BIM для культурного наследия. Разработка информационной модели исторического здания

Помимо интегрированных данных, с моделью может быть связан любой тип внешнего цифрового файла, имеющий отношение к конструктивным элементам или помещениям в определенной пространственной иерархии. К ним можно отнести архивные данные, технические характеристики изделий, руководства по эксплуатации и техническому обслуживанию, отчеты, обследования состояния объекта, аудио- и видеозаписи (например, задокументированный опыт посетителя), журналы проверки технического состояния или любой другой тип цифрового файла. Формат внешних файлов не ограничивается возможностями программного обеспечения BIM; связанные файлы [с помощью определения параметра унифицированного локатора ресурсов (URL)] открываются в соответствующих внешних приложениях в соответствии с настройками операционной системы и/или предпочтениями пользователя.

Это чрезвычайно важный аспект: требуемые результаты и приложения (выходные данные) определяют требования к информации (входным данным). Требования к информации в свою очередь, определяют подходы к приобретению данных и стратегии моделирования объекта.

Этот процесс (результаты/потребности определяют требования, которые в свою очередь определяют стратегию) иногда упоминается как «начало с представлением конечного результата».

См.: Тип информации, ее формат и время предоставления зависят от сферы охвата, цели индивидуального проекта и любых организационных требований со стороны клиента. Включение излишней информации, чем это уместно или полезно для проекта, расточительно: с точки зрения информационных технологий (ИТ) и требований к управлению информацией, дополнительный объем данных также имеет значение. Включение руководств и типовых документов в необходимый объем информации может быть полезно, но решения должны приниматься индивидуально в каждом из случаев.

2.2 Сбор данных для BIM

В сфере культурного наследия проект BIM неизбежно начнется в промежуточной точке жизненного цикла объекта (Рис. 6). Проект может быть гораздо сложнее, чем относительно простая модель полного цикла, описывающая строительство нового здания, как это отмечается в отчете по компьютерному моделированию исторических зданий, опубликованном Советом по обучению консервации архитектурных объектов (COTAC; Maxwell 2014) (также см. раздел 6.2.8). Отправной точкой для процесса информационного моделирования исторического здания является многостороннее изучение существующего объекта. Это объясняется не дополнительными требованиями BIM, а скорее является характерным подходом для работы с объектами исторического наследия вне зависимости от используемых процессов управления информацией.

В практическом плане необходимость понимания исторического объекта в его нынешнем состоянии выливается в требование об обязательном первоначальном внесении сведений в информационную модель исторического здания. В то время, как в секторе первичного строительства новая информация постепенно генерируется путем проектирования и внесения технической информации, в проекты, связанные с существующими объектами, информация должна быть извлечена из различных источников, организована и проверена, или создана различными специалистами.

Применительно к историческому объекту необходимая информация может:

■ быть общедоступной или извлекаться из различных источников (например, архивная информация, оперативные данные, планы технического обслуживания);

■ требовать проведения изучения объекта, исследований и замеров (метрических изысканий, специальных обследований, осмотра местности, докладов о наследии и оценке объекта);

■ быть недоступной (из-за ограничений в бюджете, времени, доступа к информации или других факторов).

Рис. 6. Принцип жизненного цикла информационного моделирования исторических зданий, заимствованный из циклической диаграммы BIM Отраслевого совета по строительству (CIC), лучше отражает процессы консервации объектов

2.2.1 Метрические обследования

Документирование существующей структуры, при котором особое внимание уделяется точным метрическим данным, является необходимым условием для объектов сохранения наследия. Представление существующей геометрии в BIM также требует подробного и точного знания физических аспектов исторического объекта. Информационное моделирование исторического объекта должно быть основано на точных и реальных наборах данных метрических измерений (предпочтительно в форме 3D-модели), которые фиксируют расположение, размер и объемы всех видимых поверхностей, строительных элементов и особенностей, характерных для исторического объекта, на которые ссылаются местная или национальная система координат. Метрическая программа обследования, как правило, используется на ранней стадии информационного моделирования исторического здания.

Трехмерные методы цифровой съемки – это быстрые, надежные, бесконтактные методы для получения метрически точных данных в форме 3D. Они широко используются для документации исторических зданий и окружающей их местности. Лазерное сканирование, фотограмметрия (наземная или установленная на беспилотнике), работа с лидаром (LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света»), сканирование на близком расстоянии, мобильное картирование или комбинация методов может использоваться для создания 3D наборов данных исторического здания. Обычно они преобразуются в облака точек, которые теперь поддерживаются большинством компьютерных программ для BIM.

Наряду с 3D-исследованиями в информационном моделировании зданий могут использоваться такие формы исследования объекта, как проверка размеров зданий, 2D-чертежи или ортофотографии (ортфотоплан – фотографический план местности на точной геодезической опоре, полученный путём аэрофотосъёмки). Такие виды исследований могут применяться для проектов, занимающих небольшую площадь или построенных на относительно простом рельефе, хотя охват и адекватный уровень детализации в этом случае может быть снижен.

Организация Historic England опубликовала технические консультационные документы по исследованию и описаниям объектов наследия. В список документов вошло руководство по фотограмметрии, лазерному сканированию, сканирование лидаром, геофизические исследования, проведение замеров, ландшафтная съемка, съемка с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и плоскостная съемка (см. раздел 6.1.3).

Такие характеристики объекта, как его функциональная составляющая, время, доступность, бюджетные и другие ограничения, будут определять метод исследования.

Факторы, которые необходимо учитывать до начала изыскательских работ или ввода в эксплуатацию исторического объекта информационного моделирования включают в себя:

■ разрешение / плотность точек по отношению к требуемой степени детализации;

■ информацию о цвете;

■ охват;

■ системы управления и координат;

■ формат данных;

■ метаданные.

См.: Требования к клиенту относительно процесса обследования и его результатов должны быть задокументированы. Организация Historic England располагает руководством по этой теме (Andrews et al 2015).

См.: Процесс обследования должен привести к надежной записи существующей структуры здания: его геометрии, положении и внешнем виде. Наборы данных съемки (облака точек или модель поверхности сетки) не являются информационным моделированием, но они могут быть использованы в качестве эталона и основы для моделирования, как описано в разделе 2.3.

2.2.2 Другие виды обследования

В зависимости от объема проекта и требований клиента могут потребоваться дальнейшие обследования объекта, качественные и кабинетные исследования, а также инспекции на местах. Сбор негеометрических данных может включать обследования состояния, археологические исследования, анализ материалов и другие обследования [например, механические и электрические системы (системы мониторинга и оценивания)], которые проводятся соответствующими специалистами. Однако, чтобы полностью реализовать потенциал и выгоду от знания этой информации и помочь в понимании и интерпретации того, что случается за видимой поверхностью, также необходимо полностью понимать, что физически происходит под «поверхностью» обследованного объекта.

Эти исследования могут проводиться независимо от программы метрических обследований объекта, однако они могут иметь значение с точки зрения доступности места расположения здания и логистики.

Специальные расследования могут проводиться независимо от других обследований, но с учетом требований программы поставки информации.

2.2.3 Информация по наследию

Объем и качество информации об историческом объекте может значительно меняться в зависимости от типа здания, его предыдущего использования, права собственности и действующих систем управления. Существующая информация может быть предоставлена в бумажном или электронном формате, на месте или рассредоточена в нескольких местах, и потенциально представлять собой объект интеллектуальной собственности или являться конфиденциальной информацией. Использование унаследованной информации в проекте информационного моделирования исторического здания, главным образом, определяется двумя качествами: доступностью и обоснованностью.

Доступность определяется тем, где и в каком формате хранится информация и существуют ли какие-либо ограничения на ее использование (владение, безопасность). Получение информации в устаревших форматах и ее перевод в формат, подходящий для включения в информационную модель (например, оцифровка архитектурных чертежей, созданных в бумажном формате), требует определенного времени и затрат. Информация в устаревших форматах должна быть проверена перед включением в модель или использованием в процессе моделирования. Существующие данные могут быть неполными, неточными, противоречивыми или двусмысленными. Как и в любой новой работе (например, спецификации съемки), важно наладить процесс контроля качества и проверки устаревших данных. Такой процесс гарантирует, что информационная модель исторического объекта всегда согласуется с текущим состоянием физического объекта или, если это представляет собой цель модели, с его состоянием на предыдущем этапе.

Часто наборы данных съемки для исторического объекта уже существуют. Однако они не всегда подходят в качестве основы для информационной модели исторического объекта. Такие параметры, как точность, охват, разрешение, степень детализации и системы координат должны будут соответствовать требованиям BIM. Кроме того, любые существующие данные должны быть подтверждены на месте или за счет проведения нового обследования перед использованием в BIM.

2.3 Подходы к BIM-моделированию

BIM состоит из геометрической (2D и 3D), негеометрической информации и связанных с ней документов и данных. Обычно создание модели начинается с геометрической модели.

В случае информационной модели (ИМ) для существующих объектов, в том числе и для объектов исторического наследия, модель создается в виде сборки соответствующих объектов ИМ, на основе существующих данных обследований. Проще говоря, выбирается соответствующий тип компонента BIM (например, стена, окно), настраивается на нужные размеры (о чем свидетельствуют данные съемки) и ставится в правильное положение.

2.3.1 От сканирования к информационному моделированию здания

Преимущества 3D-геопространственных наборов данных (например, облака точек, полученные с помощью лазерного сканирования) для BIM значительны: большие объемы данных с высоким разрешением, охватывающие все видимые поверхности объекта (возможно с информацией о цвете) становятся надежной основой для создания собственной 3D-геометрии в среде BIM. Термин «сканирование для BIM» используется для описания подобных рабочих процессов, которые включают в себя процесс создания, управления и размещения собственных компонентов BIM при непосредственной отсылке к базовому облаку точек.

См.: Рабочие процессы сканирования в BIM зависят от способности программного обеспечения ИМ импортировать наборы данных облака точек. Из-за постоянно расширяющейся сферы использования лазерного сканирования в области архитектуры, инженерии и строительства, самые последние версии инструментов разработки BIM в настоящее время включают эту функцию (хотя «легкие» версии одного и того же программного обеспечения могут и не включать ее). Поддерживаемые форматы данных облака точек могут различаться в зависимости от выбора программного обеспечения BIM. Любые проблемы, связанные с поддерживаемыми форматами и версиями программного обеспечения, должны быть решены перед началом разработки.

Объем процессов сканирования для BIM может меняться в зависимости от требований проекта. Результат сканирования для BIM иногда называют «готовность к информационному моделированию»: 3D-модель, сформированная как подборка родных компонентов BIM, которая представляет собой геометрию существующих составляющих здания. Впоследствии к этой модели можно добавить информацию и релевантные данные в структурированном виде, связанные с соответствующими элементами BIM (компонентами или помещениями).

2.3.2 Альтернативные подходы

BIM для существующих структур не обязательно должно быть основано на данных облака точек. В ряде опубликованных научно-исследовательских проектов по ИМ исторических объектов применяется более традиционный подход создания моделей на основе 2D-чертежей САПР. В некоторых случаях такой подход был выбран даже несмотря на то, что наборы данных лазерного сканирования были доступны и использовались для проверки чертежей. Такой подход обычно применяется в тех случаях, когда существующий объект не представляет сложностей с точки зрения геометрии и надлежащим образом задокументирован в САПР. В том случае, когда данные облака точек не могут быть использованы из-за проблем с ИТ (например, из-за версии программного обеспечения или технических характеристик оборудования), недостаточном навыке моделирования, вопросов бюджета и других ограничений, можно предложить альтернативное решение. Однако уровень геометрической детализации, которого можно достичь с помощью этого метода, может оказаться ниже, чем рабочие процессы сканирования в BIM.

2.3.3 Допустимое значение моделирования и степень детализации

Исторические здания часто отличаются сложной геометрией и обилием декоративных элементов, что обычно требует больше времени для их моделирования в деталях по сравнению со зданиями новых архитектурных стилей. Это влияет на сбор данных (технология, время, бюджет), так как сложная геометрия здания обычно требует большего количества измерений и детального изучения в высоком разрешении, чтобы зафиксировать все на уровне, который позволяет их правильно интерпретировать и представлять в виде 3D цифровых моделей.

Фрагменты исторических зданий часто отличаются неопределенными формами в результате климатического фактора или деформации конструкции, что делает невозможным (или очень затруднительным) их точное отображение с помощью параметрических объектов BIM. Более того, в архитектуре зданий таких исторических стилей, как народный и средневековый, часто используются органические формы, которые тоже могут представлять затруднения для моделирования и занимают больше времени для точного моделирования с использованием простой геометрии.

Эти наблюдения напрямую влияют на ИМ исторического здания. Несмотря на достижения в области инструментов сканирования для ИМ и рабочих процессов (таких, как автоматическое извлечение геометрии), процесс моделирования – это по-прежнему трудный и времязатратный процесс. Временные аспекты и сложность работы увеличиваются в зависимости от степени геометрической детализации модели. Точное детальное представление сложной 3D геометрии обычно приводит к увеличению размера файлов, что затрудняет работу с ними и увеличивает требования к ИТ. Ограничения программного обеспечения BIM также затрудняют или делают невозможными использование родных параметрических предметов неправильной геометрической формы без ограничения функциональности модели. Ниже представлены две полезные концепции, которые позволят профессионалам и заказчикам, имея дело с ИМ исторических зданий, соблюдать соответствующие требования и определить решения: допустимое значение моделирования и степень детализации (СД).