BIM a Przemysł 4.0

Transformacja cyfrowa jako napęd zmian w różnych dziedzinach życia

Innowacje kojarzą się głównie z przemysłem. To ten obszar działalności człowieka, który od wieków dąży do tego, aby zmaksymalizować wydajność i obniżyć koszty produkcji. Początek tej historii datujemy z reguły na XVIII wiek, kiedy to nałożyły się na siebie m.in. rosnąca populacja Europy i wzrost popytu na towary przeznaczone na handel. Stosowana do tego czasu produkcja chałupnicza okazała się niewydolna i konieczne stało się opracowanie metod produkcji, które pozwoliłyby zwiększyć produktywność (czyli stosunek ilości dóbr wytworzonych w jednostce czasu do zużytych zasobów). Zmiany te, objawiające się pojawieniem m.in. nowych technik produkcji tekstyliów i maszyny parowej, dziś nazywamy pierwszą rewolucją przemysłową. Ten okres rozpoczął proces ciągłych zmian, które opisujemy mianem kolejnych rewolucji, choć bardziej pasuje tu słowo ewolucja. Jej kolejne etapy wyznaczały liczne wynalazki naukowo-techniczne, komputeryzacja i automatyzacja oraz integracja istniejącej infrastruktury z siecią (odpowiednio druga, trzecia i czwarta rewolucja przemysłowa).

Ta ostatnia jest nam szczególnie bliska, bo dzieje się na naszych oczach. Jej cechą szczególną jest automatyczne zbieranie i analizowanie danych oraz wdrażanie wniosków w kolejne działania oparte o technologie informacyjno-telekomunikacyjne (ICT). Hasła, które kojarzą się z czwartą rewolucją przemysłową (zwaną również przemysłem 4.0) to m.in. cyfryzacja, robotyzacja, inteligentna fabryka, cyberbezpieczeństwo, internet rzeczy (IoT) czy cyfrowy bliźniak (Digital Twin).

Od około 10 lat historia rozwoju praktycznie wszystkich gałęzi przemysłu wydaje się iść jednym torem. Technologie wypracowane w jednej dziedzinie niemal z dnia na dzień są implementowane i udoskonalane w drugiej. Choć budownictwo pozornie powoli adaptuje nowe technologie, czym zasłużyło sobie, obok rolnictwa, na miano jednej z najwolniej rozwijających się (najmniej innowacyjnych) dziedzin, to obecnie znajduje się u progu nowej ery. Jest to era cyfrowa, która przez wielu utożsamiana jest z BIM rozumianym jako model 3D, oprogramowanie komputerowe, czy ogólnie technologia. Pod płaszczem BIM (Building Information Modelling) kryją się jednak również (albo przede wszystkim) działania nakierowane na usprawnienie komunikacji, wymiany danych i wzrost efektywności realizowanych procesów. Przejawy tych działań widać także w Polsce. Ich efektem są m.in. zmiany w Prawie budowlanym i działania podjęte przez Główny Urząd Nadzoru Budowlanego oraz realizacja ubiegłorocznego projektu „Cyfryzacja procesu budowlanego w Polsce”, które mają na celu odpowiednio digitalizację procedur urzędowych oraz stworzenie sprzyjających warunków do wdrażania nowoczesnych technologii i metodyk pracy. W tym tych, które uchodzą za filary przemysłu 4.0 (rysunek 1), choć na pierwszy rzut oka co najmniej część z nich wydaje się obca branży budowlanej. Nic bardziej mylnego.

BIM a Przemysł 4.0

Integracja systemów, przetwarzanie w chmurze, big data, internet rzeczy i niezbędne dla ich niezawodnego funkcjonowania cyberbezpieczeństwo to hasła, którymi moglibyśmy opisać tak powszechne w dobie popularyzacji BIM wspólne środowisko danych cyfrowych – CDE (ang. common data environment). O integracji systemów możemy też mówić na poziomie integracji rozwiązań informatycznych, wykorzystywanych zarówno na etapie projektowania jak i zarządzania obiektem.

Projektanci wykorzystują rzeczywistość rozszerzoną (ang. augmented reality) do prezentacji swoich projektów a podczas inspekcji na placu budowy na rzeczywisty obraz nakładany jest widok opracowany cyfrowo, najczęściej w postaci modelu BIM. Ten sam model może też stanowić punkt wyjścia dla opracowania systemu szkoleniowego pracowników z wykorzystaniem dedykowanej do tego celu aplikacji AR.

Wykorzystywanie cyfrowego modelu otwiera nowe możliwości wykonywania analiz i wieloaspektowych symulacji, między innymi do opracowania optymalnych dróg ewakuacyjnych, komunikacyjnych czy wreszcie umożliwiających wybór najkorzystniejszego wariantu układu linii produkcyjnych.

Druk 3D może uprościć kluczowe procesy w cyklu życia obiektu, na przykład poprzez zmniejszenie ilości odpadów przy jednoczesnym zwiększeniu jakości produktu końcowego. Kluczowym elementem sukcesu druku 3D w budownictwie jest BIM. Modele BIM już dziś są bogatym źródłem informacji geometrycznych dla zautomatyzowanych maszyn do druku 3D. Już niebawem roboty drukujące, współpracujące z ludźmi na placach budowy, czy w zakładach prefabrykacji będą potrzebowały również informacji o harmonogramie i sekwencji montażu, aby zachować bezpieczeństwo i właściwą wydajność. Także i w tym przypadku BIM nie zawiedzie.

Maszyny/roboty autonomiczne definiowane są jako wielofunkcyjne urządzenia techniczne, zastępujące człowieka przy wykonywaniu określonych czynności. Znaczna ich część pracuje w oparciu o dane geometryczne uzyskane z modeli BIM. Inne z kolei, takie jak np. skanery laserowe, dostarczają danych do ich tworzenia.

Maszyny prawdziwie autonomiczne, bo wspierane sztuczną inteligencją, dzięki wszystkim powyższym technologiom, pozwalają opracować organizm zwany cyfrowym bliźniakiem (ang. digital twin). Określenie to zostało użyte po raz pierwszy w 2011 roku podczas międzynarodowych targów Hannover Messe a dziś cyfrowe bliźniaki już istnieją i coraz bardziej zyskują na popularności. Przykładem mogą być choćby samochody marki Tesla, ale budownictwo także podchwyciło ten temat. Stworzenie cyfrowego bliźniaka fizycznego obiektu, żyjącego obok niego i aktywnie na niego wpływającego stało się świętym Graalem nowoczesnej myśli o zarządzaniu obiektami w duchu przemian środowiskowych, postępującej cyfryzacji i automatyzacji.

BIM w Twojej fabryce

Skrócone cykle projektowania, konieczność stałego dostosowywania produktów do potrzeb klienta poprzez wprowadzanie kolejnych innowacji stawiają firmy produkcyjne pod ogromną presją. Muszą one nie tylko działać bardziej wydajnie, ale też stale podnosić jakość oferowanych produktów. W rezultacie producenci muszą nieustannie planować i zarządzać harmonogramem budowy nowych fabryk, dodawaniem nowych czy modernizacją pracujących już linii produkcyjnych, a nierzadko też modernizacji systemów/instalacji w obrębie samych obiektów.

Fabryka przypomina (oczywiście w uproszczeniu) projekt Lego Technic (rysunek 2). Każdy element musi do siebie pasować i być zamontowany bezbłędnie, aby mechanizm działał bez zarzutu. Wszystkie klocki muszą mieć odpowiednią długość i być skorelowane z innymi elementami mechanicznej konstrukcji, przewidując ich wzajemne interakcje. Budowa zestawu opiera się o przemyślany projekt i niezwykle szczegółową dokumentację – instrukcję. Każdy element ma swój numer, opis i dokładną lokalizację w całym modelu konstrukcji – zupełnie jak w modelu BIM. Dzięki temu zyskujemy przejrzysty obraz całości i kontrolę procesów inwestycyjnych.

 

Właściciele zakładów produkcyjnych mają największy udział w powodzeniu każdego projektu inwestycyjnego, ale często mają najmniejszy wgląd w procesy decyzyjne i ich późniejsze wyniki. Poszczególne zadania powierzane są różnym wykonawcom, co w konsekwencji utrudnia transfer wiedzy i najlepszych praktyk. Każdy kolejny projekt staje się NOWY w sensie dosłownym. Inwestor nie uczy się na „własnych” błędach, co może prowadzić do niewłaściwej koordynacji kolejnych inwestycji, większej liczby opóźnień, a w konsekwencji utraty dochodów. Można temu zapobiec dzięki integracji danych pochodzących z poprzednich realizacji, sprawnemu zarządzaniu nimi i dzieleniu się wnioskami w obrębie zespołu (nie zespołów).

Koordynacja międzybranżowa, symulacje projektowe i użytkowe z wykorzystaniem modeli BIM pozwalają wyeliminować kolizje już na etapie projektowania obiekt. Pojawienie się kolizji na etapie realizacji generuje zmiany harmonogramu, których naturalną konsekwencją są opóźnienia w uruchomieniu nowoprojektowanych linii produkcyjnych. Takie sytuacje powodują, że programy kapitałowe nie spełniają założonych harmonogramów i budżetów.

Współpraca między wszystkimi zainteresowanymi stronami to podstawa wydajności. Wiele projektów boryka się z problemami związanymi z komunikacją, która powoduje, że wejście na wymagany dla osiągnięcia efektywności poziom współpracy jest mocno utrudniony. Zespoły – od projektowego i wykonawczego po operacyjny – korzystają z różnych źródeł informacji i nie współdzielą ich w wygodny i spójny sposób.

Logistyka to bardzo ważny element każdego zakładu produkcyjnego. Pracująca fabryka jest jak szpital, którego nie zamkniemy na czas remontu. Jeśli logistyka zawiedzie cały proces może zakończyć się ogromnymi stratami – nie tylko w ujęciu harmonogramu robót budowlanych, ale także związanych z przestojami w produkcji. BIM umożliwia wstępne planowanie. Jeszcze zanim rozpoczniemy prace budowlane eksperci BIM opracowują szczegółową sekwencję 4D wszystkich działań i aktywności związanych z projektem. Ułatwia to planowanie skoordynowanego procesu budowlanego, który pozwala uniknąć konfliktów i rozbieżności na placu budowy, pozwala też zsynchronizować budowę z funkcjonującą fabryką.

Sposób, w jaki rysunki, specyfikacje, dane rozruchowe, dokumentacja serwisowa i konserwacyjna są przekazywane po zakończeniu prac budowlano-montażowych powoduje, że informacje, które tworzą pełny obraz fabryki są rozproszone, co utrudnia proces ich interpretacji i wykorzystania. Wciąż mamy do czynienia z archaicznym podejściem do informacji w postaci dokumentacji papierowej lub plików cyfrowych przekazywanych na dysku, przez co ich przenoszenie do systemu zarządzania zasobami przedsiębiorstwa jest procesem czasochłonnym i obarczonym dużym ryzykiem błędu. Co więcej, w tym czasie pozbawieni jesteśmy możliwości ich efektywnego wykorzystania, np. do zlokalizowania konkretnego urządzenia w celu dokonania przeglądu/naprawy. W tym miejscu warto rozważyć realizację inwestycji od A do Z z wykorzystaniem platformy CDE, co pozwoli sprawnie stworzyć Digital Twin.

Podsumowanie

Mówiąc „Przemysł 4.0” myślimy „inteligentny przemysł”, „inteligentna fabryka”. Obie definicje skupiają się głównie wokół idei stosowania nowoczesnych technologii produkcji. Ich wdrożenie stanowi nieodłączną część działań wszystkich zakładów. Warto jednak podkreślić, że wszystkie te procesy, linie produkcyjne, ludzi łączy jedno – obiekt, w którym się znajdują i pracują. Budynek, który nie tylko trzeba precyzyjnie zaprojektować, zbudować/rozbudować, ale też zarządzać nim, a kiedy nadejdzie jego kres – wyburzyć. BIM jest punktem wyjścia wielu rozwiązań, technologii umożliwiających sprawne zarządzanie procesem inwestycyjnym, samym obiektem na etapie jego użytkowania, usprawniających procesy i wpływających na poprawę komfortu pracy, zarówno zespołów odpowiedzialnych za budowę/przebudowę obiektów jak i tych, które na co dzień w nich pracują (rysunek 3). Metodyka BIM może stanowić uzupełnienie luki, która powstała, gdy przemysł skupił się na własnym rozwoju. Dziś chyba nadchodzi moment, w którym obie dziedziny – przemysł i budownictwo – powinny zasypać przepaść, jaka narosła między nimi przez lata. Głównie w naszych głowach, bo nadeszły czasy, gdy nie można specjalizować się we wszystkim. Dziś, aby innowacje mogły dalej postępować potrzebny jest transfer wiedzy między branżami i ich czynna współpraca. Areną dla współpracy przemysłu z budownictwem mogą być właśnie nowoczesne fabryki.