Управление строительным производством (СП) преимущественно осуществляется с использованием каскадной (поэтапной) методологии и включает этапы проектирования, возведения и эксплуатации зданий и сооружений. Каскадный метод реализации строительных проектов предполагает, что каждый этап СП начинается только по завершении предыдущего этапа [1]. Такой подход эффективен при возведении типовых зданий и сооружений, по которым накоплен достаточный опыт строительства и имеется информационная база по результатам проектирования, строительства и эксплуатации ранее возводимых аналогичных объектов [2]. Традиционным в каскадной методологии строительства является составление календарных планов и сетевых графиков выполнения работ с установлением их длительности, последовательности и стоимости выполнения [3], что при наличии объекта сравнения обеспечивает минимизацию отклонений плановых и реальных показателей.
В настоящее время цифровые технологии, например Building Information Modeling (BIM, c англ. Информационное моделирование здания), позволяют не только произвести трехмерное моделирование объекта СП, но и увязать архитектурно-планировочные решения с технико-технологическими, эколого-экономическими требованиями к СП на протяжении жизненного цикла объекта [4, 5]. BIM позволяют в режиме реального времени следить за ходом СП и принимать оперативные решения при выявлении отклонений от плановых показателей стоимости, качества и сроков строительства [6].
Однако необходимо учитывать, что современное СП отличается достаточным числом возводимых уникальных зданий и сооружений как в архитектурном, так и в инженерном плане, что затрудняет долгосрочное планирование СП ввиду отсутствия аналогов для сравнения. Известно, что эффект от использования программных продуктов, в частности от применения BIM, зависит, в том числе, и от наличия базы моделей и типовых решений в программном продукте. В случае же уникальных зданий и сооружений возможны нарушения временных, качественных, стоимостных параметров СП при воплощении модели в реальный объект [7].
Для уникальных проектов СП, где вероятность изменений порядка выполнения работ, их сроков и стоимости гораздо выше, чем для типовых проектов, использование каскадной методологии нецелесообразно, поскольку изменения в процессе возведения объекта при завершенной стадии проектирования либо необходимость корректировок на этапе эксплуатации при завершенном строительстве требуют привлечения значительного объема всех видов ресурсов и существенных затрат [8]. Соответственно, необходимо внедрение гибких принципов [9] строительства инновационных уникальных объектов. Одновременно уже в 2015 г. А. Мень указал на приоритетное использование BIM в проектировании типовых решений Минстроя [10], следовательно, важным остается установление возможностей использования BIM в СП нетиповых объектов.
В связи с этим актуальными являются исследования возможностей применения гибкой методологии в СП и ее реализации с использованием BIM при возведении уникальных объектов.
Целью исследования является обоснование возможностей гибкого управления СП с применением BIM. Задачи: определить особенности гибкой методологии СП уникальных объектов; выявить возможности применения BIM на различных стадиях жизни объекта; установить перспективы использования BIM для гибкого управления СП.
Материалы и методы исследования
Материалами при подготовке данного обзора служили труды российских и зарубежных авторов в части гибкой методологии управления СП, особенностей применения BIM и потенциала BIM для гибкого управления СП уникальных объектов.
Возможности гибкого управления, в частности в ходе СП, представлены в публикациях S. Azhar; H. Frank Cervone; P. Measey; R. Tomek; К.В. Гугаева; С.А. Жильцова; В.Ю. Маркина; А.Е. Перцева и др. Перспективы применения BIM, в том числе на различных стадиях жизни объекта строительства, отражены в трудах А.Н. Дмитриевой, К.А. Барешенковой, С.В. Марченковой; А.Д. Плотникова, Ю.О. Кустиковой; Л.Г. Селютиной; С.А. Синягова с соавторами и многих других.
Методами исследования служили теоретико-эмпирические методы: анализ, сравнение, обобщение, противопоставление, аналогия, синтез, ретроспективные исследования научно-практических результатов.
Результаты исследования и их обсуждение
Особенности гибкой методологии СП уникальных объектов
Гибкая методология (англ. Agile) управления развивалась как альтернатива каскадному подходу (англ. Waterfall) в сфере разработки IT-решений [11], постепенно распространяясь на другие сферы, в частности на СП, с целью повышения эффективности выполнения строительных проектов в условиях неопределенности [12]. Действительно, динамичность изменения макрофакторов и требований со стороны микроокружения уникального строительного проекта предопределяет необходимость постоянного учета и внесения изменений в ходе СП посредством итерационного возвращения на предыдущие стадии исполнения СП. Различия гибкой и каскадной методологии показаны на рис. 1, где укрупненно приведены стадии СП.
Рис. 1. Схема каскадной (а) и гибкой (б) методологии СП (составлено автором)
Необходимость гибкого СП уникальных объектов обусловлена требованием учета множества влияющих факторов. Так, массу, пространственное расположение, ориентацию, соотношение площади и объема здания [13], а также энергообеспечение традиционными и возобновляемыми ресурсами, природно-климатические, инфраструктурные и иные факторы [14] необходимо учитывать на ранних стадиях СП с созданием альтернативных проектных решений [15]. Однако в традиционном каскадном подходе на стадии проектирования рассчитывается эффективность одного выбранного проекта, но практически отсутствует учет запросов будущих потребителей (пользователей объекта), что приводит к проблемам при эксплуатации зданий (например, к повышенным тепловым нагрузкам) [16].
Гибкое управление СП, напротив, осуществляется на принципах: приоритетного участия заказчика в создании и формировании конкурентных преимуществ объекта; систематического кооперационного взаимодействия всех участников проекта (проектных, инвестиционных, строительных, управляющих и иных организаций); высокой мотивации участников СП и эффективно выстроенных коммуникаций между ними; технического совершенствования и достижения качественных и количественных показателей СП. Это позволяет за счет частых итерационных взаимодействий [17], например на стадии проектирования, возвращаться к стадии проектного анализа и своевременно вносить и рассчитывать альтернативные варианты СП с улучшенными техническими, нормативными, финансовыми, эстетическими, энергосберегающими и иными характеристиками.
В случае нетиповых уникальных объектов, не имеющих аналогов для сравнения в виде возведенных и эксплуатируемых зданий и сооружений, гибкое СП обеспечит: сокращение ошибок и отклонений на поздних стадиях жизненного цикла; повышение ценности конечного объекта; рост адаптивности хода СП к быстро изменяющимся и сложно прогнозируемым внешним и внутренним факторам [18].
Необходимо отметить, что практический опыт гибкого СП уникальных объектов недостаточен для получения статистических данных успешности проектов, однако имеются публикации об эффективности гибких принципов возведения ядерного объекта [19], целесообразности внедрения гибкой методологии строительства объектов энергетики [20], в частности объектов обеспечения удаленных потребителей возобновляемой энергией [21], а также возможности использования гибкого СП в сочетании с BIM [22].
Возможности применения BIM на различных стадиях жизни объекта
В России все более успешно используется опыт многомерного проектирования в создании жилых застроек, где преимущества внедрения BIM реализуются в повышении точности проектирования, 3D-визуализации модели объекта, сокращении времени и стоимости проектирования, возведения и эксплуатации объектов. План использования BIM утвержден Минстроем России, происходит стандартизация использования BIM [10].
В отличие от традиционного двумерного проектирования – с выработкой строительных планов, чертежей, техдокументации, BIM объединяет в едином информационном пространстве взаимозависимые конструктивные, эксплуатационные, архитектурно-планировочные, экономико-технологические данные об объекте. В результате при создании конструктором модели здания или сооружения в программном продукте все параметры элементов здания рассчитываются автоматически с выдачей чертежей, ведомостей, спецификаций, расчетов, сметы СП. Далее модель обогащается инженерными сетями и их характеристиками в виде тепловых расчетов, оценки освещенности и пр. Затем формируются проекты организации и производства строительных работ, календарные планы, логистика обеспечения СП материалами, техникой и персоналом. По завершении строительства модель может использоваться в ходе эксплуатации объекта [23].
Цифровизация предпроектной, проектной, строительной, эксплуатационной стадий жизненного цикла СП позволяет быстро произвести изменения в модели при необходимости внесения корректировок (например, при изменении вида изделия, поставщика, стоимости инженерных коммуникаций) как при строительстве и эксплуатации, так и при капитальном ремонте. BIM дает возможность быстро оценить альтернативные варианты проекта строительства с автоматическим внесением изменений в модель и ее информационное описание. Соответственно, модель может претерпевать изменения в течение жизненного цикла здания или сооружения. Применение BIM обеспечивает сквозной информацией заказчика, подрядчиков, инвесторов, контролирующие органы, потребителей, сокращает временные, коммуникационные, стоимостные потери при согласовании изменений и уменьшает сроки сдачи объекта. Так, опыт внедрения BIM демонстрирует сокращение на 40 % незапланированных расходов, рост точности исполнения сметы и сокращение времени ее разработки на 80 %, а общего времени СП – на 7 %, повышение уровня возврата инвестиций на 25 % [24].
Современное СП становится все более масштабным, с ростом числа уникальных объектов, и характеризуется географической распределенностью участников проекта, что в отсутствие цифровизации приводит к превышению времени строительного проекта на 20 %, а бюджета на 80 % от запланированных значений. Также традиционно строительный сектор характеризуется нехваткой или низкой квалификацией рабочей силы, сопротивлением внедрению инноваций, сложностью принятия новых технологий [25]. При этом в практике применения BIM, где 3D-модель используется во взаимосвязи с временными (4D) и стоимостными (5D) параметрами СП, а также взаимоувязана со стадиями жизненного цикла (6D), подчеркивается возможность минимизации отклонений в содержании, расписании, стоимости, сроках СП относительно плановых значений [26].
Дискуссионным остается вопрос применимости BIM к управлению недвижимостью на стадии эксплуатации [27], являющейся наиболее длительной в жизненном цикле объекта и вносящей весомый вклад в его стоимость. Стоимость эксплуатации объекта будет в 3 раза выше инвестиций в строительство и в 5–7 раз выше первоначальных инвестиций. Эксплуатация как стадия жизни объекта может охватывать период 10–50 лет (рис. 2) и предполагает оценку технического состояния, техническое обслуживание и ремонт.
Рис. 2. Длительность отдельных стадий жизненного цикла СП (составлено по данным [27])
Важным является перенос модели объекта с инженерным описанием (детализация водо-, тепло-, электросетей, поставщиков материалов и услуг) в программные продукты по управлению недвижимостью [28], которые, в свою очередь, будут служить основой для внесения изменений в модель в ходе эксплуатации и ремонта объекта [29].
BIM-модели позволяют эффективно и безопасно принимать наиболее качественные и наименее затратные решения с оперативной выработкой графиков исполнения работ [30] на всех стадиях жизненного цикла [31] при обеспечении обмена данными между программными продуктами BIM и цифровыми решениями управления недвижимостью [32]. BIM позволяют более чем на 35 % сократить стоимость эксплуатации объекта [33] и минимизировать влияние человеческого фактора [34].
Перспективы использования BIM для гибкого управления СП
Гибкое управление имеет значительное влияние на этапе предварительного анализа проекта строительства уникальных зданий и сооружений, поскольку позволяет выявить альтернативы и риски, разнообразить творческие решения в совместном итерационном взаимодействии участников СП с выработкой высококачественных сложных решений при минимальных затратах временных, человеческих, финансовых ресурсов [8]. Сбор и анализ исходных данных производятся заказчиком в кооперации с проектными организациями и завершаются разработкой технического задания для проектировщиков. Организация-проектировщик устанавливает роли в проекте, готовит исполнительный план, среду, шаблоны, библиотеки для BIM-модели [35]. Гибкая методология СП реализуется в эффективных постоянных коммуникациях, включая учет запросов потребителей, для выработки альтернативных вариантов решений и выбора наиболее эффективных, с точки зрения качества, сроков и стоимости.
Проектирование осуществляется организацией-проектировщиком и предполагает информационное моделирование, формирование разделов проектной и рабочей документации. Гибкое СП на данном этапе предполагает оперативный учет в BIM-модели возможных корректировок со стороны заказчика с привлечением ко взаимодействию строительных организаций и использованием их опыта для возможных изменений. Участие подрядчика необходимо для уточнения графиков работ и моделирования временного описания в BIM. Гибкие итерационные взаимодействия с организацией, производящей экспертизу проекта, требуются для своевременного учета и внесения коррективов со стороны экспертов и изменений в модель, спецификации, сметные расчеты и ведомости работ [35].
Важным является использование гибких принципов СП на начальных этапах строительства, когда полученная модель с применением BIM соотносится с фактическим выносом точек в натуру; происходит взаимоувязывание подрядчиком объемов материалов и графика СП; организуется исполнительная съемка. Итерационные взаимодействия будут целесообразны как с заказчиком, так и с проектировщиком при дополнении модели и изменении проектных решений и при итоговой разработке исполнительной цифровой модели.
Наиболее сложным считается использование преимуществ гибкой методологии на стадии эксплуатации [8], где требуются итерационные взаимодействия эксплуатирующей организации, подрядчиков и потребителей. Однако именно в процессе гибкой эксплуатации в модель объекта вносятся данные по плановым и капитальным ремонтам, замене расходных материалов, амортизации и иному, а также сведения об удовлетворении запросов со стороны пользователей уникальным объектом. Также входящей информацией в BIM будет регистрация данных различными детектирующими системами здания (контроль состояния инженерных систем, конструкций, энергопотребления и пр.). Получаемая в результате BIM обновленная эксплуатационная модель служит основой для прогнозирования затрат на эксплуатацию и ремонтные работы в аналогичных объектах.
В результате гибкого СП модель обогащается новыми данными, а цифровое информационное описание в BIM значительно упрощает и сокращает время коммуникаций при итерационных взаимодействиях, позволяя оперативно вырабатывать альтернативные решения. Для распределенных участников СП доступ к BIM целесообразно осуществлять по децентрализованным протоколам обмена данными, аналогичным технологиям BlockChain. Необходимо учитывать, что гибкость и удаленная командная работа в рамках BIM требуют высокой квалификации и мотивации участников СП [25].
Заключение
Стадии проектного анализа и проектирования в жизненном цикле уникального объекта являются наиболее ответственными и требуют оценки не одного проекта, как в традиционном каскадном подходе, а нескольких альтернатив на основе гибких итерационных взаимодействий. Показано, что принципы гибкого СП позволяют оперативно осуществлять итерационные взаимодействия для снижения затрат, стоимости и сроков принятия эффективных альтернативных решений.
Выявлено, что цифровизация СП, в частности использование технологии BIM на всех стадиях жизни объекта, позволяет оптимизировать коммуникационный процесс, получать и учитывать обновляющиеся данные при внешних и внутренних изменениях за счет доступа к информационному пространству различных участников СП. Гибкое СП с применением BIM приводит к повышению производительности и качества процессов создания и эксплуатации уникальных объектов за счет оперативности и точности передачи данных, кооперационных взаимодействий и обратной связи всех организаций, участвующих в СП.
Установлено, что на стадии эксплуатации необходима интеграция BIM с цифровыми ресурсами управления недвижимостью для получения уточненной и обновленной BIM-модели, которая будет служить основой для планирования ресурсов при возведении и эксплуатации аналогичных объектов в будущих периодах.
Сочетание гибкой методологии СП и BIM обеспечивает своевременный учет информации на всех стадиях жизни объекта, приводит к росту качественных характеристик объекта и принятию эффективных решений при проектировании, организации строительства и эксплуатации объекта, сокращает документооборот, время согласований и повышает скорость выполнения работ, создает информационное обеспечение для реализации аналогичных проектов. Важной для дальнейшего развития гибкого СП с применением BIM является интеграция программных продуктов информационного моделирования и эксплуатации зданий, а также систем детектирования конструкций, инженерных коммуникаций, энергопотребления. Также требуется решение вопросов удаленного взаимодействия организаций – участников СП посредством защищенных протоколов децентрализованного информационного обмена.