from 01.01.2019 until now
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI) (Obscheinzhenernye discipliny, professor)
from 01.01.1980 to 01.01.2019
Moskva, Moscow, Russian Federation
Russian Federation
The article presents the interim results of the work on creating a model for calculating the cost and labor costs for the implementation of the project using information modeling and laser scanning (DT-BIM) technologies. In the course of the work, the task of creating blocks of an information model was formalized, the concept of a 3D block was introduced, methods of creating geometry in Autodesk Revit software were classified, a scale for assessing the complexity of modeling typical 3D blocks of various details was created, allowing to standardize the calculation of labor costs for the implementation of DT-BIM projects in conventional units.
project management, Autodesk Revit, families, point clouds, digital twin, 3D modeling, degree of detail
Введение
Моделирование по облакам точек – трудоемкий процесс, который на данном этапе развития технологий может быть автоматизирован лишь частично [1]. Высокий процент ручного труда обусловлен отсутствием программного обеспечения, способного автоматически классифицировать и сегментировать облака точек (распознавать на них объекты), либо нестабильностью работы данного ПО, что более подробно было рассмотрено в статье [2].
Моделирование по облакам точек в Autodesk Revit имеет свою специфику, в частности, основными задачи реализации таких проектов зачастую является не выпуск проектной/рабочей документации (как в случае применения BIM на этапе проектирования) [5-6], а воссоздание геометрически и визуально точной копии реального объекта [7-11]. Эта специфика обуславливает и наполнение информационной модели, и трудоемкость ее создания, и, в конечном итоге, стоимость проекта DT-BIM. Задачи DT-BIM большей части могут относится к этапу подготовки нового строительства (получение исходных данных об объекте – например, для подсчета объемов демонтажа конструкций/оборудования), либо для решения задач эксплуатации. Однако далеко не каждый заказчик, даже определившись со сценарием использования DT-BIM, может позволить себе подобный проект в силу его высокой стоимости, значительную часть которой, помимо непосредственно сканирования, составляет ручное моделирование по полученным облакам. Задачи моделирования, в свою очередь, можно разделить на подготовительные (администрирование проекта, создание плана реализации проекта, распределение обязанностей участников и т.д.), основные (подготовка библиотеки и расстановка элементов) и заключительные (фиксация модели в соответствие с договором и передача заказчику). Данная статья продолжает цикл работ авторов [12-18].
Стоить отметить, что создание библиотеки элементов хоть и является далеко не единственным процессом, однако от успешности его выполнения зависит, насколько беспрерывно будет проходить процесс моделирования (отсутствие элементов тормозит моделирование).
В данной работе автор попытался стандартизировать подсчет стоимости реализации DT-BIM для возможности дальнейшей оптимизации рабочих процессов и возможности снижения себестоимости ведения проекта DT-BIM для подрядной организации.
Поэтому смысл работы в представлении методики оценки трудоемкости по созданию 3D-моделей семейств, с помощью которой возможно получить выражение в трудозатратах и в реальной стоимости.
Актуальность темы
Недостаточная распространённость применения технологий информационного моделирования на этапе эксплуатации обусловлена высокой стоимостью и низкой автоматизацией процесса создания цифровых двойников. Снижение себестоимости работ по созданию DT-BIM может позволить в перспективе снизить стоимость применения BIM на этапе эксплуатации.
Цель исследования
Стандартизировать процесс подготовки коммерческого предложения на реализацию BIM-проектов цифровых двойников (digital twin information model или DT-BIM) с целью снижения конечной стоимости проекта.
Задачи исследования
- Определить спектр задач при подготовке потенциального проекта DT-BIM;
- Формализовать задачу моделирования блоков информационной модели по облакам точек;
- Классифицировать способы создания 3D-тел в Autodesk Revit;
- Создать шкалу оценки трудоемкости операций по созданию геометрии в Autodesk Revit.
Библиотеки семейств для различных BIM-сценариев
В случае с моделированием по облакам точек есть несколько вариантов использования семейств в проекте:
- наработка и использование библиотеки адаптивных семейств – приемлем в случае, если модели предназначены для дальнейшего использования в качестве проектных (например, при реконструкции), то обеспечивают простоту внесения корректировок. Библиотека в данном случае представляется набором семейств, обладающих набором параметрических зависимостей и адаптируемый в широком диапазоне потенциальных проектных решений.
- моделирование статических семейств – в случае, когда не предполагается дальнейшее изменение компонентов – представляется нарабатываемой в ходе проекта библиотекой простых семейств, главных образом соответствующих требуемой степени детализации (LOD). Статические семейства не имеют параметрических зависимостей, и могут использоваться от проекта к проекту без изменений, либо создаваться каждый проект заново.
Вариативность геометрических характеристик промышленного оборудования, вкупе с его уникальностью (как оборудования производственных объектов в целом, так и производств одной отрасли) затрудняет наработку библиотеки, увеличивая затраты на создание «умных» адаптивных семейств в разы.
Второй вариант предпочтительнее в проектах DT-BIM потому, что зачастую, как показывает практика, объекты моделирования представляют собой оборудования с истекшим (подходящим к таковому) сроку эксплуатации, имеет нетипичную геометрическую форму и габариты, модели такого оборудования не подразумевают повторного использования на других проектах.
В связи с этим возникает постоянная необходимость оценки себестоимости потенциального проекта, а именно, задач по созданию семейств, как составной части непосредственно моделирования.
Модель подсчета на основе шкалы веса
На данных существует множество методик, позволяющих оценить сложность разработки цифрового продукта. Однако большинство из них заточены под разработку программного обеспечения (IT-development). Например, популярная система Story Point. Story Point –система оценивания, которая может помочь при определении процентного соотношения (по времени/трудозатратам) между операциями/блоками работ. Однако при неизвестных общих сроках/стоимости выполнения работ (как на этапе формирования КП), необходима шкала, основанная на реальной трудоемкости работ.
В данной работе предлагается следующая система оценивания, основанная на нескольких классификациях процесса:
- по уровню решаемой задачи;
- по уровню детализации проекта;
- по количеству предполагаемых операций в САПР.
Расчет сложности представляет собой мультипликацию «веса» и условных баллов, рассчитываемых далее:
T = npt,
где T – искомое время выполнения задачи (блока/операции), n – сложность в баллах (pt), умноженное на продолжительность базовой команды.
В качестве ПО для реализации подсчета использована система Autodesk Revit версии 2021.1
В силу специфики моделирования по облакам точек, не предполагающего оформления аннотаций и специальных видов (планов/разрезов, легенд и т.д.) рассмотрим только команды по созданию элементов 3д-графики:
Рис. 1. Команды, учитываемые при подсчете
В качестве условности для начала отсчета было введено понятие базовой команды. Базовая команда - команда, требующая не более 3 кликов мышью и 2 ментальных операций (время на принятие решения пользователем).
Используя метод подсчета времени по методики GOMS — «The model of Goals, Objects, Methods, and Selection rules» — было получено время, затрачиваемое пользователем на выполнение такой команды в Autodesk Revit – 20 секунд.
Ниже приведены все 3 вида классификации с примечаниями (Табл. 1-Табл. 3).
Таблица 1. Уровни решаемых задач
|
Уровень |
Задача |
Из чего состоит |
Как составляется |
Что упрощает |
|
3 – Менеджера проекта |
Подсчет трудозатрат на проект |
Библиотека – совокупность дисциплин проекта |
По спецификациям всех дисциплин/на основе визуальной оценки объекта (облаков точек, панорамных фото) |
Подготовка КП Планирование сроков и перечня команд на проекте. |
|
2- Координатора проекта |
Подсчет трудозатрат команды |
Дисциплина – совокупность блоков семейств (например, система водопонижения на период эксплуатации) |
По спецификации оборудования и материалов/ по сумме блоков |
Согласование LOD, Организация команд, распределение объемов работ между командами, планирование работ. |
|
1 -Исполнителя работ |
Подсчет трудозатрат исполнителя |
Блок семейств – сложное семейство/совокупность семейств, образующих модель одной сущности. (например, насосный блок) |
По разделу спецификации/на основе визуальной оценки участка моделирования |
Формирование компетенций для кандидата (исполнителя), составление индивидуального плана выполнения работ. |
|
Сложное семейство – состоящее из нескольких семейств (например, консольный насос) |
По документации от производителя оборудования с учетом требования LOD/На основе визуальной оценки моделируемого типа оборудования |
|||
|
|
Семейство – совокупность блоков 3д-тел Блок 3д тел – типичный набор тел разных форм, достаточный для моделирования семейства определенного внешнего вида (например, электродвигатель насоса) |
На основе визуальной оценки формы части оборудования |
||
|
3д-тело – графический элемент, построенный на основе эскиза в Revit (элемент выдавливания, вращения, сдвига и т.д.) |
||||
|
Эскиз – совокупность базовых команд рисования в Revit (отрезок, радиус, «выбрать линии»), на основании которых создается 3д-тело |
||||
|
0 - Расчет |
Создание модели для подсчета трудозатрат |
Базовая команда – команда, требующая не более 3 кликов мышью и 2 ментальных операций (время на принятие решения пользователем) Не более 20 сек |
На базе методики оценки интерфейса GOMS |
Скорость выполнения базовых задач по работе в ПО |
Таблица 2. Блоки операций
|
Классификация |
Операция |
Смысл |
Вес всего: |
|
Базовые операции (Б) |
Опорная плоскость |
1 базовая команда |
1pt |
|
Базовые операции (Б) |
Рисование |
1 базовая команда |
1pt |
|
Простые команды (П1,П2,П3) |
Простой эскиз |
1 плоскость 1 рисование П1=Б+Б |
2pt |
|
Сложный эскиз |
1плоскость 2 рисования П2=Б+2Б Либо 1 плоскость 3 рисования П3=Б+3Б |
3pt 4pt |
|
|
Сложные команды (С1,С2,С3) |
Выдавливание |
С1=П1+Б С2=П2+Б С3=П3+Б
|
3pt 4pt 5pt |
|
Вращение |
|||
|
Сдвиг |
|||
|
|
|
|
|
|
Суперкоманды (С11,С12,С13 С21,С22,С23) |
Переход
|
С11=2П1+2Б С12=2П2+2Б С13=2П3+2Б
|
6pt 8pt 10pt |
|
Переход по траектории
|
С21=3П1+2Б С22=3П2+2Б С23=3П3+2Б |
8pt 11pt 14pt |
Таблица 3. Детализация
|
Низкая |
Средняя |
Высокая |
|
На основе простого эскиза |
На основе сложного эскиза На основе двух простых эскизов |
На основе нескольких сложных эскизов |
Рис. 2. Уровни детализации оборудования (слева направо: Низкий, Средний,Высокий)
Подсчет по шкале сложности для различного оборудования
Были рассмотрены часто встречаемые комбинации 3D-тел в семействах библиотеки, применяемых на двух крупных проектах (300000-500000 элементов) с применением облаков точек.
Приведена комбинация для позиций технологического оборудования и семейств трубопроводных дисциплин: без учета коннекторов
Таблица 4. Уровни детализации
|
Категория Revit |
Тип |
Низкая детализация (LD1) |
Средняя детализация (LD2) |
Высокая детализация (LD3) |
LD1,pt |
LD2,pt |
LD3,pt |
|
Фитинги трубопроводов |
Фланец |
2C1 |
4C2 |
4C3+16C1 |
6 |
16 |
68 |
|
|
Переход м |
С11 |
С11 |
С11 |
6 |
6 |
6 |
|
|
Угол |
С1 |
С3+С1 |
С3+С1 |
3 |
8 |
8 |
|
|
Тройник |
3С1 |
4С1 |
4С1 |
9 |
12 |
12 |
|
|
Крестовина |
2С1 |
2С2+4С1 |
2С2+4С1 |
6 |
20 |
20 |
|
Арматура трубопроводов |
Задвижка, Кран |
4С1 |
4С2+С3+3С1 |
12С3+2С23 |
12 |
30 |
88 |
|
|
Клапан |
3С2 |
5С2+4С1 |
9С3+2С23 |
12 |
32 |
73 |
|
|
Фильтр |
3С1 |
3С2+5С1 |
1С3+4С2+16С1 |
9 |
20 |
69 |
|
|
Затвор/задвижка с эл. приводом |
5С1 |
3С2+6С1 |
2С3+18С1 |
15 |
30 |
67 |
|
|
Измерительное оборудование (манометры, термометры и др.) |
2С1 |
5С2 |
9С3+4С2+С1 |
6 |
20 |
64 |
|
Оборудование |
Бак |
5С1 |
4С1+2С2 |
2С13+4С3+6С1 |
15 |
20 |
58 |
|
|
Центрифуга |
7С1 |
5C2+3C1+2C22 |
9C3+6C1+2C23 |
21 |
51 |
91 |
|
|
Резервуар (кроме радиального типа) |
5C1 |
5C2 |
9C3+4C2+4C1 |
15 |
20 |
73 |
|
|
Шнек |
C1 |
C2+5C1 |
C23+6C2+5C1 |
3 |
19 |
53 |
|
|
Передача (ременная) |
C2 |
3C2 |
5C3+2C2 |
4 |
12 |
33 |
|
|
Пресс гидравлический |
C3 |
4C3+3C1 |
4C3+9C2+7C1 |
5 |
29 |
77 |
|
|
Конический бункер |
C22+2C1 |
2C22+C2+C1 |
2C23+5C2+5C1 |
17 |
29 |
63 |
|
|
Теплообменник |
3C2 |
3C3+3C2+3C1 |
8C3+5C2+11C1 |
12 |
60 |
93 |
|
|
Установка рециркуляции (жидкости, паров) |
3С1 |
2С2+6С1 |
8С3+12С2+С1 |
9 |
26 |
91 |
|
|
Насос погружной, помпа |
2С1 |
6С1 |
13С1+С2 |
6 |
18 |
43 |
|
|
Насос консольный (секционный) |
3С1 |
3С2+6С1 |
11С3+4С2+6С1 |
9 |
30 |
89 |
|
|
Насос вакуумный |
3C2 |
6C2+3C1 |
16C3+8C1 |
12 |
36 |
104 |
|
|
Насосная станция |
4С1 |
3С2+4С1 |
11С3+8С2+8С1 |
12 |
24 |
111 |
|
|
Лифт, подъемник |
С2 |
6С2+3С1 |
3С3+4С2+8С1 |
4 |
33 |
55 |
|
|
Конвейер цепной (блок) |
6C1 |
4C21+6C2+11C1 |
4C22+6C3+9C1 |
18 |
101 |
132 |
Таким образом, возможно определить трудоемкость моделирования: переходя от уровня к уровню (1-4) возможен подсчет как типовых 3д-блоков (табл. 3), так и типовых семейств, сложных семейств и дисциплин проектов, однако эти подсчеты не отображены в данной публикации.
Результаты
Данные, полученные в результате подсчета, при их сравнении с эмпирически полученными данными о времени моделирования аналогичных 3д блоков для параметрических семейств, оказываются ниже на несколько порядков. Например, время выполнения 1 экземпляра Насоса вакуумного в высокой детализации 104pt (или 34 минуты), однако создание такого же блока для параметрического семейства может занять от 6 часов. Ускорение обусловлено тем, что отсутствует необходимость:
- создания параметров и зависимостей;
- проверки работоспособности зависимостей на промежуточных этапах моделирования;
- создания таблицы выбора;
- создания типоразмеров/каталога типоразмеров;
- условности расчета на данном этапе.
Выводы
Дальнейшая разработка подобной методики подсчета позволяет стандартизировать процесс выдачи КП, а также позволяет стандартизировать сопутствующие процессы, реализуемые как на уровне команды, так и ее участников.
1. Mozhaev, A.N. Segmentation of point clouds by means of the point cloud library / A.N. Mozhaev // Extreme robotics. - 2018. - Volume 1. - Issue 1. - pp. 301-308. (In Russian)
2. Fetter, M.G. Scan-to-BIM: process organization for pipeline system models / M.G. Fetter // Days of Student Science : Collection of reports of the scientific and technical conference on the results of research works of students of the Institute of Digital Technologies and Modeling in Construction (ICTMS) NRU MGSU, Moscow, February 28 - 04, 2022. - Moscow: National Research Moscow State University of Civil Engineering, 2022. - pp. 214-218. (In Russian)
3. Boyu Wang, Chao Yin, Han Luo, Jack C.P. Cheng, Qian Wang, Fully automated generation of parametric BIM for MEP scenes based on terrestrial laser scanning data//Automation in Construction. - Volume 125, 2021/103615. - doi:https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103615. (In Russian)
4. Evstratova, L.G. On the possible integration of photogrammetry methods and BIM technology / L.G. Evstratova // Interexpo Geo-Siberia. - 2018. - Volume 1. - Issue 4. - pp. 14-18. (In Russian)
5. Khairullin, M.F. Analysis of modern methods of creating an operational BIM model of a building / M.F. Khairullin // Traditions and innovations in construction and architecture: Collection of articles of the 77th All-Russian Scientific and Technical Conference, Samara, October 26-30, 2020. - Samara: Samara State Technical University, 2020. - pp. 555-562. (In Russian)
6. Bogdanov, A.N. Ground-based laser scanning in construction and IM technologies / A.N. Bogdanov, I.A. Aleshutin // Izvestiya Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. - 2018. - Issue 4(46). - pp. 326-332. (In Russian)
7. Kozlov A.V., Koxlov M.V., Shmakov F.D. Algorithms and software for constructing three-dimensional models of parametric microseismic monitoring data // Bulletin I. Kant Baltic Federal University. 2015, Issue 10. pp. 126-132. (In Russian)
8. Kozlov A.V., Alsynbaev K.S. Means of recognition and visualization of faults and zones of technogenic fracturing based on microseismic monitoring data processing // Bulletin I. Kant Baltic Federal University. 2014, Issue 4. pp. 127-134. (In Russian)
9. Alsynbaev K.S. Algorithms for determining the bodies of three-dimensional objects in a three-dimensional irregular point cloud // Bulletin I. Kant Baltic Federal University. 2015, Issue 10. pp. 159-165. (In Russian)
10. Tkacheva A.A., Favorskaya M.N. Modeling of 3D scenes by laser scanning and air photo data // Information and Control Systems. 2015, Issue 6. pp. 40-49. doi: 10.15217|issn1684-8853.2015.6.40. (In Russian)
11. Sholomitskii A.A., Lagutina E.K., Soboleva E.L. Using laser scanning for large-span structures monitoring // Vestnik SGUGiT, 2018. Volume 23. Issue 2. pp. 43-57. (In Russian)
12. Shilov L., Evtushenko S., Arkhipov D., Shilova L. The prospects of information technology using for the analysis of industrial buildings defects / VII International Scientific Conference “Integration Partnership and Innovation in Construction Science and Education” (IPCSE 2020) 11th -14th November 2020, Tashkent, Uzbekistan // (2021) IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1030 (1) 012039. doihttps://doi.org/10.1088/1757-899X/1030/1/012039
13. Evtushenko S.I., Shilova L.A., Ulesikova E.S., Kuchumov M.A. Information modeling of a subway tunnel with anti-vibration measures [Informacionnoe modelirovanie tonnelya metro s protivovibracionnymi meropriyatiyami] // Science and busines : development ways, 2019, Issue 10 (100), p. 29-35. (In Russian)
14. Shutova M.N., Varenica A.P., Evtushenko S.I., Podekrebalin A.S. Application of the 3D scanning method when performing measurement works of industrial and non-industrial objects [Primenenie metoda 3D skanirovaniya pri vypolnenii obmernych rabot obektov proizvodstvennogo I neproizvodstvennogo naznacheniya] // Construction and architecture. - 2022. - vol. 10, Issue 2 (35). - p. 76-80. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-2-76-80 (In Russian)
15. Puchenkov I.S., Evtushenko S.I. Creating an information model of a building in a shared data environment [Sozdanie informacionnoj modeli zdaniya v srede obstchich dannych] // Construction and architecture. - 2021. - Vol/ 9, Issue 1 (30). - p. 46-50. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-1-46-50 (In Russian)
16. Evtushenko S.I., Fetter M.A. Problems of application of automatic placement of elements in the construction of an information model of pipeline systems of a building based on point clouds [Problem primeneniya avtomaticheskoy rasstanivki elementov pri postroenii informacionnoj modeli truboprovodnych system zdaniya po oblakam tochek] // Construction and architecture. - 2022. - Vol. 10, Issue 2 (35). - p. 71-75. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-2-71-75 (In Russian)
17. Evtushenko S.I., Ostashev R.V. Development of IFC mapping for unloading information models of architectural solutions [Razrabotka IFC mappinga dlya vygruzki informacionnych modeley architekturnych reshenij] // Construction and architecture. - 2022. - Vol. 10, Issue 2 (35). - p. 91-110. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-2-91-110 (In Russian)
18. Ostashev R.V., Evtushenko S.I. Analysis of a plug-in for communication of building information models Direct Link [Analiz plagina dlya svyazi informacionnych modeley zdaniy Direct Link] // Information technologies in the survey of operated buildings and structures: materials of the XIX International Scientific and Technical conf., Novocherkassk 22-23 oct. 2020 / Platov South-Russian state polytechnic university (NPI).- Novocherkassk: Lik Publ., 2020.- p. 9-13. (In Russian)
