Цифровой двойник здания: как технология применяется в строительстве

Из статьи вы узнаете:

1. Что такое цифровой двойник здания
2. Варианты цифровых двойников
3. Как работает
4. Как создать
5. Перспективы использования технологии в России

По оценкам экспертов переход на BIM-технологии на начальном этапе может увеличить общие расходы на строительство объекта на 10−15%. Но эти расходы себя не окупают полностью. И мы объясним, почему.

Проблема: данные BIM не используются
Как показывает практика, в тех проектах, где BIM активно применяется уже сейчас, после окончания строительства накопленные данные не используют в дальнейшем. Они остаются частично у проектировщика, частично у заказчика и подрядчиков.

Например, 3Д-модель здания не обновлялась на этапе строительства, не вносились проектные изменения или проекты инженерных сетей сделаны в другой среде без возможности объединения.

Проблема: данные в разном формате
Данные находятся в разных “колодцах”, которые не связаны между собой: разные базы данных, разные форматы, разная структура данных, разная методология их получения.

Формально информации много, но использовать ее на этапе эксплуатации практически нельзя. Поэтому логично, если уж вложились на этапе проектирования в BIM-технологии, то в дальнейшем постараться капитализировать эти инвестиции через добавленную стоимость самого объекта.

Цифровой двойник решает озвученные проблемы — объединяет данные обо всех системах на объекте и содержит в себе только актуальные сведения. Цифровой двойник может увеличить капитальную стоимость здания при его продаже. Рассказываем о технологии и о том, как начать ее применять.

Что такое цифровой двойник здания

Цифровой двойник — это виртуальная модель объекта, которая точно воспроизводит форму и действия оригинала и синхронизирована с ним. Технология помогает смоделировать, что будет происходить со зданием в разных условиях при эксплуатации.

Основой цифрового двойника часто становится BIM-модель, которая появляется на этапе проектирования. К ней добавляется информация о текущем состоянии объекта и получается цифровой двойник:

• на этапе стройки — о реальном процессе возведения объекта и решениях, которые не были заложены в изначальном проекте;
• на этапе эксплуатации — данные о текущем состоянии и об изменениях конструкций после сдачи объекта, об установленном оборудовании и его состоянии, о статусе работы датчиков и умных устройств.

Зачем он нужен

Цифровой двойник будет полезен на разных этапах жизненного цикла здания: во время проектирования, строительства и эксплуатации.

Проектирование. На этом этапе создаётся компьютерная модель здания, в которой учтено, как будут взаимодействовать установленные на объекте инженерные системы и датчики. Цифровой двойник поможет систематизировать данные обо всех элементах системы и о конструкциях. Процесс проектирования станет менее трудозатратным.

Строительство здания. Разработанная на предыдущем этапе компьютерная модель поможет определить требуемые допуски возведении объекта, достигнуть комфортных для жизни людей характеристик систем. Цифровой двойник позволит вовремя выявить, проанализировать и предупредить возможные поломки и неисправности. Процессами стройки можно управлять дистанционно.

Эксплуатация. Цифровой двойник регулярно дорабатывается: управляющая организация учитывает новые потребности потребителей, проводит диагностику инженерных систем. Цифровой двойник помогает определить сроки замены оборудования. Процесс эксплуатации здания контролируется удалённо и круглосуточно. Снижается стоимость эксплуатации объекта: управляющая организация оценивает его состояние и параметры, предлагает лучший тариф и уменьшает свои расходы.

Мнение эксперта

1−15% расходов в среднем здании приходятся на электроэнергию. Из них 70% ― это затраты на кондиционирование и освещение. Цифровой двойник может предугадать поведение арендаторов и предложить оптимальное решение по кондиционированию и освещению, которое устроит обе стороны.

Кроме того, во время эксплуатации здания цифровой двойник поможет управляющей компании делать точные прогнозы при организации и проведении капитальных работ.

Внедрив технологию цифровых двойников, вы сможете решать ряд ключевых задач:

• проектировать и строить здания сразу с учётом различных сценариев движения людей;
• заранее тестировать температуру и влажность в помещении;
• внедрять бесконтактные интерфейсы и робототехнику;
• обнаруживать проблемы до того, как здание будет введено в эксплуатацию;
• снизить финансовые и организационные риски;
• повысить конкурентоспособность и прибыльность бизнеса;
• планировать развитие компании;
• повысить лояльность клиентов за счёт прогнозирования потребительских запросов к зданию;
• рассчитать возможность возникновения чрезвычайных ситуаций и вовремя среагировать, чтобы спасти людей.

Читать про макет парка в статье: «Цифровой двойник: как технология работает на практике»

Варианты цифровых двойников

По данным сетевого издания RB.RU, выделяются три вида цифровых двойников: DTP ― прототип, DTA ― агрегированный двойник и DTI ― экземпляр.

DTP или Digital Twin Prototype, прототип — это виртуальный аналог объекта, в нём содержится информация для производства оригинала. В число таких сведений входят геометрическая и структурная модели объекта, технические требования. Также делается расчёт стоимости строительства, проектная и технологическая модели сооружения.

DTI или Digital Twin Instance — это экземпляр, описание конкретного физического сооружения, с которым двойник будет связан на протяжении всего срока эксплуатации. В экземпляре собраны данные обо всех технических характеристиках объекта, в том числе его трёхмерная модель.

Такой цифровой двойник создаётся на основе DTP. Он содержит историю строительства здания, данные о материалах и комплектующих. В этом двойнике вы найдёте данные по ремонтам, заменам элементов системы. Экземпляр действует и обновляется одновременно с оригиналом.

DTA или Digital Twin Aggregate — агрегированный или объединённый двойник. Это система, которая объединяет в себе двойника и оригинал, чтобы ими можно было управлять из единого центра и обмениваться данными.

Мнение эксперта

О том, какие варианты цифровых двойников применяются в российской практике, мы спросили Александра Высоцкого, Vysotskiy Consulting:

«О цифровых двойниках только начинают широко говорить, и пока общепринятая классификация в России не сложилась. Обычно под цифровым двойником подразумевают модель построенного объекта, которая внутри себя отражает информацию о состоянии его оборудования или компонентов. Это аналог здания, но в компьютере.

Если развивать эту идею, то есть

• строительный цифровой двойник, когда мы мониторим текущие показатели объекта;
• и полностью виртуальные цифровые двойники, когда такой цели нет, мы собираем иные данные. Мы берем некую реальную картину как отправную точку и потом делаем вариации «что будет, если», прогнозируем все возможные ситуации и дополняем модель данными.

Это вольная классификация. Мне кажется, нужно еще несколько лет, чтобы на ранке сложилось представление о том, что такое цифровой двойник».

Как работает цифровой двойник

Цифровой двойник здания работает в режиме реального времени. Он непрерывно собирает и хранит данные всех систем, датчиков и оборудования, установленных на объекте. Технология анализирует полученную информацию и даёт прогноз технического состояния систем, быстро выявляет возможные поломки, посылает сигнал о возникновении аварийной ситуации.

Помимо анализа технического состояния оборудования и систем цифровой двойник мониторит эффективность их работы и даёт заключение по общей безопасности здания.

Данные цифровой двойник посылает в специальную программу. Такие программы делают разные компании: Siemens, Aveva, Tango, Altec Systems, EPLAN Software & Service Russia, СОДИС Лаб.

Мнение эксперта

Как создать

Создание цифрового двойника — не быстрый процесс. Удобно разбить его на части по приоритетам — отопление, вентиляция, водоснабжение — а в конце объединить в одно целое. К цифровому двойнику всегда можно подключить любые системы, например, для хранения данных, всех принятых решений.

Что может быть основой цифрового двойника:

• исходная графическая 3D или 4D-модель;
• модель на основе интернета вещей;
• интегрированная математическая модель для анализа инженерных расчётов;
• голограммы и другие способы визуализации.

Исходная модель обычно готовится двумя путями:

1. BIM-модель. Она образуется на этапе проектирования и уточняется на этапах авторского надзора. На ее основе делается исполнительная модель для окончания возведения объекта.
2. Лазерное сканирование. Объект сканируется лазерным сканером, получается его цифровой слепок. По слепку выполняется моделирование конкретных элементов.

Этапы создания

Чтобы создать цифровые двойники в строительстве, нужно пройти следующие этапы: исследовать объект, смоделировать копию, выполнить проект и протестировать его, запустить цифровой двойник и отладить процессы для здания.

Исследовать объект. Это необязательный этап, он нужен только если у здания есть прототип. Например, точно такое же уже сданное в эксплуатацию здание. Тогда разработчики составляют подробную картину этого прототипа, воспроизводят все процессы, учитывают все характеристики. Объект изучается в разных условиях функционирования, эти данные собираются.

Смоделировать копию. Если у объекта нет прототипа, то данный этап будет первым при создании цифрового двойника. Для зданий создаётся 3D-модель, а уже потом возводится оригинал. Для моделирования копии пригодятся математические методы вычисления и анализа, например, метод конечных элементов (FEA — Finite Element Analysis), FMEA-модели (Failure Mode and Effects Analysis), CAD-модели (computer-aided design/drafting).

Выполнить проект. Ранее разработчики рассчитали архитектуру цифрового двойника, на этом этапе они переносят её на специальную платформу: Siemens, Dassault Systemes или другую. Тут математическая модель интегрируется с интерфейсом будущего здания, цифровой двойник получает динамику.

Протестировать. На этом этапе строятся прогнозы, как поведёт себя реальное здание в различных условиях. Для этого к процессу подключаются технические аналитики. В ходе испытаний они собирают данные, а потом просчитывают все возможные ситуации. От этого этапа зависит, насколько часто дальше в реальном здании будут случаться поломки и сбои, поэтому тестирование нужно провести качественно.

Запустить цифровой двойник. Не все поломки можно предугадать и спрогнозировать, во время запуска двойника процесс сбора данных продолжается.

Отладить процессы для здания. Прогноз по поломкам составлен, теперь инженеры работают с цифровым двойником как с настоящим зданием, ― отлаживают процессы, вносят в объект изменения, чтобы сделать его максимально эффективным.

Ключевой момент в создании цифрового двойника ― понять, что информацию в нем необходимо регулярно обновлять, иначе смысла в технологии не будет.

Еще один важный момент ― определить, что будет выгоднее для компании: нанять консультантов или сделать цифровой двойник самостоятельно.

Как цифровой двойник связан с BIM

Мы уже говорили, что основой для создания цифрового двойника часто служит BIM-модель. BIM ― это цифровая модель здания, статическая сущность с момента постройки. Используется для работы здесь и сейчас, помогает визуализировать процессы от проектирования до строительства.

В цифровом двойнике соединяются две вещи:

• исходная модель как она была;
• показатели, связанные с текущими жизненными процессами здания.

BIM дает исходную модель объекта, а цифровой двойник — приближенную к реальности цифровую копию здания.

Александр Высоцкий отмечает, что в теории цифровые двойники в строительстве можно попробовать сделать обособленно от BIM. Но в рамках основной российской практики BIM является родоначальником будущих цифровых двойников.

«Если в конце BIM-проектирования начать наполнять модель информацией о том, что, когда и кем было возведено, то получится цифровой двойник. И во время дальнейшей эксплуатации, также добавляя в BIM-модель информацию о статусе оборудования и прочее, будет формироваться цифровой двойник» ― уточняет эксперт.

Перспективы использования технологии в России

В России также понемногу начинают применяться цифровые двойники строящегося объекта. Например, в 2012 году группа компаний «Эталон» строила ЖК «Галант» и использовала BIM: строители применяли аналитику план-факт, делали 4D-модель. Исходя из определения цифрового двойника, это было близко к нему.

Если же говорить о цифровых двойниках на этапе эксплуатации зданий, то, по мнению Александра Высоцкого, у отечественных компаний в этом пока немного опыта. На это есть причины:

• Для простого объекта, например, жилья, цифровой двойник не так нужен. Базовую эксплуатацию здания можно вести классическими методами: ТСЖ, управляющие компании.
• Для серьезных и сложных объектов, как правило, уже существуют системы диспетчеризации, которые умеют собирать информацию.

Цифровые двойники только начинают входить в широкое применение. В горной промышленности есть практика, когда идет привязка цифрового двойника к искусственному интеллекту. Цифровой двойник при ЧС помогает оперативно принимать решения на основании больших данных. Компьютер понимает, как устроен объект, в каком состоянии его компоненты, и сам принимает решение.

Как начать применять технологию цифровых двойников

Чтобы начать применять технологию, у компании должна быть исходная строительная BIM-модель объекта, программное обеспечение и люди, которые будут следить за регулярным обновлением данных:

• На этапе строительства нужно собрать классический план-факт анализ: сколько объемов и когда мы закрыли. На основании этого строится аналитика.
• На этапе эксплуатации для цифрового двойника собираются данные по состоянию компонентов, конструкций, разрушений, раскрытия трещин. Это показатели датчиков, динамика работы. Цифровой двойник в эксплуатации зданий позволит своевременно предотвращать серьезные повреждения.

Модель и программное обеспечение можно создать самостоятельно или приобрести у отечественных компаний, их мы перечислили в статье. Самая большая сложность при этом — перестроить культуру работы на стройплощадке.

В компании должна быть культура работы с данными и системность. Можно попробовать использовать комбинированные кадры: молодежь и опытных сотрудников. Заносить данные в цифровой двойник — инженерно несложная задача, с этим справятся молодые сотрудники. Они будут обособленно находиться на объекте и заносить информацию в двойник: так она всегда будет достоверной.

Двойник как цифровой актив

В перспективе цифровой двойник можно использовать не только как удобный инструмент для эксплуатации здания, но как финансовый, или вернее, цифровой актив.

Цифровой актив — информационный ресурс, производный от права на ценность и обращающийся в распределенном реестре в виде уникального идентификатора.

Говоря простыми словами, это технология, основанная на блокчейн. С помощью нее цифровой двойник можно трансформировать в аналог цифровых токенов, которые некоторое время выпускались при выходе компании на ICO или еще более упрощая — как аналог криптовалюты.

Только в отличие от криптовалюты у цифрового актива здания есть базовый актив в реальном мире — само здание. Таким образом, в теории его поведение лучше подчиняется классическим законам экономики, так как, например, цифровой актив «Башни Федерация» будет дороже цифрового актива жилого комплекса в Подмосковье.

Несмотря на то, что сейчас цифровые активы зданий в самом зачатке, но по мере того как рынок цифровых активов будет развиваться в целом, это станет хорошей возможностью потенциального дохода. Поэтому имеет смысл при строительстве объектов, как минимум, создавать полноценные цифровые двойники.