Автоматизация процессов проектирования и монтажа инженерных систем на строительных объектах

Введение

Трансформация методологий проектирования и монтажа инженерных систем в строительной отрасли обусловлена стремительным развитием цифровых технологий. В современных исследованиях освещаются ключевые аспекты автоматизации, делается акцент на инновационные решения, которые кардинально меняют подходы к реализации проектов.

В условиях растущей сложности современных зданий, сооружений, а также ужесточения требований к их энергоэффективности, экологичности, традиционные методы проектирования, монтажа инженерных систем демонстрируют ряд существенных ограничений. Главным образом, речь идёт о высокой трудоёмкости, значительных затратах времени, потенциальной неточности ручного труда. В связи с обозначенным, ключевой проблемой исследования является систематизация комплексных автоматизированных решений, помогающих успешно преодолевать указанные барьеры и обеспечивать качественно новый уровень эффективности, точности, оптимизации. Важно обращаться к разностороннему анализу и оценке потенциала современных цифровых технологий (подразумевая искусственный интеллект, роботизацию, аддитивное производство, «цифровые двойники» и т. п.) в контексте их применения для автоматизации процессов создания, установки инженерных систем.

Методы и материалы

В ходе написания статьи использован сравнительный анализ. Также применены систематизация, классификация, обобщение в качестве методов. С помощью кейсов продемонстрирован ряд конкретных примеров.

В течение последних лет наблюдается значительный прогресс в области автоматизации процессов проектирования, монтажа инженерных систем на строительных объектах. В материалах, публикациях исследователи рассматривают различные ракурсы данной проблемы.

Так, А. С. Атаева и соавторы анализируют потенциал генеративного искусственного интеллекта в проектировании, подчеркивая его способность трансформировать традиционные методы дизайна. Развивая эту тему, А. Г. Каграманян [5, с. 66-68] фокусируется на применении таких приемов в целях оптимизации наружных инженерных сетей, демонстрируя возможности подхода.

Проблематика автоматизации рассматривается в трудах многих авторов. К примеру, В. П. Батраков [2, с. 32-36] анализирует программные продукты, специально разработанные для строительных предприятий, оценивая их результативность и перспективы применения. М. С. Санталова и коллеги [8, с. 51-57] исследуют вопросы через призму цифровизации, предлагая стратегии внедрения современных технологических разработок. А. А. Скрипкина и соавторы [9, с. 177-182] рассматривают обширный спектр IT-решений, применяемых для автоматизации строительства, давая характеристику их влияния на эффективность, качество осуществляемых работ.

Пристальное внимание обращено в научных трудах задействованию робототехники. В частности, И. Д. Дикань [3, с. 200-205] исследует преимущества и проблемы в увязке с этим. И. В. Завьялов [4, с. 19-21] расширяет тему, рассматривая такую технику как комплексный инструмент.

М. О. Орел и В. И. Пахолько [6, с. 110-113] обсуждают нюансы внедрения и интеграции BIM-технологий в строительстве, высвечивая их важнейшую роль в налаживании процессов проектирования, а также управления.

Особое место в изысканиях занимает технология 3D-печати. А. А. Постовой [7, с. 92-95] анализирует текущее состояние и будущее этого вектора, оценивая потенциал для преобразования и наполнения традиционных методов. А. В. Фулина [10, с. 46-50], описывая направления усовершенствования в данной области, делает упор на потенциальное влияние на перспективы строительной индустрии.

Итак, в центре исследовательского внимания по теме пребывает множество разработок – инструментарий искусственного интеллекта, робототехника, BIM, аддитивное производство и т. д. Это свидетельствует о многогранности проблемы, а также о необходимости междисциплинарного подхода к её разрешению.

Результаты и обсуждение

Целесообразно подчеркнуть, что современные системы эволюционировали от простых чертёжных инструментов до многофункциональных платформ, интегрирующих в себе возможности параметрического моделирования, многомерного анализа, оптимизации [8, с. 51-57; 9, с. 177-182]. Алгоритмическое проектирование, которое реализуется через новейшие инструменты (к примеру, Dynamo для Revit или Grasshopper для Rhino), позволяет создавать адаптивные модели инженерных систем, мгновенно реагирующие на изменение исходных параметров [2, с. 32-36].

Например, в проекте офисного комплекса «Гринсайд» (Лондон) применение проектирования с задействованием Dynamo для Revit позволило оптимизировать систему вентиляции. Алгоритм, в котором учитываются данные о солнечной радиации, тепловыделении от оборудования, людей, а также требования к качеству воздуха, автоматически генерировал конфигурации воздуховодов, расположение диффузоров. Это привело к снижению энергопотребления системы [2, с. 32-36].

Генеративный дизайн (рис. 1), базирующийся на алгоритмах эволюционной оптимизации, способен автономно генерировать тысячи вариантов конфигураций инженерных систем, оценивая их эффективность по заданным критериям. Это существенно сокращает время на поиск наилучших решений, а также открывает дополнительные опции в области энергоэффективности, ресурсосбережения.

Рис. 1. Эффекты генеративного дизайна (составлено автором на основе [1, с. 1342-1345; 5, с. 66-68])

К примеру, при реконструкции химического завода в Рурской области (Германия) применение генеративного дизайна в целях оптимизации трассировки трубопроводов помогло сократить общую длину труб на 15%, уменьшить количество фитингов, снизить гидравлические потери. Алгоритм, разработанный на базе Grasshopper, опирался на множество факторов, в том числе, требования к доступу для обслуживания, тепловое расширение, сейсмическую устойчивость [1, с. 1342-1345].

Технология информационного моделирования зданий (BIM) вышла за рамки 3D-визуализации, достаточно быстро преобразившись в комплексную «экосистему» управления данными на протяжении всего жизненного цикла объекта. Интеграция BIM с IoT-сенсорами, аналитическими платформами помогает создавать «цифровых двойников» инженерных систем, обеспечивая непрерывный мониторинг, оптимизацию их работы в реальном времени [6, с. 110-113].

Семантическое обогащение BIM-моделей метаданными о технических характеристиках, стоимости, экологическом воздействии позволяет автоматизировать процессы принятия решений на всех этапах – от концептуального проектирования до вывода из эксплуатации.

Внедрение роботизированных систем в монтажные процессы уже вышло за пределы простой механизации. Коллаборативные роботы, оснащенные инструментарием машинного зрения, тактильными сенсорами, способны выполнять сложные операции по монтажу инженерного оборудования в условиях неопределенности, которые зачастую свойственны строительным площадкам. На схеме (рис. 2) систематизированы тенденции роботизации процессов проектирования, монтажа инженерных систем в строительстве.

Рис. 2. Выделение ключевых тенденций роботизации (составлено автором на основе [3, 200-205; 4, с. 19-21])

Аддитивные технологии (рис. 3) качественно преобразуют подход к изготовлению компонентов инженерных систем. 3D-печать металлом дает возможность создавать топологически оптимизированные детали различной геометрии, недостижимой при традиционных методах производства. В результате достигается множество полезных эффектов, связанных, к примеру, с результативностью теплообменников, снижением гидравлических потерь в трубопроводных системах, оптимизацией воздухораспределения в вентиляции.

Рис. 3. Варианты использования аддитивных технологий (составлено автором на основе [7, с. 92-95; 10, 46-50])

В свою очередь, алгоритмы машинного обучения (в частности, подразумеваются глубокие нейронные сети) демонстрируют впечатляющие результаты в предиктивной аналитике состояния инженерного оборудования. Модели, которые обучены на больших массивах эксплуатационных данных, с высокой точностью прогнозируют отказы, оптимизируют режимы функционирования, снижают энергопотребление.

Внедрение мультиагентных систем управления, где каждый компонент инфраструктуры представлен автономным программным агентом, помогает реализовать децентрализованные стратегии оптимизации, значительно превосходящие традиционные централизованные схемы по адаптивности, отказоустойчивости.

К примеру, в экспериментальном офисном здании «ЭкоСмарт» (Стокгольм) внедрена мультиагентная система управления микроклиматом. Каждое помещение, оснащенное комплексом сенсоров, представлено отдельным программным агентом, который «договаривается» с агентами соседних помещений и центральных пунктов об оптимальных параметрах работы. Подобный подход позволил снизить энергопотребление на кондиционирование при одновременном повышении уровня комфорта пользователей.

Хотя квантовые компьютеры пока еще не достигли уровня практического применения, их потенциал в решении сложных оптимизационных задач, характерных для проектирования инженерных систем, уже очевиден. Соответствующие алгоритмы (к примеру, имеются в виду квантовый отжиг) качественно трансформируют процессы балансировки сетей, расчёта энергетических характеристик зданий.

Ниже в таблице представлен авторский взгляд на достоинства и ограничения различных методов автоматизации процессов проектирования и монтажа инженерных систем на строительных объектах. Каждый из них оценивается с позиции его результативности, применимости, возможных барьеров, которые возникают при их внедрении в современных условиях хозяйствования.

Таблица

Характеристика различных методов автоматизации (составлено автором)

В таблице наглядно показано, что каждый из методов автоматизации проектирования и монтажа инженерных систем обладает рядом достоинств, среди которых наибольшее внимание заслуживают следующие характеристики: повышение точности, ускорение выполнения работ, снижение количества ошибок, минимизация отходов.

Вместе с тем все методические подходы обладают ограничениями, которые сопряжены с высокими затратами на внедрение, необходимостью обучения персонала, явной зависимостью от технических возможностей оборудования.

Выводы

Автоматизация процессов проектирования и монтажа инженерных систем – это не просто технологический тренд, отчетливо проявляющийся в нынешних условиях, но и фундаментальный сдвиг парадигмы в строительной отрасли. Интеграция передовых digital-технологий трансформирует все аспекты создания, а также эксплуатации инфраструктуры, открывая путь к принципиально новому уровню эффективности, надёжности, экологичности зданий и сооружений.

Невзирая на существующие ограничения, автоматизация процессов в рассматриваемой сфере характеризуется большим потенциалом для повышения результативности строительных процессов. Выбор того или иного метода должен базироваться на специфике проекта, доступных ресурсах, а также на уровне подготовки персонала. Внедрение описанных в статье разработок требует детального анализа, долгосрочного планирования, чтобы обеспечить наибольшую отдачу от финансовых вложений и повысить общую производительность.