Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ применения информационного моделирования и верификации его результатов в архитектурно-строительном проектировании 12
1.1 Анализ применения информационного моделирования в архитектурно строительном проектировании 12
1.2 Особенности проведения экспертизы проектной документации в Российской Федерации 18
1.3 Анализ международного опыта верификации информационных моделей строительных объектов 22
1.4 Повышение качества проектной документации за счет верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил 46
1.5 Выводы по главе 1 51
Глава 2. Методологические основы верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил 55
2.1 Методология представления и обмена данными информационных моделей, используемая для проведения верификации 55
2.2 Методологические основы представления и обмена требованиями к информационным моделям 61
2.3 Выводы по главе 2 79
Глава 3. Верификация информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил 80
3.1 Разработка классификации проверок информационных моделей строительных объектов 80
3.2 Алгоритм формирования правил верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил 86
3.3 Методика верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил 96
3.4 Выводы по главе 3 103
Глава 4. Практика верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил 105
4.1 Практическая апробация методики верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил 105
4.2 Перспективные направления дальнейших исследований 117
4.3 Выводы по главе 4 117
Заключение 121
Список сокращений и условных обозначений 125
Словарь терминов 126
Список литературы 127
- Особенности проведения экспертизы проектной документации в Российской Федерации
- Методология представления и обмена данными информационных моделей, используемая для проведения верификации
- Разработка классификации проверок информационных моделей строительных объектов
- Практическая апробация методики верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил
Особенности проведения экспертизы проектной документации в Российской Федерации
Как показал анализ, проведенный в предыдущем разделе, информационное моделирование может быть использовано для решения множества задач на различных этапах жизненного цикла строительного объекта, в том числе и на этапе экспертизы проектной документации. В данном разделе будет рассмотрен существующих подход к организации и проведению экспертизы проектной документации в Российской Федерации.
Согласно ГрК РФ, до начала строительных работ проектная документация объектов капитального строительства и результаты инженерных изысканий, выполненных для её подготовки, должны пройти процедуру экспертизы, за исключением объектов, перечень которых приведен в Статье 49 ГрК РФ. [4, 43]
Проектная документация ряда объектов, критерии которых определены в ГрК РФ, подлежит обязательной государственной экспертизе, которая выполняется федеральным органом исполнительной власти или подведомственным ему государственным учреждением. К таким объектам, к примеру, относятся те, строительство которых планируется осуществлять на территории нескольких субъектов РФ. Одним из учреждений, осуществляющих их экспертизу, в настоящее время является подчиненное Министерству строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации Федеральное автономное учреждение «Главное управление государственной экспертизы». [4, 44]
Для иных объектов капитального строительства государственная экспертиза выполняется органом исполнительной власти субъекта РФ или подведомственным ему государственным учреждением. Так, для города федерального значения Москвы такой организацией является Государственное автономное учреждение города Москвы «Московская государственная экспертиза» (Мосгосэкспертиза), подведомственная Комитету города Москвы по ценовой политике в строительстве и государственной экспертизе проектов. [4, 45] Нормативный срок проведения государственной экспертизы составляет 42 дня.
Согласно [4] негосударственная экспертиза проектной документации может проводиться лицами, аккредитованными на право её проведения. Требования к таким лицам установлены Статьей 50 ГрК РФ.
Экспертиза проектной документации представляет собой оценку соответствия проектной документации требованиям технических регламентов (ТР). [4] Как установлено в [46], регламентом определяются обязательные требования к продукции.
Основным регламентом в строительстве является Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [47]. Для его выполнения ряд национальных стандартов и сводов правил должен применяться на обязательной основе. Их состав определен Перечнем национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», который утверждён Постановлением Правительства РФ от 26.12.2014 № 1521. В данном перечне находятся 3 межгосударственных стандарта (ГОСТ), 1 национальный стандарт (ГОСТ Р) и 73 Свода правил (СП). [47, 48, 49]
Ряд документов по стандартизации применяются на добровольной основе. Они входят в Перечень документов в области стандартизации, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (утверждён Приказом Росстандарта от 30.03.2015 № 365). В данном перечне находятся: 118 межгосударственных стандартов (ГОСТ), 38 национальных стандартов (ГОСТ Р) и 189 Сводов правил (СП). [47, 48, 50]
В случае, если в национальных стандартах и сводах правил не определены требования надежности и безопасности или необходимы отступления от установленных в них требований, выполняется разработка и согласование специальных технических условий (СТУ), по которым будет осуществляться проектирование и строительство объекта. [47, 48]
Схема, отражающая взаимосвязь основных документов технического регулирования в строительстве, представлена на рисунке 1.1.
Публикацию вновь утвержденных национальных стандартов и сводов правил согласно [46] и [53], выполняет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии («Росстандарт») на своем официальном сайте, расположенном по адресу www.gost.ru, а также устанавливает правила их распространения. Согласно [54] стандарты должны быть опубликованы в течение 30 дней после их утверждения и находятся в свободном бесплатном доступе на сайте «Росстандарта» в течение года. Документы, размещенные там, представляют собой отсканированные копии оригиналов.
Параллельно с официальным опубликованием, электронные тесты стандартов загружаются в различные негосударственные системы, такие как информационно-справочная система «Техэксперт» (ИСС «Техэксперт»), справочная правовая система «КонсультантПлюс» и многие другие. Создание и функционирование подобных систем не противоречит законодательству Российской Федерации. [55]
Технология экспертизы проектной документации подразумевает анализ текстовой и графической информации, представленной двумерными чертежами и схемами, специалистами на предмет соответствия стандартам и сводам правил, которые представлены в виде скан-копий или электронного человекочитаемого текста. Другой способ экспертизы при использовании описанных форматов проектной и нормативной документации невозможен. Однако появление и распространение технологии информационного моделирования дало возможность получать иную форму представления информации о строительном объекте. В отличие от чертежей, которые состоят из графических примитивов, информационная модель здания или сооружения состоит из отдельных строительных элементов, имеющих наборы атрибутов, характеризующие их. В таком виде появляется возможность получить данные об объекте в машиночитаемом формате, а значит и произвести их автоматизированную обработку. С учетом этих фактов, у специалистов строительной отрасли возникло понимание возможности реализации автоматизированной экспертизы результатов проектирования [56], что привело к введению информационной модели как одной из форм подачи проектной документации на экспертизу [4]. Однако, для ее осуществления, стандарты, соответствие которым оценивается в процессе экспертизы, также должны быть переведены в машиночитаемый формат. [57] Исследования, посвященные вопросу автоматизированной проверки информационных моделей, уже некоторое время выполняются специалистами из разных стран и будут рассмотрены в следующем разделе.
Методология представления и обмена данными информационных моделей, используемая для проведения верификации
Для выполнения автоматизированной верификации проектной документации, как было сказано ранее, необходимо ее представление в машиночитаемом формате, которым является информационная модель. Однако каждая программа информационного моделирования имеет свой проприетарный формат хранения данных о проектируемом объекте. Данная ситуация обуславливает необходимость обеспечения интероперабельности, то есть способности двух или более информационных систем или компонентов к обмену информацией и использованию информации, полученной в результате обмена. [40] Наиболее перспективным c этой точки зрения является использование открытых стандартов для обмена данными информационных моделей, которым в настоящее время является IFC (Industry Foundation Classes, Отраслевые Базовые Классы).
Стандарт IFC был подготовлен и поддерживается Национальным альянсом по интероперабельности (англ. International Alliance for Interoperability, IAI), который в 2005 году был переименован в buildingSMART. В настоящее время IFC является стандартом для обмена данными и интеграции в строительной отрасли, утвержденным на международном уровне в рамках деятельности организации ISO. [117, 118, 119, 120] Более того, на государственном уровне была выпущена русскоязычная версия данного стандарта. [121]
Формат IFC основывается языке язык EXPRESS, разработанном Международной организацией по стандартизации в рамках реализации стандарта STEP (STandard for the Exchange of Product Model Data – стандарт обмена данными модели изделия). Язык EXPRESS был создан для моделирования продуктов в достаточно широком спектре отраслей, в том числе и строительной.
Схема данных IFC состоит их четырех понятийных уровней, которые определяют сущности – классы информации, имеющие общие атрибуты и ограничения. Нижний уровень (уровень ресурсов) является основным понятийным уровнем и представляет собой совокупность всех вариантов схем, содержащих определения ресурсов. Основной уровень состоит из схемы ядра и схем расширения основного понятийного уровня, содержащих наиболее общие определения сущностей. На уровне функциональной совместимости содержатся схемы, определяющие применяемые в нескольких дисциплинах сущности конкретных универсальных типов изделий, процессов или детализаций ресурсов. Верхний уровень (уровень функциональных областей) состоит из схем данных, содержащих определения сущностей, являющихся детализациями изделий, процессов или ресурсов, относящихся к определенной сфере или области строительной отрасли. [121]
Концептуальная организация сущностей IFC представлена на рисунке 2.1.
Информация о свойствах представлена в схеме IFC в виде так называемых наборов свойств (property-sets или p-sets). В отдельные наборы выделены количественные параметры (quantity-sets). Существуют готовые наборы свойств и количественных параметров для различных типов объектов. [117, 122] Помимо этого, IFC поддерживает разработку и использование пользовательских наборов свойств для тех или иных задач. Публикация стандарта IFC осуществляется через официальный сайт buildingSMART [123], на котором сущности сгруппированы в соответствии с описанной концептуальной схемой как показано на рисунке 2.2.
При этом, после выбора соответствующего уровня схемы, на панели слева становятся доступны все элементы, относящиеся к нему, их описание, а также спецификация на языке EXPRESS, как показано на рисунке 2.3. Файл IFC может быть открыт при помощи текстового редактора и представляет собой перечень сущностей, отношений и свойств с их уникальными идентификаторами, как показано на рисунке 2.4. После названия сущности в скобках указываются либо сами значения атрибутов, либо ссылки на уникальные идентификаторы сущностей, отношений и свойств. Цепочки, которые образуются путем перехода по указанным ссылкам, условно можно разделить на три группы: описание геометрии элемента и его положения в пространстве; описание самого элемента и его свойств; описание причастности элемента к другим элементам. Таким образом, можно сделать вывод, что формат IFC предоставляет информацию о проектируемом объекте в виде машиночитаемого текста.
Формат IFC в настоящее время стал стандартом обмена информационными моделями строительных объектов и, скорее всего, его позиции будут постоянно укрепляться за счет широкого внедрения в приложения и устранения текущих недостатков. [117] Кроме того, как показал анализ существующих инициатив по верификации, проведенный в первой главе, именно модели в формате IFC в большинстве случаев поставляются на проверку. Выбор формата IFC в качестве входных данных для проверки обусловлен его открытостью, расширяемостью и широкими возможностями по передаче информации, содержащейся в модели. Благодаря этим особенностям, на данный момент IFC практически не имеет аналогов для задач верификации.
Разработка классификации проверок информационных моделей строительных объектов
Перед непосредственной разработкой методики верификации информационных моделей строительных объектов и лежащего в ее основе алгоритма, необходимо определить тот объем проверок, который может быть предусмотрен для них.
Для представления структуры проверок информационных моделей была разработана соответствующая классификация, теоретическим обоснованием которой является обзор, проведенный в первой главе, в качестве инструмента же был использован фасетный метод классификации. Достоинством данного метода является его гибкость, которая обусловлена тем, что изменения в одном из фасетов не оказывает существенного влияния на остальные, кроме того, возможно добавление новых фасетов. Это особенно важно, учитывая, что исследования в области систем верификации не имеют завершенного характера и активно продолжаются, в связи с чем классификация может быть дополнена или скорректирована.
Для классификации проверок информационных моделей было определено пять признаков, на основании которых были сформированы соответствующие фасеты, представленные на рисунке 3.1.
Фасет «Предмет проверки» (Ф1)
Полнота модели
Под полнотой информационной модели строительного объекта понимается наличие в ней определенных элементов, свойств и заполненность последних. Модель должна обеспечивать возможность выполнения проверки всего объема предусмотренных для нее требований, то есть содержать все элементы и атрибуты, указанные в правилах проверки. Этот тип проверки также часто называют проверкой на верификационный минимум.
Кроме того, модель должна быть полной с точки зрения требований к составу проектной документации.
Состав проектной документации определяется Постановлением Правительства РФ №87 [5]. Стоит отметить, что Постановлением устанавливаются требования именно к проектной документации, а не к информационным моделям как результатам проектирования. С другой стороны, многие разделы проектной документации генерируются на базе информационной модели строительного объекта. Кроме того, требования к информационным моделям присутствуют в СП 301.1325800.2017 «Информационное моделирование в строительстве. Правила организации работ производственно-техническими отделами» [38]. В будущем, при условии, что проектная документация будет поступать на экспертизу в виде информационной модели, содержание Постановления должно коррелировать с требованиями к информационной модели, установленными другими стандартами.
Качество модели
Под качеством информационной модели понимается соответствие представленных в ней фактических значений атрибутов и отношений между элементами, формальным, установленным в требованиях.
Фасет «Источник требований» (Ф2)
Требования нормативных документов
Данные требования формируются на основании официально утвержденных стандартов страны, в которой осуществляется проектирование.
Учитывая особенности системы стандартизации Российской Федерации, можно выделить следующие группы проверок данного вида:
- проверка на соответствие национальным стандартам РФ, в том числе введенным в качестве национальных межгосударственным, региональным и международным стандартам (ГОСТ Р и ГОСТ);
- проверка на соответствие сводам правил по проектированию и строительству (СП);
- проверка на соответствие специальным техническим условиям на проектирование и строительство (СТУ).
Требования, основанные на практике по проектированию и строительству, и требования заказчика
В процессе деятельности проектной или строительной организации на основании ее практического опыта могут появляться рекомендации по проектированию зданий и сооружений, которые в дальнейшем могут устанавливаться в качестве требований к информационным моделям вновь строящихся объектов. Кроме того, заказчик может задать собственные дополнительные требования к конкретному реализуемому проекту.
Естественно, требования, полученные на основе опыта организации, и требования, определенные заказчиком, не должны противоречить нормативной документации.
Требования на базе рекомендательных стандартов
В последние годы появилось значительное число рекомендательных требований, в большей степени связанных с влиянием строительного объекта на окружающую среду. К подобным нормативам относятся LEED (Leadership in Energy and Environmental Design – Руководство по энергоэффективному и экологическому проектированию), BREEAM (BRE Environmental Assessment Method – Метод оценки экологической эффективности зданий) и DGNB (Deutsche Gesellschaft fr Nachhaltiges Bauen – Немецкий Совет по Устойчивому Строительству), призванные мотивировать строительство зданий, соответствующих концепциям экологичности, энергоэффективности и устойчивого развития.
Несомненно, верификация модели на соответствие обязательных к соблюдению нормативных документов является первостепенной задачей, но, в скором времени данный подход будет актуален и в области «зеленых» и прочих стандартов.
Фасет «Диапазон применимости» (Ф3)
Диапазон применимости определяется источником требований.
Так, для того чтобы установить, на какие объекты распространяется действие требований нормативного документа, необходимо проанализировать его область применения. В данном разделе стандарта указывается, может ли он применяться ко всем зданиям и сооружениям или имеются ограничения на этот счет.
В свою очередь, рекомендации, разработанные на основе практики проектирования и строительства, так же могут касаться либо всех объектов, либо какого-то определенного типа здания, например, больницы или здания суда, если организация специализируется на их проектировании или строительстве.
Правила для конкретного проекта здания как правило связаны с помещениями, перемещениями, эргономичной компоновкой и особенностями местоположения объекта и устанавливаются заказчиком или проектной фирмой.
Фасет «Тип проверяемой информации» (Ф4)
Геометрическая информация
К верификации геометрической информации относятся проверки на отсутствие пересечений элементов модели (коллизий) или нестыковок (завышенные расстояния между элементами), а также требования нормативных документов, связанные с оценкой размеров, площадей, объемов.
Необходимость проверки на коллизии и нестыковки обусловлена возможностью выполнения отдельных разделов проектной документации несколькими группами специалистов в различных программных продуктах. При интеграции всех полученных федеративных [148, 149] моделей в сводную [148, 149] зачастую образуются пересечения между элементами, которые принято называть коллизиями, или нестыковки. Данный тип проверок широко реализован в программных продуктах (упомянутые ранее Autodesk Navisworks, Solibri и другие) и, по сути, представляет собой уже решенную задачу.
Практическая апробация методики верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил
Практическая реализация методики верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил достигается за счет создания автоматизированной системы, схема которой представлена на рисунке 4.1.
Подсистема формирования правил и требований.
Автоматизирует процесс создания правил проверки информационных моделей на основании имеющихся текстов нормативных документов. Формирует и хранит базу правил. На основе правил автоматически генерирует требования к наполнению информационной модели.
Подсистема получения списков требований к наполнению.
Выводит перечень элементов модели и их атрибутов, подлежащих проверке, либо для выбранного пользователем стандарта, либо из всей базы стандартов для указанного пользователем типа объекта и этапа жизненного цикла.
Подсистема предварительной проверки.
Автоматизирует проверку информационной модели на полноту, то есть на наличие необходимых для основной проверки элементов и атрибутов, и правильность заполненные последних. Может проводиться для конкретного стандарта, или для всех стандартов, соответствующих указанному пользователем типу объекта или этапу жизненного цикла.
Подсистема формирования списков правил.
Позволяет сформировать список правил для проверки, исходя из типа и этапа жизненного цикла объекта.
Подсистема верификации.
В автоматизированном режиме выполняет сопоставление фактических данных модели с нормируемыми значениями. Выводит дополнительные атрибуты и представления информационной модели. Принимает решение о выполнении или невыполнении правила.
Подсистема генерации отчетности.
Выводит результаты верификации с указанием, какие положения были выполнены, а какие нет и элементов, содержащих нарушения. Позволяет пользователю ознакомиться текстом положения. Отображает нарушения непосредственно на модели объекта.
Ключевой подсистемой, определяющей отличие данной системы от всех имеющихся, является подсистема формирования правил проверки, основанная на алгоритме, представленном в третей главе диссертационного исследования.
Программная реализация алгоритма формирования правил верификации информационных моделей строительных объектов на основе языка моделирования правил на данном этапе исследования достигается за счет совместного применения синтаксического анализатора (парсера) и специальной программной подсистемы формирования правил.
В результате анализа был сделан вывод, что большая часть существующих парсеров не предназначена для работы с русским языком, а те, что имеют такую возможность, являются закрытыми коммерческими системами.
Поэтому при выборе синтаксического анализатора учитывались следующие основные требования:
- использование в парсере модели синтаксической структуры, основанной на грамматике зависимостей, так как она считается наиболее подходящей для работы с русским языком;
- открытость для машинного обучения работе с русским языком.
Для дальнейшей работы был выбран подходящий под указанные требования MaltParser. Такой анализатор позволяет получить синтаксическое дерево предложения, в котором слова связаны ориентированными дугами, обозначающими синтаксическое подчинение. Обучение парсера происходит на коллекции текстов с уже размеченной синтаксической структурой.
Результаты синтаксического анализа переносятся в специальную программную подсистему, где при необходимости корректируются. Ее особенности таковы, что для создания правил в ней не требуется привлечение программиста, и они могут формироваться непосредственно специалистом в области конкретного стандарта, который обладает наиболее полным представлением, о том, как его нужно трактовать. Для полноты картины стоит отметить, что существуют готовые инструменты для разметки текста, рекомендуемые организацией RuleML (например, Lime), которые, однако некачественно русифицированы и имеют сложный для восприятия интерфейс, поэтому создание собственной программной подсистемы является оправданным.
Алгоритм формирования правил верификации информационных моделей строительных объектов и его программная реализация были опробованы для получения правил на основе текста стандарта СП 54.13330.2016 «Здания жилые многоквартирные». Стандарт содержит 131 положение, из которых было получено 349 требований. В результате проделанной работы можно сделать вывод, что весь объем требований, содержащихся в стандарте, можно разделить на пять основных групп:
- требования, преобразуемые в машиночитаемые правила;
- требования, которые неоднозначно трактуются;
- требования, проверка которых не представляется возможной в автоматизированном режиме на основе информационной модели;
- информативные положения, которые не содержат требований; требования, которые содержат ссылки на другие стандарты, задание на проектирование или прочие документы.
Наибольшую долю составляют положения, относящиеся к первой группе. При этом, проще всего алгоритмом обрабатываются данные, имеющие табличное представление. При существующей синтаксической структуре положений стандартов возможна организация их формализации в автоматизированном, но не автоматическом режиме. Статистика положений стандарта СП 54.13330.2016 «Здания жилые многоквартирные» по выявленным группам представлена на рисунке 4.2.