Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
VAK Russia 2.1.14
UDC 69.05
Integrated systems that use advanced technologies to automate, optimize, and monitor all phases of a building's life, from design and construction to operation, maintenance, repair, and eventually dismantling or reconstruction. Intelligent systems are especially important for unique buildings, as this type of building is quite complex in design, construction and maintenance, and requires more precise control and more efficient solutions. The goals of using intelligent systems are to optimize the use of resources (energy, water, materials), reduce the cost of operation, maintenance and repair, provide comfortable conditions for building users and efficient operation of security systems, extend the service life by preventing damage and timely performing repairs, and reduce the environmental impact of the building. The key components and technologies for the application of intelligent systems in the lifecycle of unique buildings are digital twins, building automation systems, energy management systems, maintenance systems, security systems, space management systems, predictive analytics. Using robots to perform dangerous or time-consuming tasks, such as inspecting hard-to-reach places. The use of augmented and virtual reality to assist in the maintenance and repair of equipment, for staff training
unique building, life cycle, intelligent system, building management, construction, operation
Введение
Понятие «интеллектуальное здание» применимо и уникальным зданиям, здесь данный термин более чем актуален, речь идет о здании, разработанном с учетом прогнозируемых изменений окружающей среды, с инженерными системами, которые могут быть легко модернизированы или адаптированы [1, 2].
Для потребителей «интеллектуальное здание» сродни живому организму: оно «чувствует» происходящее внутри и снаружи, «реагирует» для создания максимальной безопасности и комфорта при минимальных затратах энергии, и «общается» с людьми простыми способами. Воспринимая «интеллектуальное здание» как автоматизированный «живой организм», пользователи ожидают от него способности: осознавать свое состояние и окружение, реагировать оптимально для обеспечения безопасности и комфорта, экономя ресурсы, легко коммуницировать с человеком.
Согласно ст. 48.1 ГрК РФ, уникальными зданиями и сооружениями признаются объекты капитального строительства (за исключением указанных в части 1 этой же статьи), если в их проектной документации предусмотрена хотя бы одна из следующих характеристик: высота здания или сооружения более 100 метров; пролеты длиной 100 и более метров; консоли, выступающие более чем на 20 метров; заглубление подземной части (полностью или частично) ниже уровня земли более чем на 15 метров.
Функциональное назначение уникальных зданий и сооружений разнообразно и включает в себя зрелищные, спортивные, культовые сооружения, выставочные павильоны, многофункциональные офисы, торгово-развлекательные комплексы с максимальным расчётным пребыванием более 1000 человек внутри объекта или более 10000 человек вблизи объекта.
Под перечисленные критерии также попадают высотные жилые комплексы, крупные спортивно-зрелищные сооружения, здания специального назначения и все те объекты, которые требуют нестандартных методов расчета или разработки специальных технические условия. Ключевой особенностью таких уникальных объектов является потребность в углубленной проработке архитектурных и инженерных решений [3, 4], проведении комплексных исследований (геологических, аэродинамических, сейсмических и прочих), а также зачастую в обязательном научно-техническом сопровождении (НТС).
Материалы и методы
В рамках осуществляемого исследования был проведен всесторонний анализ существующих интеллектуальных систем, активно применяемых при возведении строительных объектов. Особое внимание было уделено изучению обширного массива литературных источников, включая научные монографии, статьи, а также отраслевые методические рекомендации, призванные регламентировать применение передовых технологий. Кроме того, детально рассматривались действующие нормативные акты, определяющие порядок проектирования и строительства.
Для изучения были применены элементы системного анализа, что позволило систематизировать имеющиеся данные, выявить взаимосвязи между различными компонентами интеллектуальных систем и их влиянием на строительный процесс, а также комплексно изучить специфические особенности их функционирования. Основной целью применения системного анализа было выявление ключевых факторов, которые легли в основу предложенной многофакторной системы управления уникальным зданием при эксплуатации, а так же интегральной оценки применения интеллектуальных систем.
Результаты
Строительство «интеллектуального здания» кардинально отличается от традиционных методов возведения объектов. Основной принцип реализации проекта «уникального здания» является создание единой, целостной системы из всех компонентов здания на всех этапах производства работ. На этапе принятия решения о возведении такого объекта, заказчику крайне важно найти генерального проектировщика и подрядчика, которые смогут должным образом организовать процесс и гарантировать высокое качество строительства [5-7].
В процессе проектирования уникальных зданий диктует повышенные требования к безопасности, что существенно усложняет данный процесс. Наряду с необходимостью дублирования расчётов и разработки особых условий строительства и мониторинга, требуется моделирование и испытания на масштабных моделях. Запас прочности строительных конструкций должен превышать нормативный, а всесторонние экспертизы охватывают широкий спектр факторов, влияющих на безопасность: от геологии площадки до ветровых и сейсмических нагрузок. Уникальные здания, отличающиеся большими габаритами, несут повышенную ответственность за безопасность людей, что выражается в дополнительных требованиях при согласовании проекта [8-10]. Интеллектуальные системы задействованные в процессе проектирования уникального объекта будут представлены в форме цифровых двойников здания, на которых в проектировании можно прорабатывать возможности возникновения внештатных ситуаций с целью их исключения в процессах строительства и эксплуатации [11-13].
Рис. 1 Схема жизненного цикла уникального здания
Дальнейшее развитие цифровая модель уникального здания получает в процессе строительства, что дает возможность получения данных с площадки в режиме реального времени. Информация о состоянии строительной площадки, поступает от датчиков, дронов, лазерных сканеров и другого оборудования. Данные используются для обновления цифрового двойника и отслеживания фактического прогресса работ. Функции которые выполняет цифрового двойник на этапе строительства: визуализация графика строительства (4D); координация и обнаружение коллизий, что позволяет избежать дорогостоящих переделок на строительной площадке; отслеживание поступления материалов на площадку, автоматизация логистики и управления запасами на складах; качество выполненных работ в соответствии с проектной документацией и стандартам; проверка соответствия состояния стройки с планом-графиком, отслеживании отставаний и принятие мер по их устранению; управление изменениями, быстрое внесение изменений в проект и оценка их влияния на сроки, стоимость и другие параметры; безопасность на стройплощадке моделирование безопасных методов работы и обучение персонала; подготовка к эксплуатации включающая передачу данных о здании в эксплуатирующую организацию для последующего обслуживания и управления (создание основы для цифрового двойника в эксплуатации); удаленный мониторинг, возможность удаленного наблюдения за ходом строительства.
Наиболее продолжительными по времени в жизненном цикле уникального здания можно выделить период эксплуатации объекта (рис. 1). Именно здесь необходима интеллектуальная защита здания, которая будет включать системы жизнеобеспечения и системы контроля эксплуатации. В уникальных зданиях, наряду с традиционными системами жизнеобеспечения (отопление, вентиляция, кондиционирование, водоснабжение, канализация), ключевую роль играет техническое оснащение, представленное продуктами автоматизации. Существуют специализированные аппаратные и программные средства, а также услуги, предназначенные для разработки и внедрения систем автоматизации, что значительно облегчает мониторинг здания в процессе эксплуатации [14-17].
«Интеллектуальность» уникального здания достигается за счет того, что все вышеупомянутые системы объединяются в интегрированный комплекс, а их проектирование осуществляется на ранней стадии с учетом потенциальных будущих изменений.
Ключевым подходом к созданию интеллектуального уникального здания служит концепция открытой архитектуры, предполагающая использование универсальных стандартов коммуникации между устройствами различных брендов.
Главным принципом создания интеллектуального здания является открытость систем, что подразумевает наличие единого протокола взаимодействия оборудования разных производителей, в основу должен быть положен принципы «открытой архитектуры». Основная идея заключается в том, чтобы оборудование от разных производителей могло взаимодействовать без конфликтов, обеспечивая единую интегрированную систему функционирования объекта.
Для того чтобы системы понимали друг друга, они должны использовать одни и те же правила – стандарты – при обмене данными. Системы автоматизации зданий BACnet, LonWorks, EIB и другие позволяют объединять различные системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, освещения и безопасности в одну сеть. Системы позволяют организовать передачу сообщений от устройств фиксации событий к исполнительным механизмам по следующим интерфейсам: проводные каналы связи; связь по силовым электрическим проводам; телефонные и радиоканалы; инфракрасное излучение; интерфейсы компьютерных сетей.
Возобновляемая энергия в уникальном объекте происходит за счет включения и интеллектуального контроля возобновляемых источников энергии, при этом они должны вписываться в архитектурный облик здания или сооружения [18-20] В качестве технологий возобновляемой энергии для уникальных объектов могут быть применены солнечные панели, тепловые насосы, которые используют геотермальную энергию или энергию воздуха для отопления и охлаждения здания, ветрогенераторы, биомасса для отопления (использование отходов деревообработки или сельскохозяйственных). Критерии интегрирования источников возобновляемой энергии с интеллектуальными системами контроля работы: минимальное визуальное воздействие; эффективность системы должна обеспечивать значительную часть энергопотребления здания с высокой энергетической эффективностью; экономическая целесообразность с учетом долгосрочной перспективы; соответствие нормативным требованиям всем местным и национальным нормам и правилам.
Рис. 2. Многофакторная система управления уникальным зданием при эксплуатации
При эксплуатации здания многофакторная система управления (рис. 2) демонстрирует ряд преимуществ по сравнению с традиционными подходами. Она позволяет существенно экономить на кабельных сетях и сетевом оборудовании, снижать энергопотребление и повышать общую надежность. Оперативность управления объектом возрастает, а информация о состоянии систем и оборудования на различных уровнях (объектовом, зональном, адресном) представляется наглядно. Это ведет к сокращению трудозатрат эксплуатационных и диспетчерских служб, обеспечивает необходимое взаимодействие систем, снижает вероятность страховых случаев и гарантирует "открытость" комплекса, открывая возможности для наращивания функционала и использования оборудования разных производителей.
Если представить предложенную многофакторную систему управления уникальным зданием при эксплуатации в весовом соотношении отдельных составляющих компонентов, то можно говорить о доли участия в управлении представленных факторов таблица 1.
Таблица 1
Значимость факторов в системе управления уникальным зданием при эксплуатации
|
Фактор в управлении |
Вес |
Оценка эксперта |
Взвешенная |
|
Контроль доступа, видеонаблюдение |
0,15 |
5 |
0,75 |
|
Электроснабжение, |
0,20 |
4 |
0,8 |
|
Управление с помощью компьютера |
0,15 |
3 |
0,45 |
|
Возобновляемая энергия |
0,20 |
5 |
1 |
|
Управление системами отопления, |
0,30 |
4 |
1,2 |
|
Итоговая оценка |
1 |
|
4,2 |
По предложенной интегральной оценке эффективности управления уникальным зданиям можно определить вклад каждого из составляющих факторов системы, а так же можно выявить получаемую экономию при внедрении интеллектуальных систем в процесс управления объектом.
Управление системами отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения в зависимости от присутствия людей, погодных условий и расписания, позволит на 5-15% сократить потребление электроэнергии, на 8-20% экономия на отоплении и кондиционировании, порядка 10-25% снизить общие затраты на энергоресурсы. При этом интеграция в архитектуру возобновляемых источников энергии, например таких как фотоэлектрические модули, установленных в фасады, кровлю, навесы, окна, или в декоративные элементы уникального здания позволит на 10-30% снизить затраты на электроэнергию за счет собственного производства, при сроке окупаемости порядка 5-15 лет.
В свою очередь управление системами видеонаблюдения, контроля доступа, охранной и пожарной сигнализации и объединения в единую цифровую платформу для уникального здания позволит на 90% повысить уровень безопасности и предотвращение несанкционированного доступа, на 10-15% сократить время реагирования на инциденты.
Заключение
Инновационный подход к созданию, строительству и эксплуатации уникально-интеллектуального объекта невозможен без генерации всех систем жизнеобеспечения объекта, взаимоувязанных с системами интеллектуального контроля. Данный вид контроля обеспечит безопасность эксплуатации, а также продление жизни уникального здания.
Еще одним из аспектов увеличения периода эксплуатации уникально объекта быстрая адаптация к современным потребностям, которая будет включать в себя интеграцию современных технологий (модернизация инженерных систем с учетом энергоэффективности и комфорта); гибкость и функциональность (преобразование помещений к современным требованиям связанная с изменением планировки, созданием многофункциональных пространств).
Управление ресурсами уникально здания с помощью интеллектуальных систем позволит оптимизировать энергопотребление за счет снижения затрат на электроэнергию, воду и газ, уменьшить негативное воздействие здания на окружающую среду, снизить эксплуатационные расходы, а именно увеличить срок службы оборудования, с меньшим числом его ремонтов.
Интеллектуальный контроль за жизнью уникального здания - это не просто набор технологий, а комплексный подход к управлению зданием, который позволяет значительно улучшить его характеристики, снизить затраты и повысить комфорт для пользователей. Интеллектуальные системы в управлении жизненным циклом становятся все более важными с развитием технологий и ростом требований к энергоэффективности и устойчивости уникальных объектов.
1. Eleftheriadis S., Mumovic D., Greening P. Life cycle energy efficiency in building structures: A review of current developments and future outlooks based on BIM capabilities. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol 67. Pp. 811–825. DOI:https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.028.
2. Yüksek I., Tikansak T. Energy-Efficient Building Design in the Context of Building Life Cycle. Energy Efficient Buildings. 2017. Vol. 1. Pp. 93–123. DOI:https://doi.org/10.5772/66670.
3. Taranenko D.V. Increasing the energy efficiency of walls by including phase change materials in their structure. [Povyshenie jenergojeffektivnosti sten za schjot vkljuchenija v ih konstrukciju materialov s izmenjajushhimsja fazovym sostojaniem]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2025. No. 5. Pp. 18–29. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-10-5-18-29 (rus) EDN: https://elibrary.ru/EFDODH
4. Tarasenko V.N., Yushin D.N., Denisova Yu.V. Formation of a comfortable environment taking into account artificial lighting [Formirovanie komfortnogo sredovogo prostranstva s uchetom iskusstvennogo osveshhenija]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2025. No. 7. Pp. 94–103. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-10-7-93-103 (rus) DOI: https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-10-7-94-103; EDN: https://elibrary.ru/IKYULD
5. Panya D.S., Kim T., Choo S. An interactive design change methodology using a BIM-based Virtual Reality and Augmented Reality // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 68. 106030. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106030 EDN: https://elibrary.ru/ZTGPOR
6. Edwards R.E., Lou E., Bataw A., Kama-ruz-zaman S.N., Johnson Ch. Sustainability-led design: Feasibility of incorporating whole-life cycle energy assessment into BIM for refurbishment projects // Journal of Building Engineering. 2019. Vol. 24. Pp. 97–106. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.01.027
7. Fedosov S.V., Lapidus A.A., Petrukhin A.B., Narmania B.E. Organizational and Technological Principles of Building Condition Monitoring at the Life Cycle Operation Stage [Organizacionno-tehnologicheskie principy monitoringa sostojanija zdanija na jetape jekspluatacii zhiznennogo cikla]. Vestnik MGSU. 2024. Vol. 19. No. 1. Pp. 128-137. (rus) DOI: https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.1.128-137; EDN: https://elibrary.ru/LQGPNP
8. Suleymanova L.A., Adham A.H. Building life cycle management at the operation stage using artificial neural network models and machine learning [Upravlenie zhiznennym ciklom zdanija na jetape jekspluatacii s ispol'zovaniem modelej iskusstvennyh nejronnyh setej i mashinnogo obuchenija]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2024. No. 3. Pp. 38–46. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2024-9-3-38-46 (rus) EDN: https://elibrary.ru/DHJYVT
9. Lapidus A.A., Khitrova T.I., Shchukin A.Yu. Application of Information Technologies in Construction Control [Primenenie informacionnyh tehnologij v stroitel'nom kontrole]. Construction Production. 2025. No. 1. Pp. 92-99. (rus) DOI: https://doi.org/10.54950/26585340_2025_1_92; EDN: https://elibrary.ru/GFPSEE
10. Fedosov S.V., Oparina L.A., Fedoseev V.N. Digital project of construction organization: concept, definition, modern requirements, software [Digital construction organization project: concept, modern requirements, software]. Academia. Architecture and construction. 2024. Vol.2. Pp. 143–149. DOIhttps://doi.org/10.22337/2077-9038-2024-2-143-149. (rus) EDN: https://elibrary.ru/IULEKX
11. Condotta M., Scanagatta C. BIM-based method to inform operation and maintenance phases through a simplified procedure // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 65. 105730. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105730 EDN: https://elibrary.ru/JEZFOL
12. Scorynina A.A. Virtual analysis in construction pricing. [Virtual'nyj resursnyj analiz v stroitel'nom cenoobrazovanii]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2025. No. 8. Pp. 30–38. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-10-8-30-38 (rus) EDN: https://elibrary.ru/IPQDWW
13. Kucherenko A.S., Naumov A.E. Parametric Information Modeling as an Effective Tool for the Design of Prefabricated Modular Buildings [Parametricheskoe informacionnoe modelirovanie kak e`ffektivny`j instrument proektirovaniya polnos-borny`x modul`ny`x zdanij]. Bulletin of DNACA. 2023. Vol. 4(162). Pp. 50–57. (rus) EDN: https://elibrary.ru/AYVCNP
14. Telichenko V.I., Lapidus A.A., Slesarev M.Yu., Ali M.M. Methods of Managing the Life Cycle of Capital Construction Projects, Taking into Account the Impact of Environmental and Other Types of Risks [Metody upravlenija zhiznennym ciklom ob#ektov kapital'nogo stroitel'stva s uchetom vlijanija jekologicheskih i drugih vidov riskov]. Construction: Science and Education. 2024. Vol. 14. No. 2. Pp. 166-177. (rus) DOI: https://doi.org/10.22227/2305-5502.2024.2.166-177; EDN: https://elibrary.ru/YLBKQN
15. Lapidus A.A., Shchukin A.Yu. Application of Functionally Oriented Modeling Systems in Construction Control [Primenenie funkcional'no orientirovannyh sistem modelirovanija pri osushhestvlenii stroitel'nogo kontrolja]. Vestnik MGSU. 2024. Vol. 19. No. 10. Pp. 1666-1675. (rus) DOI: https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.10.1666-1675; EDN: https://elibrary.ru/BUZMCQ
16. Golubtsov N.V., Efremov L.G., Ismyatullin R.G. Energy efficiency of buildings and structures in the aspect of managing their life cycle [Energeticheskaya effektivnost' zdaniy i sooruzheniy v aspekte upravleniya ikh zhiznennym tsiklom]. Bulletin of the Chuvash University. 2013. No. 11. Pp. 247–255. (rus) EDN: https://elibrary.ru/PXLPTL
17. Zhdanova M.V., Lapidus A.A. Management of the Life Cycle of Construction Objects by Determining the Points of Reducing the Duration of Stages [Upravlenie zhiznennym ciklom ob#ektov stroitel'stva posredstvom opredelenija tochek sokrashhenija prodolzhitel'nosti jetapov]. Construction and Architecture. 2025. Vol. 13. No. 3 (48). P. C0005. (rus) DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2025-13-3-C0005; EDN: https://elibrary.ru/PPGGRR
18. Oparina L.A., Vlasova E.A. The methodology of choosing resource-saving organizational and technological solutions at the stage of completion of the life cycle of buildings. [Metodika vybora resursosberegajushhih organizacionno-tehnologicheskih reshenij na jetape zavershenija zhiznennogo cikla zdanij]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2024. No.10. Pp. 78–25. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2024-9-10-72-78 (rus) EDN: https://elibrary.ru/CKQXNL
19. Georgoulias A., Kara H., Asensio Villoria L. Architecture and Waste Management // «Harvard Design Magazine». 2015. 40 p.
20. Wu J., Nie X., Wang H., Li W. Eco-indus-trial parks and green technological progress: evi-dence from chinese cities // Technological forecasting and social change. 2023. T. 189. 122360. DOI:https://doi.org/10.1016/j.techfore.2023.122360 EDN: https://elibrary.ru/NUKLUV
