В статье приводятся анализ использования OLAP-технологии при проектировании модульных объектов на основе технологий информационного моделирования, представлена классификация и систематизация информационных моделей модульных элементов максимальной готовности. 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. 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. В результате рассмотрено влияние применения OLAP-кубов для представления модульного объекта на всех этапах жизненного цикла. Представлены новые возможности и преимущества применения OLAP-модели управления данными информационной модели объекта капитального строительства. Сформулированы направления дальнейших исследований.
BIM-технологии, модульные элементы максимальной готовности, комплектно-блочное проектирование, автоматизация проектирования, организация строительства, модульные конструкции, 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. Модульное проектирование и конструирование многоквартирных домов с использованием готовых компонентов [Текст] / Д.А. Чибирикова, Б.С. Атаев, О.Г. Мельникова // Актуальные проблемы и перспективы развития строительного комплекса. Сборник трудов Международной научно-практической конференции: в 2 ч. Волгоград., 2020. С. 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. Инновационное модульное строительство [Текст] / К. С. Клевцова // Молодой ученый. 2017. № 3 (137). С. 103-105. URL: https://moluch.ru/archive/137/38562/ (дата обращения: 26.07.2022).
6. Lee M., Lee D., Kim T., Lee U.K. Practical Analysis of BIM Tasks for Modular // Sustainability. 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 Productivity for Sustainable Building Projects // Sustainability. 2017. Vol. 9(3). 426. DOI:https://doi.org/10.3390/su9030426.
8. Системный подход к проблеме проектирования и строительства быстровозводимых сооружений для обустройства войск в районах арктики [Текст] / С.Г. Климанов, В.Н. Громов // Актуальные проблемы военно-научных исследований. 2021. № 1(13). С. 319-335.
9. Методика расчета и оценки состава IT-оборудования центра обработки данных [Текст] /А.И. Захаров, Г.А. Брякалов, П.И. Михайлова, Е.В. Чумакова // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2019. № 2. С. 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 designed high-rise buildings / Ansah M.K., Chen X., Yang H., Lu L., Lam P.T.I. // Environmental Impact Assessment Review. 2021. Vol. 90. P. 106618. DOI:https://doi.org/10.1016/J.EIAR.2021.106618
12. Актуальность Использования технологий информационного моделирования на всех этапах "жизненного цикла" объекта капитального строительства [Текст] / А.Б. Андреева // Уральский научный вестник. 2019. Т. 3. № 2. С. 63-66.
13. Development of an Integrated Information Model Based on Standard Modular Elements of the Maximum Readiness Basis / Rybakova A // Building Life-cycle Management. Information 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. Разработка гибридных OLAP систем многомерного анализа данных на основе MICROSOFT ANALYSIS SERVICES [Текст] / С.М. Сарсимбаева, Э.М. Ауезова // Вестник алматинского университета энергетики и связи (2019). Выпуск 1 (44) 2019. С.79-85. DOI:https://doi.org/10.51775/1999-9801_2019_44_1_79
15. Моделирование OLAP куба: реализация гиперкуба [Текст] / М.А. Азарян, Б.Х. Насырова, Д.М. Казарян, О.А. Таволжанова // Аллея науки (2022). Том 1. Выпуск 1(64) 2022. С.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. Обзор применения OLAP технологий [Текст] / Е.П. Волкова, Н.А. Тихомирова // Академия педагогических идей Новация. Серия: Студенческий научный вестник. (2018). Выпуск № 7. 2018. С. 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. Boukraà, 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 Installation Planning in Prefabricated Construction / Jang S., Lee G. // Automation in Construction. 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 Construction.2017. Vol. 82. Pp. 31-42. DOIhttps://doi.org/10.1016/J.AUTCON.2017.06.025
21. Использование новых информационных технологий в строительном моделировании [Текст] / З.О. Третьякова, М.В. Воронина // Современное образование: содержание, технологии, качество. 2019. Т. 1. С. 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 Computational Design / Walid Anane, Ivanka Iordanova, Claudiane Ouellet-Plamondon // Procedia Computer Science. 2022. Vol. 200. P. 1103-1112. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.procs.2022.01.310.
25. Оценка эффективности проектирования на основе модульных элементов максимальной готовности [Текст] / А.О. Рыбакова // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12. № 3(9). DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2022.3.9
