Разработка модуля автоматического сопоставления чертежей с ЦИМ

На данном этапе развития строительная отрасль в России проходит процесс цифровизации. Постоянно выпускаются национальные стандарты, например предназначенных облегчить интероперабельность программных средств, используемых на всех этапах жизненного цикла здания. Ключевой проблемой этого процесса является необученность проектировщиков для работы с цифровыми моделями зданий, как следствие – низкое качество подготавливаемых моделей. Из-за этого происходит большой разрыв между графической частью проектной документации и моделями, на основании которых чертежи должны формироваться.

Целью данной работы является описание разработанного инструмента для верификации чертежей с цифровой информационной моделью зданий. Инструмент является одной из функций интегральной оценки качества проектной документации, созданной на основании цифровой информационной модели.

Цель исследования. Разработка и описание модуля автоматического сопоставления чертежей с цифровой информационной моделью.

Задачи исследования.

1. Проанализировать существующую нормативно-правовую базу, регулирующую необходимость верификации  проектной документации с цифровыми моделями зданий.
2. Проанализировать существующие подходы к верификации проектной документации с цифровыми моделями зданий.
3. Сформировать гипотезу и требования к программному обеспечению, позволяющему оптимизировать процесс верификации.
4. Обозначить актуальность предлагаемого решения на основании существующих исследований по эффективности работы с цифровыми информационными моделями зданий.
5. Разработать архитектуру и алгоритм работы модуля, встраиваемого в САПР-систему Revit для работы в ПО BIMIT
6. Оценить результат и обозначить перспективы развития модуля.

Существующая нормативно правовая база, регулирующая необходимость верификации проектной документации с цифровыми моделями зданий. Переход строительной отрасли России на технологии информационного моделирования (BIM) — это общемировой тренд, направленный на повышение качества, сокращение сроков и стоимости строительства. Ключевым элементом этого процесса является цифровая информационная модель здания или сооружения. Однако ее использование невозможно без четкой регламентации. В России формирование нормативно-правовой базы, регулирующей необходимость верификации (проверки и сверки) традиционной проектной документации с цифровыми моделями, находится на активной стадии развития.

Несмотря на отсутствие прямых нормативных требований по верификации цифровых информационных моделей зданий с чертежами, правовая база уже содержит ряд важных положений, которые создают основу для этого процесса:

1. ПНСТ 909-2024 «Требование к цифровым информационным моделям объектов непроизводственного назначения. Часть 1. Жилые здания». Национальный стандарт позволит систематизировать и стандартизировать требования к цифровым информационным моделям жилых зданий. Автоматизация обработки данных из создаваемых цифровых информационных моделей позволит соблюсти требования законодательства и решить прикладные задачи: быстрее подготавливать проектную и рабочую документацию, заполнять ведомости строительных материалов, проводить работу с другими типовыми сценариями применения ТИМ.
2. Постановление Правительства Российской Федерации от 17.05.2024 № 614 «Об утверждении Правил формирования и ведения информационной модели объекта капитального строительства, состава сведений, документов и материалов, включаемых в информационную модель объекта капитального строительства и представляемых в форме электронных документов, и требований к форматам указанных электронных документов». Постановлением определен порядок формирования и ведения информационной модели объектов капитального строительства, в том числе состав сведений, документов и материалов, включаемых в информационную модель объекта капитального строительства и представляемых в форме электронных документов, и требования к форматам указанных электронных документов в являются обязательными к применению в случаях, установленных постановлением Правительства РФ от 05.03.2021 № 331 «Об установлении случаев, при которых застройщиком, техническим заказчиком, лицом, обеспечивающим или осуществляющим подготовку обоснования инвестиций, и (или) лицом, ответственным за эксплуатацию объекта капитального строительства, обеспечиваются формирование и ведение информационной модели объекта капитального строительства».

На сегодняшний день в федеральном законодательстве отсутствует прямая норма, которая бы обязывала застройщика или проектировщика в обязательном порядке создавать и предоставлять на проверку цифровую модель для всех типов объектов. Традиционная бумажная или электронная PDF-документация по-прежнему остается единственным официальным документом, утверждаемым для производства строительно-монтажных работ.

Существующие подходы к верификации чертежей и цифровых информационных моделей и программные продукты, позволяющие это делать. Контроль согласованности выпускаемой графической части в проектной документации с цифровой моделью является важной задачей на заключительных этапах проектирования и проведения экспертизы. Корректная верификация показывает насколько точно собраны ведомости объемов работ, так как становится понятно, собирались объемы с цифровой модели или подсчитывались вручную.

В настоящее время можно выделить два основных существующих подхода решения данной задачи:

1. Ручная верификация

Считается наиболее распространенным и используемым методом. Принцип верификации основывается на визуальном попарном сравнении каждого чертежа (вида, разреза, узла) с соответствующими элементами и сечениями в цифровой информационной модели. Процесс может выполняться проектировщиком, специалистом по контролю качества, экспертом.

Преимущества:

• Не требуется специального программного обеспечения;
• Не требуется наличия компетенций по конкретным программным продуктам, то есть метод доступен всем.

Недостатки:

• Высокая трудоемкость и стоимость;
• Низкая скорость проверки;
• Влияние человеческого фактора, возможность упустить ошибки;
• Неполнота проверки;
• Сложность систематизации данных, сложность фиксирования и дальнейшей аналитики проверенных узлов, планов, сечений.

2. Верификация через САПР систему

Метод такого контроля используется редко. В этом случае у совершающего сопоставление чертежей с цифровой информационной моделью должны быть достаточные компетенции для работы в САПР-системе. Должно быть установлено необходимое программное обеспечение. Экспертиза же не получается файлы в проприетарном формате, а взаимодействует с цифровой информационной моделью через открытый формат IFC.

Преимущества:

• Высокая точность проверки;
• Прозрачность данных для проверки;
• Возможность систематизировать данные.

Недостатки:

• Необходимо установить программное обеспечение;
• Необходимы углубленные знания в ПО;
• Если модель разрабатывалась в иностранном ПО, то организации государственного сектора не могут с ним взаимодействовать.

На данный момент автоматическая верификация 2d чертежей с цифровой информационной моделью реализована в мире только в одном продукте – Швейцарская вендер компания «Revizto». Revizto  — платформа для совместной работы и координации проектных данных, ориентированная на визуализацию и управление информацией в строительстве и проектировании.

Revizto не является узкоспециализированным инструментом для автоматического сопоставления, как описано в нашей гипотезе. Его подход основан на интеграции и визуализации, что решает проблему рассогласований косвенно.

Гипотеза и требования к программному обеспечению, позволяющему оптимизировать процесс верификации цифровой информационной модели здания с чертежами. Гипотеза: Создание специализированного алгоритма автоматического сопоставления, основанного на компьютерном зрении и анализе семантических данных, позволит в автоматическом режиме с точностью не менее 95% выявлять и классифицировать рассогласования между векторными элементами чертежей и объектами цифровой информационной модели.

Ключевые положения:

1. Распознавание контекста: Алгоритм способен отличать несущие конструкции от отделочных элементов на основе анализа веса линий, типов штриховки и пространственного положения
2. Иерархия проверок: Система реализует многоуровневую верификацию — от грубого позиционирования до точного параметрического сравнения
3. Адаптивное обучение: Механизм машинного обучения позволяет системе улучшать точность распознавания на основе предыдущих проверок

Функциональные требования

1. Распознавание и парсинг чертежей

• автоматическое определение масштаба и системы координат чертежа- распознавание слоев (layers) и их семантического назначения
• классификация векторных примитивов (линии, дуги, сплайны) по типам строительных элементов
• извлечение текстовых аннотаций и их привязка к графическим элементам

2. Сопоставление геометрии

• сравнение контуров с допуском ±5 мм в масштабе проекта
• определение соответствия пространственных позиций
• анализ пересечений и коллизий между элементами
• проверка полноты отображения элементов модели на чертежах

3. Верификация атрибутов

• сопоставление маркировок и обозначений
• проверка соответствия материалов и спецификаций
• контроль соблюдения условных обозначений

Технические требования

1. Точность и производительность

• точность распознавания: ≥95%
• время обработки одного листа: < 60 секунд
• поддержка параллельной обработки multiple sheets

2. Алгоритмические требования

• использование R-tree для пространственного индексирования
• реализация алгоритмов computational geometry для сравнения контуров
• применение NLP для анализа текстовых аннотаций

3. Обработка исключений- фиксация частично распознанных элементов

• классификация типов несоответствий по критичности
• генерация рекомендаций по устранению ошибок

Интерфейсные требования

1. Визуализация процесса

• интерактивная карта соответствий/несоответствий
• Heat-map плотности ошибок
• дерево прогресса проверки в реальном времени

2. Настройка параметров

• регулировка чувствительности обнаружения
• настройка весов различных типов проверок
• профили проверки для разных дисциплин (архитектура, КМ, ОВВК)

Метрики успешности реализации:

• полнота охвата: 98% элементов модели должны быть корректно сопоставлены
• точность позиционирования: средняя погрешность ≤ 3 мм
• производительность: обработка типового этажа ≤ 5 минут
• минимизация ложных срабатываний: ≤ 5% от общего числа обнаруженных несоответствий

Такой модуль позволит перевести трудоемкий процесс визуального сравнения в автоматизированный режим с контролируемым качеством результатов.

Актуальность предлагаемого решения на основании существующих исследований по эффективности работы с цифровыми информационными моделями зданий.

Предлагаемое решение по автоматической верификации чертежей с цифровой информационной моделью здания должно быть актуально для всех участников жизненного цикла здания.

Так, в статье «Внедрение цифрового управления проектами строительства и эксплуатации энергоэффективных жилых домов» поднимается тема перехода на цифровые технологии управления в сфере строительства и жилищно-коммунального хозяйства.

При наличии доступа инженеров службы эксплуатации к цифровой информационной моделью, они начинают не просто реагировать на поломки, но и управлять жизненным циклом здания, предсказывать проблемы, оптимизировать затраты и повышать комфорт и безопасность. Это переход от управления бумагами к управлению данными об объекте. Появляется возможность просмотреть конкретный узел из проектной документации расположенный на модели, оценить возможные подходы взаимодействия с узлом в рамках 3д-моделей окружающих конструкций, оборудования, сетей.

В статье «Экономические аспекты внедрения цифрового двойника здания на стадии эксплуатации» рассчитаны и сформулированы обоснования экономической эффективности внедрения технологии цифрового двойника здания в работу управляющих компаний.

статье «Верификация информационной модели здания на этапе перехода от проектной стадии к строительству (от D-BIM к C-BIM)» показаны предпосылки и основные принципы системы проверки с инструментами для проверки моделей. Исследование показывает положительную динамику и необходимость разработки инструментов прозрачной, простой и понятной верификации цифровой информационной моделью.

Разработка первого блока специализированного модуля для верификации чертежей с цифровой информационной моделью в ПО BIMIT.

Обоснование программного комплекса

Исследуем и проанализируем что такое BIM-технологии на примере наиболее востребованной в этой сфере программы — Revit. Этот комплекс создает возможности как для архитектурно-строительного проектирования, так и для проектирования строительных конструкций. В отличии от CAD-систем Revit воспринимает и распознает элементы проекта не как связанные друг с другом линии, а как объемные параметрические объекты. Создавая в программе стену не нужно прочерчивать ее структуру из линий, достаточно выбрать на панели функцию “стена” и найти в предложенном списке стену с необходимыми характеристиками, после, при помощи этой функции можно создавать планы, фасады и объемную модель.

Фактически, проектирование в Revit воспроизводит этапы строительства в той же последовательности. Привычное проектирование с помощью линий уходит на задний план, а создание проекта производится с помощью процесса моделирования.

Revit создает узлы посредством маневрирования 2D и 3D видами или загрузкой их из связанных программ. Что в полной степени дает понимание о наличии взаимосвязей видов, планов и разрезов и реального их расположения в 3D моделе.

Revit характеризуется как часто используемое программного обеспечение, поэтому принять разрабатывать плагин, интегрирующийся в него.

Описание идеи

В программном продукте Revit представлены инструменты для работы с планами, разрезами, сечениями и листами. Следовательно, вся информация по расположению элементов на виде и видов на листах содержится. В API планы, сечения и виды определяются классом View, листы определяются классом ViewSheet. Так как между всеми описанными элементами есть взаимосвязи, то их можно определить или рассчитать их расположение в абсолютных координатах и вычислить точное расположение в модели.

Определения

Определения, используемые в описании технической части:

1. Базовая точка (BasePoint в API). Все координаты в модели будут относительно нее.
2. BoundingBox — параллелепипед, в пределах которого находится геометрия объекта.

Подготовительный этап – базовая точка

1. Необходимы получить данные базовой точки проекта BasePoint, координаты и еще смещением от модели. Это делается, потому что все координаты модели задаются относительно неё.
2. Из данных базовой точки получаем её угол поворота относительно 0 координат.
3. Дополнительно достаем смещение модели от базовой точки, это условия частного случая, когда модель смещена от базовой точки.

Работа с видами

Все узлы, планы, сечения и разрезы располагаются на элементах класс View, далее описывается блок работы с ними

1. Делается запрос в базу и достаются элементы View, с фильтрацией и отсеиванием из коллекции DrawingSheet, ThreeD и Legend. Так как у нас нет необходимости их сопоставлять.
2. У каждого вида в API есть описание его расположения относительно модели, которые мы получаем.
3. По каждому виду определяются данные векторов Up и Normal, которые задают расположение вида в модели.
4. Достаем информацию о BoundingBox по каждому расположенному виду. BoundingBox задает границы вида, который в последствие будет расположен в модели.
5. Отдаем полученный вид в границах на печать в PDF или JPEG. Если речь про сопоставление в ПО BIMIT, то данные передаются в печать в JPEG с указанием необходимого DPI6. К выданному виду на печать, добавляем данные по центру BoundingBox  и расположению BasePoint

Сопоставление с моделью

Все виды, обработанные ранее, передаются в ПО БИМИТ в формате JPEG.

Интерфейс и отображение.

Плагин встраивается в интерфей Revit (рис. 1). После открытия и авторизации выходит общая рабочая панель с настройками (рис.2).

Рис. 1. Значок плагина в интерфейсе

Рис. 2. Интерфейс плагина

В панели слева отображаются все проекты, которые будут экспортироваться. В центральной панели происходит выбор проекта в системе BIMIT, куда будут передаваться экспортируемые IFC файлы. В правой панели происходит выбор видов для экспорта, которые будут выгружаться в BIMIT и автоматически сопоставляться с моделью.

В BIMIT сопоставленные виды хранятся в инструменте «Совмещенные чертежи» (Рис. 3.), работа с ними происходит через это же окно. Они автоматически сопоставлены с моделью в IFC формате (Рис. 4.).Рис.3. Хранилище совмещенных чертежей в BIMIT

Рис.3. Хранилище совмещенных чертежей в BIMIT

Рис.4. Сопоставление чертежа с моделью

Основные выводы, перспективы развития и ограничения. Проведенная исследовательская работа, разработка и успешное тестирование подтвердили актуальность и высокую практическую значимость задачи автоматизации контроля качества чертежей, выпускаемых на основе цифровых информационных моделей. В рамках исследования был успешно разработан и протестирован специализированный модуль автоматического сопоставления видов, создаваемых в ПО Revit и расположенных на листах ПД, экспортируемых из Revit с цифровой информационной моделью, загружаемой в среду BIMIT в формате IFC.

Ключевые выводы

1. Доказана принципиальная возможность полной автоматизации процесса верификации чертежей и модели без использования проприетарных форматов
2. Предложена архитектура модуля
3. Внедрение модуля позволяет достичь значительного экономического эффекта
4. Повышается качество получаемой проектной документации

Перспективы развития

1. Расширение экосистемы совместимости: интеграции модуля в другие САПР-системы, такие как Tekla, Renga, Civil, Archicad и другие;
2. Интеграция с другими модулями работы с цифровыми моделями;
3. Прохождение экспертизы без выпуска графической части проектной документации, а на основании документации IFC и BCF контейнера с сопоставленными видами;
4. Развитие в сторону предиктивного анализа и управления качеством.

Возможные ограничения

Сложностью на пути внедрения столь разнообразной по функционалу программы стало техническое переоснащение, ведь для поддержки и комфортной работы с Revit требуются более быстрые и мощные компьютеры, чем для AutoCAD. Соответственно для наличия автоматического сопоставления и точной верификации необходимы компьютеры с программой Revit.

Проводить редактирование в данной программе может быть затруднительно, так как Revit сложная программа, которая и сама не всегда понимает, какие произвести действия при анализе. Элементы и их параметры могут пересекаться и влиять друг на друга, поэтому программа не всегда поддается простым командам.

Заключительный тезис

В долгосрочной перспективе развитие подобных инструментов является необходимым шагом на пути к созданию полностью автоматизированного и самоконтролируемого цикла выпуска проектной документации, что соответствует принципам сквозной цифровизации строительной отрасли. Предложенный модуль служит практической основой для движения в этом направлении.