В случае с точностью — георадарное сканирование грунтов.

Но собрать данные в поле или получить их из ГИС недостаточно, чтобы на их основе принимать проектные решения. Следующая задача — обработать эти данные и сформировать цифровую информационную модель местности (ИЦММ).

Выбор ПО для анализа данных инженерных изысканий и формирования ИЦММ достаточно широк, но очень неравномерен по видам изысканий. Как правило, все вендоры, разрабатывающие САПР для проектирования линейных объектов, предлагают и ПО для обработки данных инженерных изысканий на тех же платформах, что и САПР, либо в качестве функционала этих САПР.

Отдельно стоит выделить ПО для обработки данных лазерного сканирования и фотограмметрической съемки. Среди отечественных разработчиков САПР такое ПО есть у Кредо: 3D-Скан, Фотограмметрия. Также для фотограмметрии популярен Agisoft Metashape, но это отдельный программный продукт, не входящий в «экосистемы» российского ПО для линейных объектов.

Решения иностранных производителей ПО

Геодезия:

• Autodesk: ReCap, Civil 3D, Infraworks
• Bentley: ContextCapture, OpenRoads, OpenRail 
  

Геология:

• Autodesk: Civil 3D+Geotechnical module
• Bentley: OpenRoads, OpenRail, gINT
  

Гидрометеорология:

• Autodesk: Infraworks, Civil 3D
• Bentley: OpenFlows
  

Экология:

• Autodesk: -
• Bentley: OpenCities, gINT

Решения российских производителей ПО:

Геодезия:

• Кредо: 3D Скан, Фотограмметрия, ДАТ, Изыскания
• Robur: Изыскания
• IndorCAD: Topo

Геология:

• Кредо: Геология
• Robur: Изыскания
• IndorCAD: Road

Гидрометеорология:

• Кредо: Гидрология, ГРИС
• Robur:  -
• IndorCAD: -     
  

Экология:

-

Лучше всего обстоят дела с геодезией, похуже с геологией, еще хуже с гидрометеорологией и совсем плохо с экологией. Это общая картина, а наличие и достаточность того или иного функционала разнится от вендора к вендору.

Нет какого-то единого понимания, как должны быть представлены результаты изысканий. Исключение — инженерно-геодезические: в геодезии давно существуют понятия цифровая модель местности, рельефа, ситуации (ЦММ, ЦМР, ЦМС).

Ситуация с инженерно-геологическими изысканиями постепенно улучшается: спецификация IFC4.3 уже позволяет структурированно хранить информацию о геологическом строении (подклассы IfcGeotechnicalElement), гидрогеологии, данные лабораторных испытаний. ПО пока за IFC не успевает, но функционал по формированию геологических моделей есть у многих вендоров.

Данные гидрометеорологических и экологических изысканий менее стандартизированы в сравнении с геологическими и тем более геодезическими, и их обработка не так автоматизирована.

Что касается гидрологических расчетов, в рассмотренных экосистемах есть ПО, покрывающее часть потребностей.

Остальные же направления этих видов изысканий фактически не закрываются имеющимся функционалом.

Цифровизация в области инженерных изысканий для линейных объектов активно развивается, предлагая мощные инструменты для борьбы с главными врагами проекта — неопределенностью и рисками. Это касается и передовых средств сбора данных, и инструментов их обработки. Однако для полноценного создания и анализа цифровых моделей еще предстоит большая работа по стандартизации данных и созданию системы, которая позволит эффективно их накапливать и анализировать. Особое внимание в этом вопросе нужно уделить «не основным», но не менее важным изысканиям.

Проектирование

В проектировании площадных объектов, в отличие от линейных, BIM-процессы проработаны гораздо лучше, поскольку экономический эффект от их применения более очевиден. Все из-за разной ценности информационного моделирования в объектах линейного строительства и объектов другого вида.

Для площадных (точечных и любых других, сосредоточенных на небольшом участке земли) объектов ценность заключается в первую очередь в:

• своевременном нахождении и устранении коллизий,
• точном подсчете объемов работ на основе модели.

Для линейных же объектов характерны:

• относительная простота модели; поперечное сечение трубопровода, автомобильной или железной дороги в лучшем случае на всем протяжении практически не меняется;
• использование типовых элементов: трубопроводы, их опоры, дорожные знаки, опоры контактной сети, опоры освещения, водопропускные трубы и т.д.;
• огромное влияние местности на параметры объекта, а объекта — на местность.

В итоге получаем, что геометрические коллизии линейных объектов ввиду простоты («постоянства») модели и использования типовых конструкций возникают в гораздо меньшем объеме. А их устранение уже во время производства СМР проще и стоит меньше из-за большего пространства для маневров в сравнении с площадными объектами.

Кроме того, на точность подсчета объемов гораздо больше влияет достоверность данных инженерных изысканий, чем способы получения объемов. Не имеет значения, как считать объемы земляных работ: вручную по поперечникам или автоматизировано в САПР. Они все равно будут неверными, если неверна цифровая модель рельефа или если мощность почвенно-растительного слоя окажется в два раза больше, чем по данным инженерно-геологических изысканий.

Здесь стоит отметить, что описанные выше особенности характерны именно для объектов большой протяженности: загородных дорог, магистральных трубопроводов. При проектировании, к примеру, мостового сооружения в стесненных городских условиях поиск и устранение геометрических коллизий будет не менее важным, чем при проектировании здания.

И все же ценность BIM и цифровизации в целом при проектировании инфраструктурных объектов раскрывается больше в других аспектах:

• автоматизация процессов поиска оптимальных проектных решений
• упрощение анализа влияния окружающей среды на объект и объекта на среду
• избавление от большого объема ручного труда

Уже давно существуют и применяются алгоритмы поиска оптимального прохождения плана трассы по заданным граничным условиям и оптимизации продольного профиля с учетом баланса земляных работ. Они доступны как в зарубежных, так и в российских САПР. Также у САПР уже есть функционал, например, по автоматической расстановке средств организации дорожного движения, проектированию водоотвода.

Бурное развитие искусственного интеллекта свидетельствует о том, что рано или поздно (скорее рано) для этих задач будет использоваться ИИ. Уже сейчас, если попросить Chat GPT проложить из пункта A в пункт B трассу дороги IА категории и вывести это в файл LandXML, он это сделает. Без какой-то интеграции с САПР. Впрочем, получить результат, пригодный для дальнейшей проработки еще нельзя. Но это лишь вопрос времени и, опять же, исходных данных. Достаточные для проектирования детализированные данные о рельефе, геологии, гидрологии, экологической ситуации все равно надо добывать в процессе изысканий, и здесь технологических ограничений больше.

Интеграция модели САПР с ГИС позволяет выполнять пространственный анализ проектируемого объекта на основании не только данных инженерных изысканий, но и геоинформационных сведений из множества других источников: пути миграции животных, линии разлива водоемов, оползневые процессы, земельные участки, археология и т.д.

Как уже говорилось, основная особенность линейных объектов заключается в их большой протяженности, отсюда — и огромный объем проектных работ. Главная цель САПР — забрать на себя рутинную часть этой работы, оставив проектировщику только творческие и требующие сложного анализа задачи. И поскольку рутинные задачи в проектировании линейных объектов больше поддаются автоматизации, САПР для линейных объектов в этом плане эффективнее, чем для площадных.

Решения иностранных производителей ПО:

Автомобильные дороги:

• Autodesk: Civil 3D
• Bentley: OpenRoads
  

Железные дороги:

• Autodesk: Civil 3D
• Bentley: OpenRail
  

Моделирование транспортных потоков:

• Autodesk: Infraworks+Traffic simulation 
• Bentley: CUBE
  

Малые искусственные сооружения:

• Autodesk: Civil 3D+Revit
• Bentley: OpenRoads, OpenRail, CulvertMaster  
  

Мосты:

• Autodesk: Infraworks+Inventor + Civil 3D+Revit
• Bentley: OpenBridge, LARS Bridge
  

Генплан:

• Autodesk: Civil 3D
• Bentley: OpenRoads, OpenRail, OpenSite
  

Инженерные сети:

• Autodesk: Civil 3D
• Bentley: OpenRoads, OpenRail, OpenComms

Решения российских производителей ПО

Автомобильные дороги:  

• Кредо: Проектирование
• Robur: Автомобильные дороги
• IndorCAD: Road
  

Железные дороги:

• Кредо:  -
• Robur: Железные дороги
• IndorCAD: Road
  

Моделирование транспортных потоков:

• Кредо:  -
• Robur: -
• IndorCAD: IndorIntensity
  

Малые искусственные сооружения:

• Кредо: Трубы
• Robur: Искусственные сооружения 
• IndorCAD: IndorIntensity
  

Мосты:

• Кредо: -
• Robur:  -
• IndorCAD: -
  

Генплан:

• Кредо: Проектирование
• Robur: Генеральный план
• IndorCAD: Site
  

Инженерные сети:

• Кредо: Проектирование
• Robur: Инженерные сети 
• IndorCAD: Site

Систем для проектирования и моделирования мостовых сооружений немного в целом по миру. Как правило, для этих целей используют те же САПР, что и для проектирования зданий: отечественные ModelStudio CS, nanoCAD, Renga, зарубежные Tekla Structures и Revit.

Стоит отметить, что еще до возникновения острой необходимости в импортозамещении отечественные решения для проектирования автомобильных дорог (Robur, Credo, IndorCAD) занимали весомую долю российского рынка. Их основными преимуществами перед зарубежными аналогами были высокая адаптированность под наши нормативные требования и методы проектирования, а также поддержка и учет пожеланий пользователей. Сейчас в них активно развивается направление проектирования водопропускных труб, наружных инженерных сетей и, конечно, BIM-функционал.

Таким образом, цель цифровизации проектирования инфраструктурных объектов не сводится к тому, чтобы вовремя выявлять ошибки и повысить точность оценки объемов и стоимости. Требуется найти оптимальное решение для эффективного использования информации, создаваемой при проектировании, на последующих стадиях. Инструментов для этого достаточно, остается научиться правильно ими пользоваться.

Планирование

Планирование — это сквозной процесс при реализации проекта. Оно одинаково влияет на проектирование, закупки, логистику, контрактацию, бюджетирование, строительно-монтажные работы, сдачу выполненных работ и их оплату при строительстве как площадных, так и протяженных объектов. В обоих случаях компании формируют потребности в материалах и технике, планируют закупки и заключают контракты с подрядчиками на основании календарно-сетевой модели.

Нас прежде всего интересует планирование на этапах проектирования и строительно-монтажных работ.

Первой сложностью в синхронизации графиков является связь проектирования — строительства. В площадном строительстве объект в силу своих размеров слабо влияет на пространственную точку разработки какого-либо комплекта рабочей документации. Примером пространственного подхода может быть требование разработки комплекта рабочей документации по какому-либо корпусу раньше остальных.

При протяженном строительстве возникают особые условия: строительство 500 км трассы возможно с любого места или участка. Более того, бывают ситуации, когда уже начавшееся строительство на каком-либо участке может остановиться и перейти на другой участок. Такие резкие изменения возникают по разным причинам:

• Особые геологические условия, вскрытые при производстве работ
• Изменение погодных условий, не характерных для данного периода
• Находка археологически ценных артефактов и последующие изыскания
• Необходимость устройства съездов-разъездов или объездных путей для дорожного строительства

Далее рассмотрим особенности планирования в проектах строительства линейно-протяженных объектов.

Начнем с создания «Иерархической структуры работ» или Work Breakdown Structure (WBS). По технологии производства работ и возведения конструктивных элементов вопросов не возникает: верхние слои дорожной одежды не могут быть выполнены, пока не будут выполнены нижележащие. Трубопровод не может быть смонтирован, пока не сделаны сваи и другие конструкции опор. Здесь можно провести аналогию с возведением площадного объекта: сначала вертикальные конструкции этажа, затем плиты перекрытия.

Главным препятствием для «классического» планирования является протяженность. Основная единица ее измерения — пикет, точка разметки. Один пикет стандартно приравнивается к 100 метрам — расстояние, используемое для разметки и нумерации участков на автодорогах. Если проехать мимо строящейся дороги, вдоль нее можно заметить столбики с числами. Это и есть пикеты.

Чтобы понять разницу в подходах, представим длинную улицу, на которой нужно построить, например, пять домов. Сдать проект можно, только построив всю улицу. На каждый дом составляется отдельный проект. Можно начать строительство с любого дома, остановить его, если обнаружены археологические ценности, и переключиться на другой дом. В реализации линейно-протяженных проектов «дома» — это участки или километры сооружения.

Как сформировать структуру WBS в рамках «дома» понятно: котлован — фундамент — стены — этажи и т. д. А какая правильная последовательность строительства «домов» (пикетов, километров) при ограниченности бригад? А если таких «домов» (пикетов, километров) сто и более? Практика показывает, что проблем с созданием структуры работ у строителей автомобильных дорог в разы больше, чем у строителей трубопроводов.

Создание нужной структуры зависит от уровня управления. Так как важной статьей затрат на строительстве линейных объектов является механизация, то уровень детализации графика во многом базируется на управлении загрузкой механизмов. При таком подходе дорожные строители стараются детализировать каждый конструктивный элемент до видов работ согласно, например, нормам ГЭСн.

Главное преимущество данного подхода — детализированное управление ресурсами на работах: анализ загрузки ресурсов, их оптимизация, выравнивание потребностей в машинах и механизмах. Последнее особенно важно на объектах, куда невозможно оперативно привезти технику и где необходимо понимать тот минимум, который потребуется для выполнения работ в установленные сроки.

Главный недостаток — размер графика, который кратно увеличивается с появлением каждого нового пикета. Если с объектами небольшой протяженности это не сильно усложняет работу, то на объектах с количеством пикетов больше ста трудозатраты на управление таким графиком становятся камнем преткновения в паре детализация-управляемость. Конечно, многое зависит от того, есть ли в штате компании отдельный планировщик на объект. Если он отсутствует или его функции выполняются по остаточному принципу, то очень детализированный график сведет на нет все усилия по планированию.

Еще одним недостатком детализации является трудоемкость сбора факта. Чтобы составить прогноз, нужны сведения о фактически выполненных работах, а при большой детализации придется собирать достаточно большой объем данных. Для этого также придется выделять дополнительную единицу в штатном расписании — диспетчера.

В рамках комплексной цифровизации вопрос оптимизации структуры графика является одним из самых важных. Возможное решение — выстроить ее в участках или километрах, но возникнут определенные допущения в управлении ресурсами. В рамках цифровизации блоков контрактация — планирование — выполнение — сдача работ придется искать компромисс структур между ними.

Отдельно стоит поговорить о применении специализированного ПО при планировании строительства линейно-протяженных объектов. Существующие решения на отечественном рынке похожи на друг на друга. Для планирования протяженных объектов особенно ценна функция представления в виде циклограмм, которая есть у небольшого количества российских решений. Рассмотрим этот инструмент подробнее на примере Plan-R.

Циклограмма, или график потока, — это форма календарного графика производства работ при выполнении постоянно повторяющихся однотипных строительных и монтажных работ. Циклограмма используется для визуализации поточного метода, когда можно отследить развитие строительного процесса во времени и пространстве.

Рис. 1. Пример циклограммы в Plan-R

Внутри циклограмма — это та же диаграмма Ганта, но развернутая в другое представление. Слева мы видим участки выполнения работ – это могут быть пикеты, километры, отрезки любой длины. Сверху, как и в диаграмме Ганта, отрезки времени. Центральным элементом циклограммы являются линии — потоки работ. Длина линии и ее наклон говорят нам о скорости выполнения работ на данном отрезке. На рис. 1 линии на одном и том же участке работ имеют разный наклон. Это говорит о разной скорости выполнения работ, обусловленной нормами производства.

Здесь нет привычных для классической диаграммы Ганта связей со стрелками, но при этом можно легко определить, как соотносятся между собой работы по технологии.

На рис. 2 конец линии находится в той же дате, что начало следующей. Соответственно, между этими работами есть связь типа финиш-старт.

Рис. 2. Пример связей между работами на циклограмме

По циклограмме можно оперативно обнаружить нарушение технологии работ. На рис. 3 две линии потока работ пересекаются. Но по технологии на одном участке нельзя закончить работы по вышележащему слою, пока не закончены слои ниже. Коллизия может быть связана с разными причинами: нарушение связей в графике или их отсутствие при установленных ограничениях («не ранее чем»).

Рис. 3. Пример нарушения технологии работ на циклограмме

Кроме того, с помощью циклограммы проще найти варианты оптимизации графика выполнения работ по участкам. На примере рис. 4 и 5 старт второй работы перенесен на середину августа с учетом скорости ее выполнения. Линии не пересекаются, значит, технология не нарушена. Старт третьей работы также сдвинут на август. Такая оптимизация позволяет сократить время выполнения работ на месяц.

Рис. 4. График до оптимизации

Рис. 5. График после оптимизации

Конечно, процесс оптимизации не подразумевает только изменение сроков работ без учета ресурсов для их выполнения. Если количество техники или трудовых ресурсов ограничено, то при изменении сроков работ в графике получится лишь перегрузка ресурсов. Такой план становится невыполним. Если есть возможность добавить ресурсы, можно сократить время третьей работы (рис. 6, синяя линия) и сроки выполнения всего объема работ.

Рис. 6. Сокращение работ увеличением ресурсов (синяя линия)

У циклограмм есть еще одно важное преимущество. На практике изменение участков работы — явление регулярное. И при классическом планировании создание связи между работами на каждом конструктиве по каждому пикету часто приводит к следующей ситуации: через неделю после составления графика работы начинаются на других пикетах. Планировщику приходится убирать уже сформированные связи и устанавливать заново. Это очень трудоемкая работа. Циклограмма, напротив, позволяет в любой момент быстро «перерисовать» участок работ (рис. 7, 8). То есть фактически создать график заново, изменяя количество пикетов, входящих в участок работ.

Рис. 7. Нарезка участков для бригад в начальном варианте

Рис. 8. Изменение участков после уточнения доступных для работ зон

Отдельного внимания при планировании протяженных объектов требует управление машинами и механизмами. На площадных объектах механизм может передвигаться между многими работами, и фактор расстояния редко принимают в расчет. На объектах линейного строительства фактор расстояния, как правило, решающий. Нельзя использовать технику на одной работе, а через день перевозить на другую, на 10-20 км дальше. Затраты на перевозку не окупаются сокращением графика на пару дней, особенно если через пару дней эту технику нужно возвращать обратно. Множество техники закреплено за определенной зоной выполнения работ. Именно поэтому модель строительства должна учитывать равномерное использование машин и механизмов. Неравномерное распределение чревато простоем.

Рис. 9. Диаграмма загрузки ресурсов по графику

Для построения эффективной системы ресурсного планирования необходимо установить, каким образом будет сформирована нормативная база (нормы выполнения работ и перечень ресурсов для их выполнения).

Опыт комплексной цифровизации показал, что лучшее решение — создание корпоративного справочника видов работ с использованием специального ПО, например Larix.CDB. Можно реализовать нормативную базу непосредственно в PLAN-R, однако стоит иметь в виду, что ее владельцем является не отдел планирования. Основная задача использования норм — управление себестоимостью работ, соответственно, владельцем справочника должны быть подразделения, отвечающие за экономику. В Larix.CDB также можно создавать несколько измерений для каждой нормы и менять только конкретные атрибуты, например расценку.

Сбор фактических данных позволяет прогнозировать сроки выполнения работ. Важная часть сбора — получение сведений о работе машин и механизмов. Зная норму выработки техники и сравнивая ее с фактически затраченным временем для выполнения известного объема работ, можно управлять как процессом планирования через уточнение норм, так и процессом выполнения через меры воздействия на исполнителей.

Основной сложностью сбора фактических данных с точки зрения комплексной цифровизации является рассмотренная выше детализация графика. При налаживании автоматизации сквозного процесса нельзя забывать о требованиях оформления исполнительной документации и сдачи работ. То, что подходит планировщику, может противоречить требованиям заинтересованных лиц следующих процессов. И без компромиссов в организации комплексного подхода не обойтись.

Выводы

Подведем итоги. Работа с объектами большой протяженности имеет свою специфику, которая проявляется на разных стадиях строительства. Иного подхода требуют такие особенности:

• Протяженность. Проектирование, строительство может начинаться с любого из участков.
• Недостоверные данные об объемах работ. Следствие протяженности — недостаток информации об объемах строительства, особенно земляных работ.
• Риски столкнуться со сложными геологическими явлениями или археологическими ценностями.
• Ресурсоемкость строительства (количество машин и механизмов). Невозможность и экономическая нецелесообразность перебазировки техники между участками или работами.
• Необходимость остановки привычных процессов жизнедеятельности: окна при железнодорожном строительстве, остановка движения при строительстве дорог.

У экспертов Айбим большой опыт в цифровизации компаний, которые занимаются строительством линейно-протяженных объектов. Мы знаем специфику строительства таких объектов и управления такими проектами, включая все необходимые функциональные блоки. Если у вас возникнут вопросы или потребуется консультация – будем рады помочь.