Быстрый рост объемов строительных работ в российской экономике (на 40 % только в 2017–2021 гг. [1, с. 78]), а также усложнение возводимых объектов [2, 3] обуславливают новые вызовы по научно-методическому обеспечению технологии и организации строительства, в том числе контролю работ, управлению жизненным циклом, включая эксплуатацию зданий и сооружений. Осуществление надежного и эффективного контроля подрядчика со стороны заказчика – важнейшая научно-техническая задача развития отрасли, поскольку строительный контроль выполняет такие функции, как проверка соблюдения сроков, полноты, качества, последовательности выполнения операций, обеспечение соответствия объектов требованиям законодательства и др. [4, 5].
Основными проблемами строительного контроля являются необходимость выделения значительных ресурсов (человеческих, временных, финансовых), зависимость от квалификации, мотивации, добросовестности исполнителей [6]. Вообще говоря, далеко не все заказчики имеют компетентных специалистов и адекватную материально-техническую базу для такого контроля. Кроме того, строительный контроль призван обеспечивать нормальную коммуникацию участников процесса, формируемая информационная база должна быть прозрачной и доступной, что далеко не всегда имеет место на практике [7]. Иными словами, человеческий фактор и громоздкость контроля создают риски расхождения строящихся объектов с проектными параметрами. Так, по словам главы ФБУ «Росстройконтроль» В. Щербинина, «одной из основных проблем при реализации строительных проектов является несоответствие документации реальной ситуации» [8]. Таким образом, нередки ситуации, когда запланировано одно, а в нарушение прав и законных интересов заказчика, потребителя, общества строится нечто другое.
Опыт использования цифровых технологий для решения самых различных научных и производственных задач свидетельствует, что использование беспилотной съемки, цифровых двойников, больших данных, дистанционного сканирования и зондирования объектов, искусственного интеллекта, нейронных сетей резко повышает результативность, эффективность, качество контроля, мониторинга, анализа объектов управления, делает их объективными, независящими от человеческого фактора [9, 10]. В настоящее время активно развивается использование цифровых технологий в целях повышения скорости, качества, надежности строительного контроля, а также исключения злоупотреблений (отметим, что в современных реалиях получение службами контроля качества денег так же зависит от сроков сдачи объекта, как и у самих строителей). Однако их внедрение в сложную консервативную строительную отрасль связано с новыми трудностями, ограничениями. Поэтому цифровизация строительного контроля, несомненно, имеет значительные перспективы, однако не менее серьезной ошибкой были бы ее идеализация и спонтанное форсированное внедрение без учета отраслевых особенностей. Поэтому необходим объективный анализ преимуществ, достижений, ограничений, проблем использования цифровых технологий в строительном контроле по сравнению с традиционными.
Цель исследования – сравнить традиционные и цифровые технологии контроля строительства, определить наиболее перспективные ниши использования цифровых технологий для организации строительства и управления жизненным циклом.
Материалы и методы исследования
Исследование основано на библиографическом поиске и последующем критическом анализе научных публикаций, посвященных проблемам строительного контроля, в том числе с использованием цифровых технологий. Использованы базы данных «Scopus» и «Российский индекс научного цитирования». Глубина поиска, учитывая динамизм развития цифровых технологий, была ограничена в основном пятью годами, т.е. 2019–2023 гг., хотя по отдельным вопросам традиционного контроля целесообразно цитирование некоторых более ранних работ.
Результаты исследования и их обсуждение
Традиционный строительный контроль, как указывается в специальной литературе, основан на физическом выезде специалистов на строительную площадку, где они по преимуществу проводят различные инструментальные измерения (замеры), отборы проб для последующего анализа, а также те или иные испытания [11, 12]. Как правило, строительный контроль начинается с визуального осмотра, в ходе которого можно получить общее представление о ходе работ, обнаружить явные нарушения [13]. Затем чаще всего проводится оценка точности геометрических параметров объекта (прогибы, перемещения, соблюдение габаритов, положение элементов относительно осей и рисок и др.) с использованием нивелиров, прогибомеров, тахиометров [14]. Также необходимым элементом контроля является проверка качества материалов и конструкций, в частности прочности бетона, его температуры, времени затвердевания. Для этого применяется ультразвуковое сканирование, сдавливание, оценка пластических деформаций и др. [15, 16]. Также контролируется ширина раскрытия трещин, чрезмерная величина которой оказывает негативное влияние на долговечность арматуры и конструкции в целом [17]. Наряду с этим может быть целесообразной проверка теплоизолирующих свойств стен, дверей, окон путем тепловизионной съемки, оценка уровня звукоизоляции строения [18].
Теоретико-методические основы традиционного строительного контроля достаточно хорошо разработаны и, более того, закреплены в различных стандартах и методических рекомендациях. Однако традиционная парадигма строительного контроля, как частично отмечалось ранее, предполагает непосредственное присутствие специалистов на месте и сверку результатов работ с проектом в ручном режиме, составление технических отчетов по результатам. При этом возникает проблема высоких трудозатрат (тем более острая, что нормы финансирования работ по контролю в зависимости от сметной стоимости в России намного ниже мирового уровня), накопления больших объемов информации в аналоговых форматах, которые затруднительно хранить и обрабатывать. В результате страдает полнота и точность данных, не обеспечивается прозрачность полученной информации, возникает объективный конфликт отношений заказчика, контролера и подрядчика. Эти проблемы активно обсуждаются в работах российских специалистов по строительному контролю [19–21]. Даже переход таких традиционных инструментальных средств, как склерометры или нивелиры, на электронный формат получения и обработки данных не решает соответствующих проблем.
Это обуславливает внедрение в процессы строительного контроля цифровых технологий, которые позволяют снизить влияние названных ограничений. В настоящее время существует ряд работ по цифровизации строительного контроля. Чаще всего рассматривается технология информационного моделирования зданий (от англ. Building Information Modeling, BIM) [22, 23]. По данным [24], мировой рынок информационного моделирования зданий в 2022 г. составил 6,4 млрд долл. США, а в 2032 г. он возрастет до 20,0 млрд долл. США. Согласно данным обзора [25], технология BIM не просто позволяет обеспечить устойчивое развитие отрасли на основе инноваций, но и организовать ее работу в рамках современных трендов цифровизации, интеграции в системы больших данных, единых информационных баз. BIM значительно шире, чем просто строительный контроль, поскольку охватывает все этапы жизненного цикла объекта. Ее данные пополняют и используют все стейкхолдеры процесса [26]. Добавим, что в ряде стран создание BIM-моделей де-факто или де-юре уже обязательно, в России с 2021 г. введена норма о наличии информационных моделей объектов, возводимых за счет бюджетной системы [27]. Вместе с тем известны и иные технологии, способствующие созданию цифрового двойника строительного объекта, повышению эффективности контроля, снижению затрат, например дополненная реальность [28].
К основным цифровым технологиям строительства принято относить в настоящее время, наряду с BIM, дополненную и виртуальную реальность (AR/VR), лазерное сканирование, робототехнику, 3D-печать, сборные конструкции и платформы, аналитическое программное обеспечение, блокчейн, Интернет вещей, решения для машинного обучения [29, 30]. Разные сферы применения цифровых технологий в строительстве изучены в различной степени. Так, согласно [31], чаще всего изучаются вопросы поиска дефектов качества бетона, арматуры, а также отклонения геометрических параметров. Для обнаружения трещин относительно широко применяют компьютерное зрение, лазерное сканирование, съемку в инфракрасном спектре. При оценке правильности геометрических параметров и регистрации данных в BIM задействуют уже упомянутые модели дополненной реальности. В еще одном обзоре отмечается роль цифровых технологий в автоматизации строительства как отрасли, а также большое внимание исследователей к фотограмметрии и лазерному сканированию как средствам получения данных [32].
«Твердым ядром» представлений о цифровой модели строительного объекта следует считать положения о создании его «цифрового двойника» (основой такого двойника как раз и является BIM). Хотя строительство отстает от многих других отраслей в этой сфере, постепенно исследования такого рода появляются, в них достаточно часто упоминается съемка с беспилотных воздушных судов (БВС) как источник информации для двойника [33]. В целом к наиболее распространенным способам формирования информационного массива по объекту строительства относят лазерное сканирование, данные геоинформационных систем, компьютерное зрение, умные сенсоры, Интернет вещей, идентификацию по RFID-меткам и др. [34].
В [35] обсуждается построение BIM-модели здания на основе информации относительно размеров, формы объекта, проектной конфигурации, взаимосвязи элементов в соответствующей программной среде. Это позволяет всем участникам процесса работать с моделью, что дает возможность вести мониторинг, немедленно предпринимать корректирующие действия при наличии отклонений. В работе [36] представлена конкретная пятиуровневая архитектура такой BIM-модели, включающая базовый слой (информационно-аппаратный), собственно модель (базовый проект, сведения о ходе строительства, отклонениях), уровень, где данные обрабатываются, а также средства предоставления доступа пользователям. Применение данной модели позволило повысить эффективность строительства крупных тоннелей в Китайской Народной Республике. Наряду с эффективностью исследователи отмечают такое преимущество BIM (как и дополненной реальности), как повышение безопасности на строительной площадке [37]. В [38] также обсуждается роль цифровых технологий и информационных моделей для интеграции строительства в модель устойчивого развития, максимально продуктивного использования ограниченных ресурсов. Следующим этапом развития цифровизации строительства может стать внедрение искусственного интеллекта в процесс принятия рациональных решений [39]. В таблице обобщены преимущества и ограничения применения BIM-модели в современном строительстве.
Один из центральных вопросов построения цифровых моделей объектов строительства (трехмерных) – рациональные средства и методы сбора, обработки, использования информации, обладающие необходимым уровнем точности, скорости, приемлемой стоимостью [40]. Перспективной технологией видится лазерное сканирование, поскольку оно имеет низкую себестоимость, высокую скорость, дает возможность создавать точные цифровые копии, в том числе на сложных поверхностях и малодоступных участках. Технология лазерного сканирования, как известно, базируется на учете направления отраженного от изучаемой поверхности лазерного луча и времени такого отражения, в результате чего формируется 3D-модель в виде облака точек [41]. В современной практике находят применение несколько методов лазерного сканирования:
1. Наземное лазерное сканирование ведется с использованием наземных трехмерных сканеров, создающих плотные облака точек с достаточно высокой точностью и скоростью съемки (миллионы точек в минуту). Они содержат данные о цвете, интенсивности излучения [42]. К достоинствам данной технологии относятся большая точность и детализация данных съемки, высокая скорость, возможность проведения съемок внутри помещений. С ее помощью удобно вести съемку труднодоступных поверхностей на расстоянии. Ограничениями наземного лазерного сканирования являются зависимость от погодных условий, невозможность сканирования поверхностей с высокой гладкостью (например, стекол). Кроме того, по такой технологии возможна съемка только тех объектов, которые находятся в прямой видимости, а результаты съемки должны подвергаться дополнительной привязке к геодезическим координатам [43].
Преимущества и ограничения BIM-моделей для управления строительством
|
Преимущества |
Ограничения |
|
Возможность сквозного контроля и управления на всех этапах жизненного цикла. Включение в единую модель всей значимой для принятия решений информации (техническое состояние, геометрические характеристики элементов и др.). Ускорение процессов проектирования и контроля. Сокращение субъективных ошибок, обусловленных человеческим фактором. Интеграция модулей и блоков, созданных в разных программных продуктах для строительного проектирования. Модель является трехмерной, а также динамичной во времени, что по сравнению с плоскостными чертежами, выполненными на определенный момент времени (четвертое измерение – 4D), повышает качество информационного обеспечения. Использование открытых стандартов обмена информацией |
BIM-модель хорошо подходит для визуализации объекта, построения архитектурных форм, но менее удобна для конкретных конструктивных и инженерных расчетов. При переходе на BIM-модель могут быть утрачены устоявшиеся рабочие практики, методы и инструменты. Попадание в зависимость от поставщика программного обеспечения для построения BIM-модели. Высокие первоначальные затраты времени на создание BIM-модели |
2. Мобильное лазерное сканирование отличается тем, что сканер располагается на каком-либо носителе (автомобиль, моторная лодка), съемка ведется в процессе движения. Существующие технические средства позволяют проводить сканирование при скорости до 90–100 км/ч. Данный метод используется преимущественно при исследовании и контроле линейных (и реже – площадных) объектов, таких как дороги, мосты, трубопроводы, линии тепловых сетей, электропередач. Он имеет несколько больший интервал между точками – от 1 до 10 см [44], что ограничивает его применение на отдельных строительных объектах. Но эта же особенность является преимуществом при съемках в масштабах городов, районов, а также на больших расстояниях. Поскольку большинство искусственных поверхностей имеют геометрически правильную форму, мобильное лазерное сканирование хорошо выявляет деформации, свидетельствующие о нарушениях. Так, в [45] описывается успешное применение мобильного лазерного сканирования для мониторинга деформации анкерных подпорных конструкций на дорогах общего пользования, где по плотному облаку точек рассчитываются участки с нарушениями, требующими внимания.
3. Воздушное лазерное сканирование, как видно из названия, предполагает съемку с летательного аппарата, в современных условиях чаще всего с БВС. Обычно одновременно проводится аэрофотосъемка, что позволяет построить цифровой ортофотоплан местности (пример применения такой технологии для принятия решений в сфере объектов недвижимости приведен в [9]). Воздушное лазерное сканирование также предназначено для работы с большими площадями и протяженными линейными объектами, хотя в [46] демонстрируется возможность использования БВС для дистанционного бесконтактного строительного контроля. Сравнение результатов воздушного и мобильного сканирования в [47] показало хорошую сходимость данных. Как известно, съемка с БВС широко используется для получения цифровых двойников зданий, сооружений, районов, городов, поэтому нередко лазерное сканирование совмещается с установлением геодезических координат. Это позволяет реализовать масштабные проекты построения «цифровых двойников» городов [48]. Преимуществом воздушной съемки в определенных условиях может стать исключение рисков для оператора при проведении работ в опасных зонах [49]. Однако в ситуации административных запретов и ограничений на полеты БВС, введенных в значительном количестве регионов России, мобильное лазерное сканирование может стать методом выбора.
По нашему мнению, каждый из рассмотренных методов имеет свою нишу, где является наиболее продуктивным. В частности, для выполнения строительного контроля непосредственно на каком-либо здании, сооружении перспективно наземное сканирование, для проведения инженерно-изыскательских работ – воздушное. Для таких объектов, как дороги, наилучшим образом подходит мобильное сканирование с его высокой производительностью и возможностью мониторинга не только на этапе контроля, но и в период действия гарантийных обязательств, т.е. на протяжении разных этапов жизненного цикла.
Заключение
Проведенный обзор показывает, что вследствие объективных недостатков традиционного ручного инструментального строительного контроля в отрасль постепенно интегрируются цифровые технологии, в частности создание цифровых двойников. Они решают масштабные управленческие задачи на всех стадиях жизненного цикла, наиболее признанной и распространенной технологией является BIM-модель. Уже существуют кейсы успешного ее применения, хотя данная модель имеет не только преимущества, но и определенные ограничения. Для построения BIM-модели большую роль играют методы сбора информации, в частности лазерное сканирование. В работе показано, что каждый из видов сканирования (наземное, мобильное, воздушное) имеет определенные конкурентные преимущества. Так, для контроля дорожного строительства в период гарантийных сроков, принятия решений о ремонте в будущем хорошо подходит наземное мобильное сканирование, хорошо выявляющее деформации гладких поверхностей. Данная технология перспективна для использования в рамках реализации нацпроекта «Безопасные и качественные дороги».