Ako využiť BIM v oblasti energetického manažmentu

Súčasná prax v stavebníctve naznačuje využitie a nesporné výhody informačného modelovania stavieb pri príprave nových projektov. Každoročne zaznamenávame progres v oblasti, ktorú mnohí poznajú skôr pod skratkou BIM (angl. Building Information Modeling).

Integrácia BIM v životnom cykle stavby má, ako je to aj pri iných systémových prístupoch, postupný vývoj v čase a pomaly sa dostáva do rôznych oblastí a súčastí projektu. Na širšie využitie je však potrebné dosiahnuť určitú úroveň expertízy podloženú skúsenosťami s dátovou výmenou a schopnosťou vymieňať si informačný model medzi jednotlivými profesiami. Čo sa odráža aj v relatívne nízkom využití BIM v oblasti energetického manažmentu.

Miera využitia BIM je kľúčová

Na Slovensku môžeme sledovať nárast využívania BIM prevažne v projektovej činnosti, ale aj v predprojektovej príprave a to cez výstavbu až po facility manažment. Miera využitia BIM je vo všeobecnosti kľúčová aj pri hodnotení pripravenosti trhu na energetické modelovanie stavieb v BIM prostredí. Keďže bez kvalitných informačných modelov nie je možné integrovať BEM (angl. Building Energy Modeling).

Okrem nevyhnutných zručností projektantov pri tvorbe modelu je nutné poukázať aj na problematiku negrafických informácií – nazývaných tiež parametre či atribúty. Podľa [1] je pritom preukázané, že „s využitím BIM môže správne narábanie s informáciami o stavbe viesť k podstatným úsporám a to od návrhu cez výstavbu až po údržbu“.

Celkovo sa podľa [2] odhaduje, že „širšie využitie BIM povedie k 15- až 25-percentným úsporám v rámci globálneho infraštrukturálneho trhu do roku 2025“. Dôležitá je zároveň správna integrácia odborníkov v čase. Skúsenosti zo zahraničia naznačujú, že facility manažér môže napomôcť už vo fáze projektovej prípravy. Tým sa dá ovplyvniť až 80 % budúcich prevádzkových nákladov.

Aktívna spolupráca

Je preto nevyhnutné, aby medzi projektovým tímom, zástupcom zhotoviteľa a facility manažérom prebiehala aktívna spolupráca. Ak si predstavíme ideálny stav, mali by byť energetické simulácie a nástroje na BIM projektovanie tak dobre integrované, že zakaždým, keď projektant presunie stenu, pridá okno alebo zmení špecifikáciu osvetlenia, mala by sa energetická náročnosť budovy okamžite aktualizovať.

S takýmto druhom real-time spätnej väzby by sa z projektantov stali rýchlo skúsení odborníci v optimalizácii energetickej účinnosti. Nové budovy by sa nezadržateľne rýchlo blížili nielen k nulovej spotrebe, ale aj k uhlíkovej neutralite.

Samozrejme, z modelu by sa dali využiť ďalšie dáta – vedeli by sme hodnotiť napríklad aj to, ako dobre využívame denné svetlo, aký bude mať použitý materiál vplyv na planétu a koľko presne bude stavba stáť. Integrované systémy zohrávajú významnú úlohu v priebehu celého životného cyklu stavby.

Ak ide o integráciu a plynulý prenos informácií počas fáz projektu, je nevyhnutné, aby BIM prijali všetky zúčastnené strany. Aby však bolo možné plne využívať výhody prístupu BIM, je potrebné zabezpečiť interoperabilitu a výmenu informácií medzi nimi a to už od počiatočných fáz návrhu.

BIM

Informačné modelovanie stavieb je proces vývoja a použitia virtuálneho dátového modelu, ktorý nielen dokumentuje architektonický návrh, ale simuluje výstavbu a prevádzku nového alebo obnovovaného objektu.

Výsledný virtuálny model je dátovo bohatá, objektovo orientovaná, inteligentná a parametricky digitálna reprezentácia objektu, z ktorého sa môžu získať informácie zodpovedajúce rôznym potrebám užívateľov a tie sa môžu analyzovať kvôli vytvoreniu spätnej väzby a zlepšovaniu návrhu objektu.

BIM je preto vhodný nástroj pri demonštrovaní kompletného životného cyklu stavby, kde sa menia zloženie pracovného tímu a zároveň čas, v ktorom jednotliví účastníci vstupujú do procesu. V stavebnom priemysle spôsobuje BIM zásadnú zmenu.

Tá efektívnym narábaním s informáciami prispieva ku kvalitnejšiemu projektu, k šetreniu času výstavby, podporuje precíznejší priebeh výstavby, jednoduchšiu kontrolu a najmä prispieva k znižovaniu prevádzkových nákladov.

Predpokladáme tiež, že pri využití virtuálneho modelu je možné kontrolu vyhotovenia konštrukcií z hľadiska ich rozmerov a polohy automatizovať. Informačný model, resp. BIM model, sa z pohľadu dát skladá z troch častí. Môžeme ho charakterizovať ako kombináciu grafických a negrafických dát, resp. informácií a dokumentov týkajúcich sa stavebného projektu.

Negrafické informácie

Aby bol BIM úplný, všetky tieto informácie sú potrebné pre každý výrobok, produkt, materiál a systém navrhnutý v projekte. Vnímanie informačného modelu cez geometriu je nepochopením princípov parametrického modelovania.

V praxi sa stretávame s orientáciou na geometrickú podrobnosť (často označovanú ako LOD/Level of Detail, pojem prevzatý z americkej špecifikácie). V zmysle platnej európskej normy je správne označenie LoG (úroveň geometrickej podrobnosti – Level of Geometry). Ale centrom záujmu pre efektívnu správu a prevádzku aktív sú práve negrafické informácie niekedy označované aj ako parametre.

Norma ich označuje ako LoI, pričom tieto parametre opisujú úroveň podrobnosti informácií (Level of Information) s dôvetkom, že má ísť o zmysluplné údaje. Geometrická a informačná podrobnosť tvoria spolu úroveň potreby informácií – rámec, ktorý definuje rozsah a podrobnosť informácií. Jeden z cieľov definovania úrovne potreby informácií je zabrániť odovzdávaniu príliš veľkého množstva informácií.

Interoperabilita

Jednotlivé softvérové aplikácie určené na BIM projektovanie ukladajú informácie primárne v ich natívnych formátoch, čo predstavuje nemalú výzvu v digitálnom svete stavebného priemyslu. Aby bolo možné sprístupniť informácie všetkým účastníkom projektu počas celého životného cyklu, musia softvérové aplikácie umožniť a zabezpečiť spoľahlivú výmenu dát.

Interoperabilita vyjadruje vlastnosť produktu alebo systému komunikovať a pracovať s ďalšími produktmi či systémami bez akéhokoľvek obmedzenia. Dalo by sa tiež povedať, že je to schopnosť systému alebo produktu pracovať s inými systémami alebo produktmi. A to bez toho, aby používateľ musel na to vynaložiť zvláštnu námahu.

Aj keď je samotná interoperabilita základnou požiadavkou BIM, môžeme podľa [5] konštatovať, že „výmena modelov a ďalších dát medzi rôznymi softvérovými platformami zostáva jednou z najväčších výziev priemyslu na ceste k plne integrovanej spolupráci projektových tímov“. Efektívna interoperabilita si vyžaduje nielen súbor štandardov, ale aj správnu implementáciu.

Samozrejme, interoperabilitu je možné dosiahnuť aj bez štandardizácie. Ale jedine za predpokladu akceptácie toho, že sa každý projekt bude riadiť jeho vlastnými pravidlami. V súčasnosti, keď sa kladie veľký dôraz na efektívnosť a správne narábanie s dátami v životnom cykle stavby, je takýto stav neprípustný.

Správa dokumentov a komunikácia

BIM je charakteristický medziodborovou spoluprácou a kvôli tomu sa môže využiť spoločné dátové prostredie CDE (angl. Common Data Environment). Je v zmysle normy definované ako dohodnutý zdroj informácií pre každý daný projekt alebo aktívum na zber, správu a šírenie jednotlivých informačných kontajnerov pomocou riadeného procesu.

Nie je to však len virtuálny zdieľaný priečinok, umožňuje komunikáciu o akejkoľvek súčasti modelu, resp. stavby. V oblasti energetického modelovania je táto forma komunikácie veľmi prínosná. Umožňuje rýchly prístup k informáciám, prípadne k vzneseniu požiadavky na dodanie informácií.

Building energy Modeling (BeM)

BIM model je vo svojej podstate dátový model budovy, ktorý obsahuje všetky informácie o konštrukciách, prvkoch a ich parametroch. Cieľom BIM však nie je vytvoriť samotný model, ale zložiť úplné, spoľahlivé, dostupné a ľahko vymeniteľné informácie o budovanom objekte pre každého, kto ich bude počas celého životného cyklu objektu potrebovať.

Cieľom energetického manažmentu je zabezpečiť energetické hospodárstvo v súlade s platnými právnymi predpismi a s primeranými nákladmi. V tomto procese je z pohľadu projektanta nevyhnutné optimalizovať spotrebu energie počas prevádzky. A keďže budovy prevádzkujeme po desaťročia, má optimalizácia významný a priamy vplyv na výšku prevádzkových nákladov.

V tradičnom prístupe založenom na CAD (angl. Computer Aided Design) nie je možné prácu automazovať, z pohľadu dodávateľa takéhoto projektu tvoria podstatu práce analýza projektu a prácne získavanie podkladov k jednotlivým parametrom a fyzikálnym vlastnostiam materiálov, resp. prvkov.

Značnú časť práce teda pri vypracovávaní posudkov a analýz zameraných na energetické hodnotenie budov tvorí množstvo manuálnych operácií v súvislosti so získaním technických údajov, špecifikácií a parametrov jednotlivých prvkov a konštrukcií.

Z hľadiska hodnotenia požadovanej kvalifikácie na takéto úkony môžeme rozhodne označiť takúto prácu ako neproduktívny čas, pričom zo zahraničných štúdií vyplýva, že v určitých prípadoch tvorí čas strávený štúdiom projektu a hľadaním podkladov až 90 % a vypracovanie samotného posudku len 10 % z celkového času.

BIM ako podklad pre BEM

S nástupom informačného modelovania stavieb je jednoznačne možné eliminovať manuálnu prácu a prispieť tak nielen k zvýšeniu efektivity celého procesu, ale aj sa dostať k presnejším podkladom pre odborné rozhodnutia. Už pri zadávaní projektu je nutné počítať s využitím BIM ako podkladu pre BEM.

Má to vplyv najmä na čas, ktorý je potrebný na následnú korekciu a prispôsobenia modelu. Ak máme konštrukcie vymodelované správne, je možné v špecializovanom softvéri riešiť efektívne faktor tvaru, preslnenie, primárne energie, prípadne analyzovať tepelno-technické vlastnosti. Dôležité je, aby prebehla kontrola jednotlivých zón (angl. Space) a ich správneho napojenia.

Chybné napojenia je možné vyhľadať automatizovane. Zónam sa pridávajú charakteristické informácie o operačných profiloch na základe typu miestnosti – ide o prevádzkový čas, počet ľudí (napr. tepelné zisky od ľudí), typy svietidiel – a zároveň potrebné informácie o teplotnom profile, čím sa nastavia okrajové podmienky pre kúrenie a chladenie.

Problém pri riešení energetického manažmentu prináša aj spôsob tvorby konštrukcií, teda či bola konštrukcia vytvorená vo vrstvách (sendvič). V tomto prípade je nutné manuálne upraviť U hodnotu celej konštrukcie. Túto požiadavku je vhodné formulovať už vo vykonávacom projekte pre BIM, v tzv. BEP (angl. BIM Execution Plan).

Správnym umiestnením stavby na konkrétne miesto na zemskom povrchu umožníme hodnotiť geologické pomery a bezprostredné prostredie okolia stavby (vysoké budovy, les, rybník atď.) a integrovať digitálny priebeh teploty, vlhkosti, vetra a slnečnej energie (obr. 3 až 6).

Do softvérového prostredia sa ďalej zahrnú informácie o primárnom zdroji energie, resp. jeho percentuálnom rozložení. To umožňuje riešiť pomocou cien energií simuláciu spotreby. Informácie z konštrukcií je tiež možné použiť na rôzne účely vrátane posudzovania vplyvu CO2. Ale hlavným dôvodom a cieľom sú výsledná optimalizácia a porovnanie výkonu pri zmene vlastností modelu.

Záver

Digitalizácia dát umožňuje vo všeobecnosti nielen rýchlejšie narábanie s informáciami, ale významne redukuje možnosť chýb. Virtuálny model sa dá využiť pri získavaní presnejších elektronických podkladov. Tie umožňujú rýchlejšiu a spoľahlivejšiu identifikáciu možných problémov a poskytnú spoľahlivý zdroj informácií.

Všetky informácie je možné získať priamo z modelu. Nie je nutné prácne dohľadávať informácie o konštrukciách v jednotlivých výkresoch, technických správach alebo v stavebnom denníku. BIM sa na našom trhu v rôznych podobách a úrovniach používa už niekoľko rokov. Určitým spôsobom poskytuje formálny rámec na to, ako majú jednotlivé organizácie definovať, vymieňať, zdieľať a uchovávať údaje o stavbách.

Dôležité je však pritom zabezpečiť, aby mala správna osoba správne informácie v správnom čase a – v neposlednom rade – v správnom formáte. Všetky informácie, ktoré vkladá projektant do virtuálneho modelu pomocou inteligentných objektov, je možné následne využiť v procese tvorby energetických analýz a optimalizácie.

Korektne vytvorené objekty sú základom možnej automatizácie celého procesu, jednoduchého zapracovávania zmien a posudzovania rôznych variantov s cieľom znížiť energetickú náročnosť budovy a zjednodušiť jej prevádzku. Preto je nutné, aby investor v spolupráci s projektantom formuloval v rámci vykonávacieho projektu správne požiadavky na tvorbu informačného modelu.

Tento článok vznikol vďaka podpore Vedeckej grantovej agentúry Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky a Slovenskej akadémie vied pre projekt VEGA-1/0506/18.

Literatúra

1. CIFE. (November 22, 2007). CIFE Technical Reports [WWW document] URL http://cife. stanford.edu/Publications/index.html.
2. BCG (The Boston Consulting Group)‘Digital in Engineering and Construction: The Transformative Power of Building Information Modeling’ 2016.
3. STN EN ISO 19650-1 Organizácia informácií o stavbách. Manažment informácií s využitím informačného modelovania stavieb (BIM). Časť 1: Pojmy a princípy (ISO 19650-1: 2018).
4. STN EN ISO 19650-2 Organizácia informácií o stavbách. Manažment informácií s využitím informačného modelovania stavieb (BIM). Časť 2: Fáza dodania aktív (ISO 19650-2: 2018).
5. Funtík, T. a kol.: Building Information Modeling, Vydavateľstvo Eurostav, Bratislava, 2018.
6. Smith, Dana K. – Tardif, M.: Building Information Modeling, A Strategic Implementation Guide, Published by John Wiley & Sons, Inc. New Jersey 2009.
7. Eastman, Ch.: (2009) BIM Handbook, Johny Wiley & Sonc, Inc.
8. Khemlani, L.: The CIS/2 Format: Another AEC Interoperability Standard [online], In: AECbytes „Building the Future“. [July 27, 2005]. Dostupné na: http://www.aecbytes.com/buildingthefuture/2005/CIS2format. html.
9. Švajlenka, J. – Kozlovská, M.: Effect of accumulation elements on the energy consumption of wood constructions, Energy and Buildings, Volume 198, 1 September 2019, Pages 160 – 169, Elsevier.
10. Mesároš, P. – Mandičák, T. – Spišáková, M.: Sustainability trough bim technology in construction industry, International Multidisciplinary Scientic GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, 18(6.4), pp. 531 – 536.
11. Hendrickson, Ch.: (2008) Project Management for Construction, Edition 2.2.