Projekt okładki i stron tytułowych: Ireneusz Gawliński

Ilustracje na okładce: Shutterstock/Profit_Image

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Paweł Wielopolski

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN: Michał Latusek

Recenzenci: dr hab. inż. Adam Glema, prof. Politechniki Poznańskiej

dr hab. inż. Jerzy Weseli, em. prof. Politechniki Śląskiej

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl.

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020r. (Wydanie II, zmienione)

Warszawa 2021

ISBN: 978-83-01-21369-5

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

Przedmowa

1. Wprowadzenie

1.1. Wstęp

1.2. Ograniczenia tradycyjnego budownictwa

1.3. Cyfryzacja branży budowlanej

1.4. Rola BIM w cyfryzacji budownictwa

1.5. Odniesienia do strategii rozwoju Przemysł 4.0

1.6. Modele informatyczne i cyfrowe bliźniaki

1.7. BIM w infrastrukturze w innych krajach

1.8. Inspiracje i zakres monografii

2. Zarządzanie cyklem życia mostu

2.1. Filozofia zrównoważonego rozwoju

2.2. Zintegrowana analiza cyklu życia obiektów

2.2.1. Składowe analizy zintegrowanej

2.2.2. Analiza ekonomiczna, LCC

2.2.3. Analiza środowiskowa, LCA

2.2.4. Analiza społeczna, S-LCA

2.2.5. Integracja analiz cyklu życia

2.3. Analiza kosztów cyklu życia obiektów mostowych

2.3.1. Cykle życia obiektu mostowego

2.3.2. Ogólne założenia metodyki LCC

2.3.3. Modele degradacji mostu i okres analizy

2.3.4. Wskaźnikowa ocena efektywności ekonomicznej

2.3.5. Koszty jednostkowe przedsięwzięć mostowych

2.3.6. Podejście deterministyczne i probabilistyczne

2.4. Analiza środowiskowa obiektów mostowych, LCA

2.5. Przykłady analizy cyklu życia obiektów mostowych

2.5.1. Oprogramowanie wspomagające analizy cyklu życia obiektów mostowych

2.5.2. Analiza zintegrowana w ocenie wariantów rozwiązań projektowych

2.5.3. Analiza wielu obiektów

2.6. Modele BIM w zarządzaniu cyklem życia

3. Metodyka BIM i zagadnienia pokrewne

3.1. Ewolucja technik CAD w kierunku BIM

3.2. Wprowadzenie do metodyki BIM

3.2.1. Definicje BIM

3.2.2. Poziomy dojrzałości BIM

3.2.3. Wielowymiarowość BIM

3.2.4. Poziomy szczegółowości modelu BIM

3.3. Standardy i platformy wymiany danych BIM

3.3.1. Interoperacyjność narzędzi BIM

3.3.2. Koncepcja otwartych standardów BIM

3.3.2.1. Standaryzacja związana z BIM

3.3.2.2. Dane – Industry Foundation Classes, IFC

3.3.2.3. Procesy – Information Delivery Manual, IDM

3.3.2.4. Nazwy – Information Framework Dictionary, IFD

3.3.3. Procesy informacyjne i zarządcze BIM

3.3.3.1. Kluczowe dokumenty kontraktowe BIM

3.3.3.2. Wymagania informacyjne

3.3.3.3. Plany wykonania oraz dostarczania informacji

3.3.3.4. Role osób w metodyce BIM

3.3.4. Arkusze danych niegraficznych typu COBie

3.3.5. Platforma wymiany danych, CDE

3.3.6. Klasyfikacja budowlana zgodna z BIM

3.4. Zagadnienia i technologie powiązane z BIM

3.4.1. Szczupłe budownictwo (Lean Construction)

3.4.2. Zintegrowany proces inwestycyjny, IPD

3.4.3. Rzeczywistość wirtualna, poszerzona i mieszana, VR, AR i MR

3.4.4. Graficzne języki programowania, VPL

3.4.5. Projektowanie obliczeniowe i generatywne

3.4.6. Sztuczna inteligencja, AI

3.4.7. Monitoring stanu technicznego, SHM

3.4.8. Cyfrowe bliźniaki (Digital Twins)

3.4.9. Systemy informacji o terenie, GIS

3.4.10. Rekonstrukcja 3D i pojazdy UAV

3.4.11. Automatyzacja i robotyzacja

3.4.11.1. Mechanizacja robót budowlanych

3.4.11.2. Automatyzacja i roboty na budowie

3.4.11.3. Automatyzacja poza placem budowy

3.4.11.4. Techniki druku 3D

3.4.12. Zarządzanie zasobami (Asset Management)

3.5. Korzyści z użycia metodyki BIM

3.5.1. Poprawa dostępu i usprawnienie zarządzania informacjami

3.5.2. Zalety metodyki BIM w pracy zespołowej

3.5.3. Korzyści powiązane z cyklem życia mostu

3.5.4. Etap planowania i projektowania

3.5.5. Etap prac budowlanych

3.5.6. Etap użytkowania i utrzymania

3.5.7. Korzyści pośrednie – innowacje, procesy, ludzie

4. Mosty jako element infrastruktury liniowej

4.1. Metodyka BIM w budowlach kubaturowych i liniowych

4.2. Klasyfikacja mostów w kontekście BIM

4.3. Opis strukturalny mostu

4.3.1. Zasadnicze elementy składowe mostu

4.3.2. Hierarchiczna struktura danych w opisie mostu

4.3.3. Istniejące standardy opisu mostów

4.3.4. Propozycja hierarchicznej struktury danych opisujących most

4.4. Biblioteka elementów mostowych w formie parametrycznych modeli 3D

4.5. Technologie budowy mostów

4.5.1. Ewolucja metod budowy mostów

4.5.2. Prefabrykacja dźwigarów

4.5.3. Nasuwanie podłużne

4.5.4. Metody nawisowe (wspornikowe)

4.5.5. Metody budowy całych przęseł (przęsło po przęśle)

4.5.6. Mosty rozporowe z dźwigarami łukowymi i ramowymi

4.6. Wymagania dotyczące modelu BIM obiektu inżynierskiego

4.6.1. Proces modelowania i odpowiedzialność za model

4.6.2. Zawartość modelu i dane projektu

4.6.3. Poziom szczegółowości, LOD

4.6.4. Standaryzacja nazewnictwa plików

5. BIM w planowaniu i projektowaniu mostów

5.1. Podejście obiektowe w projektowaniu mostów

5.2. Praca zespołowa przy modelowaniu mostów

5.3. Planowanie wstępne i modele koncepcyjne

5.4. Narzędzia do tworzenia i analizy modeli mostów

5.5. Modelowanie geometrii mostów BIM 3D

5.5.1. Powiązanie geometrii mostu i drogi w projektach koncepcyjnych

5.5.2. Modelowanie podpór mostowych

5.5.3. Parametryzacja wybranych elementów ustroju nośnego

5.5.4. Generowanie dokumentacji 2D

5.6. Przykłady mostowych modeli BIM 3D

5.6.1. Obiekty drogowe o przekroju skrzynkowym z betonu sprężonego

5.6.2. Dwuprzęsłowe wiadukty drogowe z betonu sprężonego

5.6.3. Przebudowa i wymiana obiektów mostowych

5.6.4. Naprawa uszkodzonego przez pojazd stalowego wiaduktu dla pieszych

5.6.5. Obiekty kolejowe ze stalowymi przęsłami

6. BIM na budowie mostów

6.1. Wprowadzenie

6.2. Harmonogramy BIM 4D

6.2.1. Ograniczenia tradycyjnego podejścia do harmonogramów

6.2.2. Zalety metodyki BIM w planowaniu robót

6.3. Przedmiary i kosztorysy BIM 5D

6.3.1. Tradycyjne sposoby tworzenia przedmiarów i kosztorysów

6.3.2. Korzyści z wykorzystania modelu BIM

6.4. Cyfryzacja procesów budowy mostów

6.4.1. Urządzenia cyber-fizyczne na budowie

6.4.2. Wirtualne projektowanie i budowa, VDC

6.4.3. Koncepcja cyfrowej budowy infrastrukturalnej

6.4.4. Uwzględnienie technologii budowy mostów

6.5. Odbiór robót budowlanych i modele powykonawcze

6.5.1. Aktualne podejście do odbioru robót i dokumentacji powykonawczej

6.5.2. Modele powykonawcze związane z procesami BIM

7. Modele BIM w użytkowaniu infrastruktury mostowej

7.1. Wprowadzenie

7.2. Konieczność poprawy bezpieczeństwa obiektów i jakości inspekcji

7.3. Systemy gospodarowania mostami, SGM

7.3.1. Ewolucja narzędzi komputerowego wspomagania systemów SGM

7.3.2. Model BIM jako graficzna baza wiedzy o obiekcie

7.3.3. Przejrzysty proces zarządzania obiektem

7.4. Modelowanie uszkodzeń mostów

7.4.1. Stosowane metody opisu uszkodzeń mostów

7.4.2. Koncepcja hierarchicznej klasyfikacji uszkodzeń

7.4.3. Propozycja sposobu modelowania uszkodzeń w środowisku BIM

7.4.4. Poziomy szczegółowości modelu uszkodzenia klasy BIM

7.5. Ocena stanu technicznego mostów

7.5.1. Rola diagnostyki mostów w systemach SGM

7.5.2. Aktualne praktyki w inspekcji stanu technicznego mostów

7.5.3. Ewidencjonowanie wyników inspekcji

7.5.4. Nowe scenariusze pracy inspektorów mostowych

7.6. Wykorzystanie BIM w inspekcji mostów

7.6.1. Cyfryzacja procesu i wyników inspekcji

7.6.2. Aplikacje wspomagające inspekcje mostów

7.6.3. Propozycja polskiej aplikacji dla inspektorów mostowych

7.6.3.1. Ogólna prezentacja systemu Smart Bridge Inspector

7.6.3.2. Aplikacja stacjonarna

7.6.3.3. Aplikacja mobilna

7.6.3.4. Wyświetlanie modelu BIM i poszerzona rzeczywistość

7.6.4. Przykłady inspekcji mostów z użyciem cyfrowych technologii

7.6.4.1. Inspekcje mostów z użyciem mobilnej aplikacji

7.6.4.2. Identyfikacja uszkodzeń mostu z użyciem narzędzi do rekonstrukcji 3D

7.6.4.3. Wykorzystanie robotów inspekcyjnych

7.7. Innowacje i projekty badawcze w infrastrukturze

8. Zakończenie

8.1. Nowe regulacje związane z BIM

8.1.1. Powiązanie przepisów mostowych z metodyką BIM

8.1.2. Zagadnienia związane z prawami autorskimi

8.1.3. Cyfryzacja procesów i decyzji budowlanych

8.1.4. Cyfryzacja rynku zamówień publicznych

8.2. Elementy wdrożenia BIM w mostownictwie

8.2.1. Inicjatywy i promocja metodyki BIM w Polsce

8.2.2. Strategie wdrażania BIM

8.2.3. Budowanie świadomości w instytucjach infrastruktury

8.2.4. Oczekiwane cele wynikające z wdrożenia metodyki BIM

8.2.5. Propozycja najważniejszych działań

8.2.6. Edukacja i szkolenia z metodyki BIM

8.2.7. Rola projektów pilotażowych

8.2.8. Pierwszy projekt pilotażowy BIM w GDDKiA

8.3. Podsumowanie

Wykaz ważniejszych skrótów, pojęć i ich definicje

Bibliografia

Spis rycin, w których wykorzystano inne źródła niż własne

Przedmowa

Skrót BIM w ostatnich latach stał się jednym z najczęściej używanych zwrotów branży budowlanej na całym świecie. Dla jednych jest Świętym Graalem, który ma cudownie poprawić coraz gorsze wskaźniki produktywności tego sektora, gdyż nie wytrzymuje on już konkurencji z produkcją przemysłową. Dla innych jest pewną mrzonką i zwykłą ekstrawagancją, w której jacyś maniacy gier komputerowych chcieliby wprowadzić do tradycyjnych projektów budowlanych swoje trójwymiarowe modele i animacje.

Większość z nas słyszała zapewne o rozwinięciu BIM jako Building Information Modeling lub Management, czyli o modelowaniu lub zarządzaniu informacją o budowli. Ale na przykład funkcjonuje też rozwinięcie skrótu jako Better Information Management, czyli po prostu: lepsze zarządzanie informacją. Zostało ono sprytnie wykorzystane przez organizacje odpowiedzialne za infrastrukturę drogową, które w stosowanych u siebie systemach zarządzania również zaczynają adaptować elementy metodyki BIM. Wielu inżynierów w dalszym ciągu utożsamia BIM tylko z rozwinięciem technik CAD do trzeciego wymiaru i atrakcyjnymi wizualizacjami architektów, które faktycznie mają ograniczoną przydatność przy opisywaniu prętów zbrojeniowych i spoin albo nadzorowaniu brygad robotników na budowie. Tymczasem doświadczenia krajów, które mają najwyższy poziom implementacji BIM pokazują, że ta metodyka jest pierwszym i koniecznym krokiem w kierunku cyfryzacji, a w dalszych etapach również automatyzacji i robotyzacji branży budowlanej. Tego rozwoju nie da się już zatrzymać.

Te wszystkie nieporozumienia wokół BIM oraz pilna potrzeba budowania świadomości w krajowym środowisku osób odpowiedzialnych za rozwój i utrzymanie obiektów mostowych skłoniły mnie do studiów nad możliwościami wykorzystania tej metodyki również w inżynierii mostowej. Zaowocowały one najpierw serią wykładów na temat BIM, które wygłaszane były na wielu konferencjach i uczelniach w kraju i na całym świecie (Australia, Czechy, Niemcy, Rosja, Szwajcaria), a ostatecznie zakończyły się publikacją tej monografii. Obserwacja przemian w sektorze budownictwa najbardziej rozwiniętych krajów świata nie pozostawia wątpliwości co do potrzeby cyfryzacji procesów projektowania, prowadzenia budowy oraz zarządzania rosnącymi zasobami infrastruktury mostowej, które podlegają ciągłej degradacji.

Monografia ma charakter przekrojowy i interdyscyplinarny. Taka jest też specyfika metodyki BIM, w której znajdują się m.in. elementy systemów zarządzania i informatyki. A te rozwiązania i narzędzia przenikają niemal wszystkie dziedziny naszego życia, a nie tylko inżynierię lądową. Ich udział w przedsięwzięciach budowlanych będzie się tylko zwiększał, wymuszając jednocześnie na inżynierach mostowych ciągłe podnoszenie kompetencji i dostosowywanie się do nowych technologii. Widać to szczególnie teraz, w obliczu kryzysu, jaki spowodowała trwająca w trakcie pracy nad tą książką, epidemia. Właściwie z dnia na dzień okazało się, że projektanci nie mogą już przychodzić do swoich pracowni, a urzędnicy do swoich biur. Wszyscy muszą pracować zdalnie, korzystając z dostępu do internetu i rozwiązań chmurowych. Tymczasem takie założenia realizacji międzybranżowych projektów budowlanych są właśnie jednym z filarów metodyki BIM. W bardziej komfortowej sytuacji znalazły się więc podmioty, które zdążyły już wdrożyć u siebie niektóre z tych technik, a zwłaszcza współdzieloną platformę wymiany danych, gdzie mogą teraz kontynuować swoją pracę nad niedokończonymi projektami. Inni w pośpiechu próbują teraz nadrobić zaległości, co w obecnej sytuacji może być jeszcze większym wyzwaniem organizacyjnym.

Studia nad wykorzystaniem BIM w mostownictwie i opracowanie materiału do tej książki nie byłyby możliwe bez wsparcia grupy osób, które podzielały moje pasje i podejmowały się wspólnych działań i realizacji różnych projektów. Zarówno tych inżynierskich, w których powstawały modele BIM nowych obiektów mostowych, jak i badawczo-rozwojowych, podczas których wykonywane były rekonstrukcje 3D istniejących obiektów oraz badania nowych koncepcji parametryzacji modeli lub wykorzystania metodyki BIM w procesach zarządzania infrastrukturą mostową. Ta książka to również pokazanie w wielu miejscach potencjału, jaki tkwi w grupie doktorantów mostowych, którzy zdecydowali się na współpracę przy rozwijaniu metodyki BIM na potrzeby inżynierii mostowej.

Podziękowania należy zacząć od współpracowników z zespołu mostowego Politechniki Śląskiej, z którym autor jest związany już od 1990 roku. Przede wszystkim jest to prof. Jerzy Weseli, który od dawna inspiruje młodszych kolegów swoimi wizjonerskimi pomysłami. Jest dla mnie bardzo dużym autorytetem i wsparciem. To również dr Andrzej Radziecki ze swoją wyjątkową inżynierską rzetelnością i doświadczeniem oraz skrupulatnością, która pomogła wyeliminować z tekstu wiele merytorycznych i językowych niedoskonałości. Dziękuję doktorantom, którzy wykonali przy różnych okazjach wiele modeli różnych mostów i związanych z nimi grafik oraz algorytmów i zestawień, które znalazły się w tej książce. Szczególnie dotyczy to kolegów, których kolejno wymieniam: Marcin Jasiński, Kamil Korus, Tomasz Płaszczyk, Bartosz Wójcik i Mateusz Żarski. Kilka modeli i grafik powstało podczas realizacji studenckich projektów i prac dyplomowych, gdy na początku wspólnie ze studentami uczyliśmy się, jak modelować mosty narzędziami BIM.

Dużym wsparciem było również zaplecze osobowe spółki CADmost Projekt, którą od ponad ćwierć wieku prowadzę razem z moim wspólnikiem Adamem Silarskim. Pod koniec lat 90. wspólnie wprowadzaliśmy na rynek pierwszą wersję naszego programu BestCAD. Ten romantyczny czas programowania i innych działań, które być może dziś należałoby nazwać startupem, są już trudne do powtórzenia. Choć ówczesne wyzwania coś mi teraz przypominają. Wtedy uczyliśmy inżynierów, jak przesiąść się od deski kreślarskiej do komputera z systemem CAD. Daliśmy im więc narzędzie, które miało ułatwić ten proces. Po latach można powiedzieć, że się udało, a teraz czeka nas kolejne wyzwanie. Może nawet trudniejsze.

Dużym zadaniem i ciekawym przedsięwzięciem była realizacja projektu finansowanego ze środków Unii Europejskiej i Regionalnego Programu Operacyjnego dla województwa śląskiego. Tytuł projektu brzmiał „Wykorzystanie technologii BIM oraz poszerzonej rzeczywistości AR w planowaniu i inspekcji obiektów infrastruktury technicznej z użyciem mobilnej aplikacji InfraSmARt-Inspection” (projekt WNP-RPSL.01.02.00-24-0667/16-001-01). Te zagadnienia świetnie wpisują się w tematykę tej książki. Dlatego wiele wypracowanych w tym projekcie materiałów zostało tu wykorzystanych. Podziękowania składam programistom, Bartoszowi Bieniowi i Adamowi Wilkowi, ale przede wszystkim prof. Janowi Bieniowi z Politechniki Wrocławskiej. Jego koncepcje modelowania uszkodzeń obiektów mostowych oraz bogate doświadczenie z zakresu zarządzania infrastrukturą mostową zostały szeroko wykorzystane, zarówno w projekcie, jak i w książce, po której przeczytaniu profesor podzielił się ze mną wieloma cennymi uwagami i komentarzami.

Chciałbym również złożyć podziękowania za pomoc i życzliwość, jaką uzyskałem od pracowników GDDKiA Oddział w Katowicach. Są to panowie: dyrektor Marek Niełacny, naczelnik wydziału mostów Stanisław Łukasik oraz oddziałowy inspektor mostowy Grzegorz Kopeć. Ich wsparcie było bardzo pomocne w pracach nad rozdz. 2 i 7, gdzie dominowały problemy związane z zarządzaniem obiektami mostowymi. Za podobne zaangażowanie dziękuję Dariuszowi Simonowi z Zarządu Dróg Miejskich w Gliwicach. Z podziwem patrzyłem również na zaangażowanie i determinację pracowników Oddziału GDDKiA w Krakowie, gdzie realizowany jest teraz pierwszy pilotażowy projekt drogowo-mostowy w Polsce. Będąc w zespole konsultantów tego nietypowego kontraktu, zajmowałem się częścią mostową, która akurat tutaj była wyjątkowo wąska. Dziękuję Magdalenie Karolak, Małgorzacie Stryczek i Robertowi Jakubiakowi za zarażenie profesjonalizmem i entuzjazmem. Nie inaczej jest w przypadku pracowników centrali GDDKiA, Tomasz Stańczak i Krzysztof Dudziński również udzielali mi wsparcia.

Pisząc o pierwszym projekcie pilotażowym w GDDKiA, nie sposób nie wspomnieć o zespole fundacji EccBIM, czyli Europejskim Centrum Certyfikacji BIM. To była dla mnie wielka przygoda oraz duża dawka twardej, praktycznej wiedzy na temat BIM i związanych z tą metodyką standardów i procesów. Dziękuję więc głównie prezesowi Dariuszowi Kaszni, który wniósł również wiele uwag do książki, ale też dla pozostałych współpracujących ze mną osób: prof. Januszowi Bochatkiewiczowi z Politechniki Lubelskiej, dr. Jackowi Magierze z Politechniki Krakowskiej, prof. Tomaszowi Owerko z Akademii Górniczo-Hutniczej, Piotrowi Dudkowi ze Stowarzyszenia Techników Polskich w Wielkiej Brytanii, Maciejowi Kindlerowi, który (tak jak Piotr Dudek) pracował w tym czasie na kilku najważniejszych w Wielkiej Brytanii infrastrukturalnych kontraktach wykorzystujących metodykę BIM oraz oczywiście sekretarzowi generalnemu PZITB Wiktorowi Piwkowskiemu, którego od lat podziwiam za wyjątkową skuteczność i aktywność w promocji metodyki BIM w Polsce, ale też za znacznie wcześniejsze dokonania, gdy tworzył pierwszy w krajach postkomunistycznych oddział firmy Peri. Dziękuję również Jarosławowi Szczepankowi z firmy Fluor SA w Gliwicach.

Szczególne podziękowania adresuję do recenzentów tej książki: prof. Jerzego Weselego i prof. Adama Glemy z Politechniki Poznańskiej, których cenne uwagi miały wpływ na ostateczny kształt monografii i jej treść.

Za wsparcie i wyrozumiałość podczas ostatnich kilku miesięcy intensywnej pracy nad książką dziękuję mojej rodzinie, a zwłaszcza mojej żonie Wioli – za przejęcie wielu codziennych obowiązków, córce Magdzie – która angażowała się przy tworzeniu grafik, i synowi Wojtkowi – za pomoc w rozwiązywaniu komputerowych problemów.

Gliwice, 25 marca 2020 r.

1.

Wprowadzenie

1.1. Wstęp

Od pewnego czasu branża budownictwa infrastrukturalnego, w tym również mostów, bierze udział w przemianach związanych z wprowadzeniem do projektowania, budowy i utrzymania, nowoczesnej i wymagającej, cyfrowej technologii, nazywanej w skrócie BIM (Building Information Modeling). Zakres zmian w podejściu do projektowania oraz mentalności i przyzwyczajeń wszystkich uczestników procesu inwestycyjnego (zamawiający, projektanci, nadzór, wykonawcy) będzie znacznie większy niż przemiany związane z wprowadzeniem w latach 90. techniki CAD (Computer Aided Design). Tym razem o nieuchronności tego procesu przemian świadczą dodatkowo decyzje polityczne i to nie tylko na poziomach krajowych, ale również w skali całej Unii Europejskiej [1].

Rządy wielu krajów dążą do redukcji zużycia energii i zmniejszenia obciążenia środowiska przez branżę budowlaną oraz mają przy tym nadzieję na osiągnięcie znacznych oszczędności w sektorze zamówień publicznych. Budownictwo należy przecież do najbardziej energochłonnych i materiałochłonnych gałęzi gospodarki. Zużywa ok. 50% produkowanych materiałów i ok. 40% wytwarzanej energii, emitując przy tym blisko 35% gazów cieplarnianych [2, 3]. Budownictwo to olbrzymi rynek pracy dający zatrudnienie ludziom bezpośrednio lub pośrednio związanym z produkcją budowlaną lub usługami [4]. W naszym kraju pracuje w budownictwie blisko milion osób [5], a np. w USA aż sześć milionów [6]. Jednocześnie jest ono gałęzią, w której najwolniej zachodzą innowacyjne zmiany związane z automatyzacją i robotyzacją. Dlatego zainteresowanie tymi cyfrowymi rozwiązaniami zaczyna być zauważalne w coraz większej liczbie krajów i już nie tylko wśród gospodarczych liderów. Zdecydowanie wykracza już poza wąskie grono ekspertów związanych z dostawcami oprogramowania. Coraz chętniej korzystają z tych narzędzi projektanci i wykonawcy. Obserwuje się zwiększone zainteresowanie również wśród instytucji, agencji i spółek odpowiedzialnych za infrastrukturę transportową, energetyczną czy nawet wojskową.

Często pojawia się przy tym pytanie: czy powinniśmy włączyć BIM również do procesów inwestycyjnych i utrzymaniowych obiektów mostowych? Odpowiedź na to pytanie można powiązać ze znanym w świecie biznesu cytatem, mimo że pochodzi on z… lodowiska. Otóż Wayne Gretzky, legenda kanadyjskiego hokeja, w jednym z wywiadów powiedział: I skate to where the puck is going to be, not where it has been. Zatem powinniśmy być tam, gdzie krążek dopiero będzie, a nie tam, gdzie właśnie jest.

Ta prosta w słowach zasada jest jednak trudna w realizacji. Wymaga bowiem od nas dużej intuicji i podjęcia większego ryzyka niż pozostawanie przy dotychczasowych praktykach. To, co się obecnie dzieje wokół cyfrowej technologii BIM, trochę przypomina mknący z ogromną prędkością krążek, który odbijając się od zawodników i bandy, co chwilę zmienia kierunek. I wcale przy tym nie zwalnia. Być może wkrótce ten krążek nawet nie będzie się nazywał BIM. Nie ma to jednak większego znaczenia, bo najważniejszym słowem w zbitce Building Information Management jest informacja. A ta może przecież przybierać różne formy i może być na wiele sposobów wizualizowana i wykorzystywana.

Po przejściu naszego społeczeństwa z ery industrialnej do ery informacji, której filarami jest komputeryzacja i cyfryzacja, informacja stała się globalnym czynnikiem stymulującym dalszy rozwój. Już dziś jest dla nas jednym z podstawowych zasobów obok ziemi, kapitału i pracy. W tym kontekście można stwierdzić, że metodyka BIM, w dużym uproszczeniu traktowana jako narzędzie do przetwarzania i zarządzania informacją w budownictwie, wkrótce będzie nam towarzyszyć w nowych przedsięwzięciach mostowych i gospodarowaniu obiektami.

1.2. Ograniczenia tradycyjnego budownictwa

Na całym świecie uruchamiane są coraz większe i coraz bardziej ambitne projekty inwestycyjne. Często ich budżety wykraczają poza możliwości pojedynczych krajów. Sukces tych projektów uzależniony będzie w głównej mierze od poprawy zarządzania nimi oraz wprowadzenia wielu technologicznych innowacji. Kluczową innowacją będzie właśnie technologia BIM, która jest niezbędna do wprowadzenia pozostałych cyfrowych i cyber-fizycznych rozwiązań. Trzy zasadnicze czynniki określają charakter tych wielkich projektów:

1. Szybki wzrost inwestycji infrastrukturalnych.

2. Wręcz chroniczne przekroczenia terminów.

3. Zbyt niska produktywność całej branży budowlanej.

Wedle szacunków [7] w ciągu 15 lat nastąpi podwojenie wydatków na tzw. megaprojekty infrastrukturalne. Niestety, jak pokazują te same analizy, niemal 98% tych projektów kończy się w opóźnionym czasie (średnie opóźnienie wynosi ok. 20 miesięcy) i ze znacznym przekroczeniem zakładanego budżetu (wzrost nawet o 80% planowanej pierwotnie kwoty). Można wymienić wiele przyczyn tego stanu rzeczy, ale jedną z najważniejszych jest niska produktywność branży budowlanej na całym świecie. Najlepiej pokazują to nieudane inwestycje tradycyjnego i konserwatywnego budownictwa w niemieckim sektorze publicznym.

Na przykład budowę berlińskiego lotniska Brandenburg Airport planowano już w 1991 roku. Do realizacji przystąpiono jednak po 15 latach projektowania. Szacowano ukończenie inwestycji w październiku 2011 roku. Data ta była potem wielokrotnie przesuwana, a raport z 2017 roku wskazuje, że opóźnienie może sięgnąć nawet roku 2021. Jeśli chodzi o koszty budowy, to wzrosły one ponad trzykrotnie, z planowanych 2 mld do 7,3 mld euro [8]. Niewiele lepiej oceniana jest budowa dworca kolejowego w Stuttgarcie czy sali koncertowej Elbphilharmonie w Hamburgu. Dlatego w 2015 roku niemiecki rząd ogłosił powstanie specjalnej platformy budownictwa cyfrowego, w ramach której powołani eksperci i organizacje sukcesywnie opracowują krajowe strategie BIM i plan wdrożenia BIM do inwestycji publicznych.

Ryc. 1.1. Zmiany w wydajności budownictwa i innych gałęzi przemysłu (na podstawie [7])

Z analizy wykresu na ryc. 1.1 wynika, że od połowy XX wieku w USA widać wyraźny i ciągły wzrost wydajności pracy we wszystkich gałęziach przemysłu, ale bez uwzględnienia rolnictwa i budownictwa. Tymczasem w budownictwie w tym samym okresie zanotowano wręcz spadek wydajności [7]. Natomiast krzywa wzrostu liczby mieszkańców miast wskazuje na wciąż powiększającą się różnicę między wzrostem potrzeb budowlanych (zwłaszcza w zakresie infrastruktury) a zmniejszającą się efektywnością branży budowlanej. A te potrzeby będą tylko wzrastać. Na przykład nieformalne zrzeszenie 90 największych miast na świecie, czyli klub C40 [9], już dziś reprezentuje ponad 650 mln mieszkańców metropolii i niemal 25% całej światowej gospodarki. Megaprojekty infrastrukturalne w przyszłości dotyczyć więc będą głównie obszarów miejskich. Tam będą lokowane największe potrzeby inwestycyjne.

Najważniejszą przyczyną tego stanu rzeczy jest słaba organizacja i wadliwe zarządzanie całym procesem realizacji inwestycji. W szczególności chodzi o skuteczne zarządzanie informacją, która we współczesnym świecie ma kluczowe znaczenie dla efektywności wszystkich procesów. Brakuje też automatyzacji tych procesów, co zostało już dawno zastosowane w procesach opracowania układów (Product Development Process, PDP) mechanicznych i mechatronicznych na podstawie systemów klasy CAD/CAM. A to właśnie cyfryzacja i robotyzacja zrewolucjonizowała przecież inne gałęzie przemysłu.

Wystarczy przyjrzeć się zmianom linii produkcyjnych samochodów. Na rycinie 1.2 przedstawiono zmiany w procesach wytwórczych przez ponad sto lat rozwoju przemysłu maszynowego i budowlanego. Z lewej strony porównano dwie linie produkcyjne samochodów. Wprowadzenie zintegrowanych, cyfrowych procesów projektowania i wytwarzania CAD/CAM zupełnie zmieniło produkcję i to nie tylko samochodów. Na liniach produkcyjnych właściwie nie ma już ludzi, którzy zostali zastąpieni przez coraz bardziej zaawansowane roboty.

Na tym samym rysunku z prawej strony przedstawiono betonowanie żelbetowego stropu, które po stu latach wcale się nie zmieniło. Oczywiście nastąpiła poprawa BHP i zapewne jakości podstawowych materiałów budowlanych. Jednak technologicznie proces budowy w dalszym ciągu wygląda tak samo jak ponad sto lat temu. Przy takim podejściu do budowy poprawa efektywności, np. przez robotyzację i automatyzację, właściwie nie jest możliwa.

Ryc. 1.2. Zmiany w procesach wytwórczych po stu latach rozwoju przemysłu

Aby udało się przenieść niektóre działania i rozwiązania z branży przemysłowej do budownictwa, trzeba zacząć przede wszystkim od cyfryzacji procesów projektowania, realizacji, ale też utrzymania obiektów budowlanych. Trzeba bowiem pamiętać, że cykl życia budowli, zwłaszcza infrastruktury mostowej jest znacznie dłuższy niż większości maszyn i urządzeń.

Biorąc pod uwagę rzeczywistą wartość produkcji i usług związanych z budownictwem, która w skali gospodarki światowej wynosi ok. 10 bln dolarów rocznie [4], każde zwiększenie produktywności w tej branży powinno wygenerować znaczące korzyści. Szacuje się, że osiągnięcie przez przemysł budowlany wskaźników efektywności całej gospodarki, przyniosłoby roczny wzrost produkcji budowlanej o 1,6 bln dolarów, co skutkowałoby wzrostem globalnego PKB o 2% [7].

W wielu krajach na świecie podstawowym stymulatorem w budownictwie są inwestycje publiczne, a zwłaszcza infrastrukturalne megaprojekty. Szczególnie dotyczy to takich krajów jak Polska, gdzie rynek prywatnego inwestora nie jest jeszcze wystarczająco rozwinięty. Niestety według wielu analityków te inwestycje (najczęściej publiczne) są wciąż za mało efektywne. Wynika to głównie z braku wystarczającej transparentności, z ograniczonej i opóźnionej decyzyjności, ze złego zarządzania oraz z obawy przed zmianami i wprowadzaniem innowacyjnych rozwiązań.

Ryc. 1.3. Wskaźnik produktywności branży budowlanej na tle innych gałęzi gospodarki (na podstawie [10])

Na rycinie 1.3 przestawiono opracowany przez McKinsey Global Institute [10] w 2017 roku wykres, który powstał na podstawie analizy danych z lat 1995–2014. Znajdują się na nim trzy krzywe ilustrujące wzrost efektywności gospodarki światowej oraz dwóch wybranych gałęzi tej gospodarki, tj. przemysłu maszynowego i budownictwa. Wyraźnie widoczna jest pogłębiająca się przez ostatnie dekady różnica między efektywnością branży budowlanej a efektywnością reszty gospodarki. W skali świata można ją oceniać w bilionach dolarów, które mogłyby być zaoszczędzone na budowach będących realizacją coraz większej liczby megaprojektów w infrastrukturze. Jest to możliwe przede wszystkim przez poprawę zarządzania informacją, która we współczesnym świecie staje się kluczową wartością. Skala możliwych oszczędności jest tak duża, że wszyscy uczestnicy procesu inwestycyjnego mogą stać się beneficjentami metodyki BIM, której istotą jest przecież lepsze zarządzanie informacją o budowli.

W tradycyjnym procesie inwestycyjnym wielokrotnie dochodzi bowiem do utraty wielu informacji, co musi pociągać za sobą określone koszty. Na rycinie. 1.4 przedstawiono powtarzającą się konieczność pozyskiwania i wielokrotne straty informacji na poszczególnych etapach życia obiektu budowlanego. Nazwy tych etapów oraz ich liczbę należy traktować umownie, a ich dobór w tym przypadku wynika raczej z intensywności przepływu informacji. Związane z tym koszty mogą dotyczyć [11]:

• odtworzenia koniecznej informacji na kolejnym etapie,

• złych decyzji wynikających z niepełnej lub błędnej informacji,

• kolizji projektowych, montażowych, logistycznych,

• opóźnień w realizacji,

• nadmiernej ilości odpadów i nadmiernych zapasów,

• skutków społecznych lub środowiskowych.

Ryc. 1.4. Uzyskiwanie i utrata informacji na poszczególnych umownych etapach życia mostu

Z pewnością można stwierdzić, że budownictwo to sektor o strategicznym znaczeniu dla gospodarki każdego kraju. Dotyczy to zarówno potencjału produkcji, zużycia zasobów, potrzeb budowy, tworzenia miejsc pracy, jak i utrzymania przestrzeni publicznej. Jednocześnie jest to sektor gospodarki o najniższym poziomie cyfryzacji i o dużym poziomie stagnacji w zatrudnianiu wykwalikowanej siły roboczej. W procesach budowlanych występują pewne systemowe niedoskonałości, które wynikają m.in. z niskiego stopnia współpracy między uczestnikami procesu, słabego zarządzania informacją oraz niewystarczających inwestycji w nowe technologie, badania i rozwój. Niedociągnięcia te powodują niską efektywność wykorzystania środków (często publicznych) oraz wyższe ryzyko finansowe z powodu nieprzewidzianych przekroczeń budżetu, opóźnień w dostawie, wpływów środowiskowych lub zmian w dokumentacji projektowej.

Przy takich uwarunkowaniach metodyka BIM staje się skutecznym narzędziem poprawy produktywności i realizacji zasad zrównoważonego rozwoju w całym cyklu życia konstrukcji, zarówno w fazie projektowania, budowy, jak i podczas eksploatacji. Przykłady realizacji największych inwestycji infrastrukturalnych z użyciem BIM (np. CrossRail, Heathrow, obwodnica Sztokholmu, Thameslink London Bridge, Network Rail) w zestawieniu chociażby z tradycyjnie realizowaną budową berlińskiego lotniska uwidoczniło, jak duże znaczenie we współczesnym procesie inwestycyjnym ma skuteczne zarządzanie informacją.

1.3. Cyfryzacja branży budowlanej

Metodyka BIM jest jedną z najnowszych i najbardziej obiecujących osiągnięć branży architektury, inżynierii i budownictwa, które określa się skrótem AEC (Architecture, Engineering, Construction). W tym podejściu, zanim jeszcze zostanie wbita pierwsza łopata w terenie, najpierw powstaje dokładny, wirtualny model budowli BIM. Może on być wykorzystany na wszystkich etapach cyklu życia obiektu – do jego planowania, projektowania, budowy, utrzymania, remontów i wyburzenia. Model ten może służyć architektom, inżynierom i konstruktorom do wizualizacji, symulacji i różnych analiz tego wszystkiego, co ma być później zbudowane. W ten sposób można wyprzedzająco zidentyfikować potencjalne problemy projektowe, konstrukcyjne lub operacyjne. Model BIM w budownictwie może być wykorzystany również do tworzenia tzw. cyfrowych bliźniaków (digital twin), które to pojęcie funkcjonuje już w innych dyscyplinach, a rozwinięte zostało w pkt. 3.4.8.

Cyfryzacja budownictwa jest więc jedynie pierwszym (ale koniecznym) krokiem do automatyzacji i robotyzacji procesów budowlanych, bez czego nie uda się poprawić wyników ekonomicznych w tej branży. Chociaż technologia BIM na wielu przykładach z budownictwa kubaturowego wykazała już swoje zalety, to wciąż istnieje wiele trudności i ograniczeń we wdrożeniu jej na szeroką skalę przy budowie obiektów mostowych. Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest większa złożoność geometryczna konstrukcji mostów, ale też brak zrozumienia potrzeby stosowania, a nawet wizji możliwości, jakie daje korzystanie z inteligentnych modeli BIM w projektowaniu, budowie i zarządzaniu elementami tej infrastruktury.

Po kilku latach dyskusji i wielostronnych konsultacji ze środowiskiem branży budownictwa infrastrukturalnego na temat potrzeby wprowadzenia do projektowania, budowy i utrzymania technologii BIM, coraz częściej uświadamiamy sobie, że przemian związanych z cyfryzacją procesów budowlanych nie da się już zatrzymać. Są one konieczne, aby poprawić wciąż pogarszające się wskaźniki produktywności budownictwa względem innych gałęzi gospodarki, w których już nastąpiła i pogłębia się cyfryzacja otwierająca coraz to nowe możliwości. Takie opóźnienie wynika głównie ze zbyt małego poziomu automatyzacji i robotyzacji prac budowlanych oraz nieefektywnego zarządzania informacją. Trwająca na naszych oczach czwarta rewolucja przemysłowa (Industry 4.0) niewątpliwie dotknie również branżę budowlaną, ale musi się zacząć właśnie od wdrożenia cyfrowej technologii BIM. I nie chodzi tu tylko o budowanie atrakcyjnie wyglądających trójwymiarowych modeli naszych budowli, ale bardziej o gromadzenie i zarządzanie informacją o tych obiektach. W coraz bardziej złożonym świecie XXI w. to właśnie informacja i dostęp do niej stają się kluczowe. Przy czym ta informacja, aby była możliwa do wykorzystania, powinna być aktualna, kompletna, czytelna, dostępna oraz łatwa do modyfikacji i dobrze chroniona [12].

W ostatnim dziesięcioleciu nastąpiła duża zmiana w zakresie narzędzi do gromadzenia, analizy i reprezentacji danych, dzięki którym zarządca infrastruktury może usprawnić procesy decyzyjne dotyczące rozwoju i utrzymania swoich zasobów. We wszystkich cyklach życia obiektów infrastruktury (projekt, budowa, utrzymanie, modernizacja itd.) ich cyfrowe modele BIM w powiązaniu z metodyką zarządzania zasobami (Asset Management) mogą pomóc optymalizować i podnosić jakość działań utrzymaniowych (zob. pkt. 3.4.12). Jest to możliwe przez umieszczenie w centrum procesu decyzyjnego dotychczas trudno dostępnych informacji o właściwościach zasobów i ich składowych. Łatwo dostępne są dane np. o lokalizacji obiektu, użytych materiałach, geometrii, dokumentacji projektowej, specyfikacjach itd. Ale również informacje o aktualnym stanie technicznym wraz z określeniem poziomu degradacji i nośności.

W tym sensie rozwój procesów związanych z BIM osiągnął już wystarczający poziom dojrzałości i możliwe jest spełnienie wymagania dyrektywy europejskiej [1], która wprowadza możliwość używania w inwestycjach sektora publicznego tzw. elektronicznych narzędzi modelowania danych o budowli. Jednak w odniesieniu do obiektów liniowych pełne zastosowanie tych procesów BIM na odpowiednim poziomie dojrzałości nadal stwarza liczne trudności. Wynikają one przede wszystkim z opóźnienia przy tworzeniu stosownych standardów, które w budownictwie kubaturowym na świecie już funkcjonują. Brakuje wciąż narzędzi dostosowanych do specyfiki budownictwa infrastrukturalnego, a zwłaszcza złożonej geometrii obiektów mostowych.

Przemiany jednak już się zaczęły. Najwięksi inwestorzy tego sektora odpowiedzialni za infrastrukturę w wielu krajach, czyli odpowiednicy polskiej GDDKiA i PKP PLK SA, uruchomili swoje pierwsze projekty pilotażowe BIM (zob. pkt. 8.2.8). Wiodące firmy wykonawcze i projektowe rynku budowlanego tworzą porozumienia w sprawie wspólnych standardów BIM [13]. Z kolei twórcy oprogramowania intensywnie rozwijają możliwości swoich produktów o narzędzia dla infrastruktury. Kończą się też prace nad nowym wydaniem znormalizowanego formatu IFC, który będzie już zawierał liniowe obiekty infrastruktury, w tym również mosty.

1.4. Rola BIM w cyfryzacji budownictwa

O znaczeniu technologii BIM i cyfryzacji budownictwa świadczą liczne inicjatywy i struktury, które powstają na najlepszych uniwersytetach świata i z którymi związani są liderzy nie tylko przemysłu budowlanego, ale też globalne korporacje z branży IT. Na Uniwersytecie Stanforda powstał Center for Integrated Facility Engineering (CIFE) [14], które jest wiodącym na świecie, akademickim ośrodkiem badawczym zajmującym się budowlanymi projektami typu Virtual Design and Construction (VDC). Tworzy przy tym również stosowne kursy, jak choćby wykorzystanie sztucznej inteligencji w branży budowlanej. Inne podobne jednostki na świecie to np. Centre for Digital Built Britain w Cambridge [15] czy Institute for Digital Innovation in the Built Environment na London’s Global University (UCL) [16].

BIM zmienia tradycyjne procesy projektowania i budowy. Nie jest już dziś zupełnie nową i nieznaną metodyką, a wiele firm i organizacji stosuje ją z powodzeniem. Dzięki integracji tej technologii z nowymi narzędziami ekspertowymi, uczeniem maszynowym i logiką rozmytą coraz bliżej jesteśmy opracowywania nowych inteligentnych sposobów projektowania, budowania i utrzymania naszych obiektów infrastruktury. Inwestycje i przedsięwzięcia budowlane, dziś często jeszcze funkcjonujące w postaci ręcznie sterowanych i izolowanych procesów, powoli ewoluują w kierunku procesów coraz bardziej zintegrowanych i zautomatyzowanych. Liczne przykłady takich innowacji z przemysłu trafiają również do branży budowlanej, która wspólnie ze środowiskami akademickimi zaczyna odważniej korzystać z takich technologii jak przetwarzanie chmurowe, Internet Rzeczy, cyfrowe bliźniaki, druk 3D, wirtualizacja i robotyka.

Od kilku lat na świecie obserwuje się szybki rozwój innowacyjnych rozwiązań cyfrowych dla wielu branż gospodarki [11]. W gospodarkach wysoko rozwiniętych (np. USA, Wielkiej Brytanii i krajach skandynawskich) trend ten zaczyna pojawiać się również w procesach projektowania, realizacji, zarządzania i inspekcji obiektów budowlanych, a zwłaszcza należących do infrastruktury. W wielu krajach świata, w tym także wśród naszych najbliższych sąsiadów (Niemcy, Czechy) kończą się prace mające na celu przygotowanie budownictwa infrastrukturalnego do powszechnego wykorzystania technologii BIM. Polegają one przede wszystkim na tworzeniu (i to na poziomie rządowym) odpowiednich przepisów oraz upowszechnianiu wiedzy na temat nowych cyfrowych narzędzi w środowisku inżynierskim i modyfikacji programów nauczania akademickiego.

Obserwować można bardzo duże zainteresowanie metodyką BIM, choćby przez pryzmat wydawanych licznych podręczników [17, 18, 19] i artykułów poświęconych nie tylko praktycznym zastosowaniom, ale również strategiom nauczania [20, 21, 22], także w Polsce, choć na znacznie mniejszą skalę. W wielu przypadkach procesy te wspomagane są przez stowarzyszenia i fundacje promujące metodykę BIM, które publikują stosowne materiały szkoleniowe i podręczniki [12, 23] lub monografie będące zbiorem referatów konferencyjnych [24]. Dziekani z kilku wydziałów polskich uczelni, które kształcą w dyscyplinie inżynieria lądowa, zaprezentowali w 2017 roku wspólny raport zawierający ramową propozycję podstaw programowych do przedmiotów związanych z BIM [25]. Pod auspicjami Polskiego Związku Pracodawców Budownictwa, Polskiego Związku Inżynierów i Techników Budownictwa oraz Stowarzyszenia Architektów Polskich SARP eksperci z fundacji EccBIM oraz reprezentujący grupę największych rynku firm wykonawczych z krajowego rynku opracowali dokument, który nazwano BIM Standard PL [13]. Jest to pierwsze polskie, kompleksowe opracowanie, dające nadzieję na obranie właściwego kierunku standaryzacji procesów budowlanych, w których będzie wykorzystywane BIM. Projekt tego dokumentu w 2020 roku został skierowany do konsultacji branżowych.

W obliczu postępującej digitalizacji światowej gospodarki rozwój technologii informacyjno-komunikacyjnych ma kluczowe znaczenie także dla konkurencyjności w Europie [26]. Poprawa dostępności, funkcjonowania i jakości tych technologii to jeden z jedenastu celów tematycznych Polityki Spójności Unii Europejskiej na lata 2014–2020. Jednym z narzędzi wprowadzonych dla osiągnięcia tego celu jest dyrektywa Parlamentu Europejskiego [1] w sprawie zamówień publicznych, która umożliwia państwom członkowskim UE wprowadzenie w procesie zamówień publicznych obowiązku stosowania elektronicznych narzędzi modelowania danych budowlanych (technologię BIM) w obszarze inwestycji infrastrukturalnych.

W krajach bardziej rozwiniętych obowiązek stosowania BIM w zamówieniach publicznych albo już został wprowadzony (np. Wielka Brytania od 2016 roku), albo wkrótce będzie obowiązkowy (np. w Niemczech i Czechach). W nieodległym czasie BIM prawdopodobnie stanie się standardem również w Polsce. Ponadto zapis wprowadzający BIM do zamówień publicznych został już wpisany do nowelizacji Ustawy PZP [27]. Polskie Ministerstwo Infrastruktury już w 2017 roku zamówiło ekspertyzę [28], której celem była ocena możliwości wdrożenia technologii BIM w polskim budownictwie. Jednocześnie najwięksi polscy zamawiający GDDKiA i PKP PLK SA w 2018 roku zaczęli przygotowania do pierwszych pilotażowych projektów [29] na swoje inwestycje, które mają być realizowane zgodnie z technologią BIM.

Zgodnie z intencją ustawodawców z wielu krajów zastosowanie cyfrowej metodyki BIM może przyczynić się m.in. do optymalizacji planowania i realizacji budowlanych inwestycji publicznych, poprzez zintegrowanie procesu projektowania i budowy oraz usprawnienie zarządzania gotowymi obiektami. Według szacunków zastosowanie BIM będzie prowadzić do oszczędności na poziomie nawet 20% kosztów budowli w całym cyklu życia, co w skali całej Unii Europejskiej czy nawet Polski nie może pozostawać bez znaczenia.

1.5. Odniesienia do strategii rozwoju Przemysł 4.0

W latach 70. XX wieku w telewizji nadawany był – trochę zapomniany dzisiaj – serial „Kosmos 1999” (ryc. 1.5). W pierwszym odcinku główni bohaterowie przejmują dowództwo nad nowo zbudowaną bazą na Księżycu. Była, oczywiście jak zwykle w tego typu wizjach, bardzo wówczas nowoczesna, a do tego niedościgle estetyczna i zaskakująco funkcjonalna. Szkoda tylko, że mieliśmy wtedy jedynie czarno-białe telewizory, a serial nigdy nie doczekał się nowej wersji.

Ryc. 1.5. Wizja księżycowej bazy w serialu „Kosmos 1999” nadawanego w latach 70. XX wieku

Ciekawe jednak, czy ci, którzy pamiętają te obrazy zastanawiali się kiedyś, kto i w jaki sposób ją zbudował. Gdzie byli projektanci? Kto wygrał przetarg na głównego wykonawcę? Kto pełnił funkcję inspektora nadzoru, a kto był kierownikiem projektu? Jakie zastosowano materiały i technologie? Wewnątrz znajdował się reaktor jądrowy, więc być może był też beton. Zatem jaka była specyfikacja tego betonu? Zapewne znajdą się inżynierowie budowlani, którzy stwierdzą, że problemy budowania na Księżycu ich nie dotyczą. Mają swoje zadania tu i dzisiaj na Ziemi. Trzeba jednak mieć świadomość, że przygotowania do wypracowania zupełnie nowych technik budowania, które mogłyby się sprawdzić, np. na Marsie, już trwają (ryc. 1.6). A rezultaty z pewnością będą miały w przyszłości przełożenie na tradycyjne budownictwo. Od zawsze przemysł lotniczy i kosmiczny kształtował rozwój i adaptację nowych technologii również w inżynierii lądowej. Zresztą wcale nie musimy lecieć na Marsa, aby korzystać z budowlanych robotów. Wzrasta przecież ostatnio zainteresowanie budową w wielu trudno dostępnych obszarach również naszej planety (rejony pustynne lub górskie, budowle podwodne albo tereny arktyczne).

Ryc. 1.6. Wizje budowli na Marsie opracowane przez NASA

Inny serial, rodem z okresu PRL, kultowy „Czterdziestolatek”, przez pryzmat absurdów socjalistycznego systemu pokazał realia ówczesnego placu budowy, a występujące tam postaci w kaskach niestety na wiele lat wytworzyły w naszych umysłach niezbyt pozytywny stereotyp inżyniera budowlanego. Na szczęście stereotyp ten powoli odchodzi w zapomnienie. I oby tak też stało się w Polsce, gdzie przez 40 lat budowania socjalizmu mamy teraz wiele do nadrobienia. Na prawym zdjęciu z ryc. 1.7 stoi polski inżynier, który nadzoruje budowę największego na świecie, podziemnego skrzyżowania linii kolejowych – Crossrail w Londynie. Projekt i budowa tej olbrzymiej inwestycji realizowana była z wykorzystaniem metodyki BIM. Ale kiedy pod koniec lat 80. powstawały pierwsze już trójwymiarowe modele, ten skrót w budownictwie jeszcze nie funkcjonował.

Ryc. 1.7. Stereotypy w postrzeganiu inżyniera budowlanego

W Wielkiej Brytanii trwa budowa również szybkiego kolejowego połączenia Londynu z Birmingham, a dalej z Liverpoolem, Manchesterem i Leeds. Budżet tego megaprojektu o nazwie High Speed 2 sięga prawie 60 mld funtów, a planowany czas realizacji to 15 lat [30]. W ten sposób sieć naszej infrastruktury będzie się ciągle rozwijać. Będziemy mieli coraz więcej aktywów w postaci starzejących się mostów, którymi trzeba będzie zarządzać. Przy ciągłym ograniczaniu środków na utrzymanie zmusi to nas do wydłużania cyklu życia poszczególnych obiektów. A do tego wciąż trzeba będzie panować nad ich bezpieczeństwem. Pomocna w tym może być właśnie metodyka BIM, które podąża za trendami obecnych przemian związanych z automatyzacją i robotyzacją przemysłu.

Pamiętamy lekcje historii na temat rewolucji przemysłowej i maszyn parowych z końca XVIII wieku. Każdy następny umowny etap rozwoju przemysłu trwał już znacznie krócej (ryc. 1.8). Aż doczekaliśmy się czasu, w którym możemy obserwować, jak na naszych oczach wszystko przyspiesza. W 2011 roku rząd niemiecki ogłosił strategię rozwoju, którą nazwał Przemysł 4.0 (niem. Industrie 4.0). Jest to powiązanie automatyzacji, przetwarzania olbrzymiej ilości danych oraz inteligentnych technik wytwórczych [31]. Do tego jeszcze dochodzą systemy cyber-fizyczne (Cyber-Physical System, CPS), Internet Rzeczy (Internet of Things, IoT), przetwarzania chmurowe (Cloud Computing) oraz analiza olbrzymich zbiorów danych, którymi mogą być np. gromadzone wyniki z inspekcji tysięcy obiektów mostowych (Big Data). Ideą jest wizja nowoczesnej fabryki, która ma pozwalać na prowadzenie niemal całego procesu produkcyjnego z minimalnym udziałem ludzi. Nowe systemy zarządzania produkcją wykorzystujące wymienione wyżej elementy składowe umożliwią utworzenie swoistej „inteligentnej” fabryki, która będzie dostarczała produkty wedle indywidualnego zapotrzebowania. Będą to produkty szyte na miarę (tailored products).

Ryc. 1.8. Umowne etapy rozwoju przemysłu

Branża budowlana na całym świecie wykazuje duże opóźnienie, jeśli chodzi o wdrażanie nowych, cyfrowych technologii, automatyzacji czy robotyzacji. Trzeba jednak pamiętać, że rozwój wszystkich technik będzie musiał spowodować przemiany również w budownictwie. Przecież w Internecie Rzeczy do sieci będą przyłączane nie tylko pralki i lodówki, ale tak samo urządzenia i maszyny pracujące na budowie. Dlatego wiele światowych koncernów zainteresowało się właśnie branżą budowlaną, bo tu można jeszcze mocno zwiększyć zyski, budując więcej, szybciej i taniej oraz obniżając koszty utrzymania infrastruktury i wydłużając cykl życia jej elementów. Jednak żeby to wszystko osiągnąć, należy zacząć od powszechnego wdrożenia technologii BIM. Bez trójwymiarowych modeli i bez powiązania ich z cyfrową informacją na budowie, nie nastąpią żadne zmiany i trudno będzie mówić o innowacji w budownictwie.

Jednym z kolejnych wyznaczników obserwowanej przez nas obecnie rewolucji przemysłowej są tzw. systemy cyber-fizyczne. Są to mechanizmy kontrolowane lub monitorowane przez algorytmy komputerowe, które są ściśle zintegrowane z internetem i jego użytkownikami. Komponenty fizyczne i programowe w systemach CPS są ze sobą głęboko splecione i działają w różnych przestrzeniach czasowych i skalach. Przykłady takich systemów obejmują m.in. inteligentną sieć energetyczną, autonomiczne pojazdy, monitoring medyczny, systemy sterowania procesami, systemy robotyki, automatyczną awionikę, a nawet monitoring stanu technicznego, znany pod skrótem SHM (Structural Health Monitoring). Więcej na temat SHM napisano w pkt. 3.4.7.

Biorąc pod uwagę specyfikę budownictwa i to, że obszarem działania jest najczęściej niezagospodarowany teren, większe znaczenie w naszej branży będą miały mobilne systemy CPS posiadające zdolność zdalnej lub nawet autonomicznej pracy. Przykłady takich systemów obejmują mobilną robotykę, ale również układy elektroniczne transportowane przez ludzi lub zwierzęta. Wzrost popularności smartfonów znacznie zwiększył zainteresowanie i możliwości wykorzystania mobilnych systemów CPS. Są to oczywiście wszelkie urządzenia typu tablet i smartfon, ale również mogą to być inteligentne zegarki, kaski, okulary, soczewki kontaktowe. Grupa tych urządzeń nosi nazwę wearable devices, co sprawia spore trudności w tłumaczeniu na język polski. Można to tłumaczyć jako „ubieralne urządzenia” lub „urządzenia do noszenia”. Są też bardziej kreatywne i zabawne sformułowania, jak „elektroodzież” czy „sprytnonosze”. Najważniejsze wymagania stawiane tego typu urządzeniom to m.in.:

• znaczące zasoby obliczeniowe, takie jak zdolność przetwarzania i lokalna pamięć masowa,

• wiele urządzeń wejścia i wyjścia sensorycznego, takich jak ekrany dotykowe, kamery, moduły GPS, głośniki, mikrofony, żyroskopy, czujniki światła, akcelerometry, czujniki zbliżeniowe,

• wiele mechanizmów komunikacyjnych, takich jak Wi-Fi, 3G, EDGE, Bluetooth do łączenia urządzeń z internetem lub z innymi urządzeniami,

• języki programowania wysokiego poziomu, które umożliwiają szybki rozwój oprogramowania mobilnego i z łatwo dostępnymi mechanizmami dystrybucji aplikacji,

• trwałość i niezawodność oraz wygodne i szybkie podtrzymywanie zasilania.

W zasadzie wymagania te w pewien sposób spełnia spora grupa powszechnie dostępnych smartfonów, które przecież obecne są również na budowach, choć być może jeszcze nie zawsze w roli narzędzia budowlanego. Niestety użytkownicy tej klasy systemów CPS, jakimi są smartfony, nie mają wprost możliwości zobaczenia i manipulacji pozyskiwanymi informacjami z bazy wiedzy, które potrzebne są do podejmowania decyzji dotyczących procesów i fizycznego świata, który ich otacza. Potrzebne jest specjalne oprogramowanie, które rozwinie możliwości ich urządzenia. Bez niego inżynier na budowie nie zobaczy trójwymiarowego modelu budowli nałożonego na teren i nie sprawdzi, czy dotychczas zbudowane elementy są zgodne z projektem. Może jedynie wykorzystać swój tablet do pobrania odpowiedniej części projektu, żeby później „umysłowo” porównywać rysunki wyświetlane na ekranie z otaczającą go rzeczywistością. W ten sposób pojawiają się błędy z powodu rozbieżności między informacjami świata fizycznego i cybernetycznego.

Znacznie lepszym rozwiązaniem może być zastosowanie technik tzw. poszerzonej rzeczywistości AR (Augmented Reality). AR jest sposobem wizualizacji informacji cybernetycznych na tle obrazów fizycznych i manipulacji cybernetycznymi informacjami poprzez interakcje z obiektami świata rzeczywistego. Mogą one uzupełniać i jednocześnie wykorzystywać opisaną wcześniej technologię BIM. Techniki AR, jako przykład technik komputerowych stosowanych do wspomagania człowieka w trakcie realizowania przez niego różnych czynności [32], są niezwykle obiecujące i trudno dziś przewidzieć wszystkie jej przyszłe zastosowania. W przeciwieństwie do lepiej znanej wirtualnej rzeczywistości VR (Virtual Reality), w której użytkownik jest całkowicie zanurzony w środowisku wirtualnym, rzeczywistość poszerzona albo też rzeczywistość mieszana MR (Mixed Reality) daje swobodę działania w środowisku rzeczywistym przy możliwości wzbogacania percepcji człowieka za pomocą wirtualnych obiektów lub doznań (dźwięk, dotyk). Więcej na ten temat napisano w pkt. 3.4.3.

Branża budowlana już się zaczęła zmieniać zgodnie z tendencjami strategii Przemysł 4.0. W wytwórniach konstrukcji stalowych stosowane są roboty do prac warsztatowych i automaty spawalnicze. W zakładach prefabrykacji automatyczne giętarki prętów i roboty do montażu zbrojenia. Mamy już zdalnie sterowane maszyny do robót ziemnych, których operator może znajdować się wiele kilometrów od obsługiwanego urządzenia. Wkrótce wejdą do użytku maszyny autonomiczne, które nie będą już miały operatorów i nadzorowane będą przez komputery z wykorzystaniem dronów. W sprzedaży są roboty wyburzeniowe, roboty do murowania i brukowania. Trwają prace nad mobilnymi klatkami zbrojarskimi, które będzie można przewozić na kolejne budowy. Wszystko po to, żeby proces budowania trwał bez zbędnych przerw i bez względu na pogodę. Mamy już pierwsze drukowane domy i mobilne drukarki betonu, a znane koncerny pracują nad egzoszkieletami dla robotników na budowie, które jako mocowane na zewnątrz ciała powłoki będą wzmacniać siły mięśni przy trudnych pracach budowlanych. Więcej o automatyzacji i robotyzacji można znaleźć w pkt. 3.4.11.

1.6. Modele informatyczne i cyfrowe bliźniaki

Modelowanie w inżynierii i budowanie rozmaitych modeli umożliwiających przedstawienie i analizowanie rzeczywistości (rzeczywiste obiekty) jest już pewnie tak stare jak sam zawód inżyniera. Ale aż tak daleko nie trzeba sięgać. Ponad pół wieku temu ludzie po raz pierwszy wylądowali na Księżycu. To właśnie przy okazji programu Apollo pojawiło się pojęcie cyfrowego bliźniaka (digital twin). Wysłana wówczas w kosmos rakieta (ryc. 1.9) miała swój odpowiednik w postaci pewnego modelu. Inżynierowie NASA wykorzystali go w 1970 roku do rozwiązania problemów technicznych i ratowania załogi Apollo 13.

Ryc. 1.9. Ogólna idea cyfrowego bliźniaka w odniesieniu do rakiety kosmicznej

W drugiej połowie ubiegłego wieku modele informatyczne w żaden sposób nie mogły przypominać współcześnie stosowanych modeli w wirtualnej rzeczywistości, ale były już pewnym sensie uniwersalnymi obiektami formalnymi, których definicja wynikała z zasad przyjętych w programowaniu obiektowym. Taki obiekt zbudowany jest z obiektów, które tworzą jego atrybuty. Dzięki temu jedną uniwersalną konstrukcją formalną można opisać cały system oraz jego poszczególne składowe.

Jeden z pierwszych przykładów takiego uogólnionego modelu mostu został utworzony przez Jerzego Weselego w 1987 roku. W swojej monografii opisuje on podstawy teoretyczne modelowania systemu most – środowisko (ryc. 1.10). Możliwości implementacji takiego modelu w tym czasie były jeszcze bardzo ograniczone. To były przecież dopiero początki podejścia obiektowego w informatyce. Jednak założenia i definicja tego modelu bardzo przypomina dziś definicję modeli BIM, których zadaniem jest przedstawienie zapisanych cyfrowo fizycznych i funkcjonalnych właściwości obiektu budowlanego. Zgodnie z założeniami pracy [33] ujednolicony model miał umożliwić „ciągłą analizę mostu od chwili rozpoczęcia jego budowy do zakończenia użytkowania”. Uwzględniał więc cały cykl życia budowli, a także pozwalał na „analizę procesów biegnących przy udziale przypadkowego oddziaływania niejednorodnego środowiska mostu”. W ten sposób możliwa była symulacja złożonego procesu życia konstrukcji poprzez wielokrotne transformacje obiektu. Poczynając od jego utworzenia (projekt i budowa), przez kolejne zmiany stanu, aż do unicestwienia.

Ryc. 1.10. Most w powiązaniu ze swoim środowiskiem tworzący razem pewien system, czyli jedna z pierwszych wizji cyfrowego bliźniaka mostu z 1987 roku [33]

Podobieństwa do współczesnej definicji modelu BIM są bardzo wyraźne. Mamy przecież do czynienia z modelami informacyjnymi, pełnym cyklem życia budowli, analizą oddziaływania przypadkowych procesów i wpływów zewnętrznych i wewnętrznych układu oraz oczywiście wykorzystane jest podejście obiektowe.

Współczesne możliwości w zakresie mocy obliczeniowych, struktur danych i efektywności algorytmów pozwoliły na utworzenie nowej koncepcji cyfrowego bliźniaka, przez niektórych nazywane także cyfrowym cieniem. Jest to cyfrowy (wirtualny) model urządzeń, procesów, a nawet osób. Do budowy cyfrowych bliźniaków wykorzystuje się algorytmy uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji, co pozwala zapewnić dynamiczną cyfrową reprezentację jej fizycznych pierwowzorów. Nie byłoby to możliwe bez złożonych układów sensorycznych, które rejestrują wewnętrzne i zewnętrzne wpływy na fizyczny obiekt. W ten sposób ciągle poprawia się bazę wiedzy na temat danego obiektu, która może również pochodzić z wcześniejszych zastosowań danej maszyny czy oceny zachowań organizmów żywych. Cyfrowe bliźniaki najczęściej stosowane są obecnie do symulacji działania turbin wiatrowych lub silników lotniczych. Wykorzystuje się tę technologię do tworzenia wirtualnych modeli w celu monitorowania i diagnozowania fizycznych zasobów, optymalizowania działania oraz prognozowania wydajności i trwałości.

Pojęcie cyfrowych bliźniaków pojawia się też w publikacjach dotyczących zarządzania infrastrukturą [34] oraz mostów [35], co zapewne w przyszłości będzie podstawą do prac nad nową generacją systemów gospodarki mostowej [36]. Więcej na ten temat napisano w pkt. 3.4.8.

1.7. BIM w infrastrukturze w innych krajach

W innych krajach wdrażanie metodyki BIM w infrastrukturze odbywa się z różną intensywnością i skutecznością. Niewątpliwie można stwierdzić, że liderami są kraje powiązane bezpośrednio z gospodarką Wielkiej Brytanii lub będące z nią w bliskich relacjach. Chodzi tu więc głównie o kraje skandynawskie oraz zamorskie społeczności, jak Singapur i Hongkong. Oprócz tego wyraźne postępy można zauważyć w takich krajach jak Niemcy, Holandia, Francja oraz Czechy. Nie bez znaczenia są prace nad wdrożeniem BIM w Rosji, która będąc obecnie w branży budowlanej wyjątkowo szybko rozwijającą się gospodarką, również może zacząć traktować pozyskaną wiedzę jako element strategii ekspansji w krajach ościennych.

Takie podejście do BIM i wykorzystanie go do tworzenia eksportowych produktów i usług było już akcentowane w Wielkiej Brytanii, gdy trwała dyskusja nad wprowadzeniem w 2016 roku obowiązkowego stosowania BIM (mandatory BIM) w brytyjskich zamówieniach publicznych. Między innymi dlatego za lidera we wdrażaniu BIM uważa się właśnie Wielką Brytanię. Decyzja ta została poprzedzona wieloletnimi przygotowaniami całego środowiska inżynierskiego oraz pracami instytucji rządowych, które przygotowały podstawy wdrożenia i wszelkie potrzebne standardy w postaci rozporządzeń, norm i wytycznych. Choć pewnie nie wszystko zakończyło się pełnym sukcesem, to branża budowlana Wielkiej Brytanii jest dziś na zupełnie innym poziomie wdrożenia cyfrowych technologii w budownictwie niż inne kraje europejskie. Poza tym najszybciej rozwijają się pod tym względem kraje skandynawskie, które szczególnie wyspecjalizowały się w projektach infrastrukturalnych.

Na rycinie 1.11, wedle subiektywnej oceny autora, zilustrowany został poziom implementacji metodyki BIM w wybranych krajach Europy. Jak wcześniej zauważono, w wielu tych państwach zakłada się wykorzystanie swojej przewagi technologicznej, która ma polegać na skutecznym wdrożeniu technologii BIM w branży budowlanej na potrzeby późniejszej ekspansji eksportowej usług budowlanych (projektowych, doradczych, wykonawczych, utrzymaniowych). Chodzi głównie o przejmowanie europejskich kontraktów na projektowanie, budowę i utrzymanie obiektów infrastruktury, które w przyszłości będą realizowane już z koniecznością stosowania cyfrowych narzędzi.

Ryc. 1.11. Subiektywne przedstawienie poziomu implementacji BIM w wybranych krajach Europy

BIM dla infrastruktury najszybciej rozwija się w tych krajach, które jednoznacznie czasowo określiły swoje wymagania w tym zakresie. Chodzi tu np. o Niemcy i Czechy. Zamierzają one wprowadzić obowiązkowy BIM w projektach infrastrukturalnych już w 2020 roku. O ile gospodarka niemiecka może być dla Polski wzorem do naśladowania i ciągłego dostosowywania, to czeska powinna być składową wspólnego i skoordynowanego rozwoju. Tak przynajmniej wynika ze specyfiki i historycznych zaszłości obu sąsiadujących krajów, ale też z procesów integracyjnych w ramach Grupy Wyszehradzkiej. Dlatego warto obserwować działania rządu Republiki Czeskiej [37, 38] oraz czeskiego środowiska inżynierów przy wdrażaniu BIM w inwestycjach infrastrukturalnych.

Koncepcja wdrożenia BIM w publicznych inwestycjach (ryc. 1.12) została opracowana na podstawie specjalnej rezolucji rządu w sprawie znaczenia metodyki BIM dla praktyki budowlanej w Czechach. Czeski rząd wyraził poparcie dla wdrożenia BIM, biorąc pod uwagę jej wpływ na wzrost gospodarczy i konkurencyjność na europejskim rynku. Odpowiedzialnym za wdrożenie jest czeskie Ministerstwo Przemysłu i Handlu przy wsparciu innych ministerstw. W opracowaniu koncepcji wdrożenia BIM uczestniczyło również Ministerstwo Transportu, Państwowy Fundusz Infrastruktury Transportowej oraz eksperci specjalnie powołanej Rady ds. BIM.

Zasadniczym mottem działania czeskiej społeczności w tym zakresie było stwierdzenie, że wprowadzenie metodyki BIM pozwoli zaoszczędzić na kosztach budowy, przebudowy i eksploatacji obiektów infrastruktury. Z przeprowadzonej przez czeskie Ministerstwo Przemysłu i Handlu analizy poziomu zainteresowania i stanu wdrożenia BIM w wybranych krajach Unii Europejskiej (tab. 1.1) wynika, że dość duże zróżnicowanie w podejściu do tego problemu uzależnione jest przede wszystkim od stopnia rozwoju rynku budowlanego danego kraju.

Ryc. 1.12. Etapy wdrażania metodyki BIM w Republice Czeskiej

Tab. 1.1. Poziom zainteresowania i wdrożenia BIM w wybranych krajach Europy

Kraj

Początki

Rodzaj inwestycji

Komentarz

Wsparcie finansowe

Czechy

2011

budynki

Obowiązkowo w zamówieniach publicznych od 2020 r. Rządowa koncepcja wdrożenia BIM razem z e-administracją

brak danych

infrastruktura

Ministry of Public Works

Dania

2007

budynki

Obowiązkowo w zamówieniach publicznych powyżej 2,7 mln EUR od 2011 r.

brak danych

infrastruktura

Byggeri Informationsteknologi Produktivitet Samarbejde, The Palaces and Properties Agency, The Danish University a Property Agency and Defence Construction Service

Finlandia

2001

budynki

Koncentruje się na budynkach administracji publicznej i ich zarządzaniu. Obowiązkowe od 2007 r.

brak danych

2015

infrastruktura

BIM jest częścią planu cyfryzacji transportu w latach 2016–2018. Wymagania nazwane InfraBIM

Senaatti Properties, Finnish Transport Agency

Francja

2015

budynki

Prace koncentrują się na pokazywaniu dobrych praktyk, a od 2017 r. również na ocenie pilotażowych projektów

20 mln  EUR przez 3 lata

infrastruktura

Plan Transition Numerique dans le Batiment

Hiszpania

2016

budynki

Opóźnienia w strategii rządowej z 2015. Obowiązkowo dla budynków od 2018 r., a dla infrastruktury od 2019 r.

brak danych

infrastruktura

Ministry of Public Works

Holandia

2010

budynki

Obowiązkowo w zamówieniach publicznych powyżej 10 mln EUR od 2011 r.

brak danych

infrastruktura

Dutch Building Information Council (BIR)

Central Government Real Estate Agency (Rgd Standard for Building Information Modelling)

Niemcy

2015

budynki

Główny nacisk na infrastrukturę. W latach 2017–2020 realizowane mają być tylko projekty pilotażowe. Obowiązkowo we wszystkich zamówieniach publicznych od 2020 r.

30 mln EUR na projekty pilotażowe

infrastruktura

Platform Digitales Bauen

Norwegia

2007

budynki

Obowiązkowo w zamówieniach publicznych od 2010 r.

brak danych

infrastruktura

Stattsbygg, Norwegian Public Roads i National Rail Administration

Wielka Brytania

2011

budynki

Inicjatywy podejmowanie na szczeblu rządowym. BIM Level 2 jest obowiązkowy od 2016 r. Lata 2017–2020 przeznaczone są na pilotażowe projekty w ramach programu Digital Build Britain. Trwają prace nad BIM Level 3.

brak danych

infrastruktura

BIM Task Group, RIBA (Royal Institute of British Architects)

1.8. Inspiracje i zakres monografii

Wieloletnie tradycje i praktyczne doświadczenie pracowników zespołu mostowego Politechniki Śląskiej w zakresie wykorzystania technologii informatycznych do modelowania obiektów mostowych, a zwłaszcza wizjonerskie koncepcje (ryc. 1.10) mentora, jakim dla tego zespołu był i jest prof. Weseli [33], stały się inspiracją do prac nad wykorzystaniem metodyki BIM w różnych obszarach mostownictwa oraz napisania tej monografii. Nie bez znaczenia było również ponad dwudziestoletnie zaangażowanie autora w programowanie narzędzi wspomagających projektowanie mostów technikami CAD, a w szczególności opracowanie popularnego w środowisku projektantów mostowych programu BestCAD [39], który dziś rozwijany jest już przez młodszych kolegów.

Pod koniec lat 90., gdy BestCAD doczekał się komercyjnej wersji i był wykorzystywany przy projektowaniu pierwszych współczesnych wiaduktów z betonu sprężonego na opolskim odcinku autostrady A4 [40], modelowanie trójwymiarowej geometrii budowli traktowane było jako fanaberia. Architekci dopiero zaczynali pokazywać swoje pierwsze wizualizacje, które miały niewiele wspólnego z dzisiejszymi modelami BIM, a konstruktorzy poszukiwali jedynie sprawnych narzędzi CAD, które pozwoliłyby im usprawnić prace przy tworzeniu dokumentacji rysunkowej żelbetowych i stalowych konstrukcji. Wszyscy powoli przesiadali się od desek kreślarskich do monitorów i komputerów z oprogramowaniem CAD.

Mało kto jednak próbował wykorzystywać już wtedy dostępny trzeci wymiar tych programów. Procesory, interfejsy i algorytmy były wówczas zbyt słabe, aby można było swobodnie manipulować obiektami 3D. Poza tym nigdy nie doczekaliśmy się w naszym kraju normalizacji rysunków CAD (nazwy warstw, kolory, style wymiarowania itd.), jak stało się choćby w Wielkiej Brytanii czy USA. Te normy stały się potem podstawą opracowania standardów BIM, z których dziś zaczyna korzystać cały świat.

Jak zauważył to trzykrotny doktor honoris causa, prof. Kazimierz Flaga, postęp w inżynierii budowlanej rodzi się właśnie w mostownictwie [41]. Rozwiązania proponowane przez inżynierów mostowych są potem wdrażane do pozostałych gałęzi budownictwa. Chodzi między innymi o nowe techniki modelowania i analizy, nowe materiały i rozwiązania konstrukcyjne oraz sposoby posadowienia, innowacyjne technologie budowy i organizacji pracy. A do tego mosty stają się po prostu ikonami miast i całych regionów. Akurat w przypadku metodyki BIM to inżynieria mostowa musi nadrobić pewne opóźnienia w stosunku do budownictwa kubaturowego. Próba zdiagnozowania przyczyn tej sytuacji znajduje się w rozdz. 4. To też był kolejny powód do napisania książki przeznaczonej właśnie dla środowiska inżynierów mostowych. Polski rynek publikacji na temat BIM jest wciąż bardzo ubogi, a w odniesieniu do mostów jest to pierwsza tak obszerna monografia. Ma ona charakter interdyscyplinarny i przekrojowy, bo oprócz zagadnień inżynierii lądowej, a właściwie nieco węższej inżynierii mostowej, zostały również:

• poruszone kwestie ekonomiczne i środowiskowe z analizami kosztów cyklu życia i wpływu obiektów mostowych na środowisko i społeczeństwo,

• pokazane rozwiązania informatyczne, które dotyczą oczywiście głównie samej metodyki BIM z dedykowanymi jej narzędziami, ale jest też wiele innych technologii i urządzeń, które wykorzystują lub wspomagają cyfrowe modele (GIS, VR, AR, cyfrowe bliźniaki, skaning laserowy, fotogrametria oraz różne urządzenia cyber-fizyczne),

• przedstawione problemy zarządzania i to w wielorakim zastosowaniu, bo znaleźć można tu elementy zarządzania projektami (realizacja projektów inwestycyjnych z użyciem BIM), zasobami (asset management i gospodarka mostowa) i procesami (projektowymi, budowlanymi, utrzymaniowymi),

• pokazane liczne przykłady mechanizacji, automatyzacji i robotyzacji budownictwa (maszyny sterowane autonomicznie, druk 3D, nowoczesna prefabrykacja).

W treści można dostrzec przenikanie się tych wszystkich dyscyplin, branż i specjalności, co staje się koniecznością we współczesnych działaniach inżynierskich, które nie mogą się już hermetycznie zamykać w swoich obszarach zainteresowania. Cyfrowe technologie łamią te ograniczenia i stają się elementem, który powala na wymianę wiedzy i doświadczeń specjalistów z wielu branż. Taka współpraca może być tylko inspirująca dla wszystkich stron i z pewnością przyczyniać się będzie do powstawania nowych, innowacyjnych rozwiązań, których tak brakuje w branży budowlanej.

Przyjęta w książce narracja wynika wprost z jej tytułu, w którym świadomie zrezygnowano z dwuwyrazowego określenia „obiekty mostowe”, a zamiast tego użyto stare i piękne słowiańskie słowo „most”, które przecież, mimo że ma tak wiele znaczeń (również symbolicznych), to nikt nie ma wątpliwości, czego ono dotyczy. Oprócz tego w tytule jest też cykl życia oraz oczywiście BIM. Po zapoznaniu czytelnika z występującymi w cyklu życia mostu etapami oraz stosowanymi metodami ich analizy (rozdz. 2), jest on prowadzony po kolejnych fazach rozwoju inwestycji mostowej od planowania i projektowania (rozdz. 5), przez budowę i związane z nią procesy budowlane (rozdz. 6), aż do najdłuższego okresu, jakim jest użytkowanie i zarządzanie infrastrukturą mostową (rozdz. 7). Ograniczono się przy tym tylko do tych trzech zasadniczych etapów (projektowanie, budowa i użytkowanie), choć w różnych krajach, w branżach czy nawet organizacjach może być wydzielanych znacznie więcej etapów i faz. Jednak tylko te trzy w zasadzie są pierwotne i intuicyjne. Pozwalają też czytelnikowi na stosunkowo łatwą podróż w czasie, podczas której uwzględniona została specyfika konstrukcji mostowych i różnice w stosunku do budowli kubaturowych. A wszystkiemu towarzyszy metodyka BIM wraz z jej pokrewnymi cyfrowymi technologiami (rozdz. 3). W ten sposób łatwo jest dostrzec, że wcale nie ogranicza się ona tylko do pewnych narzędzi wspomagających projektowanie, jak wiele osób wciąż ją utożsamia. Ma ona bowiem znacznie szersze zastosowanie i znaczenie, które z pewnością będzie wzrastało wraz z postępującą cyfryzacją coraz większych obszarów naszego życia.

Monografia została podzielona na osiem rozdziałów, z których trzy (drugi, trzeci i czwarty) służą omówieniu zasadniczych zagadnień, obiektów i technologii, które powracają potem w kolejnych trzech rozdziałach (piątym, szóstym i siódmym), a które stanowią już spójną narrację o etapach życia mostów (projektowanie, budowa, użytkowanie). Oprócz tego są jeszcze dwa dodatkowe rozdziały, wprowadzający i podsumowujący. Poniżej omówiono każdy z nich.

Rozdział 1 zawiera wstęp i wprowadzenie zaczynające się od omówienia ograniczeń, jakie towarzyszą tradycyjnemu budownictwu. Te problemy branży budowlanej, ale też przemiany społeczne i trwający kolejny etap rewolucji przemysłowej, który umownie nazwano Przemysł 4.0, sprawią, że czeka nas w najbliższym czasie cyfryzacja również sektora budownictwa. Zwłaszcza że jak pokazano w tym rozdziale, na świecie procesy te już się zaczęły i nie jesteśmy w stanie ich zatrzymać obawą środowiska przed zmianami i brakiem zaangażowania.

W rozdziale 2 omówiono etapy, jakie występują w cyklach życia mostów. Punktem wyjścia do tych rozważań jest filozofia zrównoważonego rozwoju, która współcześnie stała się jednym z wiodących prądów kreujących również bardzo mocno działalność inżynierską. Jej elementem jest m.in. tzw. zintegrowana analiza cyklu życia obiektu. W tym przypadku obiektu mostowego. Omówiono więc jej trzy składowe, czyli analizę ekonomiczną LCC, środowiskową LCA oraz społeczną S-LCA. Ponieważ to zintegrowane podejście jest dopiero na wczesnym etapie rozwoju, a najbardziej rozwiniętą i wymierną jest analiza ekonomiczna, to jej poświęcono resztę tego rozdziału. Zobrazowano ją również dwoma przykładami, z oceną wariantów rozwiązania konstrukcyjnego oraz analizą kilkudziesięciu wybranych obiektów mostowych, które były zbudowane w ostatnim dziesięcioleciu w naszym kraju. Na koniec przedstawiono, w jaki sposób w przyszłości modele BIM będą mogły być wykorzystane do zarządzania cyklem życia mostów.

W rozdziale 3 zostanie przybliżona metodyka BIM. Czytelnik pozna historię i ewolucję technik CAD w kierunku BIM oraz stosowane definicje i znaczenia tego skrótu z towarzyszącymi metodyce BIM atrybutami, takie jak poziomy dojrzałości i szczegółowości oraz umowną wielowymiarowość. Dalej przedstawiono stosowane standardy (np. IFC, IDM, IFD) i platformy wymiany danych BIM z używanymi do tego narzędziami (np. CDE, COBie), procesami (np. EIR, BEP) i klasyfikacją (np. CPV, PKD, OmniClass, Uniclass). Ten rozdział zawiera również przegląd najczęściej stosowanych technologii, technik i rozwiązań, które w jakiś sposób są powiązane z BIM. Albo wspomagają one tworzenie i zarządzanie cyfrowymi modelami (graficzne języki programowania, systemy GIS, skanowanie laserowe i fotogrametria) albo wykorzystują zapisane w nich dane (szczupłe budownictwo, zintegrowany proces inwestycyjny, techniki wirtualne, cyfrowe bliźniaki i monitoring SHM, zarządzanie zasobami, czyli asset management, automatyzacja i robotyzacja).

Rozdział 4 poświęcony jest specyfice obiektów mostowych jako kluczowym elementom transportowej infrastruktury liniowej. Obiekty te wykazują przy tym istotne różnice w porównaniu z innymi rodzajami obiektów budowlanych, a zwłaszcza z budowlami kubaturowymi. Cyfrowe bliźniaki, czyli wirtualne modele, które w przyszłości będą służyły do wspomagania zarządzaniem prawdziwymi mostami, mają swoje wymagania dotyczące opisu i sposobu modelowania. Nie da się w nich wykorzystać obecnie stosowanych metod opisu konstrukcji mostów oraz ich komponentów i właściwości. Przypomniano więc zasadnicze klasyfikacje obiektów mostowych z nowoczesnymi technikami ich wznoszenia. Zaproponowano też nową, hierarchiczną strukturę danych, która będzie mogła być użyta w cyfrowych modelach BIM. Jest ona gotowa do integracji z planowanym do implementacji standardem IFC. Przedstawiono również autorską propozycję w zakresie poziomów szczegółowości modeli BIM mostów.

W rozdziale 5 przedstawiono kolejne cykle życia mostu, m.in. zagadnienia związane z planowaniem i projektowaniem mostów w perspektywie modelowania BIM. Przedstawiono obiektowe podejście do projektowania mostów oraz możliwości pracy zespołowej. Zaprezentowano przykłady narzędzi wspomagających projektanta w postaci szeregu różnych aplikacji i systemów do modelowania mostów na etapie koncepcji oraz projektów budowlanych i wykonawczych. Zwrócono przy tym uwagę na specyfikę tego procesu, która wynika z innej niż w budowlach kubaturowych geometrii i rozwiązań konstrukcyjnych. Nie pozwala to na bezpośrednie wykorzystanie powszechnie stosowanych przy projektowaniu budynków narzędzi i zmusza projektantów do stosowania parametryzacji z użyciem programowania graficznego. Rozdział zilustrowany został licznymi przykładami modeli BIM różnych typów konstrukcji mostowych, które powstały w ciągu kliku lat w zespole pracującym pod kierunkiem autora. Byli to przede wszystkim pracownicy spółki CADmost lub studenci i doktoranci w zespole mostowym Politechniki Śląskiej.

W rozdziale 6 omówiono etap realizacji obiektu mostowego. W kontekście wielowymiarowości BIM przedstawiono BIM 4D, czyli harmonogramy, oraz BIM 5D, czyli przedmiary i kosztorysy, z wykorzystaniem modeli BIM mostów. Dalej zaprezentowano kilka przykładów technologii i urządzeń, które są związane z BIM i wpisują się w cyfryzację procesów budowy mostów. Osobny punkt poświęcono kluczowej fazie tego etapu, którą jest końcowy odbiór robót budowlanych i przekazanie obiektu zamawiającemu do użytkowania.

W rozdziale 7 zostaje przedstawiony najdłuższy etap cyklu życia mostu, czyli jego użytkowanie. Wstęp do tego rozdziału to przypomnienie tragicznych katastrof mostów z ostatnich lat w wyniku zaniedbania albo zaniechania w utrzymaniu. Wsparciem w tym zakresie mają być systemy gospodarowania mostami, które z racji stopnia komplikacji i ilości przetwarzanych danych uważane są za najbardziej złożone i zaawansowane systemy zarządcze i wspomagające podejmowanie decyzji. Ściśle są powiązane z modelami degradacji, klasyfikacją i modelowaniem uszkodzeń mostów oraz inspekcją i oceną stanu technicznego. Tu też można efektywnie wykorzystać metodykę BIM oraz pokrewne technologie, co pokazano na przykładzie pierwszej polskiej aplikacji na urządzenia mobilne, której zadaniem jest wspomaganie pracy terenowego inspektora mostowego.

W rozdziale 8 dokonano podsumowania całej książki. Ponadto uzupełniono go pewnymi postulatami wyrażającymi potrzebę wprowadzenia nowych regulacji, które będą uwzględniać metodykę BIM. Są też przedstawione najważniejsze elementy potrzebne do skutecznego wdrożenia metodyki BIM w mostownictwie.

Cała monografia zawiera dużą liczbę rysunków w postaci schematów, wykresów, grafik i fotografii przedstawianych osobno lub w formie kolaży. Starano się przy tym utrzymywać spójny styl w ramach każdego rozdziału. Niestety dużo tych materiałów posiada opisy w języku angielskim. Wynika to z faktu, że w przypadku metodyki BIM mamy do czynienia z międzynarodowymi standardami (normy ISO albo przepisy z USA lub Wielkiej Brytanii), które nie doczekały się tłumaczenia na język polski. Często są to zupełnie nowe technologie i urządzenia, które nie mają jeszcze polskich nazw. Są też rozwiązania i narzędzia programistyczne zawierające opisy klas, typów i procedur, które nigdy nie będą tłumaczone, gdyż będą opisane w uniwersalnym języku stosowanym przez programistów czy nawet urzędników odpowiedzialnych za ujednolicanie podatków. Dlatego zdecydowano się dodać na końcu opracowania zestawienie skrótów, które ułatwi czytelnikowi zrozumienia treści monografii. Wykorzystuje ono w dużej mierze słownik, który został opracowany przez zespół fundacji EccBIM dla GDDKiA na potrzeby pierwszego projektu pilotażowego BIM na obwodnicy Zatoru w ciągu DK28 [29, 42]. Są w nim wykorzystane również definicje z projektu dokumentu BIM Standard PL [13] i książki prof. Jana Bienia [43], która opisuje najbardziej aktualne światowe dokonania w zakresie modelowania uszkodzeń i diagnostyki mostów oraz systemów gospodarki mostowej. Dzięki temu zapewniona jest spójność definicji z dokumentami, które już są lub wkrótce będą obowiązującymi w naszym kraju standardami.