CAD in BIM: pripomočki za ustvarjanje nove vrednosti

Sodobna orodja CAD in novejše tehnologije, kot je BIM ali generativno oblikovanje, predstavljajo osnovo modernega projektiranja, ki nenehno stremi k skrajševanju časa, nižanju stroškov in zmanjševanju tveganj pri načrtovanje novih izdelkov ter projektov.

Računalniško podprto načrtovanje (CAD) je uporaba računalniških sistemov za pomoč pri projektiranju, spreminjanju, analizi ali optimizaciji načrtov. Povezujemo ga predvsem s področjem gradbeništva, arhitekture, strojništva in elektronike, čeprav ga uporabljajo tudi na številnih drugih področjih. Danes je večina stavb, strojev in izdelkov, pa naj gre za hiše, ceste, računalnike, avtomobile, kuhinjske aparate ali športne pripomočke, projektiranih ob pomoči programskih izdelkov CAD.

Čeprav se nam tudi v današnjih časih včasih zdi, da je CAD nova tehnologija, začetki računalniško podprtega načrtovanja pravzaprav sodijo že v 60. leta prejšnjega stoletja. Od prvih orodij, s katerimi smo lahko le risali objekte, kot so linije, krivulje in geometrijski liki, je bilo že ogromno storjenega in danes lahko govorimo o izdelkih, ki pomagajo pri vseh fazah nastanka objektov, strojev ali izdelkov. Tovrstna tehnologija se je prelila tudi na nova področja, na primer v filmsko industrijo in industrijo računalniških iger.

Programska oprema CAD v poslovnem svetu pomembno prispeva k povečanju produktivnosti oblikovalca, izboljšanju kakovosti oblikovanja, komunikacije ter dokumentacije in hitrejši pripravi podatkov za proizvodnjo. Rezultat dela s programi CAD so običajno dokumenti za tiskanje, strojno obdelavo ali proizvodne operacije.

V gradbeništvu in proizvodnji načrtovalci, gradbeniki in proizvajalci stremijo k temu, da bi bili z računalniško podprtimi procesi pospremljeni vsi koraki v življenjskem ciklu zgradbe ali izdelka, ne samo tisti v fazi oblikovanja in razvoja izdelkov, zato se tudi vse pogosteje uporabljajo modeli BIM in MBD. Ti omogočajo prenašanje podatkov o relevantnih tehničnih in drugih značilnostih posameznih delov, s tem pa tudi celotnega projekta v vse faze razvoja, izdelave in kasnejšega vzdrževanja.

Več kot zgolj projektiranje

Buidling Information Modeling ali BIM je posebna podzvrst programske opreme za načrtovanje, zlasti v gradbeništvu in arhitekturi, ki sicer še vedno sloni na orodjih za grafično projektiranje, vendar omogoča načrtovanje ob pomoči parametrizacije objektov, kar zagotavlja večjo standardizacijo in potencialno precej hitrejše projektiranje, kadar se pri tem uporabljajo standardizirani ponovljivi modeli (lep primer so okna in vrata).

Toda BIM je precej več kot le to. Ker je rezultat projektiranja v podatkovni model BIM, se te podatke s pridom uporablja za številne druge namene, na primer simulacije delovanja, vzdrževanje, upravljanje varnosti objektov (recimo mostov) in še bi lahko naštevali. BIM obravnava številne izzive v gradbeništvu in v čedalje večjem številu držav že obstajajo predpisi, ki obvezujejo uporabo rešitev BIM za javne in državne projekte.

BIM postaja temelj sodobnega gradbeništva in načrtovanja. Za prodornost tega ogrodja in načina dela je več razlogov. Vse več načrtovanja in usklajevanja se danes opravlja na daljavo. Programsko opremo BIM je mogoče uporabljati na daljavo za upravljanje projektov, prodaje, pogodb s strankami in drugih dejavnosti. Številni lastniki in gradbeniki zdaj verjamejo, da je učinkovitost mogoče povečati tako, da delavce poučijo o osnovah digitalnih tehnologij.

Pomembno vlogo imajo tudi večja vlaganja v infrastrukturo in nove pobude s področja urbanizacije. Vstopili smo v novo dobo gradnje in oblikovanja, zahvaljujoč medsebojnemu povezovanju, orodjem za digitalno načrtovanje, računalniško vodeni povezljivosti in računalniško vodeni proizvodnji. To zagotavlja opazne prednosti pred starejšimi tehnologijami, kot so klasični sistemi CAD in načrti na papirju.

BIM obravnava izzive, kot so razdrobljeni načini dostave projektne dokumentacije, standardizacija in vključevanje različnih sodelujočih strani ter tudi vse večja potreba po avtomatiziranih modelih. Na pohodu je tudi integracija BIM s tehnologijami AR/VR, ki izboljšuje komunikacijo med zainteresiranimi stranmi in zagotavlja izboljšano vizualizacijo za inženirje in oblikovalce.

Ameriški inštitut za gradbene znanosti (NIBS) je z raziskavami poskusil izračunati učinke uporabe orodij BIM. Okolja, kjer se BIM učinkovito uporablja skozi celoten gradbeni pa tudi kasneje vzdrževalni cikel projektiranja, dosegajo okoli 25-odstotno povečanje produktivnosti, 25-odstotno zmanjšanje uporabe delovne sile, 5-odstotno znižanje končnih stroškov gradnje in okoli 5-odstotno povečanje hitrosti dokončanja projekta. V gradbeništvu to niso majhne številke.

Poslovni prednosti za avtomatizacijo projektiranja

Če BIM povezujemo predvsem s področjem gradbeništva in arhitekture, pa v strojništvu srečujemo MBD ali Model Based Definition. To je pristop k ustvarjanju 3D-modelov CAD, tako da ti dejansko vsebujejo vse podatke, potrebne za definiranje izdelka. To ima dve veliki posledici. Prvič, da postane 3D-model glavni vir in avtoriteta za vse nadaljnje inženirske dejavnosti. Tu so vse informacije povezane neposredno z geometrijo. Drugič pa je to podlaga za komplementarne procese, kot je simulacija ali priprava modelov za proizvodnjo. MBD vpliva na celotno vrednostno verigo.

Napredna proizvodna podjetja si prizadevajo, da bi čim več postopkov opravljali in preizkušali v digitalnem okolju, še preden pride do investicij v laboratorijski razvoj prototipov. Družba Ansys je opravila raziskavo, ki je razkrila, da je več kot 70 odstotkov stroškov že vloženih v izdelek, ko je razvoj dosegel stopnjo prototipa. Kakršnakoli optimizacija v tej fazi lahko močno vpliva na stroške, ceno in časovno pripravo izdelkov.

Ni presenetljivo, da se proizvajalci usmerjajo k simulacijam in h generativnemu oblikovanju. S simulacijo lahko oblikovalci eksperimentirajo virtualno v realnem času, spremenijo svoje mišljenje, materiale in pristope – vse to, da bi prihranili stroške pred pripravo prototipov. To je na neki način »poceni« eksperimentiranje in, kar je zelo pomembno, priložnost za odpravo večjih težav pred nastankom prototipov.

Generativno oblikovanje gre tu še korak dlje. Nazoren primer je, denimo, projektiranje gospodarskih vozil Volvo Trucks. Projektanti tega podjetja uporabljajo napredna orodja v oblaku, s katerimi inženirji določijo problem, sistem pa samodejno ob pomoči umetne inteligence ustvari in razvrsti alternative pri projektiranju določenega podsistema. To ne prispeva le k prihranku časa, temveč omogoča obravnavo alternativ, o katerih ni bilo razmisleka v času snovanja naloge.

Tehnologije simulacije in generativnega oblikovanja bodo postale še pomembnejše, saj omogočajo oblikovalskim inženirjem, da naredijo tisto, zaradi česar so pravzaprav izbrali delo na tem področju – oblikujejo odlične izdelke! Oblikovalci izdelkov se tako lahko bolj posvetijo ključnim temam, kot so oblika, napetost, prenos toplote in strukturna analiza.

Trg izdelkov CAD

Globalni trg rešitev CAD je bil leta 2021 vreden nekaj manj kot 10 milijard dolarjev. Investicije v računalniško podprto načrtovanje sicer rastejo zmerno, a konstantno, že vrsto let, napovedi za rast do leta 2028 so 6,4 odstotka na letni ravni. Ti rezultati potrjujejo, da gre po eni strani za zrelo panogo, ki pa ima še precej priložnosti za rast, od tod tudi povečevanje investicij.

Ključni ponudniki na tem področju so podjetja Autodesk, Dassault Systèmes, SolidWorks, PTC, Bentley Systems, Heaxagon AB, Oracle in Siemens. Na področju CAD imamo izrazitega voditelja z dolgoletno prisotnostjo, bogatimi izkušnjami in velikansko uporabniško bazo.

To je podjetje Autodesk, ki ima s svojim znamenitim izdelkom AutoCAD kar 42,66 odstotka trga. Če k temu dodamo še njihovo orodje BIM z imenom Autodesk Revit, ki ima po ocenah nadaljnjih 4,97 odstotka trga, pa še Inventor za projektiranje v strojništvu z 2,59 odstotka, ta družba pravzaprav obvladuje polovico trga izdelkov za projektiranje. Tržni deleži ostalih ponudnikov so precej manjši in razpršeni: Solidworks 14,47 odstotka, Dassault CATIA 3,97, Archicad samo 0,82.

Spremne tehnologije pri digitalnem projektiranju

Čeprav so orodja CAD in BIM že sama po sebi obsežna, pa jih pogosto povezujemo z drugimi inovativnimi tehnologijami, ki lahko še pospešijo hitrost projektiranja, olajšajo delo, povečajo natančnost ali zgolj pomagajo pri boljši predstavitvi projektov v virtualnem okolju.

Tako na področju gradbeništva kot strojništva se danes že uporablja tako imenovano 3D-zaznavanje (skeniranje) predmetov ali objektov. V strojništvu s tako imenovanimi 3D-bralniki preprosto digitaliziramo fizični predmet in na ta način dobimo približek v 3D-modelu. Tega običajno nato popravimo, vse pogosteje tudi zelo avtomatizirano z raznimi algoritmi na podlagi strojnega učenja, nakar lahko model uporabimo za nadaljnje projektiranje in izboljšave.

Tehnologija 3D seveda deluje tudi v drugi smeri: ob pomoči tiskalnikov 3D lahko digitalne modele hitro natisnemo, denimo za pripravo prototipov, vizualizacijo. Razvoj tiskalnikov 3D sicer se sicer ni odvil s tako hitrostjo, kot smo pričakovali pred leti, a je danes prišel do te stopnje, da jih lahko uporabljamo za prototipe in dejanske izdelke v manjših serijah, predvsem tam, kjer bi bila klasična proizvodnja predraga.

Druga tehnologija, ki ima v gradbeništvu vedno večji pomen, so tako imenovani radarski bralniki (Lidar), ki znajo ob pomoči laserjev izmeriti na milijone točk na površinah oddaljenih predmetov in jih zapisati v obliki prostorskega zapisa. S tem nastane tako imenovani oblak točk (point cloud), ki verodostojno ponazarja površino objekta ali predmeta. Tega nato lahko uporabimo kot osnovo za vektorizacijo objektov. Čeprav tovrstno branje ni vselej stoodstotno natančno, je točnost prebranega običajno povsem dovolj za bistveno hitrejšo vektorizacijo kompleksnih struktur. Kar je prej trajalo tedne, lahko zdaj naredimo v nekaj dneh ali celo urah.

Področje gradbeništva je vse bolj prežeto z različnimi senzorji in krmilnimi napravami IoT. Ta trend se bo samo še krepil, ko bodo pobude IOT sprejete v panogah po vsem svetu. Da bi se spopadli s tem cunamijem podatkov, jih moramo učinkovito izkoristiti in uporabiti v modelih BIM. Svet gradbeništva se bo zato moral začeti povezovati z novimi viri podatkov. Podatke o gradnji iz naprav IOT in posnetkov dronov je mogoče centralizirati v en sam model. To je mogoče storiti skupaj z bolj tradicionalnimi podatki, kot so specifikacije in modeli, ki se pogosto uporabljajo za projekte BIM.

S tem so povezane tudi usmeritve k bolj trajnostno naravnanim zgradbam skozi celoten življenjski cikel, od gradnje do uporabe in vzdrževanja. Ob pomoči podatkovnih modelov BIM in naprav IoT odgovorni za trajnostni razvoj lažje načrtujejo vpliv zgradb na okolje, ob tem pa sčasoma optimizirajo uporabo, na primer pri porabi energije in onesnaževanja okolja, na preverljiv in merljiv način. Primer je danski Köbenhavn, ki se je zavezal, da bo do leta 2025 postal ogljično nevtralen, kar je zelo ambiciozen podvig za tako veliko mesto. Večina iniciativ temelji na uporabi sredstev, kot so tipala IoT in podatkovni modeli urbanega okolja, opisani z modeli BIM.

Rezultati projektiranja z orodji CAD in BIM so seveda idealna osnova za vizualizacijo v virtualnem svetu. Tako na področju gradbeništva kot tudi strojništva je na voljo veliko izdelkov, ki omogočajo vizualizacijo v navidezni resničnosti (VR) ali povečani resničnosti (AR). Ne samo za projekte, ki so šele v fazi načrtovanja, temveč tudi za tiste, ki so v fazi izdelave ali vzdrževanju. Lep primer je vizualizacija s povečano resničnostjo na gradbiščih, kjer lahko inženir preveri in primerja dejansko zgrajeno s projiciranim digitalnim osnovnim načrtom.

Ovire za še hitrejši prehod

V prehodu na tehnologije, kot so rešitve BIM, obstajajo tudi številni izzivi in ovire. Na področju ponudnikov programske opreme je danes ob prehodu na BIM manj ponudnikov kot nekoč na področju CAD. Nastanek izrazito dominantnega ponudnika na področju (Autodesk) je že upočasnil hitrost inovacij, ki smo ga videli pred desetimi leti.

BIM ima marsikje po svetu še vedno premalo institucionalne podpore zlasti na državni/vladni ravni. Velika ovira je dejstvo, da v tej panogi ne obstaja možnost za preprost nastanek skupnih mednarodnih standardov in podatkovnih modelov, temveč se standardi še vedno razvijajo znotraj posameznih držav. Tudi v EU. Večja podpora držav bi vsekakor pohitrila prilagoditev celotne industrije novim, digitalno podprtim procesom. Za dobro usposabljanje v procesu BIM in orodjih BIM so potrebni certifikacijski programi, kar zahteva proračun, ki ga številna podjetja nočejo ali ne morejo zagotoviti.

Mnoga podjetja so pod vtisom, da BIM koristi le obsežnim, kompleksnim projektom, zato si ne prizadevajo za prehod nanj, če delajo predvsem pri manjših projektih. Podobno BIM nima reputacije kot uporaben standard za področje stanovanjsko gradnje, kar pa je napačno prepričanje.

Ena največjih težav rešitev BIM je dejstvo, da so podatki BIM pogosto v lastniških formatih, ki so lahko omejevalni. Odgovor na to je openBIM, ki počasi postaja vse bolj priljubljen, a ciljne univerzalne združljivosti še ni na obzorju.

Nenazadnje je tu že pregovorni odpor do sprememb. Strokovnjake z rutino je običajno težko prepričati, naj preidejo na BIM, zlasti glede na stroške in čas, ki jih tak prehod zahteva.

BIM v prihodnosti

Tehnologija v industriji gradbeništva se razvija s tako hitro hitrostjo, da lahko v naslednjih desetih letih zagotovo pričakujemo uporabo BIM kot privzetega načina načrtovanja. To rast bodo spodbudile nekatere nove tehnologije, ki podatke iz modelov BIM uporabljajo kot temelj za nadaljnjo optimizacijo in avtomatizacijo tako postopkov gradnje kot končnih izdelkov.

Primer je avtomatizacija na podlagi simulacij z digitalni dvojčki. Razvoj »digitalnega dvojčka«, podrobne virtualne predstavitve zgrajenega sredstva, lahko pomaga predvideti morebitne težave pri načrtovanju. Te je mogoče ublažiti, da se zmanjšajo tveganja. Takšna metoda bi delovala za katerokoli strukturo, bodisi letališče, most ali hotel. Trenutno večina podjetij za te namene uporablja zaznavanje trkov BIM. Ker bodo podjetja še naprej avtomatizirala svoje procese, bo uporaba digitalnih dvojčkov vse bolj razširjena. Tak večplastni pristop bo zagotovil natančnejšo in popolnejšo predstavitev informacij o zgradbi.

2023-01 - Clanki CAD in BIM - BIM Modeling 01.JPG Pri sodobnem projektiranju z orodji BIM je vsak del zgradbe opisan kot parametriziran objekt z vsemi tehničnimi in poslovnimi lastnostmi.

2023-01 - Clanki - CAD in BIM - Point Cloud.jpg Uporaba radarskih skenerjev Lidar omogoča zajemanje zgradb v 3D-oblaku točk, ki je nato osnova za vektorizacijo in pripravo načrtov.

2023-01 - Clanki CAD in BIM - CAD generativno.jpg Generativno projektiranje omogoča samodejno ustvarjanje alternativ, ki pri snovanju izdelkov lahko prinesejo nove ideje ali rešitve.

2023-01 - Clanki - CAD in BIM - Global market.png Na področju računalniškega projektiranja prednjačita proizvodnja in gradbeništvo, vendar je prisotno tudi v drugih segmentih gospodarstva.