BIM w cyklu życia mostów
Wielu inżynierów utożsamia BIM wyłącznie z rozwinięciem technik CAD do trzeciego wymiaru i atrakcyjnymi wizualizacjami architektów, które w praktyce faktycznie mają ograniczoną przydatność przy opisywaniu prętów zbrojeniowych i spoin albo nadzorowaniu brygad robotników na budowie. Tymczasem doświadczenia krajów, które mają najwyższy poziom implementacji BIM, pokazują, że ta metodyka jest pierwszym i koniecznym krokiem w kierunku cyfryzacji procesów budowlanych, a w dalszych etapach również automatyzacji i robotyzacji całej branży. Tego rozwoju nie da się już zatrzymać.
Niniejsza publikacja porusza zagadnienia związane z projektowaniem, budową i zarządzaniem obiektami mostowymi w kontekście metodyki BIM. Przedstawiono w niej obiektowe podejście do modelowania mostów, które w przyszłości będzie polegać m.in. na tworzeniu ich cyfrowych bliźniaków (digital twins). Autor prowadzi czytelnika przez kolejne etapy cyklu życia mostów, pokazując, jak ich wirtualne modele i powiązane z nimi cyfrowe technologie będą wpływać na procesy planowania, realizacji i utrzymania mostów. Książka zilustrowana została wieloma praktycznymi przykładami, które pochodzą z inżynierskiej i naukowo-badawczej aktywności autora oraz jego zespołu.
Przedmowa 11
1. Wprowadzenie 15
1.1. Wstęp 15
1.2. Ograniczenia tradycyjnego budownictwa 16
1.3. Cyfryzacja branży budowlanej 21
1.4. Rola BIM w cyfryzacji budownictwa 23
1.5. Odniesienia do strategii rozwoju Przemysł 4.0 25
1.6. Modele informatyczne i cyfrowe bliźniaki 30
1.7. BIM w infrastrukturze w innych krajach 32
1.8. Inspiracje i zakres monografii 35
2. Zarządzanie cyklem życia mostu 41
2.1. Filozofia zrównoważonego rozwoju 41
2.2. Zintegrowana analiza cyklu życia obiektów 44
2.2.1. Składowe analizy zintegrowanej 44
2.2.2. Analiza ekonomiczna, LCC 46
2.2.3. Analiza środowiskowa, LCA 51
2.2.4. Analiza społeczna, S-LCA 53
2.2.5. Integracja analiz cyklu życia 54
2.3. Analiza kosztów cyklu życia obiektów mostowych 56
2.3.1. Cykle życia obiektu mostowego 56
2.3.2. Ogólne założenia metodyki LCC 62
2.3.3. Modele degradacji mostu i okres analizy 64
2.3.4. Wskaźnikowa ocena efektywności ekonomicznej 66
2.3.5. Koszty jednostkowe przedsięwzięć mostowych 68
2.3.6. Podejście deterministyczne i probabilistyczne 70
2.4. Analiza środowiskowa obiektów mostowych, LCA 72
2.5. Przykłady analizy cyklu życia obiektów mostowych 74
2.5.1. Oprogramowanie wspomagające analizy cyklu życia obiektów mostowych 74
2.5.2. Analiza zintegrowana w ocenie wariantów rozwiązań projektowych 75
2.5.3. Analiza wielu obiektów 82
2.6. Modele BIM w zarządzaniu cyklem życia 97
3. Metodyka BIM i zagadnienia pokrewne 103
3.1. Ewolucja technik CAD w kierunku BIM 103
3.2. Wprowadzenie do metodyki BIM 106
3.2.1. Definicje BIM 106
3.2.2. Poziomy dojrzałości BIM 111
3.2.3. Wielowymiarowość BIM 113
3.2.4. Poziomy szczegółowości modelu BIM 115
3.3. Standardy i platformy wymiany danych BIM 119
3.3.1. Interoperacyjność narzędzi BIM 119
3.3.2. Koncepcja otwartych standardów BIM 120
3.3.2.1. Standaryzacja związana z BIM 120
3.3.2.2. Dane – Industry Foundation Classes, IFC 122
3.3.2.3. Procesy – Information Delivery Manual, IDM 128
3.3.2.4. Nazwy – Information Framework Dictionary, IFD 129
3.3.3. Procesy informacyjne i zarządcze BIM 130
3.3.3.1. Kluczowe dokumenty kontraktowe BIM 130
3.3.3.2. Wymagania informacyjne 132
3.3.3.3. Plany wykonania oraz dostarczania informacji 135
3.3.3.4. Role osób w metodyce BIM 136
3.3.4. Arkusze danych niegraficznych typu COBie 138
3.3.5. Platforma wymiany danych, CDE 139
3.3.6. Klasyfikacja budowlana zgodna z BIM 143
3.4. Zagadnienia i technologie powiązane z BIM 146
3.4.1. Szczupłe budownictwo (Lean Construction) 146
3.4.2. Zintegrowany proces inwestycyjny, IPD 148
3.4.3. Rzeczywistość wirtualna, poszerzona i mieszana, VR, AR i MR 151
3.4.4. Graficzne języki programowania, VPL 156
3.4.5. Projektowanie obliczeniowe i generatywne 161
3.4.6. Sztuczna inteligencja, AI 167
3.4.7. Monitoring stanu technicznego, SHM 172
3.4.8. Cyfrowe bliźniaki (Digital Twins) 175
3.4.9. Systemy informacji o terenie, GIS 180
3.4.10. Rekonstrukcja 3D i pojazdy UAV 186
3.4.11. Automatyzacja i robotyzacja 192
3.4.11.1. Mechanizacja robót budowlanych 192
3.4.11.2. Automatyzacja i roboty na budowie 194
3.4.11.3. Automatyzacja poza placem budowy 197
3.4.11.4. Techniki druku 3D 199
3.4.12. Zarządzanie zasobami (Asset Management) 202
3.5. Korzyści z użycia metodyki BIM 210
3.5.1. Poprawa dostępu i usprawnienie zarządzania informacjami 210
3.5.2. Zalety metodyki BIM w pracy zespołowej 212
3.5.3. Korzyści powiązane z cyklem życia mostu 214
3.5.4. Etap planowania i projektowania 216
3.5.5. Etap prac budowlanych 217
3.5.6. Etap użytkowania i utrzymania 218
3.5.7. Korzyści pośrednie – innowacje, procesy, ludzie 219
4. Mosty jako element infrastruktury liniowej 221
4.1. Metodyka BIM w budowlach kubaturowych i liniowych 221
4.2. Klasyfikacja mostów w kontekście BIM 225
4.3. Opis strukturalny mostu 228
4.3.1. Zasadnicze elementy składowe mostu 228
4.3.2. Hierarchiczna struktura danych w opisie mostu 232
4.3.3. Istniejące standardy opisu mostów 235
4.3.4. Propozycja hierarchicznej struktury danych opisujących most 238
4.4. Biblioteka elementów mostowych w formie parametrycznych modeli 3D 242
4.5. Technologie budowy mostów 247
4.5.1. Ewolucja metod budowy mostów 247
4.5.2. Prefabrykacja dźwigarów 248
4.5.3. Nasuwanie podłużne 248
4.5.4. Metody nawisowe (wspornikowe) 251
4.5.5. Metody budowy całych przęseł (przęsło po przęśle) 254
4.5.6. Mosty rozporowe z dźwigarami łukowymi i ramowymi 255
4.6. Wymagania dotyczące modelu BIM obiektu inżynierskiego 256
4.6.1. Proces modelowania i odpowiedzialność za model 256
4.6.2. Zawartość modelu i dane projektu 257
4.6.3. Poziom szczegółowości, LOD 259
4.6.4. Standaryzacja nazewnictwa plików 263
5. BIM w planowaniu i projektowaniu mostów 265
5.1. Podejście obiektowe w projektowaniu mostów 265
5.2. Praca zespołowa przy modelowaniu mostów 268
5.3. Planowanie wstępne i modele koncepcyjne 274
5.4. Narzędzia do tworzenia i analizy modeli mostów 279
5.5. Modelowanie geometrii mostów BIM 3D 291
5.5.1. Powiązanie geometrii mostu i drogi w projektach koncepcyjnych 291
5.5.2. Modelowanie podpór mostowych 295
5.5.3. Parametryzacja wybranych elementów ustroju nośnego 303
5.5.4. Generowanie dokumentacji 2D 312
5.6. Przykłady mostowych modeli BIM 3D 315
5.6.1. Obiekty drogowe o przekroju skrzynkowym z betonu sprężonego 315
5.6.2. Dwuprzęsłowe wiadukty drogowe z betonu sprężonego 320
5.6.3. Przebudowa i wymiana obiektów mostowych 320
5.6.4. Naprawa uszkodzonego przez pojazd stalowego wiaduktu dla pieszych 325
5.6.5. Obiekty kolejowe ze stalowymi przęsłami 330
6. BIM na budowie mostów 332
6.1. Wprowadzenie 332
6.2. Harmonogramy BIM 4D 334
6.2.1. Ograniczenia tradycyjnego podejścia do harmonogramów 334
6.2.2. Zalety metodyki BIM w planowaniu robót 336
6.3. Przedmiary i kosztorysy BIM 5D 340
6.3.1. Tradycyjne sposoby tworzenia przedmiarów i kosztorysów 340
6.3.2. Korzyści z wykorzystania modelu BIM 341
6.4. Cyfryzacja procesów budowy mostów 344
6.4.1. Urządzenia cyber-fizyczne na budowie 344
6.4.2. Wirtualne projektowanie i budowa, VDC 346
6.4.3. Koncepcja cyfrowej budowy infrastrukturalnej 352
6.4.4. Uwzględnienie technologii budowy mostów 353
6.5. Odbiór robót budowlanych i modele powykonawcze 358
6.5.1. Aktualne podejście do odbioru robót i dokumentacji powykonawczej 358
6.5.2. Modele powykonawcze związane z procesami BIM 361
7. Modele BIM w użytkowaniu infrastruktury mostowej 364
7.1. Wprowadzenie 364
7.2. Konieczność poprawy bezpieczeństwa obiektów i jakości inspekcji 367
7.3. Systemy gospodarowania mostami, SGM 370
7.3.1. Ewolucja narzędzi komputerowego wspomagania systemów SGM 370
7.3.2. Model BIM jako graficzna baza wiedzy o obiekcie 375
7.3.3. Przejrzysty proces zarządzania obiektem 378
7.4. Modelowanie uszkodzeń mostów 382
7.4.1. Stosowane metody opisu uszkodzeń mostów 382
7.4.2. Koncepcja hierarchicznej klasyfikacji uszkodzeń 389
7.4.3. Propozycja sposobu modelowania uszkodzeń w środowisku BIM 392
7.4.4. Poziomy szczegółowości modelu uszkodzenia klasy BIM 393
7.5. Ocena stanu technicznego mostów 400
7.5.1. Rola diagnostyki mostów w systemach SGM 400
7.5.2. Aktualne praktyki w inspekcji stanu technicznego mostów 404
7.5.3. Ewidencjonowanie wyników inspekcji 406
7.5.4. Nowe scenariusze pracy inspektorów mostowych 409
7.6. Wykorzystanie BIM w inspekcji mostów 411
7.6.1. Cyfryzacja procesu i wyników inspekcji 411
7.6.2. Aplikacje wspomagające inspekcje mostów 416
7.6.3. Propozycja polskiej aplikacji dla inspektorów mostowych 422
7.6.3.1. Ogólna prezentacja systemu Smart Bridge Inspector 422
7.6.3.2. Aplikacja stacjonarna 426
7.6.3.3. Aplikacja mobilna 427
7.6.3.4. Wyświetlanie modelu BIM i poszerzona rzeczywistość 429
7.6.4. Przykłady inspekcji mostów z użyciem cyfrowych technologii 431
7.6.4.1. Inspekcje mostów z użyciem mobilnej aplikacji 431
7.6.4.2. Identyfikacja uszkodzeń mostu z użyciem narzędzi do rekonstrukcji 3D 435
7.6.4.3. Wykorzystanie robotów inspekcyjnych 443
7.7. Innowacje i projekty badawcze w infrastrukturze 446
8. Zakończenie 452
8.1. Nowe regulacje związane z BIM 452
8.1.1. Powiązanie przepisów mostowych z metodyką BIM 452
8.1.2. Zagadnienia związane z prawami autorskimi 457
8.1.3. Cyfryzacja procesów i decyzji budowlanych 458
8.1.4. Cyfryzacja rynku zamówień publicznych 459
8.2. Elementy wdrożenia BIM w mostownictwie 460
8.2.1. Inicjatywy i promocja metodyki BIM w Polsce 460
8.2.2. Strategie wdrażania BIM 465
8.2.3. Budowanie świadomości w instytucjach infrastruktury 466
8.2.4. Oczekiwane cele wynikające z wdrożenia metodyki BIM 468
8.2.5. Propozycja najważniejszych działań 471
8.2.6. Edukacja i szkolenia z metodyki BIM 473
8.2.7. Rola projektów pilotażowych 477
8.2.8. Pierwszy projekt pilotażowy BIM w GDDKiA 479
8.3. Podsumowanie 483
Wykaz ważniejszych skrótów, pojęć i ich definicje 485
Bibliografia 501
Spis rycin, w których wykorzystano inne źródła niż własne 522
