BIM - geneza i praktyka

Building Information Modeling jako baza danych o projekcie
Rys. Piotr Bujak

Thom Mayne, znany amerykański architekt, szef biura Morphosis, laureat Pritzker Prize z 2005 r. ogłosił kilka lat temu, że za 10 lat zawód architekta, który znamy dziś, nie będzie istniał. (You need to prepare yourself for a profession that you’re not going to recognize a decade from now, that the new generation is going to occupy) przekonanie to udowadnia praktyką projektując budynki, przy realizacji których wykonawcy nie muszą posługiwać się dokumentacją papierową (San Francisco Federal Building).

Cały świat entuzjastycznie przyjmuje BIM – nowe narzędzie, czy może bardziej precyzyjnie, nową filozofię projektowania i budowania. Muzeum Guggenheima w Bilbao, Water Cube w Pekinie Freedom Tower w Nowym Jorku, Phare Tower w Paryżu – te spektakularne projekty realizowane są w oparciu o modele BIM. Rzuty i przekroje w przypadku takich inwestycji są bezużyteczne. Dane przekazywane są bezpośrednio do wykonawców w postaci modeli 3D, później na linię produkcyjną i na plac budowy. Koncepcja File-to-Factory wypiera rysunek, który przez wieki służył projektantom jako język komunikacji z wykonawcą.

Na czym polega idea, która na zawsze ma odmienić wizerunek praktyki architektonicznej?

Geneza
Wieki temu wykształcił się jasny i czytelny podział zadań przy realizacji wielkich zamierzeń budowlanych. Cechy cieśli, kamieniarzy, murarzy, rzeźbiarzy pracowały wspólnie przez lata pod okiem nadzorcy – architekta (capo maestro). Mógł być nim doskonale wykształcony profesjonalista odpowiedzialny przed inwestorem (świeckim, duchownym) jak Donato Bramante nadzorujący budowę Bazyliki św. Piotra w Rzymie albo Filipo Bruneleschi projektant kopuły Santa Maria del Fiore we Florencji.

Każdy znał swoje miejsce. Przez lata wiedza przekazywana z pokolenia na pokolenie była ogólnodostępna. Głównym narzędziem architekta był rysunek doskonale rozumiany na placu budowy. Ten prosty linearny schemat zależności i odpowiedzialności przetrwał do dziś. Z pewnymi modyfikacjami wsparty przepisami prawa jest nadal wykorzystywany.

Wiek XX był czasem olbrzymiego postępu. Typowy zespół projektowy nie może się dziś obejść bez szeregu specjalistów różnych branż. Taka sytuacja wymuszona jest nie tylko przez zwiększenie zakresu obowiązków, ale również konieczność posiadania odpowiednich uprawnień. Podział na specjalizacje wymaga współpracy podmiotów, które z założenia mają odmienne punkty widzenia i własne priorytety. To prowadzi do konfliktów. Podstawą funkcjonowania takiej grupy są standardy współpracy. Wspólnie uzgodniona strategia działania i komunikacji.

Komputer, który w latach 80. zastąpił deski kreślarskie znacznie ułatwił pracę projektantom. Jednak szeroki wybór oprogramowania bez zastosowania odpowiednich procedur mógł prowadzić do poważnych problemów z wymianą informacji, konfliktów, a w efekcie kosztownych błędów projektowych.

Ambicją architektów zawsze było poszukiwanie oryginalnych rozwiązań, ale brak odpowiednich narzędzi do ich realizacji stwarzał ogromne ryzyko, na które niewielu inwestorów mogło się zgodzić.

Koniec XX wieku był przełomowy. Wielu architektów i, co interesujące, inwestorów zwróciło uwagę na rozwiązanie, które od lat świetnie sprawdzało się w przemyśle lotniczym. Modele informacyjne na dobre zagościły w budownictwie.

Historia oficjalna
Historia modelowania informacyjnego w budownictwie sięga początku lat 70. XX wieku. Warto zaznaczyć, że idea ta aż do końca XX wieku funkcjonowała pod terminem Building Product Models, a jej autorem jest prawdopodobnie Charles Eastman (Cornell University, a obecnie Georgia Tech). Pierwszym znaczącym projektem BPM/BIM była praca badawcza Architectural Research Unit przy Uniwersytecie w Edynburgu pod kierownictwem Aarta Bijla zrealizowana w latach 1969–1973.

Floorplan Design System był programem przeznaczonym do projektowania typowych mieszkań. Nie było to jednak narzędzie z rodziny Computer Aided Drafting, ale system, który umożliwiał tworzenie wirtualnego projektu z gotowych elementów zgrupowanych w bibliotekach, takich jak: ściana, okna, drzwi itd. Model FDS był z naszego punktu widzenia prostą bazą danych, która umożliwiała generowanie wszystkich niezbędnych informacji o projekcie, jak: rzuty, przekroje, zestawienia elementów, zestawienia powierzchni i kubatur.

Innym wartym odnotowania projektem BPM/BIM był OXYS opracowany na początku lat 70. przez jednostkę badawczą ARC przy Uniwersytecie w Cambridge (Applied Research of Cambridge). Był on przeznaczony do projektowania typowych modułowych jednostek szpitalnych. Oprócz rozwiązań znanych z FDS (korzystanie z bibliotek elementów) OXYS oferował, jak na swoje czasy bardzo szeroki zakres informacji od rozwiązań konstrukcyjnych przez trasy i zestawienia elementów instalacji, aż po standardowe wyposażenie pomieszczeń. Przy pomocy OXYS można było po raz pierwszy zbudować kompleksowy model przeznaczony bezpośrednio do produkcji.

W 1978 r. naukowcy z ARC na bazie OXYS stworzyli Building Design System. BDS był pierwszym programem do tworzenia modeli informacyjnych przeznaczonym na rynek komercyjny. Innowacją BDS był moduł automatycznego wykrywania kolizji.

W 1984 r. zaczyna się historia znana doskonale dziś. Swoją wersję BIM pod nazwą Archicad Virtual Building opracowała węgierska firma Graphisoft. Do końca XX wieku idea Building Information Modeling rozwija się błyskawicznie, czego efektem jest cała gama oprogramowania dostępna dziś na całym świecie.

Building Information Modeling Idea (podstawowe informacje)

• Termin Building Information Modeling oznacza modelowanie informacji o budynku lub po prostu modelowanie informacyjne.
• Building Information Modeling to kompleksowa baza danych o projekcie, wirtualna platforma komunikacji umożliwiająca, na określonych zasadach, dostęp do informacji osobom zaangażowanym w proces projektowy (projektantom, konsultantom, inwestorowi, wykonawcom).
• Podstawą BIM są informacje graficzne w postaci modelu 3D architektury, konstrukcji, instalacji i wszystkich innych elementów, które składają się na projektowany budynek uzupełnione przez dane niezbędne do tworzenia analiz, zestawień, kosztorysów.
• Building Information Modeling jako baza danych umożliwia ponadto: automatyczne sprawdzanie kolizji, generowanie rysunków 2D, przekazywanie wykonawcom informacji w postaci cyfrowej (koncepcja file-to-factory).
• Modele BIM zbudowane są z obiektów opisanych parametrycznie, zorganizowanych w bibliotekach. Biblioteki elementów mogą być tworzone przez dostawców oprogramowania, projektantów, ale również producentów materiałów budowlanych.
• BIM to również narzędzie dla wykonawców. Model 3D uzupełniony odpowiednimi danymi może ułatwić organizację placu budowy i realizację inwestycji.
• BIM pomocny może się okazać również w ciągu całego cyklu funkcjonowania obiektu (jako podstawa dla stacji monitorujących oraz w trakcie modernizacji lub rozbudowy). To rozszerza pojęcie Building Information Modeling o czynnik czasu – tzw. model 4D.
• Building Information Modeling daje inwestorom bardzo skuteczne narzędzie kontroli nad procesem projektowym i nadzoru nad projektantami. Możliwość wczesnego wykrywania kolizji ogranicza kosztowne błędy, wczesna analiza nietypowych rozwiązań nie powoduje przykrych niespodzianek i nie wpływa na wydłużenie czasu realizacji. Daje to szansę na stałą weryfikację inwestycji od projektu, aż do zakończenia budowy.

Gehry Technologies (historia alternatywna)
Bardziej popularna historia Building Information Modeling zaczyna się dopiero w 1990 r. Frank Gehry, dziś znany ze swojego uwielbienia dla miękkich, rzeźbiarskich form, zaprojektował niewielki budynek Vitra Design Museum w Weil-am-Rhein w Niemczech. Nietypowy, fantazyjny kształt zrealizowany przy użyciu dwuwymiarowych rysunków okazał się zmorą dla wykonawców. To bolesne (jak dziś sam przyznaje) doświadczenie nie skłoniło jednak architekta do rezygnacji z realizacji śmiałych wizji, wręcz przeciwnie, skoncentrowało uwagę jego i współpracowników na opracowaniu takich narzędzi, które uczyniłyby je bardziej realnymi.

Zamiast korzystać z dostępnego już wówczas oprogramowania zespół informatyków i architektów zorganizowany pod nazwą Gehry Technologies skierował swoją uwagę na doświadczenia branży lotniczej. Boeing od lat korzystał z systemu CATIA umożliwiającego tworzenie cyfrowych modeli płatowca.

Efektem ich prac jest Digital Project. Dziś to zdecydowanie najlepsze i najbardziej sprawdzone narzędzie Building Informa- tion Modeling. Muzeum Guggenheima w Bilbao, Muzeum Muzyki w Seattle to śmiałe wizje Franka Gehrego zrealizowane przy użyciu modeli zbudowanych w systemach CATIA i Digital Project. Dziś listę wzbogaca również szereg bardziej typowych projektów biur architektonicznych z całego świata, które zdecydowały się skorzystać z dzieła i doświadczenia Gehry Technologies (GT to dziś niezależna firma, która oprócz prac nad rozwojem Digital Project oferuje swoim klientom kompletny know-how od typowych zagadnień warsztatowych, aż po sugestie, jak zorganizować pracę i zespół projektowy).

Praktyka
Tyle teorii. Żeby wyjaśnić bliżej jak wygląda praca z modelem BIM posłużę się pewnym przykładem, który w dużej części opiera się na autentycznych relacjach z prac projektowych nad budynkami m.in.: Phare Tower w Paryżu (Thom Mayne Morphosis), San Francisco Federal Building (Thom Mayne Morphosis), 11 th Ave Manhattan (Ateliers Jean Nouvel), Beijing National Aquatics Center – Water Cube (PTW Architects, CSCEC, Arup), Flint Global V6 Engine Plant Expansion (Ghafari Associates), Freedom Tower NY (SOM).

Wyobraźmy sobie, że rozpoczynamy projekt np. dużego budynku użyteczności publicznej. Inwestor w umowie określił kształt zespołu roboczego. W jego skład wchodzą architekci, konstruktorzy, instalatorzy, specjaliści od oświetlenia, akustyki, zieleni, wystroju wnętrz, ochrony ppoż., ale również wykonawcy. Praca w zespołach roboczych ogranicza się do kilku spotkań w tygodniu. Część współpracowników pochodzi z innego miasta i jesteśmy zmuszeni komunikować się z nimi za pomocą Internetu. Inwestor wymaga jednak by współpraca opierała się na wideokonferencjach, a materiały projektowe były prezentowane na modelach trójwymiarowych. To znacznie ułatwi komunikację między architektami, konstruktorami i instalatorami w kwestii ewentualnych kolizji. Praca przebiega w miarę sprawnie. Tworząc model korzystamy z gotowych elementów (ściany, płyty, belki, fasady), którym możemy nadać odpowiednie cechy i właściwości. Ułatwią one pracę np. kosztorysantom lub pozwolą przeprowadzić analizy zużycia energii budynku (wyniki analiz wykażą słabe punkty i pozwolą dokonać niezbędnych poprawek jeszcze na etapie projektu).

Naszej pracy stale przyglądają się konstruktorzy i instalatorzy. Codziennie aktualizujemy model na serwerze, z którego korzystają wszystkie branże i jeszcze na etapie koncepcji zgłaszają swoje uwagi. Koncepcja jest skończona, klient zadowolony, branże nie zgłaszają żadnych uwag i już na tym etapie mają przygotowany szkic rozwiązań. Wykonawca nie widzi większych problemów.

Organizacja zespołu roboczego przy wykorzystaniu Building Information Modeling
Rys. Piotr Bujak

Dane od projektantów konstrukcji, instalacji, oświetlenia w postaci modeli 3D uzupełniają nasz projekt. Wideokonferencje przebiegają bez większych konfliktów. Automatyczne wykrywanie kolizji daje projektantom szansę na poprawę błędów tak wcześnie, jak to tylko możliwe. Przedstawiciel inwestora obecny jest na każdym spotkaniu. To odpowiednio przeszkolona osoba, która w każdej chwili ma prawo wglądu do modelu. Ocena rozwiązań z punktu widzenia klienta odbywa się zatem na bieżąco.

Analizy konstrukcyjne, zużycia energii, akustyki pomieszczeń przeprowadzane są na niezależnych modelach, główny model byłby do tego zupełnie nieprzydatny ze względu na zbyt dużą ilość informacji. Specjaliści na jego bazie przygotowują modele tematyczne wyposażone tylko w informacje niezbędne do konkretnych badań. Wiele branż to również spora liczba programów, które nie zawsze są ze sobą kompatybilne. Różne formaty zapisu informacji nie ułatwiają zadania, na szczęście pomocny jest standard IFC opracowany przez międzynarodową organizację Building SMART (dawniej International Alliance for Interoperability). Używamy go jako uniwersalnego translatora.

Projekt jest gotowy. Wszystkie niezbędne pozwolenia wydane. Wykonawca może przystąpić do realizacji. W standardowym modelu procesu inwestycyjnego na tym etapie inwestor powinien ogłosić przetarg na wykonawcę. Zgodnie z wymogami zintegrowanej praktyki wybór wykonawcy został dokonany jeszcze przed powstaniem projektu (w USA coraz częściej odchodzi się od procedury design-bid-build (projekt – kosztorys/przetarg – realizacja) na korzyść procedury design-build (projekt – realizacja) wymagającej ścisłej współpracy wszystkich stron na każdym etapie realizacji inwestycji).

Budynek użyteczności publicznej to bardzo skomplikowany organizm. Skomplikowana konstrukcja, instalacje – podczas spotkań koordynacyjnych udało się uniknąć ponad tysiąca kolizji. Moduł automatycznego wykrywania kolizji można ustawić na wyszukiwanie tzw. kolizji twardych (np. kanał wentylacyjny trafiający w belkę konstrukcyjną), jak i tzw. miękkich (np. zbyt bliska odległość instalacji wodnej od przewodów elektrycznych).

Budowa przebiega bez większych problemów. Interesująca jest współpraca z podwykonawcami. Dokumentacja konstrukcji stalowej, szkleń strukturalnych na fasadach została przekazana wykonawcom w postaci modelu 3D, następnie uzupełniona o niezbędne informacje warsztatowe (detale połączeń) i skierowana do produkcji. To znacznie przyspieszyło prace, a możliwość sprawdzania rozwiązań proponowanych przez wykonawców na modelu 3D pozwoliła uniknąć późniejszych rozczarowań.

Budowa jest ukończona. Nie obyło się oczywiście bez drobnych problemów i nieporozumień, ale dotyczyły one głównie doboru ostatecznej kolorystyki elewacji. Takich problemów BIM nie jest w stanie rozwiązać. Ważne, że inwestycja zakończyła się zgodnie z harmonogramem i w ramach przewidzianego budżetu.

Standard zintegrowanej praktyki nie jest oczywiście modelem obowiązującym przy korzystaniu z Building Information Modeling. Jego wykorzystanie daje jednak bardzo obiecujące rezultaty, co potwierdzają wymienione przykłady (standard zintegrowanej praktyki od lat w USA wypiera tradycyjny model design-bid-build. Organizacja American Institute of Architects opracowała jego oficjalną wersję pod nazwą Integrated Project Delivery).

Podsumowując: Building Information Modeling to więcej niż kolejny program do opracowywania dokumentacji projektowej. Wymóg korzystania z modeli trójwymiarowych stawia przed projektantami i wykonawcami spore wymagania jednocześnie oferując możliwość tworzenia wirtualnego budynku i sprawdzenia przyjętych rozwiązań jeszcze zanim zostaną one zrealizowane.

Rewolucja, o której mówił Thom Mayne to może przesada, ale zmiany są nieuniknione.

(mgr inż. arch. Piotr Bujak Politechnika Warszawska)

Bibliografia
Building Product Models – Charles Eastman.
BIM Handbook – Charles Eastman, Rafael Sachs, Paul Tiecholz, Kathleen Liston.
Integrated Practice in Architecture – George Elvin.
Building Information Modeling Two Years Later – Huge Potential, Some Success and Several Limitations – Ian Howell, Bob Batcheler.
AIA National/AIA California Council „Integrated Project Delivery: A Guide”.
Focus on the Future Morphosis: A Case Study in Advanced Practice – Stephen D. Dent.
New Methods of Architecture and Building – Charles Eastman.
The Architect: Chapters in the history of the profession – Spiro Kostoff.
Architectural Drawing and Draughtsman – Reginald Blomfield.
Historia architektury europejskiej – Nicolaus Pevsner.