Projektování vodohospodářských technologických celků v COMOS jako příprava na BIM
Objektové projektování přináší do vodohospodářské projekční praxe nové možnosti. Obdobně jako kdysi CAD nástroje, integrované inženýrství nyní představuje bránu do světa digitalizace vodohospodářských celků a může být chápáno jako efektivní předstupeň před zaváděním BIM, umožňující tvorbu digitálních dvojčat a provozní optimalizace. Tyto nové postupy mohou otevřít brány vnímání projektu a správy celku v dosud nepoznaných rovinách. Vzhledem k nastupujícím legislativním, ale i obchodním trendům v ČR, lze očekávat zvýšenou poptávku po digitálně zpracovaných projektech v objektové architektuře, umožňující provázaný přístup ke tvorbě a správě dokumentace v jednotlivých fázích životního cyklu technologického celku.
1. Úvod
Obrovské zefektivnění projekčních prací představovalo zavádění digitálního kreslení v počítačovém software z rodiny Autodesk (CAD výkresy) z poloviny 80. let minulého století, které jako lavina nahradilo rozměrné rýsovací stoly. Od té doby uběhlo téměř 40 let a současná projekční praxe vodohospodářských celků v projekčních kancelářích je v naprosté většině stále postavena na tomto principu „tahání čar“ ve výkresové dokumentaci ve 2D, větší celky pak často už i v trojrozměrné grafice (3D). Způsob myšlení projektanta se během návrhu technologického schématu nebo podélného řezu v zásadě neměnil, jen došlo z výraznému usnadnění a získání možnosti nekonečných úprav a změn v projektu.
Podobně progresivní inovace přišla v poslední dekádě s metodou projektování v BIM (Building Information Modelling/Management), kdy namísto „kreslení“ projektant „skládá“ dokumentaci z prvků v objekty. Oproti předchozí revoluční vlně zavádění CAD nástrojů do projekční praxe je však zavádění BIM standardu velmi pozvolné a nezřídka ze stran jak investorů, tak samotných projektantů vnímáno pouze jako nutné zlo, ve kterém nevidí dostatečně velký přínos na to, aby bylo obchodně efektivní změnit standardizované postupy. O principu, přínosech a úskalí BIMu bylo již napsáno mnohé. Tento příspěvek je ale zaměřen na využití objektového projektování ve vodohospodářské praxi, které ve spojení s nástupem IoT technologií (internet věcí) a pokročilých databázových platforem a informačních systémů může sloužit jako logický mezikrok před přechodem k plnému digitálnímu dvojčeti a metodice BIM a zároveň přinést mnoho praktických výhod, které investoři nemusí v metodice BIM na první pohled vidět.
Pokud není uvedeno jinak, je popisována a diskutována vodohospodářská oblast tzv. malé vody (tj. vodovodů a kanalizací a zejména technologických celků jako čistíren odpadních vod (ČOV) a úpraven vod (ÚV).
2. Proces digitalizační praxe
Dnešní projektanti ve vodním hospodářství v naprosté většině pracují v CAD systémech pro profese stavební a strojní, zatímco elektro a MaR (měření a regulace) projektanti využívají více různých SW nástrojů (včetně CAD), zpravidla podle své přední specializace (silnoproud/slaboproud, vzduchotechnika, vytápění atd.). Zcela samostatnou skupinou jsou projektanti-programátoři ŘS (řídící systém) technologických celků. Tyto základní profese se často dostávají k projektu v různém stádiu rozpracovanosti a nezřídka je využíváno subdodavatelů jednotlivých profesí, což přináší funkční rizika kompatibility a samozřejmě nese nemalé nároky na koordinaci. Nedostatečná spolupráce a komunikace mezi jednotlivými profesemi může také vést k nejasnostem ve výsledné dokumentaci a rozdílům mezi jednotlivými výstupy. Proces digitální transformace projektování lze znázornit dle míry standardizace a užitné úrovně výstupů (Obr. 1). Stávající projekční praxe se v oboru vodního hospodářství ČR nachází někde na pomezí II. a III. fáze (zleva), samozřejmě v závislosti na typu (velikosti) projektu.
Obr. 1 Vývojové fáze projekční praxe nejen ve vodním hospodářství
Přechody mezi těmito fázemi jsou obdobně stejně náročné, nicméně každá nabízí prakticky o celou dimenzi více možnosti využití informací. Nezřídka se v praxi stává, že kvůli strachu z nadcházejících legislativních nároků na rozsáhlé nové projekty přeskakují investoři z druhé fáze (Obr. 1) rovnou do čtvrté, resp. páté. V některých situacích ale méně může znamenat více. Investice do kompletního digitálního dvojčete nemusí vždy být ekonomicky výhodná, a to nejen kvůli jednorázovým nákladům na jeho vytvoření, ale spíše dlouhodobým (provozním) nákladům na jeho údržbu a práci s ním. Odevzdání kompletního digitálního dvojčete, které na straně zadavatele neumí nikdo upravovat, aktualizovat, či efektivně využít k dalším pracím ve finále slouží jen jako „snapshot“ objektu v době realizace, který se postupem času stále více oddaluje od reality. Legislativní nároky jsou sice splněné, ale přidaná hodnota je mizivá a odpor k těmto metodám narůstá. Dokumentace zpracovaná pomocí bloků či objektů ve většině případů na domácím trhu stačí k efektivnějšímu využití dokumentace a otevření cesty k budoucímu přechodu na plnohodnotný BIM. Zkušenosti získané prací s objektovou projekcí a logika jeho fungování je plně přenositelná do práce s 3D modelem, který daná schémata pouze rozšiřuje do třetí dimenze. Proto by nejprve měl být učiněn krok přetvoření CAD schémat, které nejsou většinou o moc víc než úhledné čáry na elektronických dokumentech, na objektové projektování, díky kterému se naučí zaměstnanci vnímat schémata jako způsob třídění dat o jednotlivých technologiích. Po pochopení této logiky lze přestoupit na přenesení dokumentace na společné datové úložiště (CDE), ze kterého ji lze využívat efektivněji a odkudkoliv, a následně přesun od 2D dokumentace k 3D modelu a kompletnímu digitálnímu dvojčeti, resp. ve standardu BIM. Je zřejmé, avšak v praxi málo využívané, že i dokumentace ve 2D, vedená v prostředí CDE, může být považována za BIM z hlediska managementu dat.
Pro přechod na tuto digitální budoucnost trh nabízí několik softwarových možností. Přestože cíle jsou většinou podobné, cesta k jejich dosažení, a především logika fungování těchto programů, je často rozdílná, a konsolidace na jednom řešení může být pro konsorcium společností nepřekonatelný milník. Na domácím trhu jsou pro 3D projekci dosud nejvíce využívány AutoCAD Revit (modelování stavebního objektu), AutoCAD Plant 3D (modelování technologického vybavení), AutoCAD Civil 3D (pro liniové stavby), což jsou řešení od společnosti Autodesk, vytvořené přímo pro účely využití v BIM (Kratěna et al., 2016). Hlavním konkurentem Autodesku je u nás společnost Bentley s obdobně rozsáhlou nabídkou programů, z nichž nejvíce využívaný mezi projekčními společnostmi je program MicroStation. V neposlední řadě zde také figuruje program Allplan společnosti Nemetschek s podobnými možnostmi.
Nejen projekční společnosti se ale v oblasti BIM potýkají s problémem, který zužuje všechny projekční řešení – formáty a přenos dat mezi nimi. Řešení od Autodesku využívají formát .dwg, kdežto řešení od Bentley nebo i například společnosti Integraph oproti tomu prosazují formát .dgn. Oba se, stejně jako programy na jejich tvorbu, chovají trochu jinak a převody mezi nimi jsou většinou ztrátové. Tyto individuální soubory jsou také většinou tvořeny zvlášť pro jednotlivé profese (například pro vzduchotechniku, elektrotechniku, stavební části, …) a vyžadují konsolidaci do jednoho modelu, kde jsou vidět vztahy mezi jednotlivými objekty. To je většinou řešeno pomocí software Autodesk Navisworks, opět s vlastním, proprietárním formátem .nwd. Do toho všeho se snaží prosadit i tzv. „standardizovaný“ formát IFC – Industry Foundation Classes. I ten se potýká s problémy ztráty dat z nativních formátů a k tomu navíc ještě není definována jeho finální verze a změny mezi jednotlivými verzemi jsou natolik zásadní, že často mohou zcela měnit kompatibilitu. Pro komerční projekty často nemá smysl tento formát IFC používat (na začátku projektu se většinou určí buď formát .dwg nebo .dgn a pracuje se s programy, které je umí nativně editovat), nicméně u veřejných zakázek, kde hrozí tzv. vendor lock-in, není možné toto provést a je nutné mít model k dispozici v nezávislém formátu, se kterým dokážou pracovat všechna řešení.
3. Projektování v objektové architektuře
Principem objektového projektování je namísto kreslení elektronických výkresů skládání prvků z knihoven objektů, které mají své atributy – vlastnosti (Obr. 2, okno vpravo). Tyto knihovny jsou založené na mezinárodních standardech pro schematická značení (ISO, DIN, KKS) a jejich objekty obsahují nejdůležitější parametry pro jednotlivé odbornosti. Knihovny mohou být uživatelem upraveny (v případně jiných standardů) nebo doplněny o chybějící objekty. Využité prvky z knihoven jsou poté přidávány na výkresovou dokumentaci (Obr. 2, okno uprostřed) a vedle dokumentace také zároveň vzniká automaticky hierarchicky seřazený seznam veškerých prvků použitých v projektu (Obr. 2, okno vlevo), které jsou lokalizované a vždy aktuální k danému času [1]. Do databáze lze spojitě vkládat i fotodokumentaci daných objektů a technickou dokumentaci, např. v textovém nebo PDF formátu.
Obr. 2 Ukázka řešení COMOS konsolidující objektové projektování, 2D blokové schéma a negrafická data (atributy); příklad reverzního inženýrství v rámci výzkumného projektu MV ČR „TWIN SKIN – Digitální dvojče úpravny vody pro efektivní řízení rizik kritické vodárenské infrastruktury“
Na výkresech jsou objekty propojeny vodiči (ať už procesními nebo elektrickými). Tato propojení jsou zaznamenána i do negrafických vlastností objektů, takže lze pomocí nabídky například najít všechny objekty napojené na ten uživatelem zvolený, ať už na aktuálním schématu, nebo na jiných, kde má daný objekt své výskyty. Cílem je pro daný technologický objekt mít vždy jen jeden objekt databázový, který má takovéto „výskyty“ na všech výkresech a ve všech hierarchiích, do kterých spadá, a změna jeho parametrů se do všech těchto výskytů okamžitě propíše.
S objektem lze poté nadále pracovat jako s hlavní referencí k dané technologii i na dalších úrovních. Při jeho zobrazení jsou uživateli nabídnuty veškeré externí dokumentace s ním spjaté (dispozice, fotografie, faktury) a lze přímo na něj navázat i údržbové úkony, a to jak periodické, tak neplánované.
Obr. 3 Ukázka procesního schématu v objektové architektuře (vlevo) a 3D vizualizace WALKINSIDE (vpravo) ve společném zobrazení software COMOS
4. Objektové projektování jako příprava na BIM
Stále je zde ale kladena pozornost samotným modelům. Ty samotné nicméně metodiku BIM jako takovou netvoří, stejně jako nejsou ani vyžadovány pro objektové projektování. Například řešení COMOS nabízí rozsáhlé možnosti objektového projektování založeném na negrafických informacích a 2D procesních a blokových schématech (Obr. 3 vlevo). Zároveň ale umožňuje vizualizovat ve 3D (Obr. 3 vpravo), není to však podmínkou. Díky tomu nabízí pro obor vodohospodářství jakousi zlatou střední cestu, jejíž digitalizace může následně velmi usnadnit napojení na 3D model, resp. BIM a povede tak k vytvoření kompletního digitálního dvojčete pro následnou správu a údržbu – vše v rámci jednoho řešení. Výstupem projektu zpracovaného v objektové architektuře může být samozřejmě i dokumentace „v mašličkách“ anebo ve formátu PDF. Rozdíl je však v tom, že v digitální podobě například už samotný PDF dokument obsahuje hierarchicky členěnou dokumentaci prvků v objekty, mezi kterými lze i v běžných open-source PDF prohlížečích filtrovat, navigovat se do zvoleného objektu a vyhledat konkrétní prvek v dokumentaci na jedno kliknutí (Obr. 4).
Obr. 4 Ukázka (výřez) hierarchického členění objektů v projektové dokumentaci čerpací stanice odpadních vod zpracované v objektové architektuře, otevřeno ve volně dostupném PDF prohlížeči na PC
5. Integrované a reverzní inženýrství
Integrovaným inženýrstvím se rozumí aktivní a provázaný přístup ke správě dokumentace v jednotlivých fázích životního cyklu technologického celku. Pionýrem oblasti reverzního a integrovaného inženýrství je software COMOS, který jako jediný na světě umožňuje zpracovávat holistické projekty správy technologického celku od prvotního návrhu, projekce, uvedení do provozu až po řízení včetně plánování údržby a pasportizace [2]. Prvotní návrh může být pouze ve formě logických funkčních bloků, které jsou poté, v rámci stále stejného schématu, nahrazeny konkrétními technologiemi a nakonec, při skutečné realizaci, specifickými zařízeními s vyplněnými parametry. Technické údaje stačí zadat pouze jednou a okamžitě jsou dostupné pro všechny procesy plánování současně. Značně tak klesá riziko chyb, navíc lze na různých částech projektu pracovat paralelně. Stěžejní je schopnost přenášet data mezi projektem a monitorovacími/řídicími systémy (od jednoduchých programovatelných automatů PLC (programmable logic controller) až po systémy pro kompletní řízení procesů (PCS – process control system), anebo např. dispečerské systémy (SCADA – supervisory control and data acquisition), a to oběma směry (viz digitální dvojče). Projekty automatizace jsou tak nejen rychlejší, ale navíc je díky zprávám o změnách během provozu v platformě COMOS vždy k dispozici aktuální dokumentace pro danou technologii (neustále automaticky aktualizovaná dokumentace DSPS – dokumentace skutečného provedení stavby). Reverzní inženýrství je dle definice proces analýzy a popisu stávajícího systému vedoucí k odhalení komponent a jejich vzájemné provázanosti [3]. V oblasti projekce je to zásadě forma pasportizace, avšak plně definující provázanost jednotlivých funkčních celků (objektů).
6. BIM vs. objektové projektování
Možnosti nástroje COMOS tak ukazují, že je potřeba vnímat rozdíl mezi objektovým projektováním, 3D modelem a metodikou BIM, případně obecně jednotlivými fázemi digitalizace. K digitalizaci se dá přistupovat několika způsoby a pochopení samotného principu a důvodu jeho tvorby může ukázat řešení, která nejsou na první pohled zjevná, ale pro konkrétní případy mohou být ve výsledku efektivnější a praktičtější. Investor by se tak při zadávání „BIM“ projektů měl zamyslet, jaký je záměr jeho následného využití, a uzpůsobovat tak projekt a samotnou projekci danému cíli již od začátku.
V lednu roku 2021 vzala vláda ČR ve svém usnesení číslo 41/2021 na vědomí informaci o plnění Koncepce zavádění metody BIM do veřejné správy a schválila též Aktualizaci harmonogramu Koncepce zavádění metody BIM v České republice [4]. V rámci této aktualizace došlo k posunu startu postupného povinného využívání metody BIM u tak zvaných nadlimitních veřejných stavebních zakázek (těch, u nichž cena přesahuje 150 milionů korun) na 1. červenec 2023. Hlavním důvodem k tomuto kroku bylo sladění termínu se startem digitálního stavebního řízení, a tím i k užšímu propojení digitalizace stavebnictví s novou stěžejní digitálními agendou státu pro oblast staveb. O aktuálnímu stavu digitalizace stavebnictví v ČR byl summit Koncepce BIM 2022, jehož souhrn je dostupný například v reportu serveru TZB-info.cz [5].
7. Závěr
- Vznikají nové automatizované přístupy k plánování a optimalizaci údržby, kdy projektová dokumentace zpracována v digitální objektové architektuře může aktivně vyměňovat data mezi reálným objektem a projektovou dokumentací, čímž vznikne tzv. digitální dvojče, se svým životním cyklem. Jinými slovy lze dynamicky (přes IoT platformu nebo např. ze SCADA systému) zaznamenávat např. provozní stavy, poruchy, motohodiny, údržbu aj. procesy do technického informačního systému automaticky, a projektová dokumentace je tedy vždy v tzv. skutečném provedení.
- Otevírá se obrovský trh pro jednoduchou digitalizaci stávajících projekčních dokumentací technologických celků do objektové architektury (reverzní inženýring), právě díky masivnímu nástupu zavádění technických informačních systémů na různých úrovní provozovatelů vodohospodářské infrastruktury a synergií z toho plynoucích. Zároveň se postupně bude snižovat stále ještě zvýšená cena za takto zpracované projekty (zejména u nových investičních akcí), protože lze očekávat zvýšenou poptávku.
- Vznikají nové synergické modely mezi dodavateli a projektanty, kdy výrobek dodavatele je vedle reálného kusu zpracován i v digitální prvkové architektuře (volně dostupné) a projektant si již nemusí objekt pro projekt vytvářet. Typickým příkladem jsou elektroinstalační prvky, kdy projekce rozvaděče je rychlou „skládačkou“. Vznikají tak rozsáhlé volně dostupné knihovny prvků napříč obory a státy a již se postupně smazává „náskok“ projekčních kanceláří, které si vytváří své vlastní databáze.
- Jsou zakládány nové projekční skupiny a kanceláře, jejichž projektanti už nezažili tradiční kreslení (ani na škole, ani v praxi) a aplikují nové postupy do projekční praxe automaticky, bez zatížení předchozích znalostí. Tím vzniká tlak na tradiční projekční kanceláře a celý obor začíná být více atraktivní i pro mladé absolventy, protože projekty mají vyšší přidanou hodnotu a jsou lépe honorovány.
8. Seznam literatury
- Hložanka, F. and J. Jirkovský, Digitalizace vodárenské infrastruktury – nástroje pro pasportizaci technologické infrastruktury a její správy životního cyklu, in Konference Obnova vodohospodářské infrastruktury. 2020: Hotel Myslivna, Brno.
- Siemens, s.r.o., Chytrá řešení pro vodárny a čistírny odpadních vod. Industry Forum, 2017. 1.: p. 6–7.
- Eilam, E. and E.J. Chikofsky, Reversing : secrets of reverse engineering. 2005.
- Informace o plnění Koncepce zavádění metody BIM – Příloha Aktualizace hamornogramu Koncepce zavádění metody BIM v České republice, MPO ČR, říjen 2020, dostupné online na: https://www.mpo.cz/assets/cz/stavebnictvi-a-suroviny/bim/2021/1/Aktualizace-harmonogramu-Koncepce-zavadeni-metody-BIM-v-CR-.pdf
- Summit Koncepce BIM 2022 o novém zákonu BIM a digitalizaci ve stavebnictví, redakce TZB-info.cz, dostupné online na: https://www.tzb-info.cz/bim-informacni-model-budovy/23502-summit-koncepce-bim-2022-o-novem-zakonu-o-bim-a-digitalizaci-ve-stavebnictvi
Poděkování
Tato práce a tento příspěvek byly realizovány za účelové podpory Ministerstva vnitra České republiky z projektu „TWIN SKIN – Digitální dvojče úpravny vody pro efektivní řízení rizik kritické vodárenské infrastruktury“ v rámci Programu bezpečnostního výzkumu ČR, vývoj, testování a evaluace nových bezpečnostních technologií (SECTECH).
Design engineering using standard objects brings new possibilities to water management design practice. Similar to CAD tools in the past, integrated engineering now represents the gateway to the world of digitization of water management units and can be understood as an effective pre-step before the introduction of BIM, enabling the creation of digital twins and operational optimization. These new procedures can open the gates of perception of the project and management of the whole in hitherto unknown levels. Due to emerging legislative and business trends in the Czech Republic, we can expect an increased demand for digitally processed projects in object architecture, enabling an interconnected approach to the creation and management of documentation in individual phases of the life cycle of a technological unit.