Simulace jako důležitá součást konceptu BIM

Úvod

BIM (Informační modelování staveb nebo také informační management staveb) je jistě pojem, o kterém v současné době již každý slyšel. Mnoho odborníků se zabývá jeho částmi a spolupracuje s dalšími odborníky tak, jak to koncept BIM předpokládá. Existuje mnoho společností nebo výzkumných institucí, které se zabývají modelováním/projektováním v „BIM“, realizací, plánováním, logistikou a samozřejmě také fází provozu a údržby staveb, tedy facility managementem. Další důležitou složkou BIM, máme-li k dispozici reálný model stavby, jsou ale často opomíjené simulace nad modelem. Těch může být celá řada, jako například akustické, termické, vlivu okolí, oslunění a mnoho dalších. Simulace a výsledky z nich získané nám mohou pomoci ve fázi rozhodování. Simulace nám predikují problémy nebo situace, které v průběhu životního cyklu mohou nastat, a tím zabránit jejich vzniku. Na základě získaných informací můžeme objektivně rozhodovat o konstrukčním řešení, materiálu, vnitřním uspořádání nebo například umístění stavby do okolní zástavby a ušetřit tím zbytečné náklady, které by s případnými problémy špatného návrhu mohly přijít.

Druhy simulací nad modelem

Simulací, které lze nad modelem provádět, je mnoho. Výsledky a užitná hodnota záleží na několika faktorech: podrobnosti modelu, zda máme stavbu umístěnou do budoucího prostředí, informacích o materiálech, konstrukčním řešení nebo vnitřním uspořádání nebo klimatické podmínky.

Simulace můžeme rozdělit do několika kategorií a členit je podle typu nebo fáze života stavby, ve které simulaci provádíme. Dovolím si zde vlastní jednoduché rozdělení na simulace interiérové a exteriérové.

1. Exteriérové

Tyto simulace, jak z označení vyplývá, jsou zaměřeny na venkovní prostředí a okolí samotné stavby. Simulace tohoto typu většinou pracují s klimatickými podmínkami, dopravou nebo obecně vlivem okolí na samotné stavby. Výsledky nám mohou pomoci stanovit ideální rozložení dispozice, umístění do zástavby nebo vybrat účel stavby.

• Oslunění/stínění – umístěním do budoucího prostoru zástavby můžeme snadno zjistit, zda stavba bude/nebude zastíněna okolními stavbami a v jakém rozsahu. Umisťujeme-li například solární systém, je pro nás tato informace velmi důležitá.
• Šíření vzduchu – využitelnost simulace proudění vzduchu zástavbou je široká. Výsledky nám stanoví šíření znečištění, kouře nebo pylu zástavbou. Simulaci lze ale také provádět na mnohem větší oblasti, například celý region. Vyhodnocením této simulace můžeme například zjistit, že nám vítr nese zápach nebo znečištění z blízkého zdroje přímo „do vchodových dveří“.
• Teplota – v letních měsících může docházet k přehřívání určitých částí města. S přibývající zástavbou a úbytkem zeleně ve městech dochází k akumulaci tepla ze slunečního záření. Pomocí těchto simulací můžeme predikovat tento jev a stanovit únosnou hodnotu a dle výsledků plánovat zmírnění nebo eliminaci přehřívání.
• Pohyb osob – velmi zajímavou simulací pro městský život může být sledování pohybu osob. Exponovaná místa a docházkové vzdálenosti od městské hromadné dopravy nebo parkovišť lze plánovat tak, aby nevedly přes klidnější a odpočinková místa nebo kde by docházelo ke střetu více tranzitních prostor. Riziková jsou například místa, kdy se kříží vytížená dopravní a pěší komunikace.
• Doprava – obdobným problémem je doprava ve městech. Nově plánované komunikace lze opět podrobit simulacím a připravit je na možná rizika. Počítat s kolapsy a odklony a zajistit tak plynulost dopravy. Simulace dopravy úzce souvisí s dlouhodobým rozvojem města.
  
  • Jiné simulace mohou být například pohybu městské hromadné dopravy, pro svoz odpadu, čištění komunikací, odklid sněhu apod.
• Statika – statické simulace a výsledky lze v exteriéru uplatnit například vůči podloží. Nacházíme-li se v poddolované oblasti nebo v problémových místech s podzemní vodou, pomocí těchto simulací stavbu nebo celé části města vhodně a bezpečně zakládáme.
• Akustika – tato simulace může navazovat na některé předchozí, jako jsou simulace dopravy nebo pohybu osob. Ruch z dopravy nebo davu lidí se šíří prostorem a může mít negativní dopad na své okolí, především obydlené části zástavby. Jakým směrem a intenzitou se hluk šíří lze opět velmi efektivně nasimulovat.
• Záplavy – běžně užívanou simulací je šíření vody z vodních zdrojů nebo toků a na základě těchto výsledků stanovení problémových nebo krizových oblastí. Obecně se tyto simulace již zapracovávají do map a výsledky jsou uplatňovány při rozvoji měst.
  
  • Širší pojetí šíření vody městskou zástavbou může posloužit při plánování odvodu dešťové vody nebo její retenci a další uplatnění.
• Požár a kouř – uplatnění lze nalézt například pro plošné šíření lesních požárů, ale tato simulace nalezne své uplatnění i v městské zástavbě. V případě požáru lze definovat ve spojení se simulací šíření vzduchu kudy se bude šířit kouř. Takovou predikci lze uplatnit u staveb nebo zařízení, které mohou být na požár náchylné a v jejichž případě by došlo k velmi silnému kouření (například sklad pneumatik, chemičky apod.).

2. Interiérové

Interiérových simulací již běžně několik používáme. Jsou zde ale takové, které se tak běžně neužívají, ale jejich uplatnění může být vysoké a velmi užitečné ve všech fázích životního cyklu stavby. Je zřejmé, že mnoho simulací nám může pomoci při plánování stavby a stanovit nám jisté podmínky pro projekt, statiku nebo materiály. Existuje mnoho druhů simulací, které lze vytvářet již při realizaci, u postavených staveb nebo například u brownfieldů – tedy staveb chátrajících a ponechaných svému osudu.

• Prostup tepla konstrukcí – jednou z nejtypičtějších simulací je prostup tepla konstrukcí závislý na materiálových vlastnostech. Je běžně používanou simulací. Větší měřítko této simulace může tvořit komplexní BIM model, vydefinování okrajových podmínek a informací o prostupu v kterémkoliv místě stavby.
• Teplo v místnosti – jiná simulace pracující s teplem je simulace šíření tepla v místnosti vzduchem. Na základě toho lze plánovat například otopná tělesa nebo jiné zdroje tepla. Snadno se pomocí této simulace přesvědčíme, která místa jsou problémová a za jaký čas se teplo rozšíří po celé místnosti na dostatečnou teplotu.
• Akustika – šíření hluku konstrukcí, v místnosti nebo například mezi byty v bytovém domě je také velmi důležitou a užitečnou simulací. Volba materiálů se správnými vlastnostmi může zlepšit úroveň bytů nebo pohodu pro uživatele v místnosti. Tuto simulace lze uplatnit také při navrhování poslucháren, divadel nebo jiných sálů, kde je správné šíření zvuku velmi důležité.
• Statika – velmi důležité, především u složitých konstrukcí, jsou statické výpočty a simulace. Informace o chování konstrukcí za určitých stavů a podmínek jsou nezbytnou součástí správného návrhu staveb. U stávajících staveb můžeme nasimulovat přesuny nebo dodatečné montování zařízení a jejich statický vliv na stavbu.
• Požár a kouř – postup požáru stavbou je užitečnou znalostí nejenom u rozsáhlých staveb. Na základě těchto informací bychom měli plánovat únikové trasy, požárně bezpečnostní oddělení prostorů, rozmístění hasicích přístrojů nebo výpustí u suchovodů. Druhou složkou je plánování vzduchotechniky a únikových cest při šíření kouře. Malá změna v rozmístění armatur vzduchotechniky může velmi ovlivnit dobu trvání odsání kouře nebo jej vést nesprávnou cestou – například křižující únikovou cestu.
• Vzduchotechnika – simulace tohoto typu jsou obdobou simulace o šíření tepla nebo kouře. Mohou posloužit při navrhování složitých vzduchotechnických systémů, zjistit reálnou výměnu vzduchu za určitý čas a ve všech prostorách, zda nedochází ke stínění nebo zda je vzduchotechnická armatura umístěna správně a efektivně.
• Pohyb osob – obdobně jako v exteriéru, také uvnitř staveb zaznamenáváme určitý pohyb osob. V tomto případě může jít o plánování únikových cest, docházkové vzdálenosti do společných a odpočinkových prostor nebo návaznosti na klimatizaci a výměnu vzduchu v místnosti, tepelnou pohodu nebo i statické údaje, jedná-li se o exponovaná místa.
• Osvětlení – simulace, které se provádějí na jednotlivé místnosti a jejich osvětlenosti světelnými zdroji bez započítání slunečního záření. Zda je ve všech částech místnosti dostatečné osvětlení, či nikoliv, zda nedochází k odstínění apod. Počítá se s umělými světelnými zdroji.
• Proslunění – všechny byty v ČR musí být navrhovány tak, aby byly prosluněny. Výpočet proslunění je složitější, ale můžeme ve zkratce říci, že 1/3 podlahových ploch všech obytných místností, které se v bytě nacházejí, musí být prosluněna. Jedná se o simulaci slunečního záření a ploch otvorů, kterými do interiéru proniká.

Existuje ale mnohem více simulací, které zde nejsou uvedeny. Například simulace logistiky výstavy (pro pohyb strojů a jejich časové a pracovní plány, ale také osob nebo materiálu), simulace změn chování stavby (po započtení opotřebení konstrukcí) atd.

Jednoduché simulace lze provádět na běžném domácím PC a získat tak velmi snadno a rychle užitečné informace o stavbě nebo jejím chování. Jsou ale simulace, které běžný počítač nezvládne a je k nim zapotřebí mnohem větší výpočetní kapacity. K tomuto účelu nám slouží například superpočítačové centrum IT4Innovations v Ostravě. Simulace prováděné složitými a náročnými algoritmy jsou pochopitelně přesnější a lze z nich čerpat více informací. Pro mnoho simulací nám však postačí základní výsledky a vlastní počítač.

Možnosti využití získaných informací

Možností, jak zužitkovat získané výsledky simulací, je mnoho. Jsou závislé na typu simulace, úrovně složitosti a náročnosti výpočtu a také na individuální situaci a simulaci. Mnoho výše vyjmenovaných simulací je již v praxi běžně užívaných a jsou podpořeny legislativními požadavky. Existuje ale stále mnoho simulací, jejichž hodnota je podceňována a odsuzována v závislosti na náročnost časovou nebo finanční. V konceptu BIM ale tyto simulace své místo mají.

Chceme-li znát chování budovy skrze její životní cyklus, predikovat problémy, které mohou nastat, znát možná rizika nebo veškeré náklady spojené s realizací, provozem a likvidací stavby, musí se nevyhnutelně mnoho těchto simulací stát automatickým procesem konceptu BIM.

Samotný koncept, který vytváří 3D BIM model připravuje velmi vhodné podmínky pro tvorbu simulací, a na rozdíl od klasických původních 2D výkresů lze tento model praktiky okamžitě daným simulacím podrobit. Stačí model skrze výměnné formáty převést do specializovaného softwaru.

S vývojem technologií bude jistě mnoho BIM projekčních softwarů tyto simulace obsahovat automatizovaně a jejich výsledky budou přesnější, doba pro zpracování kratší a přístupnost mnohem jednodušší. To vše vede k efektivnějšímu využívání informací propojených s BIM modelem.

Praktické ukázky simulací

Několik ukázek, jak lze BIM model podrobit simulacím.

Obrázek 1 – Simulace proudění větru okolo hranaté věžové stavby, boční pohled [autor]

Obrázek 2 – Proudění větru areálem kolejí VŠB – TUO [autor]

Obrázek 3 – Zastínění solárního systému okolní zástavbou a změna návrhu [autor]

Závěr

Zkratka BIM neznamená pouze modelování a informace. Tento koncept se každým rokem rozšiřuje a jeho podstata založená na celém životním cyklu stavby do sebe absorbuje veškeré procesy, které životní cyklus stavby nabízí. Tím jsou také simulace a výsledky z nich získané, o budoucím chování nebo stavu stavby, ještě před její realizací. Procesy, které BIM skrze celý životní cyklus staveb absorbuje, také velmi šikovně a efektivně propojuje a vytváří synergii, čímž navyšuje efektivitu jednotlivých částí. Základní informace o stavbě mají samy o sobě vlastní užitnou hodnotu. Pokud ale známe i další souvislosti, užitek může exponenciálně narůstat a naopak náklady, pracnost nebo čas velmi znatelně klesat.

Simulace budoucích stavů a chování staveb mohou podpořit management informací a rozhodování, které doposud byli založeny na předepsaných konstantách, zkušenostech a odhadech, které reálným situacím nemuseli odpovídat.

BIM není 3D model, ale ta data za tím

Na Aquathermu Praha 2018 se zařadil program k BIM mezi navštívené.

Některé zajímavosti najdete v článku BIM je největší sběr dat pro správu budov.
Investora totiž zajímá vizualizace před začátkem, a pak dokumentace konečného stavu, kdy projekt neztrácí význam, i když je postaveno, ale přechází do fáze zdroje dat. Důležitá je také otázka ceny a práce s cenou a stanovení i datových cílů.

Natočili jsme i rozhovor „BIM není 3D model, ale ta data za tím“: