The article provides an analysis of the use of OLAP technology in the design of modular objects based on information modeling technologies, presents the classification and systematization of information models of modular elements of maximum readiness. The purpose of this study is to develop and analyze a data model for the most effective data management of an information model of a capital construction object both at the design stage and at subsequent stages of the life cycle. In order to achieve this goal, it is necessary to take into account not only the features and attributes of information models, but also the key characteristics of modular design, including elements of the MEG within the existing tools for systematization of digital data. As a result, the impact of using OLAP cubes to represent a modular object at all stages of the life cycle is considered. New possibilities and advantages of using the OLAP data management model of the information model of the capital construction object are presented. The directions of further research are formulated.
BIM technologies, modular elements of maximum readiness, complete block design, design automation, organization of construction, modular structures, OLAP cube
Вступление
Строительство и проектирование на основе модульных элементов и технологии информационного моделирования здания (BIM) на сегодняшний день являются наиболее перспективными направлениями развития строительной отрасли как в России, но так и за рубежом [1,2]. Не смотря на различия и данных направлений, BIM и модульные технологии достаточно взаимосвязаны и в перспективе могут интегрироваться для повышения эффективности ключевых процессов [2,3]. Таким образом, рационально исследовать взаимосвязь совместного использования BIM-технологий и модульного проектирования, а также находить новые способы и инструменты работы [4].
Модульный элемент максимальной готовности в строительстве (МЭМГ) – это заранее изготовленный из различных материалов полноценный элемент строительства, обладающий наивысшей степенью готовности для монтажа. [5]
BIM-модуль МЭМГ или информационная модель МЭМГ (ИМЭМГ) – это цифровая модель комплексной структурной единицы, которая аккумулирует в себе свойства и характеристики нескольких элементов строительных конструкций, выполненных в среде информационного моделирования. ИМЭМГ – фундаментальная базовая единица модульного информационного моделирования, которая представлена в BIM-модуля. [6-7]
С учетом особенностей информационной модели как полноценного объекта, так и единичного BIM-модуля, можно сделать вывод о том, что ИМЭМГ – не только цифровое визуально-геометрическое представление структурной единицы здания, но множество разноплановых данных о будущем объекте и его характеристиках как по составу, так и по внешней систематизации. Таким образом, ИМЭМГ представляет собой комплекс множества данных и атрибутов, представленных в цифровой среде. [8-9]
Для рациональной работы с ИМЭМГ независимо от поставленной задачи и этапа жизненного цикла объекта, а также повышения эффективности проектирования на основе МЭМГ необходимо исследовать инструменты работы с такого типа данными и сформировать модель управления данными информационных моделей на основе МЭМГ. [10-11]
Целью данного исследования является разработка и анализ модели данных для наиболее эффективного управления данными информационной модели объекта капитального строительства как на этапе проектирования, так и на последующих этапах жизненного цикла. [11-12] Для достижения поставленной цели необходимо учитывать не только особенности и атрибуты информационных моделей, но и ключевые характеристики модульного проектирования, в том числе элементы МЭМГ в рамках существующих инструментов для систематизации цифровых данных.
Методы
1. OLAP-классификация
Формирование модели данных BIM-модели модульного элемента максимальной готовности определяется как внутренними атрибутами (размеры, примитивы, материалы, трудоемкость и т.д), так и внешними (классификация, назначение). Таким образом, информация о ИМЭМГ представляется в виде многомерных данных различного типа. [13]
Одним из инструментов работы с многомерными данными – это OLAP технология. OLAP (Online Analytical Processing) - это система аналитической обработки данных, предназначенная для подготовки отчетов, построения прогностических сценариев и выполнения статистических расчетов на базе больших информационных массивов, имеющих сложную структуру.[14-15] Специфика работы с данным по принципу OLAP состоит в построении многомерных, то есть имеющих большое количество связей между отдельными элементами или массивов информации. [16]
OLAP позволяет выявлять причинно-следственные связи между разными параметрами, а также моделировать поведение системы при изменениях. Данные в системе OLAP организованы в виде многомерных кубов — по нескольким осям располагаются рассматриваемые параметры, а на их пересечении находятся интересующие данные: имеется возможность выбора нужных параметров и получения информации по разным измерениям [17-18](Рис.1).
Рисунок 1. Концепция OLAP-куба
Система классификации модульных BIM-блоков – ИМЭМГ была сформирована на основе ключевых параметров и компонентов в виде трех направлений: размерная, объектная и функциональная. Систематизация ИМЭМГ основывается на геометрических характеристиках и классификации в соответствии с СП 501.1325800.2021 «Здания из крупногабаритных модулей. Правила проектирования и строительства. Основные положения» с учетом функционального назначения объекта капитального строительства.
Форма классификации представляется в виде OLAP-куба: трехмерной матрицы по назначению объекта, функциональности каждого МЭМГ и типовым размерам. [19] Модель OLAP формирует структурированное хранение данных, и позволяет выполнять аналитические операции по их анализу и обработке. (Рис. 2)
Рисунок 2. Представление информации о ИМЭМГ в виде OLAP-куба
Интересующие элементы –экземпляры, которые формируются путем пересечения трех рассматриваемых измерений. При пересечении выделяется строго один элемент, в случае его наличия, или пустой элемент, если не существует экземпляра (например, блок-модуль шахты лифта не требуется для складских или энергетических объектов). [20-21]
2. OLAP-систематизация
Алгоритм разработки комплексной информационной модели на основе модульных элементов максимальной готовности включает в себя два этапа: подготовка ИМЭМГ для интеграции в будущую модель (разработка, изменение, корректировка, повышение детализации, интеграция библиотек) и разработка комплексной информационной модели на основе ИМЭМГ с помощью применения библиотеки типовых МЭМГ. [13, 22]
Одной из ключевых задач алгоритма является формирование итоговой модели объекта из составляющих ее ранее разработанных ИМЭМГ. После составления комплексная модель представляет собой упорядоченное определенным образом в пространстве множество ИМЭМГ. [23] Система ИМЭМГ в данном случае одновременно является трехмерной матрицей из геометрических элементов по длине объекта, ширине и количеству этажей, а также многомерной моделью организации данных об информационной модели объекта.
Трехмерная матрица позволяет составить не только прямоугольную форму периметра здания, но и путем зануления столбцов создавать более сложные варианты в рамках прямых углом двух соседних стен. Формируемая матрица выполняет функцию систематизации используемых ИМЭМГ, что дает возможность дальнейшей работы с множеством ИМЭМГ как с набором разнотипных данных: геометрических и цифровых. [16]
Многомерная модель для организации данных - это не только объемно-планировочное формирование итоговой модели на основе ИМЭМГ, но и возможность последующей обработки и анализа полученных в результате моделирования данных о будущем объекте строительства. В итоге появляется множество потенциальных способов для использования модели данных в качестве инструмента для работы с ними. [10, 17] Представление объекта в виде многомерной модели данных формирует цифровую базу для повышения эффективности работы и принятия решений на следующих этапах жизненного цикла.
В случае изменения или корректировки модели структура многомерной матрицы должна быть изменена автоматизированных способом. При изменении матрицы – информационная модель изменяется автоматически согласно актуальному представлению.
Результаты
В результате формирования комплексной информационной модели данные представляются в виде OLAP-куба: трехмерной матрицы по двум плоским осям (план этажа) и вертикальной осей этажей. Модель OLAP позволяет организовать не только структурированное хранение данных информационной модели, но и выполняться аналитические операции по анализу и обработке данных в рамках инструментов OLAP (Рис. 3).
Единичный модуль – ячейка, образующаяся путем пересечения трех направляющихся, включает в себя не только данные о BIM-модуле (ИМЭМГ), но и дополнительную информацию о связи, трудоемкости для последующей разработки проекта организации строительства, этапе жизненного цикла. Перечень данных или атрибутов может быть установлен индивидуально для каждого проекта, концепция OLAP будет сохранена. [24]
Каждый единичный модуль, представленный в комплексной модели относится к определенной классификации – пересечению направлений. Благодаря этому формируется связь между множеством ИМЭМГ итоговой модели и систематизированной библиотекой типовых или специально разработанных ИМЭМГ.
Не смотря на трехмерное представление данных, в цифровой среде информация формируется в виде множества таблиц, которые образуется путем пересечения двух измерений. Следовательно, обращение к данным как из программного комплекса информационного моделирования, так и из специализированной программы, разработанной для взаимодействия с OLAP-представление модели выполняется стандартным способом программной работы с таблицами. [24-25]
Таким образом, представление BIM-модели модульного здания в виде OLAP-куба обеспечивает как систематизацию ИМЭМГ, так и возможность работы с данными на последующих этапах или с целью анализа данных. В результате внедрение модели OLAP в процесс разработки модульного объекта формирует следующие преимущества и возможности:
1. Сокращение времени разработки модели за счет автоматического построения комбинации ИМЭМГ по модели данных OLAP.
2. Учет бо́льшего количества данных о модели.
3. Возможность дополнительного анализа и обработки данных с целью формирования отчетов, спецификаций, нестандартных расчетов.
4. Упрощенное представление модели в условиях ограничений производительности.
5. Управление уровнем детализации модели.
6. Упрощенное вариативное проектирование.
7. Разработка программного комплекса на основе OLAP-данных для принятия решений на предпроектном и проектном этапах.
8. Возможность разнопланового обращения к данным на всех этапах жизненного цикла.
При управлении жизненным циклом объекта строительства OLAP-модель объекта играет важную роль, обеспечивая тем самым новый и рациональный подход по работе с объектом капитального строительства.
Сформированный на основе BIM-модели модульного здания OLAP-куб представляется ядром по принципу буфера, через который происходит обмен информацией, получение отфильтрованных данных об объекте, актуализация модели с последующей актуализацией OLAP-куба. Обращение к OLAP-кубу может происходить с различных задач в рамках этапа жизненного цикла, также в некоторых задачах обращаться нет необходимости. (Рис. 4)
В совокупности использования OLAP представления информационной модели модульного здания обеспечивает сокращение времени проектирования, новые инструменты работы с моделью, анализ данных, среду обмена информацией между этапами жизненного цикла объекта капитального строительства. Одновременно, формируются новые направления для исследования и разработки инструментов использования OLAP-технологии в проектировании и строительстве.
Рисунок 4. Представление BIM-модели модульного здания в виде OLAP-куба
Обсуждение и выводы
Итоги данного исследования теоретически и практически значимы для деятельности в области модульного строительства и информационного моделирования. Рассмотренная модель управления данными информационной модели упрощает и ускоряет процесс разработки проектной документации, а также формирует базу для программной реализации и анализа данных. OLAP-технология в рамках проектирования модульных объектов обеспечивает как классификацию ИМЭМГ, так и систематизацию множества ИМЭМГ в рамках конкретного объекта с возможностью последующей обработки данных. Определены возможности и преимущества использования OLAP на всех этапах жизненного цикла объекта капитального строительства.
Перспективным направлением на основе данного исследования является поиск новых способов для использования OLAP-куба модульного объекта с целью повышения эффективности проектирования, а также разработка прикладных программных комплексов, позволяющих повысить уровень автоматизации проектирования и выполнять анализ и фильтрацию данных информационной модели.
1. Building information modelling for o-site construction: Review and future directions / Yin X., Liu H., Chen Y. and Al-Hussein M. // Autom. Constr. 2019. Vol. 101. Pp. 72-91. DOI:https://doi.org/10.1016/j.autcon.2019.01.010
2. Interactions between building information modelling and o-site manufacturing for productivity improvement / Sabet P.G.P. and Chong H.Y. // Int. J. Manag. Proj. Bus. 2019. Vol. 13. Pp. 233-255. DOI:https://doi.org/10.1108/IJMPB-08-2018-0168
3. Modular design and construction of apartment buildings with the use of ready-made components [Text] / D.A. Chibirikova, B.S. Ataev, O.G. Melnikova // Actual problems and prospects of development of the construction complex. Proceedings of the International Sci-entific and Practical Conference: at 2 p.m. Volgograd., 2020. pp. 82-86.
4. Automated re-prefabrication system for buildings using robotics / Kasperzyk C., Kim M., Brilakis I. // Automation in Construction. 2017. Vol. 83. Pp. 184-195. DOI:https://doi.org/10.1016/J.AUTCON.2017.08.002
5. Innovative modular construction [Text] / K. S. Klevtsova // Young scientist. 2017. No. 3 (137). pp. 103-105. URL: https://moluch.ru/archive/137/38562 / (accessed: 26.07.2022).
6. Lee M., Lee D., Kim T., Lee U.K. Practical Analysis of BIM Tasks for Modular // Sus-tainability. 2020. Vol. 12(7). P. 6900. DOI:https://doi.org/10.3390/su12176900
7. Lee J., Kim J. BIM-Based 4D Simulation to Improve Module Manufacturing Produc-tivi-ty for Sustainable Building Projects // Sustainability. 2017. Vol. 9(3). 426. DOI:https://doi.org/10.3390/su9030426.
8. A systematic approach to the problem of designing and constructing prefabricated structures for the arrangement of troops in the Arctic regions [Text] / S.G. Klimanov, V.N. Gromov // Actual problems of military scientific research. 2021. No. 1(13). pp. 319-335.
9. Methodology for calculating and evaluating the composition of IT equipment of a data processing center [Text] / A.I. Zakharov, G.A. Bryakalov, P.I. Mikhailova, E.V. Chumakova // Bulletin of the Russian New University. Series: Complex Systems: models, analysis and man-agement. 2019. No. 2. pp. 110-119.
10. Application of Building Information Modeling in Data Center design / Rybakova A., Kagan P. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 869. 022006. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/869/2/022006
11. Developing an automated BIM-based life cycle assessment approach for modularly de-signed high-rise buildings / Ansah M.K., Chen X., Yang H., Lu L., Lam P.T.I. // Envi-ronmental Impact Assessment Review. 2021. Vol. 90. P. 106618. DOI:https://doi.org/10.1016/J.EIAR.2021.106618
12. The relevance of the use of information modeling technologies at all stages of the "life cycle" of a capital construction object [Text] / A.B. Andreeva // Ural Scientific Bulletin. 2019. Vol. 3. No. 2. pp. 63-66.
13. Development of an Integrated Information Model Based on Standard Modular Ele-ments of the Maximum Readiness Basis / Rybakova A // Building Life-cycle Management. In-formation Systems and Technologies. Lecture Notes in Civil Engineering. 2021. Vol. 231. Springer, Cham. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-030-96206-7_22
14. Development of hybrid OLAP systems for multidimensional data analysis based on MI-CROSOFT ANALYSIS SERVICES [Text] / S.M. Sarsimbayeva, E.M. Auyezova // Bul-letin of the Almaty University of Energy and Communications (2019). Issue 1 (44) 2019. pp.79-85. DOI:https://doi.org/10.51775/1999-9801_2019_44_1_79
15. OLAP cube modeling: hypercube implementation [Text] / M.A. Azaryan, B.H. Nasyrova, D.M. Kazaryan, O.A. Tavolzhanova // Alley of Science (2022). Volume 1. Issue 1(64) 2022. pp.1278-1284.
16. Mathematical modeling of information system designing master plan of the building territory based on OLAP technology / Honcharenko T., Terentyev O., Gorbatyuk I. // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. Vol. 344. P. 3-15. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-030-89902-8_1
17. Overview of the use of OLAP technologies [Text] / E.P. Volkova, N.A. Tikhomirova // Academy of Pedagogical Ideas Novation. Series: Student Scientific Bulletin. (2018). Issue No. 7. 2018. pp. 35-39.
18. Building a novel physical design of a distributed big data warehouse over a Hadoop cluster to enhance OLAP cube query performance / Y. Ramdane, O. Boussaid, D. Bouk-raà, N. Kabachi, F. Bentayeb // Parallel Computing. Vol. 111. 102918. DOI:https://doi.org/10.1016/j.parco.2022.102918.
19. Building Information Modelling (BIM) Based Generative Design for Drywall Installa-tion Planning in Prefabricated Construction / Jang S., Lee G. // Automation in Con-struction. 2021 Vol. 89. Pp. 86-98. DOI:https://doi.org/10.1155/2021/6638236
20. Automated spatial design of multi-story modular buildings using a unified matrix method / Sharafi P., Samali B., Ronagh H.R. and Ghodrat M. // Automation in Con-structure.2017. Vol. 82. Pp. 31-42. DOIhttps://doi.org/10.1016/J.AUTCON.2017.06.025
21. The use of new information technologies in construction modeling [Text] / Z.O. Tretyakova, M.V. Voronina // Modern education: content, technology, quality. 2019. Vol. 1. pp. 363-365.
22. Lean production theory-based simulation of modular construction processes / Goh M, Goh Y. M. // Automation in Construction. 2019. Vol. 101. Pp. 227-244. DOI:https://doi.org/10.1016/j.autcon.2018.12.017
23. BIM-BVBS integration with openBIM standards for automatic prefabrication of steel reinforcement / Yuhan Liu, Mingkai Li, Billy C.L. Wong, Chun Man Chan, Jack C.P. Cheng, Vincent J.L. Gan // Automation in Construction. 2021. Vol. 125. 103654. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103654.
24. Modular Robotic Prefabrication of Discrete Aggregations Driven by BIM and Compu-ta-tional Design / Walid Anane, Ivanka Iordanova, Claudiane Ouellet-Plamondon // Proce-dia Computer Science. 2022. Vol. 200. P. 1103-1112. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.procs.2022.01.310.
25. Evaluation of design efficiency based on modular elements of maximum readiness [Text] / A.O. Rybakova // Construction: Science and Education. 2022. Vol. 12. No. 3(9). DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2022.3.9
