Развитие процессов подготовки специалистов строительной сферы для применения информационного моделирования зданий в строительстве

В России наблюдается отставание по степени использования технологий информационного моделирования объектов строительства, хотя в последние годы процесс их внедрения активизировался. В статье предлагаются способы совершенствования образовательного процесса подготовки специалистов строительной сферы в целях ускорения внедрения технологии информационного моделирования.

Одно из определений технологии информационного моделирования зданий было дано в книге Истмана, Тайхольца и др. «Handbook of BIM» в 2011 году: «технология Building Information Modeling (BIM) – Информационное Моделирование Зданий – предполагает построение точных виртуальных моделей здания в цифровом виде. Использование моделей облегчает процесс проектирования на всех его этапах, обеспечивая более тщательные анализ и контроль. Будучи завершёнными, эти компьютерные модели содержат точную геометрию конструкции и все необходимые данные для закупки материалов, изготовления конструкций и производства строительных работ». Заинтересованность России в продвижении этих технологий проявляется с 2014 года [1, c.2]. Четыре новых свода правил проектирования, регламентирующих основные требования и правила по обмену данными в процессе проектирования, строительства и эксплуатации зданий, разработаны в 2016 г.

Отсутствие BIM-специалистов в стране тормозит попытки внедрения BIM. В приказе от 2014 г. о поэтапном внедрении BIM в области ПГС есть противоречие - подготовка специалистов запланирована на конец 2017 года, а внедрение самих технологий – с 2015 года [1, c. 2]. Очевидно, что задача подготовки специалистов в области BIM-технологий на сегодняшний день очень актуальна. Для ее решения, как правило, используют два способа: систему дополнительного профессионального образования или самостоятельное обучение с помощью интернет ресурсов.

Система высшего профессионального образования в настоящее время фактически стоит в стороне от этих процессов. Одна из проблем заключается в том, что система вузовской подготовки базируется на индивидуальной работе студентов в рамках своей специализации, в то время как BIM – это технология коллективного взаимодействия различных специалистов [3, с.5].

В США частные вузы, такие, как университеты штатов Пенсильвания, Калифорния, Техас, Джорджия и др. [4, с. 24], используют аккредитованные ACCE (American Council for Construction Education - Совет по Образованию в Области Строительства) учебные программы BIM-образования [3, с.2].

В российских вузах общепринятая методика обучения BIM отсутствует. Предлагается методика подготовки BIM-специалистов в Политехническом университете (г. Санкт-Петербург) [2, с.4], описаны подходы к решению этой задачи в САСУ[4, с.34], в Астраханском и в Новосибирском ИСУ[5, с.5].

Помимо отсутствия в вузах полноценных инструментов и методик создания BIM тормозящим фактором следует считать нежелание преподавательского состава перестраивать свои курсы под BIM. Кроме необходимости подготовки новых направлений BIM-специалистов (на кого учить), необходимо упомянуть о наличии процедурных (как учить), проблемных (чему учить) и дидактических (методических и профессографических) проблем.

Задача исследования – предложить способы совершенствования образовательного процесса подготовки специалистов строительной сферы в целях ускорения и улучшения внедрения технологии BIM. Для ее решения необходимо: изучить состояние процесса подготовки строителей и получаемых ими знаний и умений для составления информационной модели (ИМ); определить возможности существующего программного обеспечения (ПО) для создания единой ИМ; сформулировать требования к современному выпускнику-строителю на основе опросов и анкетирования работодателей; внести предложения по внедрению IPD методологии в учебный процесс, совершенствованию средств образования и форм обучения; разработать версию интегрированного выполнения курсовых проектов при обучении строителей BIM-технологиям (на примере СПбГАСУ).

Таким образом, основная цель исследовательской работы – совершенствование содержания, форм и средств обучения студентов строительных ВУЗов посредством применения BIM-инструментов и BIM-методологии для успешного внедрения технологии информационного моделирования зданий в строительство.

ПО для обучения BIM. Цель проводимых среди представителей работодателей опросов заключалась в выявлении основных требований к выпускникам-строителям. Эти требования сводились к следующему: 1) умение выполнять профильные расчеты, делать чертежи, пояснительные записки, спецификации, работать по чертежам, по модели; 2) понимание сути BIM-технологий и всех этапов интегрированной системы выполнения проектов (IPD) на основе технологий BIM; 3) наличие навыков практической работы и способностей к применению своих знаний в смежных областях, выражающихся в способности к самообразованию, в общей эрудиции, в разносторонности и широте, в наличии дополнительной профессиональной подготовки; 4) владение современными инструментами построения ИМ здания.

В настоящее время на рынке BIM в основном используются следующие программные продукты: ArchiCAD (Graphisoft, Венгрия), Revit (Autodesk, США), Allplan Architecture (Nemetschek, Германия), Vectorworks (Nemetschek, Германия), VisualARQ (Asuni CAD S.A., Испания), Bentley Building Mechanical Systems (Bentley Systems, США), Digital Project (Gehry Technologies, США). При этом из всего многообразия программ продукция только трех компаний допускает работу с несколькими разделами проекта - Bentley Systems, Autodesk (США), Nemetschek (Германия) [2, c.14].

Для овладения BIM необходим доступ к современному ПО, которое является инструментом BIM. С этой целью университетам следует заключать соглашения о сотрудничестве с компаниями Autodesk (на программы AutoCAD, Revit), Nemetschek (AllPlan, ArchiCAD), Trimble (Tekla Structures). Целью является формирование эффективной информационно-образовательной среды, обеспечивающей активную интеграцию инновационных программных продуктов и решений в научно-образовательный процесс университета.

Визуальная параметризация. Для адаптации специального программного обеспечения к конкретным потребностям пользователя необходимы навыки программирования, которыми обладают далеко не все выпускники вузов. Решение этих проблем в последнее время значительно облегчилось с появлением технологий визуального программирования, не требующих углубленных знаний и опыта программирования. Для их освоения студентам технических специальностей вполне достаточно наличия аналитического склада ума и знания основ построения алгоритмов. Современные графические среды проектирования позволяют создавать различные компьютерные программы (как правило, для расширения возможностей базового пакета) без непосредственного написания программного кода (или скриптов). К наиболее популярным платформам, реализующих концепцию визуального программирования для проектировщиков и архитекторов, можно отнести Autodesk Dynamo и Grasshopper. Эти платформы своего рода мост, который позволяет любому инженеру перейти из пользовательской среды в среду создания собственных инструментов для проектирования. В каком- то смысле это аналог встроенного языка VBA в MS Office, позволяющего создавать макросы, автоматизирующие рабочее место, и оптимизирующие и облегчающие жизнь пользователя.

Dynamo представляет собой бесплатное приложение к Revit, позволяющее существенно увеличить возможности и эффективность работы стандартного приложения: можно научить Revit строить геометрию, работать с данными, обновлять свойства и даже отправлять электронные письма. Приложение позволяет писать скрипты на своих встроенных языках Design Script и IronPython, реализовывать импорт/экспорт электронных таблиц (например, Excel-таблиц), растровые изображения и текстовые файлы.

Несмотря на то, что Dynamo – это очень удобный инструмент для проектировщиков, его распространение в России имеет очень ограниченный характер. Большой потенциал позволяет рекомендовать эту платформу для изучения в ВУЗе. Для полноценного освоения данного пакета целесообразно изучение студентами-строителями на младших курсах в рамках курса «Информатика» таких разделов, как основы алгоритмизации и программирования, для облегчения освоения визуального программирования при моделировании в Revit.

Освоение студентами технологии визуального программирования дает им новые возможности в решении интересных прикладных задач и позволяет стать специалистом в мало исследованной сфере, возможность заявить о себе, существенно увеличить степень их востребованности на рынке труда.

Изменение структуры команды проектировщиков. Применение технологии BIM заключается не только и не столько в освоении и использовании нового ПО, сколько в проведении структурной перестройки компании, переходе на трехуровневую систему организации. Нужны новые специалисты в организации - BIM-менеджеры, координаторы и моделисты.

Для подготовки новых специалистов необходимо извенить содержание, подходы и методы обучения BIM-технологиям с учетом потребности времени.

Новые формы обучения. Для достижения нужного уровня компетентности обучаемых необходим выбор адекватных методов, средств и форм обучения, т. е. использование инновационных технологий обучения, к которым можно отнести интерактивные технологии, технологию проектного обучения, компьютерные технологии и т. п. Для обучения BIM-технологиям рассматривается симбиоз этих подходов.

Во-первых, предлагается применить сквозной уровень организации учебного процесса на основе междисциплинарных связей. При этом будет использована система занятий, охватывающих несколько тем разных курсов. Рассмотрим сквозной учебный процесс на примере СПбГАСУ.

На младших курсах возможно осуществлять проектирование простейшего гражданского здания в Revit Architecture в рамках дисциплины «Компьютерное проектирование» (3 семестр обучения). Затем в рамках дисциплины «Геология» (4 семестр обучения) создать рельеф местности с привязкой конкретного здания средствами AutoCAD Civil3D и Revit. В рамках дисциплины “Основы архитектуры и строительных конструкций” (4 семестр обучения) можно выполнить курсовой проект по архитектурно-строительной части и конструкции рассматриваемого гражданского здания, осуществлять средствами Autodesk Revit Architecture и Revit Structure. Полезным будет использование внутрициклового уровня и межциклового уровня организации учебного процесса на основе междисциплинарных связей. На этих уровнях можно завершить работу со зданием в рамках сквозного курсового проекта при реализации инженерных сетей и проработке отдельных узлов. Например, проводить разработку систем теплогазоснабжения и вентиляции, водоснабжения и водоотведения на основе Autodesk Revit MEP в рамках дисциплин «Теплогазоснабжение и вентиляция» и «Водоснабжение и водоотведение» (4 семестр обучения).

Второй цикл сквозного учебного процесса для освоения технологии BIM рекомендуется реализовать уже для проектирования промышленного здания в курсовом проекте на старших курсах обучения. В рамках дисциплины «Архитектура зданий индустриального домостроения» логично будет осуществлять проектирование промышленного здания в Revit или ArchiCAD (6 семестр обучения). Затем осуществлять создание рельефа местности с привязкой конкретных зданий средствами AutoCAD Civil3D и Revit (6 семестр обучения) в рамках курса «Инженерная подготовка территории». При расчете конструкций внутри здания в программе Tekla Structure (7 семестр обучения) можно использовать внутрицикловой уровень организации учебного процесса (расчет одинаковых конструкции из разных материалов в разных дисциплинах) – «Железобетонные и каменные конструкции» и «Металлические конструкции».

Курсовой проект позволит осуществлять поэтапную организацию работы, постоянно усложняя познавательные задачи, расширяя поле действия инициативы и познавательной самодеятельности, применяя многообразие дидактических средств; формировать познавательные интересы обучающихся средствами самых различных учебных дисциплин в их органическом единстве; осуществлять сотрудничество преподавателей и обучающихся и устранять дублирование при изучении на смежных дисциплинах.

Во-вторых, в рамках интегрированного проектирование зданий для обучения студентов технологии BIM предлагается использовать имитационное обучение для межпредметного курсового проекта. Концепция основана на формировании проектной команды студентов, составленной подобно объединению проектировщиков разной специализации в реальной практике проектирования и строительства. В состав команды должны войти студенты конструкторы-расчетчики, конструкторы инженерных систем и проектировщики технологии строительного производства, экономисты и управленцы. Отбор для участия должен основываться на знании ПО, знаний в проектной области, опыте моделирования и персональной заинтересованности.

Ставятся цели команде и исполнителям. Участники проекта получают мотивацию в изучении этапов ЖЦОС, особенно проектирования, строительства и эксплуатации. Всем участникам программы предоставляется ПО, передающее данные в цифровых форматах BIM. Такими программными комплексами являются продукты компаний Autodesk, Archicad, Tekla, SCAD, Лира, полученные в рамках стратегического партнерства с СПбГАСУ.

Начальная стадия концептуализация может соответствовать стадии курсового проекта – Задание на проектирование. Стадия проектное решение – стадии курсового проекта – Проектные решения. Стадия разработка рабочей документации может соответствовать стадии курсового проекта – Аналог разработки рабочей документации. Далее возможна реализация стадии курсового проекта – Исполнительная документация. Результаты данной стадии – применение BIM. Завершающая стадия экспертиза, разрешение на строительство, окончательные закупки – аналог стадии интегрированного курсового проекта – Защита курсового проекта. Программа действий для участников курсового проекта универсальна для учебного процесса любого ВУЗа, поскольку сам набор кафедр строительного университета является учебной моделью этапов ЖЦОС.

В-третьих, предлагается разработать учебный курс «Реализованные практики BIM» и внедрить его в процесс профессиональной подготовки магистрантов. Картина мира становится более полной и яснее будут способы реализации технологии BIM, когда студенты непосредственно на практике в современной проектной студии, работающей по BIM-технологии, увидят своими глазами выполненные готовые проекты. Особенно полезными будут ответы разработчиков на вопросы, возникающие у студентов-наблюдателей и студентов-помощников в момент создания BIM.

Уже сформировалась общность практикующих строителей и архитекторов молодого возраста, которые плодотворно работают, создают архитектуру вполне конкурентоспособную в сравнении с лучшими зарубежными образцами. Предлагаемый новый курс может восполнить действующую во всем мире систему наставничества и передачи опыта от практиков студентам. Это цеховая солидарность, консолидация усилий, обмен опытом и идеями, передача знания от поколения к поколению, установление связей – условия существования, мотивации и развития творческой личности. Представители молодого поколения имеют меньший стаж, но им присущ опыт работы в иностранных проектных бюро, освоение современных технологий проектирования, методов управления компанией. Они смогут найти общий язык и подходы к студентам из-за близости по возрасту и менталитету.

Выводы. К факторам, тормозящим внедрение BIM, можно отнести большие затраты на внедрение и использование технологии (закупка и обновление ПО, обучение специалистов технологии и работе в BIM, подключение новых специалистов – BIM-координаторов), изменение привычной технологии проектирования, недостаток организаций, умеющих внедрять BIM, дефицит кадров, владеющих технологией.

Для решения задачи было классифицировано имеющееся на российском рынке ПО, позволяющее строить и использовать в учебном процессе BIM. Выявлены потенциальные работодатели выпускников, применяющие инновационную технологию, и проведен их опрос и анкетирование студентов. Были проанализированы зарубежные и отечественные образовательные технологии, применимые для ИМ. Была собрана информация, на основании которой предложены способы и формы совершенствования процесса обучения.

Предполагается, что внедрение методологии BIM в образовательный процесс и развитие по содержанию и формам процессов подготовки студентов позволит качественно повысить уровень выпускников строительных ВУЗов, чтобы освоение ими нового технологического уровня открыло путь к усовершенствованию отечественной строительной отрасли, облегчило процесс внедрения BIM. Обученные кадры, владеющие передовыми западными инструментами, спустя время смогут создавать российские BIM – инструменты для управления ЖЦОС. Произойдет переход с одного технологического уровня на другой (BIM- технологии) посредством технологического скачка.