Процесс проектирования в строительстве: анализ, методы и оптимизация

Введение

Этап проектирования в строительстве закладывает основу для всего проекта, организуя схему для последующей разработки и исполнения. Это многомерный этап, на котором креативность сочетается с практичностью, формируя видение в осуществимый план, а также предполагает всестороннее понимание потребностей клиентов, ограничений на объекте, нормативных требований и последних технологических достижений. Он направлен не только на создание эстетической структуры, но и на обеспечение функциональности, безопасности, экологичности и экономической целесообразности.

Важность тщательного планирования определяет не только эстетическую привлекательность проекта, но и его структурную целостность и функциональность. Некачественная работа может привести к увеличению затрат, задержкам и даже структурным сбоям, в то время как хорошо продуманный проект может повысить эффективность, сократить количество отходов и обеспечить бесперебойный процесс строительства. Этап проектирования также подготавливает почву для решения ключевых задач, таких как воздействие на окружающую среду, управление ресурсами и вовлечение заинтересованных сторон.

В статье будут рассмотрены различные методологии, используемые на этапе проектирования строительства. От традиционных подходов до более современных стратегий каждый метод предлагает уникальные преимущества и сталкивается с различными проблемами.

Этапы проектирования в строительстве

Этап проектирования в строительстве является критическим и многоуровневым процессом, который определяет траекторию всей работы. Его можно разделить на несколько отдельных этапов, понимание каждого жизненно важно для любой заинтересованной стороны в строительной отрасли, поскольку в совокупности они превращают проект из простой концепции в осуществимую реальность.

На стадии концептуализации основное внимание уделяется пониманию потребностей клиента, целей и общего видения проекта. Данный этап включает в себя мозговой штурм, предварительные наброски и технико-экономическое обоснование. Речь идет об изучении творческих идей и воплощении их в предварительные проекты. Архитекторы и дизайнеры учитывают различные факторы, такие как предполагаемое использование здания, характеристики участка и бюджет клиента.

Как только концептуальная основа установлена, проект переходит к этапу схематического планирования. На этом этапе первоначальные концепции преобразуются в более подробные чертежи и модели, а именно – создание принципиальных схем, которые описывают основные элементы дизайна, такие как пространственные соотношения, масштаб и форма. Также здесь часто используются такие инструменты, как 3D-моделирование, для визуализации проекта и оценки его потенциала.

Следующий этап – стадия разработки дизайна, где концептуальные и схематические планы преобразуются в детальные и технические проекты. Команды архитекторов и инженеров совместно дорабатывают детали, включая выбор материалов, разработку конструктивных элементов, электрических систем, сантехнических установок и других ключевых компонентов, обеспечивая соответствие строительным нормам и удовлетворение требований заказчика.

Этап подготовки строительной документации заключается в преобразовании разработанного проекта в набор документов, которые будут направлять процесс строительства. Документы, часто называемые чертежами или конструкторскими чертежами, содержат исчерпывающую информацию о проекте, спецификациях, размерах и материалах. Они служат основным инструментом для подрядчиков и строительных бригад, направляя их при преобразовании запланированного в физическую структуру.

После завершения подготовки строительной документации проект, как правило, переходит в фазу проведения торгов, здесь подрядчики изучают документы и подают заявки на строительные работы. Процесс проведения торгов имеет важное значение для оценки стоимости и выбора подходящего подрядчика. Этот этап может также включать переговоры для окончательного согласования условий контракта и затрат.

Несмотря на то, что этап проектирования технически завершен после начала строительства, архитекторы и дизайнеры часто остаются вовлеченными в дальнейшее управление строительством (регулярные посещения объекта, просмотр образцов материалов и координацию с подрядчиками для решения любых вопросов, связанных с проектированием, которые возникают во время строительства).

Каждый из этих этапов является неотъемлемой частью процесса проектирования в строительстве, требующего гармоничного сочетания креативности, технических знаний и стратегического планирования.

Методы в строительном проектировании

Процесс проектирования в строительстве – это сложная, междисциплинарная область, которая включает в себя целый ряд методологий, каждая со своим уникальным набором принципов, практик и результатов. Внедрение новых технологий еще больше расширило сферу возможностей, предлагая новые способы повышения эффективности, точности и инноваций в проектировании зданий.

Традиционно проектирование зданий в значительной степени опиралось на ручные процессы, при этом специалисты использовали свои знания и опыт для решения сложных проектных задач. Однако современные методологии все чаще включают искусственный интеллект и машинное обучение. ИИ, имитируя когнитивные функции человека, такие как решение проблем, распознавание образов и обучение, предлагает значительные достижения в обработке сложных вычислений, прогнозировании результатов и автоматизации рутинных задач. Машинное обучение, подмножество искусственного интеллекта, позволяет анализировать большие наборы данных для улучшения процессов принятия решений при проектировании. Технологии служат интеллектуальными помощниками, способными обрабатывать и анализировать огромные объемы данных, что является стандартным требованием в отрасли.

Анализ использования больших данных

Способность современных технологий обрабатывать огромные объемы данных со скоростью, непостижимой для человеческих возможностей, заметно изменила ландшафт строительного проектирования. Эти технологии автоматизируют многочисленные рутинные процессы, такие как управление базой данных, создание спецификаций и генерация отчетов, позволяя профессионалам сосредоточиться на более важных аспектах задания, тем самым повышая общую эффективность бизнеса.

Поскольку объем данных по всему миру, как ожидается, достигнет 163 зеттабайт к 2025 году, что значительно больше, чем 16 зеттабайт в 2016 году, важность эффективного сбора, хранения и анализа данных участников проекта стала первостепенной. Такой резкий рост доступности данных представляет собой как проблему, так и возможность для строительной отрасли. Растущая потребность в анализе и интерпретации этих обширных наборов данных для целей управления проектами и планирования стимулирует инновации в этой области.

Опрос, проведенный британской компанией Sage, показал, что 57% компаний хотят иметь постоянный доступ к актуальной финансовой информации и сведениям о проектах, а 48% хотят получать уведомления о важных событиях. Кроме того, 41% организаций надеются использовать большие данные для прогнозирования событий и предотвращения рисков, в то время как 14% стремятся понять факторы, влияющие на рост и снижение прибыли. Крупные строительные фирмы, часто управляющие несколькими проектами одновременно, сталкиваются со значительными трудностями при обработке огромного объема информации. Исследования в США и Европе показали, что около 60% рабочего времени над проектом тратится на обработку информации, но использование больших данных может значительно сократить это время.

Сочетание анализа больших данных с BIM открывает многочисленные перспективы для строительной отрасли. Используя анализ больших данных в проектной работе, инженеры могут легко находить ошибки и при необходимости делать точные прогнозы. Большие данные обеспечивают эффективное сотрудничество в режиме реального времени между командами разработчиков из разных стран, коренным образом меняя подход к управлению проектами за счет сокращения требуемого времени и снижения частоты ошибок.

Рисунок 1 иллюстрирует, что в традиционной модели обмен информацией между участниками проекта является двусторонним и сложным, что приводит к неэффективной и асимметричной коммуникации. Напротив, как показано на рисунке 2, внедрение технологии информационного моделирования зданий (BIM) трансформирует эту модель. С помощью BIM все участники обмениваются информацией через единую платформу, оптимизируя и упрощая процесс [4].

Рис. 1. Традиционный режим обмена данными

Рис. 2. Режим обмена информацией на основе технологии BIM

Ярким примером является строительство атомной электростанции Хинкли Пойнт в Англии. Более 30 000 человек были вовлечены в проектирование и создание BIM-модели здания и инфраструктуры. Процесс включал интеграцию больших данных с технологией BIM с использованием программного комплекса Tekla Structures. Анализ больших данных, связанных с моделями BIM, обеспечивает прямой доступ к информации о затратах по проекту, позволяя оценить реальную стоимость различных частей здания и определить потенциальные меры экономии. Большие данные также могут быть использованы для оптимизации материальной эффективности зданий. Составив базу данных типовых проектов, можно разработать и обучить несколько нейронных сетей, например, для определения оптимальности определенных решений или поиска корреляций между входными данными и результатами, такими как выбор наилучших материалов для различных типов изоляции.

Робототехника в строительном проектировании и BIM-технологии

Уникальные возможности роботов, работающих по заранее определенным программам и использующих данные, полученные с датчиков, аналогичных органам чувств человека, позволяют им выполнять ряд механических операций, частично или полностью заменяя человеческий труд. Эта автоматизация распространяется примерно на 30 различных типов роботов, каждый из которых предназначен для определенных функциональных целей.

Внедрение робототехники в строительное проектирование значительно снижает фактор человеческих ошибок. Робототехнические технологии, дополненные технологиями информационного моделирования зданий (BIM), позволяют создавать подробные информационные модели строительных проектов. Путем сбора и обработки данных о конструкции и ее взаимосвязях формируется трехмерная модель сооружения, повышающая точность процесса строительства с учетом всех влияющих факторов [2].

Иллюстрируя интеграцию робототехники и BIM, сотрудничество между Tekla Structure BIM и Trimble Robotic Total Solution в области разработки программного обеспечения, облегчает взаимодействие между этими двумя технологиями. Программное обеспечение Trimble LM80 (рис. 3) точно передает данные от Tekla Structure Layout Manager на роботизированные станции Trimble, устанавливая координаты элементов конструкции на месте.

Рис. 3. Интерфейс программы Trimble LM80

Современные достижения предполагают разработку мобильных роботов для архитектурных целей, использующих технологии BIM. Эти роботы оснащены Wi-Fi, системами локального позиционирования (LPS) и цифровыми камерами, создающими растровые изображения интерьеров зданий, напоминающие поэтажные планы, но включающие все содержимое и стены. Эта информация может быть отправлена проектной группе по беспроводной сети с такими подробностями, как координаты, температура, радиация и даже качество воздуха. Такая технология выгодна для дальнейшего технического обслуживания, позволяя обновлять визуальную документацию о состоянии здания [1].

Примером такого применения является шведская строительная фирма Skanska, которая интегрировала технологию BIM с робототехникой. В Швеции они использовали роботов для гибки и сварки арматурных стержней для изготовления свай. В своем американском офисе они исследовали использование роботизированных тахеометров для измерения глобальных координат, параллельно с концепцией объединения программного обеспечения Trimble со структурой Tekla, разработанной студентами Техасского университета. Эти студенты использовали тахеометры с поддержкой изображения (IATS), оснащенные камерами, расширяя потенциал BIM и робототехники в проектировании строительства [3].

Роль беспилотных летательных аппаратов и 3D-печати в проектировании зданий

Дроны, или беспилотные летательные аппараты (БПЛА), все чаще используются для мониторинга объектов, геодезии и различных других строительных функций (рис. 4). Они предлагают преимущества с точки зрения экономии времени и средств, более точных измерений и возможности обследования труднодоступных районов. Будущее беспилотных летательных аппаратов в строительстве включает в себя потенциальную роль в техническом обслуживании, ремонте и 3D-печати, революционизируя задачи с высоким уровнем риска и повышая эффективность.

Рис. 4. Пример беспилотного летательного аппарата (Квадрокоптер DJI Phantom 4 Pro Plus V2.0)

Интеграция технологии 3D-печати ознаменовала собой эпоху преобразований в области архитектурного проектирования и строительства. Этот стремительный прогресс, переход от базовых конструкций к сложным и экономичным жилищным решениям, играет ключевую роль в революционизировании процессов проектирования в строительстве [5].

В строительстве используются два основных типа 3D-принтеров:

Принтеры с роботизированной рукой (рис. 5): идеально подходят для проектов меньшего масштаба, обычно используются за пределами площадки. Играют важную роль в создании детализированных модулей или компонентов здания в контролируемой среде, позволяя легко интегрировать сложные элементы дизайна в конечную конструкцию.

Рис. 5. 3D-принтер с роботизированной рукой

Портальные принтеры (рис. 6): используются для масштабных строительных проектов на месте. Облегчают прямую печать целых зданий на строительной площадке, позволяя проектировать и выполнять сложные конструкции с большей точностью и адаптивностью.

Рис. 6. 3D-принтер портального типа

Важной сферой исследований и разработок в области строительной 3D-печати является изучение новых материалов и их свойств. Выходя за рамки традиционных материалов на основе бетона, промышленность в настоящее время экспериментирует с разнообразными инновационными материалами, расширяя возможности архитектурного проектирования [5].

В заключение, методологии проектирования зданий стремительно развиваются с появлением искусственного интеллекта, машинного обучения, робототехники, больших данных и технологий BIM. Эти достижения меняют подход архитекторов, инженеров и специалистов в области строительства к проектированию, что приводит к более эффективным, точным и экологичным методам строительства.

Вызовы в проектировании строительства

Процесс проектирования зданий, развиваясь в соответствии с технологическими достижениями, продолжает сталкиваться с множеством проблем, которые варьируются от соблюдения нормативных требований и экологических соображений до управления заинтересованными сторонами и интеграции новых технологий.

Соблюдение нормативных стандартов является одним из основных препятствий при проектировании. В каждом регионе существует свой набор строительных норм и правил, которые обеспечивают безопасность, экологичность и эффективность строительных объектов. Ориентирование в этих правилах требует глубокого понимания местных и международных законов, которые могут быть сложными и постоянно меняющимися. Несоблюдение может привести к юридическим осложнениям, увеличению затрат и задержкам.

Забота об окружающей среде является еще одной серьезной проблемой, поскольку воздействие строительства на окружающую среду становится все более очевидным, растет спрос на устойчивые и экологичные методы проектирования. Они включают в себя использование экологически чистых материалов, энергоэффективных конструкций и минимизацию выбросов углекислого газа. Задача заключается в том, чтобы сбалансировать экологическую устойчивость с практичностью и экономической эффективностью.

Управление заинтересованными сторонами является важнейшим аспектом проектирования в строительстве, в котором участвуют архитекторы, инженеры, подрядчики, клиенты, а иногда и общественность. У каждой заинтересованной стороны свои интересы и ожидания, что может привести к конфликтам. Эффективные навыки общения и ведения переговоров необходимы для управления этими отношениями, согласования интересов и обеспечения плавного продвижения проекта.

Интеграция новых технологий в проектирование зданий сопряжена со своим набором проблем. Хотя они предлагают значительные преимущества с точки зрения эффективности и инноваций, также требуют значительных инвестиций с точки зрения средств, времени и обучения. Строительная отрасль, традиционно медленно внедряющая новые технологии, сталкивается с проблемой повышения квалификации рабочей силы для эффективного использования новых технологий.

Подводя итог, можно сказать, что, хотя процесс проектирования значительно продвинулся вперед благодаря технологическим инновациям, он по-прежнему сталкивается с проблемами, требующими тщательной навигации. От соблюдения нормативных требований и экологической устойчивости до управления заинтересованными сторонами и интеграции новых технологий, эти проблемы требуют сочетания технических знаний, стратегического планирования и эффективной коммуникации. Решение этих задач имеет важное значение для успешного выполнения строительных проектов и развития отрасли в целом.

Стратегии оптимизации

Управление затратами при проектировании в строительстве предполагает тщательное планирование и мониторинг бюджета на протяжении всего этапа работы для гарантии, что работа не выходит за рамки финансовых ограничений без ущерба для качества или функциональности. Данный процесс включает в себя точную оценку затрат, эффективное распределение ресурсов и принятие стратегических решений, направленных на минимизацию отходов и максимизацию ценности. Передовые программные инструменты часто используются для оценки затрат и отслеживания бюджета, предоставляя проектировщикам и руководителям проектов финансовые данные в режиме реального времени и прогнозную аналитику для принятия решений.

Методы экономии времени не менее важны для оптимизации процесса проектирования. Одним из ключевых подходов является использование методов заводского изготовления и модульного строительства, которые предполагают создание компонентов за пределами строительной площадки, которые затем транспортируются и собираются на месте. Такой подход не только экономит время, но и сокращает трудозатраты на месте и сводит к минимуму строительные отходы.

Еще одной стратегией экономии времени является внедрение комплексного подхода к реализации проектов (IPD), основанного на сотрудничестве, который объединяет все заинтересованные стороны, включая архитекторов, инженеров, подрядчиков и клиентов, на ранних стадиях процесса проектирования. Такое сотрудничество способствует эффективному принятию решений, уменьшает количество конфликтов и упрощает процесс проектирования и строительства.

Повышение качества при проектировании зданий заключается в обеспечении того, чтобы конечный продукт соответствовал ожиданиям клиента и отраслевым стандартам или превосходил их. Включает в себя строгие меры контроля качества (соблюдение строительных норм, следование лучшим практикам, непрерывный мониторинг и тестирование на протяжении всего процесса проектирования). Использование сложного программного обеспечения и инструментов позволяет проводить точное моделирование и анализ различных аспектов проектирования, таких как структурная целостность, энергоэффективность и воздействие на окружающую среду.

Интеграция аналитики больших данных в процесс проектирования предлагает новаторский подход к оптимизации. Аналитика больших данных включает в себя сбор, обработку и анализ огромных объемов данных из различных источников, включая датчики, системы информационного моделирования зданий (BIM) и инструменты управления проектами. Используя большие данные, дизайнеры и менеджеры проектов могут получить ценную информацию о тенденциях проекта, показателях производительности и потенциальных рисках. Такой подход позволяет принимать более обоснованные решения, что приводит к улучшению результатов с точки зрения затрат, времени и качества [6].

Оптимизация процесса проектирования строительства многогранна и включает в себя различные стратегии управления затратами, экономии времени, повышения качества и использования больших данных для улучшения процесса принятия решений. Эти стратегии являются не самостоятельными решениями, а скорее взаимозависимыми компонентами комплексного подхода к оптимизации проекта.

Примеры применения методов и стратегий оптимизации

В этом разделе рассматриваются реальные примеры, демонстрирующие применение различных методологий и стратегий оптимизации в успешных строительных проектах.

The Edge, Амстердам (https://edge.tech/developments/the-edge)

Здание Edge в Амстердаме, которое часто называют самым экологичным офисным зданием в мире, является примером устойчивости и технологической интеграции в строительном дизайне. Здание оснащено широким спектром датчиков интернета вещей, которые отслеживают освещенность, движение, температуру и даже влажность, передавая данные в центральную систему для оптимизации энергопотребления. Все это привело к значительной экономии энергии и сокращению выбросов углекислого газа, установив новый стандарт для экологически чистых офисных зданий.

Salesforce Tower, Сан-Франциско (https://salesforcetower.com/)

Башня Salesforce Tower, самое высокое здание в Сан-Франциско, является примером того, как сейсмическая инженерия и самые современные строительные технологии могут быть объединены для создания сооружения, которое не только эстетично, но и устойчиво к стихийным бедствиям. Башня имеет уникальную систему фундамента, которая уходит глубоко в скальную породу, обеспечивая повышенную устойчивость. Использование гидроизоляционных амортизаторов для сопротивления сейсмическим воздействиям является свидетельством инновационных инженерных стратегий, реализованных в проекте.

Шанхайская башня, Китай (https://trendsideas.com/stories/twisting-facade-of-chinas-tallest-building-reduces-sway-and-cuts-construction-costs)

Шанхайская башня демонстрирует инновационный подход к сопротивлению ветру в сверхвысоких зданиях. Ее изогнутая асимметричная форма была специально разработана для снижения ветровой нагрузки на конструкцию. Уникальный дизайн здания в сочетании с современной системой демпфирования снижает силу ветра на 24%, что является критическим фактором для небоскребов в таком ветроопасном районе, как Шанхай.

Данные примеры иллюстрируют широкий спектр проблем в строительных проектах и инновационные методологии и стратегии, используемые для их решения.

Заключение

В заключение, в этой статье тщательно исследуется сложный процесс проектирования зданий, подчеркивается критическое взаимодействие между традиционными методологиями и современными технологическими инновациями. Интеграция передовых инструментов, таких как информационное моделирование зданий (BIM), искусственный интеллект (AI) и 3D-печать, преобразила традиционные методы, проложив путь к более эффективным, точным и устойчивым процессам строительства. Изучение различных этапов проектирования подчеркивает важность тщательного планирования, совместных усилий заинтересованных сторон и стратегического применения технологий. Проблемы, включая соблюдение нормативных требований, экологическую устойчивость и управление заинтересованными сторонами, демонстрируют сложность сектора проектирования строительства, требующего сбалансированного подхода, учитывающего как технологический потенциал, так и практические реалии строительной отрасли. Исследование стратегий оптимизации еще раз иллюстрирует потенциал снижения затрат, экономии времени и повышения качества строительных проектов. Статья вносит вклад в продолжающуюся дискуссию об эволюции строительного проектирования, продвигая комплексный подход, который использует технологические достижения, оставаясь при этом основанным на фундаментальных инженерных и архитектурных принципах.

1. Жарков Д.И. Перспективы развития BIM-технологий. // Инженерные исследования, 2021. № 2 (2). С. 9-15.
2. Кравцова О.А., Левкович И.Ю. Внедрение робототехники в строительстве. // Традиции, современные проблемы и перспективы развития строительства: Сборник научных статей, Гродно, 2021. С. 216-219.
3. Лаборов В.А., Гамаюнова О.С. Робототехника и BIM-технологии в строительстве. // Инженерные исследования, 2021. № 5(5). С. 15-22.
4. Ли Вэнь. Алгоритм оптимизации проектирования инженерных проектов на основе BIM-метода. // Исследовательская статья. Специальный выпуск: «Информационные системы вычислительного интеллекта, ориентированные на человека», 2022. [Электронный ресурс], режим доступа: https://www.hindawi.com/journals/misy/2022/4601214/
5. Хунде Б. Р., Уолдейоханнес А. Д. Будущие перспективы автоматизированного проектирования (САПР) – обзор с точки зрения искусственного интеллекта (ИИ), расширенной реальности и 3D-печати //Результаты в инженерии. – 2022. – Т. 14. – С. 100478.
6. Симакова Е.А., Селякова К.И., Кравченко Д. Применение 3D-печати в строительстве. // Инженерные исследования, 2021. № 1 (1). С. 3-11.