Уменьшение расходов на строительство через использование BIM-технологий для проектирования и контроля за процессом строительства

Введение

В условиях растущей сложности строительных проектов и усиливающихся требований к эффективности использования ресурсов строительная отрасль сталкивается с серьезными вызовами в области контроля, оптимизации затрат. Традиционные методы проектирования, управления строительством зачастую не способны обеспечить необходимый уровень прозрачности, точности прогнозирования, а также оперативности реагирования на изменения в проекте, что приводит к перерасходу средств, задержкам в реализации проектов, снижению общей результативности соответствующих процессов.

Ключевая проблема заключается в поиске действенных методов и инструментов для значительного сокращения расходов на всех этапах строительного проекта – от концептуального проектирования до завершения строительства и последующей эксплуатации объекта. При этом необходимо учитывать не только прямые затраты на материалы и рабочую силу, но и косвенные расходы, которые сопряжены с управлением проектом, логистикой, а также долгосрочные эксплуатационные затраты и экологические аспекты.

Методы и материалы

При написании статьи был использован сравнительный анализ, проанализированы современные научные публикации, в которых освещаются содержательные стороны темы. Обработаны статистические данные, изучены конкретные кейсы, отражающие российский и зарубежный опыт.

В материалах, научных источниках обнаруживается растущий интерес к применению технологий информационного моделирования (BIM) в строительной отрасли. Исследователи рассматривают различные аспекты внедрения, его экономические эффекты, применение на разных этапах жизненного цикла здания, а также международный опыт.

Так, А. В. Кудинов и соавторы дают характеристику общим аспектам BIM-технологий в строительство, подчеркивая их потенциал для повышения результативности проектирования. Авторы отмечают, что BIM позволяет создавать единую информационную модель здания, что способствует улучшению координации между участниками проекта и сокращению ошибок [4, с. 143-145]. Эти выводы подтверждаются и международным опытом, представленным в аналитическом обзоре состояния внедрения BIM в семи странах, который демонстрирует растущую тенденцию к использованию BIM в строительной отрасли по всему миру [7].

Экономические нюансы задействования BIM-технологий подробно рассматриваются в работах В. А. Белякова [1], М. М. Бозина [2, с. 248-254], Д. А. Гуры [3, с. 80-88]. Исследователи акцентируют внимание на особенностях проектирования и расчета стоимости строительства при внедрении BIM, отмечая потенциал технологии для более точного прогнозирования затрат. Они исследуют место BIM в формировании механизма сметных расчетов. Авторы опираются на конкретные примеры экономии средств, демонстрируя потенциал для оптимизации расходов на разных стадиях проекта.

Специфика применения BIM на различных этапах жизненного цикла здания рассматривается в работах А. Д. Плотникова и Ю. О. Кустиковой [5, с. 108-111], А. А. Помельникова [6, с. 147-149], а также Е. А. Федотовой и К. А. Акопьян [8, с. 347-352]. Они фокусируются на перспективных направлениях использования BIM, анализируют положительные эффекты внедрения, отмечая возможности для повышения качества строительства, сокращения эксплуатационных расходов.

Международный опыт и интеграция BIM с прочими подходами представлены в работах A. Eldeep [9, с. 21-28], A. Juszczyk [10, с. 623-633]. Оцениваются преимущества сочетания концепции бережливого производства (Lean) с BIM на этапах проектирования, строительства; демонстрируется синергетический эффект.

Итак, исследователи проявляют единодушие в признании потенциала BIM-технологий для оптимизации строительных процессов, сокращения расходов. Вместе с тем, отмечается необходимость последующих исследований – в целях разработки результативных методик внедрения BIM и количественной оценки экономического эффекта от их применения на всех этапах жизненного цикла строительных объектов.

Результаты и обсуждение

BIM представляет собой комплексный подход к созданию и управлению информацией о строительном объекте на протяжении всего его жизненного цикла. В отличие от традиционных методов проектирования, BIM предоставляет полноценную возможность создавать многомерные модели, интегрирующие следующие ключевые характеристики объекта:

• геометрические;
• физические;
• функциональные.

На рисунке 1 представлены статистические данные относительно использования технологии BIM среди застройщиков в различных странах.

Рис. 1. Применение технологии BIM в строительстве (данные 2021 года) [7]

Так, можно сделать вывод, что BIM наиболее популярна в таких странах, как Германия, Великобритания, Франция, где уровень её использования значительно выше по сравнению с Россией.

Экономический эффект на стадии проектирования представлен следующими составляющими: оптимизация проектных решений, сокращение временных затрат, минимизация ошибок проектирования [1, с. 107-112; 8, с. 347-352].

Так, применение BIM-технологий на рассматриваемой стадии позволяет осуществлять многовариантный анализ проектных решений. Программные комплексы, реализующие BIM-подход, дают возможность оперативно оценивать влияние изменений в проекте на его стоимость. Это помогает выбрать наиболее экономически эффективные варианты без ущерба для качества и функциональности объекта.

Весомая роль отводится сокращению временных затрат. Автоматизация рутинных процессов (создание спецификаций и ведомостей объемов работ), существенно ускоряет процесс проектирования. Экономия времени трансформируется в снижение затрат на оплату труда проектировщиков, а также сокращение сроков реализации проекта в целом.

BIM-технологии обеспечивают высокую точность проектирования и автоматическое выявление коллизий между различными разделами проекта. В результате удаётся избежать дорогостоящих ошибок, которые могли бы быть обнаружены только на этапе строительства, что привело бы к значительным дополнительным расходам.

Оптимизация расходов в процессе строительства опирается на следующие ключевые положения (рис. 2):

Рис. 2. Направления уменьшения расходов на этапе строительства (составлено автором на основе [2, с. 248-254; 3, с. 80-88; 6, с. 147-149])

Так, интеграция BIM-модели с календарно-сетевым графиком (4D BIM) даёт возможность оптимизировать последовательность строительных работ, минимизировать простои, эффективно распределять ресурсы. Это влечёт за собой сокращение сроков строительства и, как следствие, снижение накладных расходов.

BIM-модель предоставляет детальную информацию о количестве необходимых материалов, что позволяет избежать избыточных закупок, минимизировать отходы. Это не только снижает прямые затраты на материалы, но и сокращает расходы на их хранение, утилизацию.

Использование BIM в сочетании с технологиями лазерного сканирования и дронами помогает осуществлять непрерывный мониторинг хода строительства. Своевременное выявление отклонений от проекта, оперативное внесение корректировок предотвращают возникновение дорогостоящих проблем на более поздних этапах.

BIM-модель возможно интегрировать с системами управления поставками, что позволяет оптимизировать логистические процессы. Это представлено планированием поставок материалов точно в срок, оптимизацией маршрутов доставки, результативным использованием строительной техники.

Долгосрочные экономические преимущества могут быть охарактеризованы следующим образом:

• сокращение эксплуатационных расходов (BIM-модель, содержащая информацию обо всех инженерных системах здания, позволяет оптимизировать процессы технического обслуживания и ремонта; это приводит к уменьшению эксплуатационных расходов на протяжении всего жизненного цикла объекта);
• повышение энергоэффективности (использование BIM-технологий помогает проводить детальный энергетический анализ здания на этапе проектирования. Это позволяет принимать взвешенные решения по выбору энергоэффективных материалов и инженерных систем, что в долгосрочной перспективе приводит к существенной экономии на коммунальных платежах) [3, с. 80-88].

Далее целесообразно обратиться к характеристике конкретных примеров, соответствующих теме статьи.

Первый из них касается проекта «Shanghai Tower» (Китай). Строительство 632-метрового небоскреба, второго по высоте здания в мире, продемонстрировало впечатляющие результаты применения BIM-технологий:

• благодаря оптимизации конструкции с помощью BIM удалось сократить использование стройматериалов;
• применение 4D BIM-моделирования позволило сократить сроки строительства;
• BIM помогло оптимизировать форму здания, что привело к снижению ветровой нагрузки и, как следствие, к существенной экономии на материалах и повышению энергоэффективности.

В качестве ещё одного примера выступает «Crossrail» в Лондоне, крупнейший инфраструктурный проект в Европе, где активно использовались BIM-технологии:

• предотвращение коллизий (было выявлено множество потенциальных конфликтов до начала строительства, что позволило сэкономить на устранении ошибок на стройплощадке);
• использование 4D BIM-моделирования для планирования логистики помогло сократить количество грузовых рейсов, что привело к значительной экономии средств, снижению воздействия на окружающую среду.

В России (Санкт-Петербург) при строительстве 462-метрового небоскреба «Лахта Центр» BIM-технологии сыграли ключевую роль:

• их применение позволило сократить сроки проектирования и уменьшить количество коллизий;
• благодаря точному расчету объемов работ удалось сэкономить бетон при устройстве фундамента;
• задействование лазерного сканирования в сочетании с BIM-моделью дало возможность выявить отклонения конструкций с высокой точностью, что предотвратило потенциальные ошибки, а также дополнительные расходы.

В качестве нового подхода к уменьшению расходов на строительство предлагается механизм, базирующийся на глубокой интеграции BIM-технологий с системами искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО). Он представляет собой комплексную систему, состоящую из следующих ключевых компонентов (табл.):

Таблица

Компоненты предлагаемого механизма оптимизации расходов на основе интеграции BIM и искусственного интеллекта (составлено автором)

Принцип работы предлагаемого механизма заключается в непрерывном анализе данных, поступающих из BIM-модели, датчиков на строительной площадке, финансовых систем, внешних источников. На базе такого анализа система генерирует рекомендации касательно оптимизации расходов, которые могут быть автоматически внедрены в BIM-модель после одобрения специалистами. Новизна заключается в следующем:

1. Хотя и BIM, и предиктивная аналитика по отдельности используются в строительстве, их глубокая интеграция для непрерывной оптимизации расходов является инновационным подходом. Описанный механизм не просто анализирует данные постфактум, а предсказывает потенциальные проблемы, предлагает решения превентивно.
2. Существующие системы управления строительством обычно работают с фиксированными планами, которые корректируются периодически. В охарактеризованном механизме предлагается постоянная, динамическая оптимизация, реагирующая на малейшие изменения в проекте или внешних условиях.
3. Хотя концепция цифровых «двойников» не нова, их применение для виртуальной оптимизации строительных процессов в контексте снижения затрат является инновационным подходом. Это позволяет тестировать рискованные или дорогостоящие решения без реальных затрат.
4. Существующие системы управления поставками нередко слабо интегрированы с BIM-моделями. В предложенном механизме делается упор на глубокую интеграцию, позволяющую автоматически корректировать закупки на основе изменений в проекте либо ходе строительства.
5. В отличие от существующих решений, ориентированных на конкретные типы проектов, рассматриваемый механизм отражает универсальный подход, адаптируемый к различным масштабам и типам строительства (благодаря задействованию алгоритмов машинного обучения).

Выводы

Внедрение BIM-технологий в процессы проектирования и строительства предоставляет широкий спектр возможностей для оптимизации расходов. Экономический эффект достигается не только за счет сокращения прямых затрат на материалы, рабочую силу, но и благодаря повышению качества проектных решений, сокращению сроков строительства, нивелированию рисков.

Вместе с тем, следует отметить, что максимальная результативность от применения BIM-технологий достигается при комплексном подходе, которым охватываются все без исключения этапы жизненного цикла объекта. Это требует не только внедрения соответствующего программного обеспечения, но и трансформации бизнес-процессов, а также повышения квалификации персонала.

Новизна предложенного механизма заключается в комплексном, интегрированном подходе к оптимизации расходов на строительство, объединяющем передовые технологии BIM, искусственного интеллекта, предиктивной аналитики в единую, самообучающуюся систему. Это предоставляет возможность не только сократить текущие затраты, но и оптимизировать долгосрочные расходы на эксплуатацию объекта, что представляет собой качественно новый уровень управления строительными проектами.

В перспективе, по ходу развития технологий искусственного интеллекта, потенциал BIM в области оптимизации строительных расходов будет только возрастать. По нашему мнению, это открывает дополнительные опции для повышения эффективности, конкурентоспособности строительной отрасли в целом.