Softwarové nástroje BIM

4.3.4

Softwarové nástroje BIM

Ing. Bohumír Číhal

Během posledních desetiletí rozšířené použití objektově orientovaných nástrojů computer-aided design (CAD) umožnilo vyšší zájem o platformu BIM a počet BIM kompatibilních aplikací (analytických nástrojů, modelových kontrol, aplikací facility managementu apod.) stále roste. Metoda BIM však není pouze o software. K uplatnění metody BIM v praxi jsou sice potřebné speciální softwarové nástroje, ale bez zásadní koncepční změny přístupu jednotlivých aktérů výstavbového procesu, je i moderní softwarový nástroj bezcenný.

Předpokládá se, že metoda BIM, která představuje pokročilý přístup k objektově orientovanému CAD nástroji a rozšiřuje schopnost tradičního přístupu definováním a použitím inteligentních vztahů mezi prvky v modelu budovy, zde bude hrát významnou roli. Výměně 3D dat v procesu mezioborové spolupráce přispěje rozšířené používání a šíření CAD balíčků (které přijaly objektově orientovaný přístup s podporou BIM) a zvýšení úrovně automatizace stavebních procesů.

Řada aplikací s možností přímého použití a výměny projektových informací mezi nimi dává příležitosti pro rozšířenou spolupráci mezi všemi účastníky stavebního procesu a rovnoměrný rozvoj projektu. Podpůrné aplikace mohou využívat informace vložené do BIM modelu pro modelovou integraci, analýzu designu, kontrolu chyb, facility management apod.

BIM modely zahrnují jak geometrické, tak i negeometrické údaje, jako jsou například atributy a specifikace objektu. Specializované softwary umožňují automatické vytažení 2D výkresů, dokumentace a dalších podstatných informací přímo z modelu BIM. Mohou omezit chyby v modelování a zabránit technickým chybám v návrhu na základě pravidel kódovaných v softwaru.

Většina komplexních projektů ve stavebnictví vyžaduje víceoborovou spolupráci a výměnu velkého obsahu dat. Softwarový nástroj je přitom prostředek komunikace závislý na přístupu jednotlivých partnerů, jejich kvalifikaci (poučení o záměru) a zodpovědnosti. Věnuje se tomu obecná teorie komunikace, jejíž lineární model (v současnosti překonaný) byl publikován v roce 1948. Na následujícím schématu je v komunikační cestě patrný "zdroj šumu", vyskytující se v komunikaci partnerů.

Shannonův model lze aplikovat i na možné situace v komunikaci BIM. Při každém stupni přenosu informace se část informace ztrácí a naopak se objevují redundantní prvky, vyprodukované různými druhy "šumu":

• technický komunikační šum – nastává, když se do sdělení dostává technicky způsobená a nezamýšlená informace, která zatemňuje záměr metody a omezuje prostor pro zamýšlené informace;

• sémantický šum – je dán neznalostí symbolů (projektových prvků BIM), jež vysílající užívá a nutně vede ke zkreslení významu sdělení v rámci celého komunikačního procesu;

• psychologický šum – je dán mechanismy osobního pohledu (selektivní expozice, percepce, retence).

Na uvedené problémy reaguje Koncepce zavádění metody BIM v České republice, která současně s objasněním záměru metody stanoví v Příloze konkrétní Opatření k realizaci potřebných činností. Zahrnují též celou oblast metodiky vytváření, organizování a sdílení grafických i negrafických informací napříč celého projektu. To vše se prolíná s aktivitou soukromých subjektů v oblasti sw pro BIM. Jaké konkrétní úkoly se v této oblasti řeší a jejich současný stav uvádíme dále.

Tradičně byla spolupráce mezi různými disciplínami založena na výměně 2D výkresů a dokumentů (technických a průvodních zpráv, soupisů stavebních prací a dodávek, dodavatelské struktury, technických podkladů výrobků a zařízení, seznamů stavebních strojů a technologií, certifikátů apod.). I když samostatné stavební disciplíny využívaly 3D modelů a aplikací pro vizualizaci a návrhy architektonického řešení, spolupráce v praxi zůstala až do nedávné doby víceméně založená na 2D dokumentaci.

Při použití nástrojů BIM se jedná zejména o softwarové nástroje, umožňující pracovat s modelem a využívat tak výhody, které přináší. Různé nástroje jsou používány v různých fázích životního cyklu projektu a jsou navzájem propojeny. Některé nástroje naopak přesahují jednotlivé fáze a jsou používány ve více z nich. Nástroje lze hodnotit i z pohledu charakteru informací, se kterými daný nástroj pracuje. V závislosti na potřebě v jednotlivých fázích projektu lze použít nástroj, který pracuje s relevantními informacemi.

Některé nástroje přesahují rámec jedné kategorie a nabízejí kompletní řešení dle cílového uživatele nebo relevantní činnosti. Jedná se o následující kategorie:

• Práce s trojrozměrným modelem (3D)

Nástroje pracují s trojrozměrnými modely a vizualizacemi. Umožňují zpracovat trojrozměrnou dokumentaci na bázi parametrického modelování, výstupem může být nejen vizualizace pro prezentaci klientovi nebo usnadnění komunikace, ale také samotná projektová dokumentace. Jedná se o nástroje, umožňující tvořit modely, ale i o nástroje, umožňující jejich zobrazení a úpravu.

• Práce s časem (4D)

Nástroje z této kategorie pracují s časovým hlediskem projektu. Umožňují zpracování harmonogramu (časového plánu) projektu a řízení projektu ve smyslu časové návaznosti činností, logistického řízení a plánování. Nejde jen o tradiční použití v průběhu řízení stavby, ale i o plánování v přípravné a zejména v provozní fázi stavby (zajištění oprav, rekonstrukcí, revizí apod.).

• Práce s prvky a jejich cenami (5D)

Během plánování a realizace projektu vzniká potřeba pracovat s databázemi použitých prvků projektu, jejich rozměrovými charakteristikami a s tím souvisejícími cenami. Nástroje z této kategorie umožňují snadné využití výkazu výměr, tvorbu rozpočtů a kalkulací nebo stanovení cen jednotlivých činností v nejrůznějších fázích projektu (tvorba nabídek, interní fakturace, rekonstrukce a opravy apod.)

• Informace (6D)

Jedná se o stěžejní kategorii v rámci metody BIM, kde nejrobustnější datovou základnou by měly disponovat informační nástroje. Informační nástroje pracují s přiřazováním informací jednotlivým prvkům modelu, jejich propojením a managementem. Nástroje nejenže usnadňují komunikaci a správu informací, ale umožňují i práci s těmito informacemi, tj. jejich použití k dosažení dalších cílů, často ve spojení s předchozími rozměry. Více než o práci s modelem jako takovým se v této kategorií jedná o práci s databází.

V rámci této kategorie se také jedná o nástroje, umožňující nejrůznější simulace navrhovaného projektu, zejména v jeho provozní fázi (např. nejrůznější energetické simulace, simulace zatížení konstrukce a jejího vystavení vnějším vlivům v externích podmínkách, modelování stárnutí konstrukce apod.).

BIM je stále více považován za informačně technologický přístup ke stavbě, který umožňuje integritu návrhu, virtuální prototypování, simulace, rychlý přístup a získávání a udržování projektových údajů.

Na základě životního cyklu stavebního projektu lze nástroje BIM rozdělit do několika kategorií:

• BIM aplikace pro navrhování (např. ArchiCAD, CADSoft, Autodesk Revit Architecture);

• BIM aplikace pro udržitelný rozvoj (např. Autodesk Green Building Studio, Graphisoft EcoDesigner);

• BIM aplikace ve statice (např. Autodesk Revit Structure, Bentley Structural Modeler);

• BIM aplikace pro TZB (např. Autodesk Revit MEP, Bentley Building Electrical Systems V8i) ;

• BIM pro simulace, odhady, analýzy (např. Autodesk Navisworks, Solibri Model Checker);

• BIM aplikace pro Facility Managment (např. Bentley Facilities, ACTIVe3D Facility Server).

Některé z nástrojů jsou samostatnými softwary, některé specializovanými aplikacemi. Ve většině případů BIM zahrnuje více softwarových aplikací pro různé účely. Uváděné příklady jsou pouze zkratkou nabídek sw firem.

1. Tvorba modelu

2. Analýza modelu

3. Výroba

4. Stavební management

5. Kalkulace a rozpočtování

6. Harmonogramy

7. Spolupráce a sdílení souborů

8. Vizualizace

9. Facility management

Příklady SW pro jednotlivá použití podle dodavatelů SW:

1. Tvorba modelu

• Autodesk (AutoCAS, Revit, Inventor, Civil 3D)

• Bentley (Architecture, Structural, Building Systems)

• Trimble SketchUp Pro

• Graphisoft (ArchiCAD, MEP modeler)

• Nemetschek (Vectorworks)

• Tekla Structures

• Gehry Digital Project

• Data Design System DDS (MEP, Architect & Construction)

• Dassault Systčmes CATIA

• Graitec Advanced Design

• Bricsys BricsCAD

• IntelliCAD

2. Analýza modelu

• Autodesk (Navisworks, Green Building Studio, Ecotect ...)

• Bentley (Structural Aanalysis, Building Performance)

• Graphisoft EcoDesigner

• Nemetschek Scia

• Silibri Model Checker

• Ansys Fluent

• Odeon Acoustical Room Modeling

• IES VE

• Apache HVAC

• TRNSYS

• Dlubal RFEM a RSTAB

3. Výroba

• East Coast Fabrication for AutoCAD

• CAD-Duct

• QuickPen (PipeDesigber 3D, Duct Designer 3D)

4. Stavební managementem

• Autodesk Navisworks Manage

• Bentley ProjectWise Navigator

• Solibri Model Checker

• Synchro Professional

• Vico Office

• Součásti modelovacích SW

• Gehry Digital Project

• Tekla Structures

5. Kalkulace a rozpočtování

• Autodesk Quantity Takeoff

• Beck Technology DProfiler

• Vico Takeoff Manager

6. Harmonogramy

• Autodesk Navisworks Manage

• Bentley ProjectWise Navigator

• Inovaya Visual Simulation

• Synchro Professional

• Vico Control

• Součást Tekla Structures

7. Spolupráce a sdílení souborů

• Autodesk (Buzzsaw, Constructware)

• Microsoft SharePoint

• Avolve ProjectDox

• Viewpoint ForProjects

• Vico Doc Set manager

• BIM+

8. Vizualizace

• Součást nástrojů pro modelovíní nebo analýzu modeli

• SW třetích stran (Google Sketchup, Kumion 3D, 3D Studio Max, LightWawe 3D)

9. Facility management

• ArchiBUS

• YouBIM

• Graphisoft ArchiFM

Všechny informace o stavbě je třeba ukládat ve společném úložišti (pro jeden projekt) – CDE (Common Desktop Environment) s umožnění přístupu všem účastníkům projektu BIM. Může obsahovat všechny potřebné informace a dokumenty, které jsou vytvářeny a sdíleny nejen během procesu navrhování a výstavby, ale také během následujících etap životního cyklu stavby.

Koncepce v Příloze 1 – Pojmy, definice, zkratky používá pro Společné datové prostředí (CDE), výstižnější anglický výraz Common Data Environment se stejným významem: digitální úložiště pro ukládání a sdílení všech společných informací o stavbě.

CDE bylo 6. srpna 2012 uvolněno jako svobodné SW s GNU Lesser General Public License (licence svobodného softwaru). Od té doby bylo portováno na Linux a systémy odvozené od BSD (Berkeley Software Distribution – verze operačního systému Unix distribuovaná Kalifornskou univerzitou v Berkeley).

Tvorba metodiky pro výběr CDE zadavatelem včetně doporučení podmínek a pravidel jeho využití během celého životního cyklu stavby je úkol č. 14 Přílohy usnesení vlády č. 682/2017 Sb. Úkol vyplývajících z harmonogramu Koncepce zavádění metody BIM v České republice je v gesci MPO s termínem plnění 07/2019 – 12/2020.

Společné datové prostředí v sobě zahrnuje všechny informace, nejen 3D model a jeho negeometrická data, ale i všechny další dokumenty, komunikaci mezi účastníky projektu a jejich procesy v jednotlivých fázích životního cyklu stavby.

3D model (standardně ve formátu IFC) je speciálním druhem dokumentu v rámci BIM. s kterým je možné v rámci CDE aktivně pracovat (prohlížet, navazovat k jeho prvkům úkoly, dokumenty apod.).

Dokumenty představují všechny soubory dokumentů, obsahující doplňující informace (např. jméno pořizovatele, označení revize, stav, poznámka), které jsou určeny pro vyhledávání, filtrování či různé další pracovní postupy (systémem řízené procesy). Vždy je k dispozici historie revizí, seznam, kdo, kdy a jak s dokumentem manipuloval.

Komunikací se v rámci CDE rozumí různé typy úkolů, diskusí, požadavků na informace (RFI), požadavků na změnu.

Řízené procesy, buď pomocí pracovních postupů (work flow), nebo přímo uživateli (různé předávací protokoly a schvalovací procesy apod.), jsou provázané s oběma předešlými oblastmi. Vše je řízeno přístupovými právy, bez možnosti zpětně něco měnit.

Jednou z velkých výhod CDE je, že není nutné data v průběhu času někomu předávat a distribuovat, ale místo toho se zřídí nebo omezí přístup k těmto datům jednotlivým účastníkům tak, jak to vyžaduje běh projektu. Výsledkem je, že při dokončení projektu má investor všechna průběžně vytvořená data projektu plně k dispozici včetně jejich historie.

V gesci MPO byla v roce 2018 zahájena realizace úkolu č. 14 Přílohy Koncepce – Tvorba metodiky pro výběr CDE zadavatelem včetně doporučení podmínek a pravidel jeho využití během celého životního cyklu stavby.

Pod vedením Státního fondu dopravní infrastruktury (SFDI) vzniká a je v současnosti k dispozici k připomínkám návrh metodiky pro dopravní stavitelství (podrobně viz dále). Tento materiál je též analyzován za účelem využití pro potřeby celého stavebního sektoru. Metodika bude v souladu s technickými normami ČSN EN ISO 19650-1 a 2, Organizace informací o stavbách - Management informací využívající informační modelování staveb: 2019.

Mezinárodním standardem pro výměnu dat a integraci v rámci stavebnictví je formát IFC, spolu s mezinárodně uznávanými normami. V návaznosti na Usnesení vlády č. 682 ze dne 25. září 2017 a jeho opatření č. 7 vyhlásilo MPO IFC formát jako celostátně podporovaný pro BIM model. V rámci digitalizace státní správy bude v maximální možné míře prosazován pro elektronické povolovací procesy nahrazující výkresovou dokumentaci. Tam, kde to bude vhodné, bude formát IFC prosazován jako možný vstup pro státní systémy a registry pracující s prostorovými daty (data o poloze, tvaru a vztazích mezi jevy reálného světa, vyjádřená zpravidla ve formě souřadnic a topologie). Formát IFC, obecně určený pro publikaci otevřených dat, najde uplatnění jako součást požadovaných výstupů pro veřejné zakázky ve stavebnictví.

IFC (Industry Foundation Class) je schéma, vyvinuté k definování sady datových reprezentací stavebních informací pro výměnu mezi softwarovými aplikacemi v oblasti stavebnictví a architektury. Na rozdíl od detailizované softwarové výměny v rámci specifických inženýrských domén je v tuto chvíli jediným společným formátem, podporovaným výrobci SW, zajišťující softwarovou interoperabilitu, a to na základě neutrálních a stabilních otevřených datových formátů. Platí pro něj mezinárodní norma ISO 16739, aktuálně převzatá jako ČSN EN ISO 16739: 2017.

Formát se postupně vyvíjí od konce 90. let. Aktuální verze v roce 2018 je IFC4 (Add2). Technická norma popisuje především stavební prvky a konstrukce pro pozemní stavby, ale v určité formě umožňuje popsat libovolnou stavbu. Současně umožňuje IFC popsat i procesy, organizace a osoby podílející se na procesech, časové plánování, ocenění a další aspekty související s celým životním cyklem stavby. Pro zpracování dat zejména během procesů přípravy a realizace stavby, kdy jsou data vytvářena, průběžně aktualizována a doplňována, je rovněž nezbytné zachovávat i modely v nativních formátech použitých softwarových nástrojů.

Správce formátu připravuje novou verzi, která bude rozšířena o některé specifické potřeby pro dopravní stavby (IFC5). Zápis souboru je obecný STEP21 (podle ČSN ISO 10303-21: 2005), nebo XML (dle specifikace dostupné z www.w3.org/XML).

Formát IFC patří mezi otevřené formáty, které mohou být na základě dalších rozhodnutí použité pro zveřejnění otevřených dat. Pro pochopení formátu IFC a jeho účelu použití je nutné uvést rozdíl mezi otevřeným formátem a otevřenými daty.

Otevřený formát je podle ustanovení § 3 odst. 8 zákona č. 106/1999 Sb. o svobodném přístupu k informacím "... formát datového souboru, který není závislý na konkrétním technickém a programovém vybavení a je zpřístupněn veřejnosti bez jakéhokoli omezení, které by znemožňovalo využití informací obsažených v datovém souboru".

Otevřená data jsou informace a data (např. různé statistiky, rozpočty, přehledy, databáze a další zdroje) zveřejněná na internetu, která jsou úplná, snadno dostupná, strojově čitelná, používající standardy s volně dostupnou specifikací, zpřístupněná za jasně definovaných podmínek užití dat s minimem omezení a dostupná uživatelům při vynaložení minima možných nákladů. Strojově čitelný formát dle zákona č. 106/1999 Sb. je "... formát datového souboru s takovou strukturou, která umožňuje programovému vybavení snadno nalézt, rozpoznat a získat z tohoto datového souboru konkrétní informace, včetně jednotlivých údajů a jejich vnitřní struktury."

V rámci aktivit Ministerstva vnitra jsou otevřená data popsána jako

• přístupná jako datové soubory ve strojově čitelném a otevřeném formátu s úplným a aktuálním obsahem databáze nebo agregovanou statistikou,

• opatřená neomezujícími podmínkami užití,

• evidovaná v Národním katalogu otevřených dat (NKOD) jako přímé odkazy na datové soubory,

• opatřená dokumentací,

• dostupná ke stažení bez technických překážek (registrace, omezení počtu přístupů, Turingův test CAPTCHA, apod.),

• připravena s cílem co nejsnazšího strojového zpracování programátory apod.,

• opatřená kontaktem na kurátora pro zpětnou vazbu (chyby, žádost o rozšíření, apod.).

Formát IFC obsahuje objekty a jejich atributy. Zároveň obsahuje definice parametrů (vlastností) jednotlivých prvků modelu, které si SW již umí mezi sebou předávat. Obsahem souboru jsou informace o stavbě, je možné uložit grafická i negrafická data. S vazbou na uvedenou normu v současnosti iplementovaná verze IFC4

• obsahuje možnost využití nových geometrických prvků, parametrie a dalších funkcí pro rozšíření schopností IFC specifikace,

• podporuje 4D a 5D modely, schémata pro výrobce knihoven produktů, BIM pro GIS interoperabilitu, vylepšené tepelné simulace a posouzení udržitelnosti,

• obsahuje IFC XML4 schéma, plně integrované do IFC specifikace a je plně integrován s novou technologií mvdXML

• opravuje technické problémy zjištěné u předchozích verzí (IFC2x3),

• umožňuje rozšíření IFC do infrastruktury.

Mají-li BIM modely splnit svoji očekávanou úlohu jako významný zdroj strukturovaných dat pro další specializované aplikace (např. oceňování, časové plánování, facility management), musí být vysoce standardizované. Bez standardizace zdrojových dat není možné programovat jakékoliv rozhraní mezi systémy.

Standardizaci BIM modelů lze rozdělit do dvou oblastí – formát a obsah.

Standard formátu je formát IFC, který je již součástí českého systému norem jako ČSN EN ISO 16739 Datový formát Industry Foundation Classes (IFC) pro sdílení dat ve stavebnictví a ve facility managementu: 2017. (Norma obsahuje pouze anglický text normy). U grafického software pro přípravu dat se bude používat nativní formát (*.dwg, *.dgn, *.rvt, apod.), tzn. využitelný jen (resp. nejlépe) v daném programu, pracujícím v daném prostřední (například operační systém Linux). Nativní formáty konkrétní CAD aplikace jednotlivých výrobců SW jsou např.: DWG - AutoCAD drawing (Autodesk), DGN - Microstation design (Bentley), RVT - Revit project (Autodesk).

Verze jednotlivých formátů dat je třeba vždy specifikovat v Technické zprávě digitálních dat. Data v obou formátech (IFC a nativního) jsou odpovídající.

Mnohem složitější je standardizace obsahu dat uložených uvnitř BIM modelu. V rámci EU žádná jednotná standardizace neexistuje, členské státy ji řeší na národní úrovni. Určujícím vstupem pro tuto standardizaci je podrobnost modelu, odpovídající fázi projektu, pro jakou je model zpracováván.

Pro 3D modely se používá označování úrovní podrobnosti LOD (Level of Detail, Level of Development, Level of Definition).

Termín LOD, který v podstatě napomáhá definovat obsah libovolné části BIM projektu, jako první zavedl již v roce 2008 Americký Institut Architektů (AIA). Zkratka LOD se uchytila také ve Velké Británii, ale oproti LOD podle AIA, je LOD v Británii definována s odlišným označením úrovní (např. LOD 2 UK ~ LOD 100 AIA) jako "Level of Definition".

Co zkratka LOD představuje?

Přestože je obecný konsenzus určité problematiky zřejmý, nemusí být všem účastníkům procesu jasné, co má být přesně předmětem jejich výstupu, v jaké podobě mají předat daný virtuální model stavby, popřípadě jaká data mají očekávat od svých subdodavatelů. Je to dané tím, že obsah a podrobnost modelu, pokud nějaký dokument danou problematiku konkrétně neřeší, bývá předmětem subjektivního názoru osoby či firmy.

LOD objasňuje především, jaké množství informací budou jednotlivé prvky obsahovat v různých fázích projektu a kým konkrétně budou tato data dodána. Projektant může přidat LOD kód ke každému elementu, který reprezentuje např. určitou konstrukční část objektu anebo prvek TZB systému, pro každou fázi projektu. Ve výsledku každý člen projekčního týmu přesně ví, co může očekávat od dílenských modelů svých kolegů.

Následující tabulka, používající značení LOD AIA, znázorňuje vztah příslušné úrovně LOD a odpovídající fáze projektu.