Technologia cyfrowego bliźniaka, określana angielskim terminem digital twin, stanowi wirtualną reprezentację fizycznego obiektu, procesu lub systemu, która jest z nim powiązana za pomocą strumieni danych aktualizowanych w czasie zbliżonym do rzeczywistego. W prostszych słowach - to model BIM, który może się aktualizować na bieżąco dzięki zestawom czujników i pomiarów.

Koncepcja ta wywodzi się z inżynierii systemów i została spopularyzowana w przemyśle w drugiej dekadzie XXI wieku, a w ostatnich latach znalazła szerokie zastosowanie w budownictwie, infrastrukturze oraz sektorach pokrewnych, takich jak energetyka, transport i gospodarka komunalna. Cyfrowy bliźniak nie jest jedynie statycznym modelem trójwymiarowym, lecz złożonym środowiskiem informacyjnym, które integruje dane geometryczne, materiałowe, eksploatacyjne i środowiskowe.

W budownictwie cyfrowy bliźniak jest najczęściej rozwinięciem metodyki BIM, czyli modelowania informacji o budynku. Podczas gdy klasyczny model BIM opisuje stan projektowy i wykonawczy obiektu, cyfrowy bliźniak obejmuje również fazę użytkowania, łącząc model z danymi pochodzącymi z czujników, systemów automatyki budynkowej, liczników energii oraz systemów zarządzania utrzymaniem. Dzięki temu możliwe jest odwzorowanie rzeczywistego zachowania konstrukcji, instalacji i wyposażenia w warunkach eksploatacyjnych oraz prowadzenie analiz w oparciu o aktualne i historyczne dane.

Jednym z kluczowych zastosowań cyfrowych bliźniaków jest monitorowanie stanu technicznego obiektów. W przypadku konstrukcji inżynierskich, takich jak mosty, tunele czy wysokie budynki, do modelu mogą być podłączone systemy pomiarowe rejestrujące odkształcenia, drgania, temperaturę czy wilgotność. Dane te pozwalają na bieżącą ocenę zachowania konstrukcji i wczesne wykrywanie odchyleń od parametrów projektowych. W praktyce umożliwia to przejście od utrzymania reaktywnego do utrzymania predykcyjnego, w którym decyzje o przeglądach i naprawach są podejmowane na podstawie prognozowanego zużycia lub ryzyka awarii.

W sektorze budynków użytkowych i przemysłowych cyfrowy bliźniak jest wykorzystywany do optymalizacji zużycia energii i zasobów. Integracja modelu z systemami HVAC, oświetlenia i zarządzania energią pozwala na symulowanie różnych scenariuszy pracy instalacji oraz ocenę ich wpływu na koszty eksploatacyjne i komfort użytkowników. W wielu wdrożeniach wykazano, że dzięki takiemu podejściu możliwe jest obniżenie zużycia energii o kilkanaście do kilkudziesięciu proc w skali roku, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganych parametrów środowiskowych wewnątrz obiektów.

Istotnym obszarem zastosowań jest również planowanie i zarządzanie infrastrukturą miejską. Cyfrowe bliźniaki miast, obejmujące sieci drogowe, kolejowe, wodociągowe i energetyczne, pozwalają na analizę przepływów ruchu, obciążeń sieci oraz skutków planowanych inwestycji. Dzięki powiązaniu modeli z danymi geodezyjnymi, kartograficznymi i eksploatacyjnymi możliwe jest prowadzenie symulacji rozwoju przestrzennego oraz ocena odporności infrastruktury na zdarzenia ekstremalne, takie jak powodzie czy fale upałów.

Od strony technologicznej cyfrowy bliźniak opiera się na połączeniu kilku klas narzędzi. Podstawę stanowią modele geometryczne i informacyjne tworzone w środowiskach CAD i BIM. Warstwę danych zapewniają systemy IoT, które dostarczają pomiary z czujników i urządzeń wykonawczych. Warstwę analityczną tworzą platformy do przetwarzania dużych zbiorów danych, symulacji numerycznych i uczenia maszynowego, umożliwiające wykrywanie zależności, anomalii oraz prognozowanie przyszłych stanów obiektu. Całość jest integrowana w środowiskach chmurowych lub hybrydowych, co pozwala na skalowanie rozwiązań do poziomu pojedynczego budynku lub całych sieci infrastrukturalnych.

Wdrażanie cyfrowych bliźniaków wiąże się jednak z istotnymi wyzwaniami. Do najważniejszych należą zapewnienie jakości i spójności danych, integracja systemów pochodzących od różnych dostawców oraz kwestie bezpieczeństwa informacji. W przypadku obiektów krytycznych, takich jak elektrownie czy węzły transportowe, szczególnego znaczenia nabiera ochrona przed nieautoryzowanym dostępem i manipulacją danymi. Istotnym czynnikiem pozostają również koszty początkowe, związane z instalacją infrastruktury pomiarowej i przygotowaniem modeli referencyjnych.

Pomimo tych ograniczeń cyfrowy bliźniak jest coraz częściej postrzegany jako standardowe narzędzie w cyklu życia obiektów budowlanych i infrastrukturalnych. Jego rola wykracza poza klasyczne wsparcie projektowania i utrzymania, obejmując także zarządzanie ryzykiem, planowanie modernizacji oraz ocenę wpływu inwestycji na środowisko. Wraz z dalszym rozwojem technologii sensorycznych, analityki danych i mocy obliczeniowej można oczekiwać, że znaczenie tej koncepcji w budownictwie i sektorach pokrewnych będzie systematycznie rosło.

Fot.: Conny Schneider (unsplash)

Na łamach nuemru 3/2023 Robocze NEWS pojawił się wywiad z Małgorzatą Szczypką-van Heeswijk, managerką projektów BIM. W obszernym tekście dowiadujemy się jak wyglądają kulisy pracy z tajemniczym "BIMem" i co może czekać nas w najbliższej przyszłości.

"Pani stanowisko pracy nazywa się „BIM Project Manager”. Co to oznacza w praktyce? Czym się Pani zajmuje na co dzień?

BIM to oczywiście branża, w której pracuję, natomiast człon „project manager” wskazuje na szeroki zakres obowiązków wychodzących poza zadania związane z samą technologią. Samodzielnie zarządzam własnymi projektami na każdym etapie ich cyklu życia: od utworzenia oferty, jej zakresu i budżetu, przez realizację zamówionych przez klienta usług po nadzór płynności finansowej. W tym ostatnim wspiera mnie asystentka z działu finansowego, jednak ostateczna odpowiedzialność leży po mojej stronie.

Jeśli chodzi o sam BIM, świadczone przeze mnie usługi można podzielić na trzy grupy: koordynacja BIM, inwentaryzacja BIM oraz BIM consulting.

Większość moich zadań dotyczy koordynacji BIM. Są to projekty o najdłuższym cyklu życia i największej różnorodności. Na początkowym etapie projektu opracowuję indywidualny plan BIM, na kolejnych etapach dbam o jego realizację, regularnie sprawdzam jakość modeli tworzonych przez projektantów i raportuję wyniki mojej pracy.

Coraz większą popularność zdobywa usługa inwentaryzacji BIM. Inwestorzy oczekują dokładnego modelu stworzonego na podstawie chmury punktów powstałej w wyniku skanowania laserowego, zwykle na potrzeby związane z remontami. Ten rodzaj usługi przynosi szczególne korzyści w przypadku obiektów historycznych o skomplikowanej geometrii, ale można go też stosować w inwentaryzacji obiektów przemysłowych czy mieszkaniowych. Moim zadaniem jest wybór wykonawcy dokonującego skanowania, przygotowanie specyfikacji i kontrola jakości chmury punktów, a także nadzór samego procesu modelowania i jego zgodności z wymaganiami klienta.

W zakres trzeciej grupy usług wchodzą m.in. szkolenia z zakresu BIM oraz pomoc innym podmiotom w zakresie opracowywania własnych standardów dla tej technologii.

Czy w Finlandii BIM jest wymagany przy realizacji projektów? Czy prywatni inwestorzy korzystają z BIM?

Aktualny stan prawny nie narzuca obowiązku korzystania z BIM. Najczęściej implementacji BIM wymagają deweloperzy budowlani, duże podmioty planujące inwestycje związane z własną działalnością, a także podmioty publiczne. Coraz więcej gmin ma dokładnie sprecyzowane cele związane z BIM-em w budynkach użyteczności publicznej. Takie inwestycje lubię koordynować najbardziej, ponieważ mam nadzieję, że przyczyniam się do lepszej jakości przestrzeni, z których będzie korzystać szerokie grono użytkowników – być może również ja i moi bliscy.

Jak wygląda w Finlandii kwestia regulacji prawnych?

W najbliższej przyszłości zajdą duże zmiany w tej kwestii. Na 2025 rok planowana jest gruntowna reforma prawa budowlanego, w wyniku której wszyscy inwestorzy będą musieli przedstawiać dokumentację w formatach cyfrowych, aby uzyskać pozwolenie na budowę. Będzie to dotyczyć także obiektów, w przypadku których obecnie BIM nie jest stosowany na większą skalę, takich jak domy jednorodzinne.

Jednym z warunków uzyskania pozwolenia na budowę będzie przedstawienie zakresu projektu w formacie IFC z prawidłowo wprowadzonymi danymi, aby umożliwić częściowo zautomatyzowany proces sprawdzania projektu. Sam trójwymiarowy model nie będzie zatem wystarczający. Kluczowe będą także zawarte w nim dane, takie jak właściwości zastosowanych materiałów budowlanych oraz parametry urządzeń czy instalacji.

[...]

Jakie kompetencje powinna posiadać osoba pracująca z BIM? Jakie stanowiska pracy i specjalizacje są potrzebne do pracy z takimi projektami?

W ramach branży BIM można znaleźć kilka, a nawet kilkanaście ścieżek kariery, od modelowania przez koordynację po zarządzanie informacją. Najlepiej odnajdą się w niej osoby lubiące interdyscyplinarne wyzwania na styku branży budowlanej, IT oraz zarządzania.

Dla projektantów i modelarzy poza wiedzą z zakresu własnej branży oczywiście najbardziej istotna będzie dobra znajomość oprogramowania i wytycznych dotyczących dokumentacji oraz umiejętność prezentacji rozwiązania projektowego w zrozumiały i atrakcyjny sposób. Poza tym profesjonalistom przydadzą się także umiejętności z zakresu programowania lub korzystania z rozwiązań typu Grasshopper czy Dynamo. W najbliższej przyszłości z pewnością znaczenie tych kompetencji będzie wzrastać.

Z kolei koordynatorzy BIM to często osoby o szerokiej wiedzy ogólnej z różnych dziedzin, potrafiący zaplanować odpowiednią strategię implementacji BIM w projekcie, przekonać do niej zespół, oraz konsekwentnie egzekwować stosowanie się do ustalonych zasad – te dwa ostatnie zadania bywają większym wyzwaniem niż kwestie technologiczne.

Biorąc pod uwagę, że nakład pracy koordynatora BIM w projekcie ma znacznie mniejszy wymiar niż w przypadku chociażby projektantów, typowy grafik pełnoetatowego koordynatora może zawierać jednocześnie kilka, a nawet kilkanaście projektów w danym okresie. To wymaga dużych umiejętności zarządzania nie tylko projektami, ale także własnym czasem. Każda inwestycja to nie tylko sam projekt, ale także budowanie relacji z zespołem składającym się z wielu osób – umiejętność szybkiego łączenia faktów, ludzi, firm i dokumentów oraz dobra pamięć są wręcz niezbędne!

Obecnie niemal wszystkie spotkania w projekcie są prowadzone zdalnie, co znacznie utrudnia nawiązanie relacji. Codziennością koordynatora BIM jest przekazywanie informacji o kwestiach, wymagających korekty lub przemyślenia na nowo oraz znalezienie kompromisu pomiędzy branżami. Wirtualne spotkania zdecydowanie nie ułatwiają komunikacji w sytuacjach potencjalnie konfliktowych, dlatego umiejętność stworzenia płaszczyzny porozumienia jest bardzo cenna.

Dla osób myślących strategicznie ciekawym stanowiskiem może być także BIM Manager. W moich projektach najczęściej są to reprezentanci inwestora opracowujący lub egzekwujący wytyczne dotyczące BIM-u w projektach swojego klienta bądź pracodawcy. BIM Managerowie zatrudnieni są także w biurach projektowych w celu rozwoju wewnętrznych standardów pracy w technologii BIM.

Warto zaznaczyć, że wymienione przeze mnie nazwy stanowisk występują dosyć powszechnie w budowlano- -inwestycyjnym krajobrazie, ale nie są sztywno zdefiniowane. Zakres zadań każdej z ról może się zmieniać w zależności od firmy, inwestycji oraz miejsca na świecie. W Finlandii jest on opisany we wspomnianych już wcześniej standardach YTV2012, ale w ramach danej firmy lub projektu mogą występować indywidualne ustalenia".

To jedynie fragment całego wywiadu, który można przeczytać w całości w numerze 3/2023 magazynu branżowego Robocze NEWS. Zachęcamy do prenumerowania!

Na łamach najnowszego numeru Robocze News wiele stron poświęcono technologii BIM, która stopniowo "wchodzi na salony" w świecie inwestycji budowlanych. O co dokładnie chodzi i czymjest tajemniczy BIM, wyjaśniono w jednym z artykułów; rozmowa na ten temat odbywała się także na scenie głównej eRobocze SHOW w Łobzie.

"BIM to skrót angielskiego sformułowania Building Information Modeling i oznacza technologię opracowywania projektów poprzez cyfrowe odwzorowanie wszystkich technicznych, fizycznych i funkcjonalnych właściwości obiektu. W praktyce oznacza to, że wykonawca, projektant, architekt, inwestor, projektanci i wykonawcy instalacji elektrycznych, wodnokanalizacyjnych, sieciowych, a także koordynator projektu mają dostęp do kompletnego modelu powstającej inwestycji.

Z technologii tej korzysta się coraz szerzej, a w niektórych krajach stała się już obowiązkiem w rządowych projektach. Dlaczego tak jest i jakie dokładnie korzyści można wyciągnąć z BIM? Wyjaśniamy.

Wszystko w jednym miejscu

Zacznijmy od korzyści. W przypadku stosowania BIM w dużym projekcie dość oczywistym plusem jest stała i pełna kontrola nad pracą wszystkich zaangażowanych stron. Wymiana informacji odbywa się oczywiście w chmurze, jest przejrzysta, dostępna dla wszystkich. Dzięki temu unika się wielu błędów i niedomówień, a to z kolei przekłada się na realne oszczędności czasu i kosztów.

Ponadto, technologia BIM stale ewoluuje i z czasem będzie zyskiwała na znaczeniu. Dziś jest swego rodzaju sposobem na automatyzację procesu projektowania i realizacji inwestycji. Inwestor również zyskuje lepszy sposób na obserwowanie postępu prac, a stosując odpowiednie narzędzia nie musi zgłębiać skomplikowanych dokumentów, zamiast tego kompilując dane w przejrzyste raporty.

Dzięki stosowaniu BIM można łatwo analizować realne koszty i zapotrzebowanie, lokalizować błędy i kolizje w dokumentacji, tworzyć innowacyjne rozwiązania w prostszy sposób, a także planować i zarządzać procesem inwestycji i budowania. Można też powiedzieć (i takie sformułowanie stosuje się w terminologii związanej z BIM), że technologia ta wprowadziła dodatkowe wymiary do projektu: czas, koszt, analizę energetyczną, zarządzanie nieruchomością oraz analiza ryzyka. Kto wie, być może w przyszłości będą się pojawiać kolejne.

Jak wynika z badań przeprowadzonych przez amerykańskie przedsiębiorstwo Autodesk zajmujące się technologiami cyfrowymi dla przedsiębiorstw produkcyjnych, najlepiej znają BIM architekci (65 proc. respondentów), zaraz po nich plasują się projektanci instalacji i konstrukcji (50 proc. respondentów), a jedynie 25 proc. wykonawców zetknęło się z tą technologią. Nic dziwnego, że dookoła cyfrowego modelu pojawiło się parę mitów.

Obawa przed nieznanym

Jednym z najczęściej powtarzanych błędnych wyobrażeń na temat BIM jest stwierdzenie, że to „CAD, ale w 3D”. Nic bardziej mylnego! Podczas gdy CAD zastąpił deski kreślarskie i uprościł proces projektowania przez przeniesienie go na kod cyfrowy, BIM to znacznie więcej. Po pierwsze technologia zakłada przypisywanie obiektom nie tylko wartości geometrycznych, a po drugie – nie jest to jedno oprogramowanie, a każdy program lub zespół programów służący do obliczeń inżynierskich, modelowania, przeglądania, odbioru danych i ich obróbki, i tak dalej.

Oczywiście do działania BIM potrzebuje tak zwanego Common Data Environment (CDE), czyli z angielskiego „wspólnego środowiska danych” – sposobu na udostępnienie informacji wszystkim uczestnikom projektu w jednolitej formie, zamiast stosowanej dawniej korespondencji dwustronnej lub wielostronnej" - czytamy w artykule Robocze News.

To oczywiście jedynie fragment całego tekstu, który możecie przeczytać w papierowym wydaniu magazynu. Co więcej, w tym samym numerze znajdziecie też wywiad z osobą bezpośrednio koordynującą projekty realizowane w technologii BIM, Małgorzatą Szczypką-van Heejsvik. Zachęcamy do prenumerowania największego czasopisma branżowego w kraju!

Podobnie jak wszystkie aspekty cywilizacji, również sektor budowlany podlega stałemu rozwojowi technologicznemu. Jakie nowoczesne rozwiązania zaskoczą nas jeszcze w tym roku?

1. Big Data

To tajemnicze sformułowanie oznacza morze cyfrowych informacji, zebranych przez miliony urządzeń. Po co? Naukowcy twierdzą, że analiza Big Data może przyczynić się do skutecznej optymalizacji procesów. Na przykład, dzięki Big Dacie można przewidzieć natężenie ruchu ulicznego czy warunki pogodowe, by rozpocząć prace w optymalnym czasie. Ale, oczywiście, to tylko jedno z setek zastosowań tej technologii w budownictwie.

2. Sztuczna inteligencja i uczące się maszyny

Nie mówimy tu jedynie o autonomicznych maszynach. Sztuczna inteligencja, która pozna dostatecznie dużo projektów budowlanych może analizować je i wskazywać potencjalne błędy projektanta. W ten sposób unikniemy przykrych niespodzianek, kiedy budynek powstanie z "wrodzoną" wadą.

Innym, bardziej oczywistym wykorzystaniem sztucznej inteligencji jest programowanie maszyn do wykonywania prostych, powtarzalnych zadań wymagających jednak zdolności do podstawowej analizy informacji.

3. Internet rzeczy

Poza możliwością sprawdzenia listy zakupów dzięki połączeniu z lodówką czy włączenia pralki za pomocą smartfona (możliwości niezbędne do życia, niewątpliwie), IoT (Internet of Things, czyli internet rzeczy) pozwala w ostatnim czasie na ostrzeganie pracowników budowy przed przekraczaniem bezpiecznej odległości. Ta sama technologia może też służyć do tworzenia wirtualnych map miejsca pracy wraz z wyznaczonymi miejscami dużego zagęszcznia ruchu.

4. Roboty i drony

Sprawa dość oczywista, ale warta wymienienia w zestawieniu. Zdjęcia z drona pomagają w porządkowaniu placu budowy i planowaniu pracy. Urządzenia zdalnie sterowane mogą też bez ryzyka dla człowieka przeprowadzić inspekcję w zawalonym budynku, albo sprawdzić co dokładnie zepsuło się na 40 metrowym maszcie. Lepiej wysłać mechanicznego zwiadowcę, niż samemu ryzykować!

5. 5G i WiFi 6

Kolejna z rzeczy oczywistych. Powszechny dostęp do szybkiego połączenia internetowego jest kluczem do sprawnego kontaktu z klientami i dostawcami. Tego tematu chyba nie trzeba rozwijać.

6. Building Information Modelling (BIM)

Wirtualne projekty budynków, nad którymi mogą pracować specjaliści różnych branży, to klucz do jeszcze bardziej kompletnego i pozbawionego błędów planu. To właśnie umożliwia BIM. Dodatkowo, oprogramowanie może posiadać przydatne narzędzia pomagające wspólnie rozwiązywać problemy.

7. VR

Choć mogłoby się wydawać, że wirtualna rzeczywistość niezbyt przydaje się na rzeczywistej budowie, to na etapie planowania technologia ta okazuje się niezwykle przydatna. Jak pisaliśmy w czerwcu, programy do wizualizowania projektu i udostępniania go dla operatorów maszyn, dostawców, projektantów i inwestorów już istnieją i są na etapie testów.

8. Druk 3D

Technologie przyrostowe pozwalają nie tylko na szybkie tworzenie precyzyjnych narzędzi czy elementów. Już niedługo będzie można wydrukować materiały budowlane bezpośrednio na placu budowy, a wielkie drukarki już dziś mogą wznosić niewielkie budynki w rekordowo niskim czasie. Kto wie, co jeszcze będzie można zrobić przy pomocy tej technologii za parę lat...

9. Chmury i urządzenia mobilne

Możliwość szybkiego dzielenia się danymi jest kluczowa dla wielu wymienionych wyżej technologii, takich jak BIM czy VR. Dzięki informacjom znajdującym się w "chmurze", nie ma już potrzeby trzymania ich na fizycznych nośnikach, które mogą ulec zgubieniu, kradzieży czy zniszczeniu.

10. Blockchain

Po polsku - łańcuch bloków - technologia internetowa pozwalająca między innymi na szybkie i bezpieczne transakcje pieniężne.