Применение BIM-технологий в цифровой экономике: мировой опыт и российская практика

Введение

Эффективное развитие инвестиционно-строительной сферы является одним из приоритетных направлений государственной экономической политики и основных условий социально-экономического роста страны. Ключевая роль в этом развитии принадлежит процессу применения информационных технологий, которые являются неотъемлемым элементом в формировании современного информационного общества и построении цифровой экономики.

Современная национальная стратегия российского государства и магистральные направления социально-экономической политики России закреплены в майских указах президента, где отмечается, что решение жилищных проблем россиян, создание экологически чистой городской среды обитания человека, а также реализация принципов цифровой экономики – это первостепенные по своей важности государственные задачи. В этой связи государственное финансирование указанных направлений будет осуществляться в полном объеме, несмотря на наличие сложных геополитических условий и введение антироссийских санкций. Реализация принципов цифровизации экономики, широкое применение информационных технологий (IT-технологий) и smart-технологий направлены, прежде всего, на повышение уровня комфортности среды обитания, а также улучшение экологической обстановки в современных российских городах, что существенно влияет на качество жизни общества в целом.

Одной из актуальных задач в современных условиях, наряду с возведением новых объектов недвижимости, является реконструкция и реставрация зданий, в том числе памятников архитектуры прошлых эпох. Применение инновационных подходов в инвестиционно-технологической сфере, к примеру информационного моделирования зданий в строительной и реставрационно-проектной деятельности, позволяет получить целостное представление о форме объекта, детализировать его конструктивные и декоративные элементы, осуществлять быструю корректировку проектной документации, в том числе на этапе производства работ, проводить анализ конструкций в случае изменения нагрузки и насыщения реставрируемого объекта инженерным оборудованием, выполнять точные расчеты ресурсов и эксплуатационных характеристик здания на основе его информационной модели и пр. Технологией, применение которой в комплексе с информационным моделированием зданий в строительстве и реставрационно-проектной деятельности имеет большие перспективы, является применение BIM-технологии (Building Information Modelling).

Цель настоящего исследования состоит в анализе зарубежного и российского опыта по применению информационных технологий на различных стадиях инвестиционно-строительного цикла, что позволит определить существующее положение и дальнейшие перспективы экономико-технологического развития рассматриваемого направления.

Научная новизна состоит в систематизации накопленного мирового опыта и отечественной практики применения BIM-технологии в инвестиционно-строительной сфере, в выявлении позитивных и негативных характеристик различных информационных методик BIM, интерпретации диаграммы Бью-Ричардса, а также в прогнозировании процесса развития указанной сферы, включая внедрение CIM-систем.

Гипотеза: применение BIM-технологии в инвестиционно-строительной сфере – это «точка роста» инновационного развития цифровой экономики и один из основных факторов повышения производительности труда при осуществлении проектных работ.

Сделан вывод, что с помощью BIM-технологии, в частности приборов лазерного сканирования, можно получить исходные данные о точной геометрии здания. Полученная геометрическая модель здания является базой для создания информационной модели здания. Таким образом, обеспечивается высокая скорость и уровень подготовки проектной документации, прогнозирование эксплуатационных характеристик объекта, повышение качества и точности проектных работ за счет эффективного взаимодействия между участниками проектного процесса.

Анализ практики применения информационных технологий в инвестиционно-строительной сфере

На сегодняшний день система эффективного управления городским пространством за рубежом базируется на масштабном применении smart-технологий, информационных технологий (IT-технологий), принципах создания зеленой энергетики, ресурсо- и энергосбережения, комфортной инфраструктуры, а также открывает новые возможности для градостроительства [2] (Bykov, 2020). Крупные транснациональные структуры активно инвестируют в развитие данных технологий, поскольку в сфере инноваций значительно сокращается период окупаемости инвестиций (на 25% [1]), а также упрощается процесс возврата вложенных средств [4] (Grebenshchikova, 2017). Эксперты прогнозируют рост глобальных инвестиций в данной сфере к 2025 году до 88,7 млрд долл. США [7] (Egorov, Shprits, Nagmanova, 2011).

Внедрение информационных технологий является неотъемлемой частью повышения уровня комфортности и качества жизни в городском пространстве, а также источником роста конкурентоспособности и экономического потенциала городов за счет автоматизации основных процессов и значительной экономии ресурсов [6] (Dudin, Shkodinskiy, 2021). Каждое государство разрабатывает собственную стратегию внедрения информационных технологий, базируясь на исторических и культурных ценностях, накопленном опыте, а также учете имеющихся локальных проблем. Несомненным лидером в сфере применения информационных технологий является город-государство Сингапур, в котором с 2014 г. реализуется проект по цифровой трансформации городского хозяйства, инвестиции в который в 2020 году составили более 2 млрд долл. США [2]. Свыше 80% населения (3,2 млн человек) проживает в smart (умном) жилье, строительство которого осуществляется по инициативе государства. Это позволяет отслеживать в режиме реального времени потребление городом различных ресурсов по широкому перечню показателей [10] (Ilvitskaya, Lobkova, 2018).

Основываясь на информационных технологиях, в Китае осуществляется строительство экспериментального экогорода Sino-Singapore Tianjin Eco City [8] (Eriza, 2017). Проект является результатом сотрудничества Китая и Сингапура. На сегодняшний день завершен этап создания базовой инфраструктуры, объем инвестиций сингапурских компаний составляет свыше 231,2 млн долл. США (46% от общего объема) [3]. Приведенные примеры относятся к наиболее значимым в картине создания необходимых условий для развития цифровой экономики, цифровой трансформации строительного сектора, зеленого перехода, а также экономии природных ресурсов [13] (Pishchulev, Blinkova, Makarova, 2018). Во многих странах внедрение информационных моделей является обязательным. Например, в Великобритании они применяются с 2015 г. в процессе проектирования объектов, строящихся за счет государственного бюджета.

В России в целях реализации цифровой трансформации экономики в октябре 2017 г. был подписан Меморандум о создании Национального консорциума развития и внедрения цифровых технологий в сфере городского управления [4]. Магистральная задача функционирования консорциума – это создание цифровых платформ по повышению эффективности управления российскими городами [3] (Gorodnova, Shablova, 2019). Свои подписи на Меморандуме поставили представители Министерства связи и массовых коммуникаций, российских государственных корпораций, а также ряда крупных университетов. Деятельность консорциума ориентирована на развитие пятидесяти крупных городов России в интересах более 50 млн жителей [5]. Реализация данного проекта открывает возможности для развития инвестиционно-строительной сферы, в том числе путем создания умных городов, которые являются одним из источников повышения социально-экономического благополучия общества. В России на уровне государства принято решение строительство социальных и спортивных объектов, сметная стоимость которых выше 500 млн руб., осуществлять только с применением информационных проектных моделей [6].

В целях внедрения универсального системного «умного» подхода необходима разработка единого стандарта внедрения информационных технологий, что позволит установить единые требования и правила для всех участников инвестиционно-строительного процесса, в том числе для проектных и IT-компаний, готовящих решения для муниципалитетов.

Уже сегодня в России имеются значительные достижения в сфере организации цифрового производства, включая внедрение современных информационных интегрированных систем, инновационных технологий, цифровых фабрик и пр. Благодаря внедрению информационных технологий компаниями обеспечивается рост экономической эффективности, сокращение сроков проектирования и производства новой продукции, оптимизация различных бизнес-процессов. В научных источниках отмечается, что использование BIM-технологии способствует более устойчивому процессу строительного производства [20] (Marzouk, Azab, Metawie, 2018).

Следует отметить, что наиболее эффективно идет внедрение информационных технологий в сфере проектирования строительных объектов промышленного и гражданского назначения по системе BIM (Building Information Model), которая позволяет визуализировать в 3D-формате любые элементы и системы объекта, а также собирать и обрабатывать необходимую информацию: модели, эскизы, инженерные расчеты, применяемые материалы и пр. [9, 15] (Zhilin, Safaryan, 2020; Rybin, Ambaryan, Anosov, Galtsev, Fakhrotov, 2019). Реализация мер по внедрению данных технологий началась Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ в 2015 г. Ожидается, что применение BIM-технологии позволит существенно снизить расходы на строительство объектов в среднем на 30%, сократить время на рутинные проектные работы на 58%, повысить производительность труда при осуществлении проектных работ на 71% [7].

BIM-моделирование показало свою эффективность в процессе возведения сложных, насыщенных сетью коммуникаций и оборудованием технологических строительных объектов, при реализации комплекса расчетов по проектам со многими практическими задачами, связанными с выбором материалов и конструкций, а также с обоснованием объемов капиталовложений и текущих затрат. При применении BIM-технологии исключаются ошибки на стадии проектирования объекта, повышается эффективность взаимодействия всех участков производственного процесса, сокращается стоимость и сроки строительства, а также минимизируются различные производственно-финансовые риски и коллизии [6] (Dudin, Shkodinskiy, 2021).

BIM-технологии – это специальный программный продукт, позволяющий создавать цифровую модель объекта недвижимости в форме полного комплекса графической и текстовой информации в процессе разработки объекта от концепции до фактического состояния [8] (Eriza, 2017). Основная применяемая технология в BIM – это разработка трехмерной 3D-модели объекта. В зависимости от поставленных задач, система может быть дополнена такими векторами, как 4D (время), 5D (стоимость), 6D (эксплуатация). Модели, полученные с помощью BIM-технологии, в ближайшем будущем будут с успехом интегрированы с технологиями CIM (City Information Modelling), позволяющими получать точную цифровую копию всего городского пространства.

Описание возможностей BIM-технологии и уровней зрелости BIM-системы впервые было представлено в 2008 году в виде диаграммы Бью-Ричардса. На рисунке 1 представлена авторская интерпретация графика Бью-Ричардса.

Рисунок 1. Авторская интерпретация диаграммы Бью-Ричардса «Уровни зрелости BIM»

Источник: составлено авторами по: Анализ текущей ситуации на российском BIM-рынке в области гражданского строительства. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/company/nanosoft/blog/276587/ (дата обращения: 05.07.2022 г.); Технологии BIM: уровни зрелости. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=17484 (дата обращения: 06.07.2022 г.).

На текущем этапе требования, предъявляемые к третьему уровню зрелости BIM-моделей, весьма динамичны, они являются предметом постоянных дискуссий специалистов. Прогнозируется, что к 2025 году третий уровень зрелости BIM для социальных проектов строительства и реконструкции станет в нашей стране также обязательным. Кроме того, по нашему мнению, указанный уровень в крупных российских городах будет дополняться системами CIM (City Information Modelling), позволяющими создавать цифровых двойников не только отдельных объектов недвижимости с помощью системы BIM, но и цифровых двойников (точных цифровых копий) городских пространств мегаполисов.

Основными преимуществами BIM-моделирования являются следующие возможности:

- постоянное дополнение баз данных нетиповыми строительными элементами, различными обозначениями и пр.;

- совместная работа различных участников проектной деятельности;

- эффективный поиск коллизий и возможных ошибок, а также своевременное их устранение;

- создание любой формы проектно-сметной или бухгалтерской документации;

- параметризация – моделирование объектов при помощи параметров элементов цифровой модели и соотношений между элементами [8].

Конечным продуктом применения BIM-технологии является численная (цифровая), редактируемая и существующая в реальном режиме времени модель возводимого или реконструируемого объекта недвижимости.

Развитие BIM-технологии и применение информационного моделирования в процессе возведения или реконструкции объектов для российской инвестиционно-строительной сферы является одним из приоритетных направлений широкого внедрения информационных технологий и цифровизации инвестиционно-строительных процессов благодаря реализации крупных и сложных мегапроектов; внедрению принципов энергосбережения и энергоэффективности, а также осуществлению перехода на инновационные энергосберегающие, так называемые зеленые технологии; развитию системы управления объектами недвижимости, находящимися в государственной собственности, на основе современных информационно-технологических решений и пр.

Кратко охарактеризуем специфику различных методов BIM-технологии. В таблице приведены основные преимущества и недостатки различных методик сбора и обработки информации и построения цифровой модели объекта недвижимости.

Таблица

Основные преимущества и недостатки различных методик построения цифрового объекта недвижимости

В настоящее время в России формируется рынок информационного моделирования городского пространства и градостроительных единиц CIM (City Information Modelling). Для динамичного развития CIM-системы, разработки информационных CIM-моделей и заключения контрактов между государственными структурами, управляющими подведомственными территориями, и разработчиками информационных моделей городского пространства необходимо создание специальной нормативно-правовой базы. Ярким примером применения CIM-технологии в России является подписание CIM-контракта на разработку цифровой модели реконструкции улиц с одновременным строительством трамвайных линий в г. Екатеринбурге [10].

В перспективе применения CIM-технологии в России ожидается создание цифрового двойника города на базе актуальных данных и информации о работе городских систем хозяйствования при помощи различных датчиков и сенсоров, анализируемой в режиме реального времени с помощью алгоритмов искусственного интеллекта. В данном вопросе Россия опирается на накопленный мировой опыт. Цифровые двойники города уже разработаны и эффективно применяются в Сингапуре, Бостоне, Стокгольме, Хельсинки и других крупных мегаполисах мира. Данные цифровые платформы позволяют моделировать развитие городского пространства и эффективно управлять различными сферами города, к примеру, искусственный интеллект анализирует ситуацию на дорогах, информацию о качестве воздуха и уровне его загрязнения, а также данные о шумовом фоне мегаполиса.

Мировой объем капитальных вложений в рынок BIM и CIM-технологий к 2025–2026 гг. составит 15–16 млрд долл. США. [11] Центрами концентрации применения информационных технологий в строительстве считаются Северная Америка, Европа, страны Азиатско-Тихоокеанского региона. На рисунке 2 представлена динамика роста BIM-рынка в Российской Федерации с прогнозом на 2023 год.

Рисунок 2. Динамика развития BIM-рынка в России

Источник: построено авторами по: BIM-технологии: как уже сейчас повысить эффективность реализации проектов в сфере недвижимости? – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vc.ru/tedo/127061-bim-tehnologii-kak-uzhe-seychas-povysit-effektivnost-realizacii-proektov-v-sfere-nedvizhimosti (дата обращения: 06.07.2022 г.).

При помощи полученной авторами линии тренда можно прогнозировать увеличение объемов BIM-рынка к 2025 году до 190,3 млн долл. США.

Применение BIM-технологий в России на примере реконструкции объекта культурного наследия в г. Екатеринбурге

В современных условиях актуальной задачей в крупных российских городах является реконструкция и реставрация зданий, являющихся памятниками архитектуры прошлых эпох. Как показывает накопленный опыт, применение информационного моделирования зданий (BIM) в реставрационно-проектной деятельности позволяет получить целостное представление о форме объекта, детализировать его конструктивные и декоративные элементы, осуществлять быструю и качественную корректировку проектной документации, включая этап производства работ, проводить анализ конструкции при изменениях нагрузки и инженерного оборудования, выполнять точные расчеты ресурсов и эксплуатационных характеристик здания на основе его информационной модели и т.п. Наиболее перспективной технологией в комплексе с информационным моделированием зданий в реставрационно-проектной деятельности является лазерное сканирование. Данная технология позволяет получить точную геометрическую модель здания, являющуюся основой для создания информационной модели объекта.

Таким образом, обеспечивается высокая скорость (на 30% [12]) и уровень подготовки проектной документации, прогнозирование эксплуатационных характеристик, повышение качества и точности проектных работ за счет эффективного взаимодействия между участниками проектного процесса, полностью исключаются возможные ошибки и коллизии, а также снижение общей сметной стоимость проектных и строительно-монтажных работ на 30% [13].

Рассматриваемый проект реконструкции культурного наследия в г. Екатеринбурге был разделен на несколько этапов. Алгоритм реализации BIM-технологии представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Алгоритм разработки цифровой модели реконструируемого объекта культурного наследия

Источник: разработано авторами по: [1, 3, 18] (Butorin, Glavatskiy, 2020; Gorodnova, Shablova, 2019; Starozhuk, Krasnikova, Rusakova, 2008).

В процессе создания цифровой модели объекта необходимо решить следующие задачи:

· создание обмерной BIM-модели здания по облаку точек;

· создание проектной BIM-модели при реставрации объектов культурного наследия;

· определение новой концепции приспособления объекта культурного наследия;

· создание BIM-модели объекта культурного наследия;

· создание достоверного цифрового дубликата объекта в текущем состоянии (обмерной модели).

Важное условие продления жизни объекта культурного наследия заключается в его активном включении в жизнедеятельность современного города путем наделения практической функцией, предусматривающей насыщение здания необходимым инженерным оборудованием. Данный процесс включает в себя новые инженерные решения и дополнительные нагрузки на конструкции. В такой ситуации технология BIM позволяет визуализировать, симулировать и анализировать конструкции и сооружение в единстве в целях сохранения памятника как функционирующего в современных условиях целостного архитектурного объекта. Следует особо отметить возможность выполнения всех необходимых расчетов непосредственно после выполнения геометрических построений и создания модели.

На рисунке 4 представлены отдельные этапы осуществления BIM-моделирования объекта культурного наследия: результаты лазерного сканирования и получение цифровой модели стеновых ограждений первого и второго этажей.

Благодаря применению BIM-технологии в реконструкции объектов недвижимости обеспечиваются высокие скорость и уровень подготовки проектной документации, прогнозирование эксплуатационных характеристик, повышение качества и точности проектных работ за счет эффективного взаимодействия между участниками проектного процесса в строительной организации. Специалисты различного профиля могут одновременно работать с одной и той же моделью.

Рисунок 4. Лазерное сканирование объекта культурного наследия г. Екатеринбурга и моделирование конструкций первого и второго этажей

Источник: разработано авторами при помощи BIM-технологии.

Необходимо отметить, что цифровая трансформация инженерно-строительных и бизнес-процессов в инвестиционно-строительной сфере в России несколько отстает по сравнению с промышленными отраслями. Это обусловлено, прежде всего, наличием в строительстве нечетких технологий, невозможностью полной механизации и автоматизации проектных и строительно-монтажных работ, а также тем фактом, что в инвестиционно-строительной сфере массив информации не может накапливаться непрерывно, поскольку базы данных формируются и интегрируются на различных этапах технологического цикла реализации проекта возведения или реконструкции объекта [14].

Сегодня цифровые модели зданий и сооружений, поток данных, получаемый с датчиков безопасности, видеоматериалы, передаваемые со строительных площадок, являются основой формирования Big Data (больших баз данных) и источником информации для алгоритмических программ искусственного интеллекта, позволяют оптимизировать процессы проектирования, строительства или реставрации.

По статистике исследования МcKinsey Global Institute 2017 года, за рубежом всего 16% строительных компаний и предприятий производства строительных материалов постоянно применяют алгоритмы искусственного интеллекта. Анализ состояния инвестиционно-строительной отрасли в период 2017–2021 годов показал рост затрат на разработку и внедрение систем и программ искусственного интеллекта в рассматриваемой отрасли всего на 2%. [15]

На сегодняшний момент решения искусственного интеллекта успешно применяются в проектировании и дизайне, планировании инвестиционных проектов возведения или реконструкции объектов недвижимости, системах безопасности, а также эксплуатации, мониторинга и обслуживания объектов недвижимости. Сегодня также эффективно применяются различные информационные системы управления коммерческой и жилой недвижимостью с использованием smart-технологий, позволяющих существенно экономить энергетические ресурсы.

Заключение

В настоящее время, как за рубежом, так и в Российской Федерации, в условиях развития новых информационных технологий осуществляется процесс формирования действенных подходов к повышению эффективности и ресурсосберегаемости управления городским пространством, что связано с повышением эффективности проектирования, возведения и эксплуатации отдельных зданий, инфраструктуры и всего городского пространства в целом. Применение информационных технологий позволяет значительно повысить комфортность проживания жителей городов. Прогнозируемый экономический эффект заключается в снижении более чем в 2 раза общих издержек на проектирование и строительство жилых и инфраструктурных объектов с применением BIM-технологии [19] (Erk, Sudachenko, Timofeev, 2019). Одновременно возможен рост доходности 1 м² жилья на 20–25% [20] (Marzouk, Azab, Metawie, 2018). Кроме того, внедрение информационных и BIM-технологий позволит удовлетворить запрос общества на качественные комплексные услуги в сфере возведения и эксплуатации интегрированных зданий, которые отвечают потребностям пользователей информационного общества.

Подводя итоги, можно сделать вывод о том, что применение в России и за рубежом современных информационных методик организации, реализации и управления строительством и реконструкции объектов недвижимости, к которым следует отнести создание цифровых моделей объектов и системы искусственного интеллекта, позволяет существенно снизить капитальные вложения и сметную стоимость объектов недвижимости, а также сократить сроки окупаемости проектов. Применение автоматизированных программ и BIM-технологии способствует эффективной реализации сложных строительных мегапроектов.

Высокая социально-экономическая значимость новых информационных технологий и уровня инновационности в инвестиционно-строительной сфере является одним из эффективнейших экономических инструментов сокращения сроков строительства, снижения стоимости строительно-монтажных и иных работ, а также повышения качества строительства [21] (Zalama, Lerones, 2018). Таким образом, подтверждена гипотеза исследования, что технологии информационного моделирования являются новым импульсом при проектировании и реконструкции зданий и сооружений и могут предоставить множество возможностей для развития различных направлений инвестиционно-строительной деятельности в условиях формирования в России цифровой экономики.

[1]Отчет. Применение BIM-технологии в строительстве. Москва. 2016 г. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://webmaster.yandex.ru/siteinfo/?site=prombim.csd.ru (дата обращения: 05.07.2022 г.).

[2]В этом году Сингапур потратит на технологии «умного города» более 2 млрд долларов. – [Электронный ресурс] – режим доступа: https://www.ixbt.com/news/2020/03/25/v-jetom-godu-singapur-potratit-na-tehnologii-umnogo-goroda-bolee-2-mlrd-dollarov.html (дата обращения: 04.07.2022 г.).

[3]Интеллектуальные города. Умные города. Smart Cities – [Электронный ресурс] – режим доступа: http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Интеллектуальные_города_(Умные_города,_Smart_cities) (дата обращения: 05.07.2022 г.).

[4]Подписан меморандум о создании консорциума «Умный город». – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://digital.gov.ru/ru/events/37503/ (дата обращения: 07.07.2022 г.).

[5]Там же.

[6]BIM в России. Что его стимулирует, а что тормозит. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.cnews.ru/articles/2020-02-21_bim_v_rossiichto_ego_stimulirueta (дата обращения: 05.07.2022 г.).

[7]Отчет. Применение BIM-те. 2016 г. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://webmaster.yandex.ru/siteinfo/?site=prombim.csd.ru (дата обращения: 05.07.2022 г.).

[8]Параметрическая модель. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://steptosleep.ru/параметрическая-модель/ (дата обращения: 03.07.2022 г.).

[9]Проекты. 3DProScan. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://3dproscan.ru/projects/ (дата обращения: 03.07.2022 г.).

[10]BIM в России. Что его стимулирует, а что тормозит. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.cnews.ru/articles/2020-02-21_bim_v_rossiichto_ego_stimulirueta (дата обращения: 05.07.2022 г.).

[11]BIM в России. Что его стимулирует, а что – тормозит. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.cnews.ru/articles/2020-02-21_bim_v_rossiichto_ego_stimulirueta (дата обращения: 07.07.2022 г.).

[12]Отчет. Применение BIM-технологии в строительстве. Москва. 2016 г. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://webmaster.yandex.ru/siteinfo/?site=prombim.csd.ru (дата обращения: 05.07.2022 г.).

[13] Там же.

[14]Зобнина Т. Как технологии ИИ используются в проектировании и строительстве? – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.arendator.ru/articles/162070-kak_tehnologii_ii_ispolzuyutsya_v_proektirovanii_i_stroitelstve/ (дата обращения: 04.07.2021 г.).

[15] Там же.