Туманные картины: BIM в градостроительстве. В поисках общей схемы

Недавно мне посчастливилось выступить в Москомархитектуре, куда меня пригласили ПМ "Точка сборки" и руководитель BIM2B Д.Чубрик. Я вновь пытался найти общие основания для интеграции двух технологий и развеять туман  вокруг словосочетания "BIM для градостроительства", о котором, видимо, поговаривают в коридорах Москомархитектуры, НИиПИ Генплана и ГлавАПУ.

На фоне ТЗ от Москомархитектуры для ППТ с пунктом "Информационная модель" и принятия СП по BIM уже не приходится говорить о далекой перспективе BIM в проектировании, в т.ч. градостроительном.

Почти уверен, что в компаниях вроде Неолант или ИТР (в ИТР, например, успешно эксплуатируют 3D-модель Питера для визуально-ландшафтного анализа) есть свое видение того, о чем я буду говорить, но я все же осмелюсь изложить свою точку зрения, которая по-прежнему находится в в процессе формирования. Вопрос "зачем нужно 3D в градостроительстве" выведу за скобки - это достойно отдельного исследования и отдельной заметки. Если кратко: 3D необходимо.

Опыт работы в НИиПИ Генплана (НПО-38: АГР, ВЛА, ИКИ), активное изучение ПО и методик, консультации специалистов, а также продолжительный иностранный коммерческий проект, где нужно было "сводить" BIM-, CAD-данные и геоданные в одной среде, дает некоторое основание для моих рассуждений. Текст получился большой, и в нем нет четкой идеи, т.к. тема обширная, и есть опасность упустить тот или иной аспект.

Надеюсь на отклик профессионального сообщества, т.к. проблема дальнейшей информатизации (ГИС - это уже стандартная технология) градостроительного проектирования и данных о городском контексте очень многогранна, затрагивает всех и требует обстоятельного изучения

Отправные точки

Итак, я начал свое выступление с перечисления наблюдений, которые мне показались стоящими:

1. BIM в данной заметке рассматривается как технология цифрового моделирования отдельных зданий, предназначенная в первую очередь для проектирования
2. Я разделяю информационное моделирование инфраструктуры и зданий. В случае инфраструктуры есть общепризнанный открытый формат LandXML с отличной от IFC иерархией объектов
3. BIM для градостроительства = BIM * N (информация о здании, чаще всего от проектировщиков) + ГИС (информация о градостроительном контексте). Говорим пока о простом сложении, а не о создании системы взаимосвязанных элементов городской среды. Логично, что нарабатываемая информация в ходе проектирования должна переходить в руки госкомпаний, которые часто работают с технологией ГИС как инструментом управления городскими активами.
4. Это немного проектирования и много деятельности по управлению данными
5. Это немассовая практика. По крайней мере, количество практических примеров в области BIM в разы больше. Наверное, вопрос доступа к массивам данных о городе определяет уровень обсуждения.

Рис. 1

Общая схема такого "сложения" может быть представлена на Рис.1. Модели зданий и инфраструктуры упрощаются и вставляются в традиционный "слоистый" ГИС-контекст.

В чем хранить?

Перейдем к главному вопросу - способу (модели) хранения данных. 

Упрощение модели хранения необходимо: подавляющая масса BIM-приложений предназначено для проектировщиков, что значительно усложняет процесс создания информации и последующего ее использования другими участниками (!) (Рис.2)

Рис.2

В случае геоданных и ГИС все проще. Во-первых, мы не скованы иерархией "стен", "перекрытий" и "окон", как в IFC, а имеем дело с очень абстрактными объектами - точками, полигонами, линиями, растрами, трехмерной геометрией (Рис.3). 

Рис.3

Существуют даже шаблоны "3D городов" (Рис.3), ознакомиться с которыми можно у лидера ГИС-рынка американского Esri. Нехитрая структура данных из двумерного пространства быстро переходит в трехмерное и дополняется более детальными трехмерными моделями застройки с текстурами (привет, фотограмметрия!). Ключевой вопрос - где взять данные.

Есть и промежуточное состояние между BIM и ГИС (если отбросить на время моделирование инфраструктуры): открытый формат под говорящим названием CityGML (Рис. 4), в котором объект "знает", является ли он стеной, или кровлей. При этом я не обнаружил такого важного компонента здания, как помещение/пространство.

Рис.4 

Несмотря на то, что CityGML был включен в список общепризнанных открытых форматов OGC, наибольшее распространение он получил в Европе. Ссылки на странице формата нередко оказываются недействительными. Справедливости ради стоит посмотреть видео с презентацией проектов, использующих CityGML:

How the OGC's CityGML Standard Supports 3D Innovation for Business and Government from Directions Magazine on Vimeo

Мои попытки вставить CityGML-объекты в InfraWorks 2017 так и не увенчались успехом.

Есть вариант открытого формата KML (вспомним Google Earth) и такого же XML-подобного DAE (на худой конец - 3ds), на который внутри KML может храниться ссылка, что мне кажется более надежным способом.

Типовые варианты моделей зданий

Попробуем определить характер данных в BIM, подходящих для ГИС. Самый простой пример BIM-данных по зданию в рамках мастерплана - это объемная форма, "насеченная" на уровни-этажи. Такая модель вкупе с документацией может быть выполнена в инструментах типа ARCHICAD или Revit. Ниже размещаю видео создания масс-модели в Revit.



Мы задаем форму здания, которая важна для документирования проектных отметок, инсоляции, видимости и общего вида. Этажи дают нам площадь, объем и другие вычисляемые показатели. Ситуация, когда вы "теряете" площади, почти исключена. С такими данными вполне комфортно работать внутри BIM-платформы, предварительно создав фрагмент контекста. А вот если понадобится более общирная захватка, то самое время поместить проектируемый фрагмент в соответствующую среду.

Другой уровень детализации, подходящий для мастерплана или даже для корпоративной ГИС (особенно актуально для девелоперов), это нарезка на помещения/зоны по функциям + общая форма здания. Как ни прискорбно, Revit не умеет отображать помещение в 3D. Ниже привожу пример из прошлого семестра в МАРШ (Рис. 4.1-4.2 Е.Вахрамеева, А.Панова):

Рис.4.1

Рис.4.2

Ну и отдельно можно рассмотреть более детальную версию фасада в дополнение к простой геометрической оболочке.

Стоит отметить, что ряд градостроительных задач BIM-программы решают посредственно: работа с рельефом, вставка данных по топосъемке крупных захваток и падение производительности.

Цифровая модель территории: базовые понятия

Перед тем, как начинать создавать какую-либо цифровую модель территории на какой-либо платформе, нам нужно разобраться с критериями ее оценки:

•Цель использования (визуализация, анализ, проектирование - вряд ли получится удовлетворить все запросы пользователя сразу)
•Детализация (дверные ручки на зданиях нам не нужны, а вот маркеры входов нам могут понадобиться. Текстуры в ряде случаев очень наглядны)
•Охват/масштаб (Большая захватка иногда критична.)
•Легкость изменения (Может быть проиллюстрирована впечатляющими возможностями InfraWorks в области проектирования дорог)

Основные составляющие нашей модели могут быть такими:

•Рельеф (земля-вода)
•Растительность
•Здания
•Дороги
•Инженерные сети
•Стаффаж

Характеристики будущего цифрового представления территории, в самом базовом понимании, мне представляются следующими:

•Местоположение
•Существующее/новое
•Цвет/текстура
•Геометрия: площадь/высота/объем и др.показатели
•Описательная информация
•Стоимость
•Дата и время

Характеристики влияют на то, как мы будем создавать и управлять нашей моделью территории.

Примеры программных комплексов для "градостроительного BIM"

UPD 2016-09-29 - Надо бы указать и Bentley, но там я пока не разбирался

Очевидно, что традиционные BIM-платформы подойдут для разработки локальных фрагментов, но никак не обширных территорий. Поэтому мы смещаемся в сторону ГИС. Универсальной платформы, которая бы давала возможность и создавать/проектировать объекты, и эффективно управлять данными, попутно предоставляя "фотореалистичную" визуализацию и всесторонний анализ, видимо, нет. Пока возникает конгломерат ПО, который разрастается вокруг центральной категории отрасли градостроительства - самих данных. Кстати, в отличие от BIM, в ГИС подход к данным более универсален: геоданные лежат отдельно, зачастую в более или менее открытых форматах баз данных. В BIM-проекте открытый формат IFC сложно назвать идеальным хранилищем, а нативные, оригинальные данные довольно трудно выскребать из файла проекта. Опять повторю свою точку зрения: BIM-данные должны быть проще.

Быстрое и интерактивное "макетирование территории" в InfraWorks

Рис. 5

Один из моих фаворитов по многим параметрам: наглядность, цена, легкость применения, множество форматов. Очень резво отображает большие территории, интегрируется с Civil 3D в отношении импорта трасс и коридоров, а также кучи других форматов. Все же заточен под проектирование инфраструктуры, а именно дорог. С анализом довольно обстоят дела туго, а возможности отображения в интернете также скромны.

Ради интереса рекомендую посмотреть пару роликов с канала Autodesk CIS: Применение технологии информационного моделирования BIM на примере станции метрополитена и Проект легкорельсового транспорта в Московской области

Традиционная ГИС Esri ArcGIS

Рис.6

Дорого (точно не знаю, сколько), круто, и консервативно. Сейчас развивается новое поколение программы ArcGIS Pro, где интегрированы 2d и 3d представления (Рис.6). Мощный инструментарий анализа (пример анализа видимости - Рис.7), отлаженные механизмы публикации в интернете. Несмотря на то, что это не-BIM продукт, имеет больше шансов успешно импортировать данные из BIM-проекта, помещать их в городской контекст и анализировать их. Нет инструментов работы с элементами типа трасс, коридоров и тп. - соотвественно, нет гладкой связки с программами типа Civil 3D. Ну и слишком прожорлив к ресурсам компьютера.

Рис.7

Проектирование инфраструктуры

Наиболее известный для неискушенного пользователя инструмент для детального проектирования инфраструктуры - это Autodesk Civil 3D. Есть и другие, наверное, более продвинутые платформы, но я с ними не работал. Возможно, самого серьезного конкурента можно найти в линейке Bentley.

Рис.8

На примере структуры проекта в Civil 3D (Рис.8) предлагаю обратить внимание на типы объектов. Они интеллектуальны, чаще всего основаны на трехмерной модели, параметризованы, охотно меняют свое представление на чертежах при изменении модели. Наверное, поэтому моделирование инфраструктуры в Civil 3D относят к BIM, но я всячески противлюсь этому. Это отдельная, не слишком связанная с BIM область. Для меня хваленая интеграция Revit и Civil 3D находится под большим вопросом.

Большие данные в ГИС

Рис.9

В скором времени нам (или скорее городским администрациям) будут доступны данные соцсетей, городских сенсоров и других источников. Наиболее интересный функционал для работы с большими данными (если мы возьмем модель пространственно-временного куба) я обнаружил в продуктах Esri (Рис.9). Опять же - вопрос цены и применимости.

Таким образом, если центральная категория в моделировании территории - машиночитаемые данные (думаю, что МГГТ скоро начнет предоставлять не только взорванные подосновы) - все же имеется в нашем распоряжении, то инструментов для создания цифровых моделей территории вполне достаточно.  Если организация крупная, то она может себе позволить и дорогой софт в единичном экземпляре. Важно разобраться с данными и целями моделирования, и все получится и, может быть, обойдется без массовых закупок ПО.


Городской портал: интерактивная система для горожанина

Помимо проектно-управленческих задач организации есть и задачи более публичного характера: например, донести через обычный браузер информацию о планируемых изменениях в городе или просто существующей инфраструктуре до горожанина-неспециалиста, который может оказаться представителем власти или бизнеса.

Ниже размещаю два "живых" примера такого рода порталов:

Гетеборг

Рис.10

Текстурированная модель, полученная при помощи фотограмметрии, представляет из себя простую полигональную сеть с текстурами. Не очень интеллектуально, но наглядно. В модели размещены проекты, элементы инфраструктуры и комментарии пользователей. Ничего загрузить, к сожалению, нельзя.

Подобное можно увидеть и у нас, но лишь в виде фрагментов - например, модель собора в Кронштадте очень быстро "крутится" в браузере (Рис.11). Есть на сайте компании Geoscan и модель Томска, но вживую покрутить не мне удалось.

Рис.11

Берлин

Пример Берлина заметно интереснее.

Рис.12

Вся прелесть портала в том, что модели по отдельности можно загрузить с сохранением атрибутивной информации (Рис.13). А ведь можно представить и следующий уровень детализации: помещения и сети.

Рис.13

Форматы моделей отвечают на мой вопрос, который я задавал в статье "BIM с низкой детализацией нужен для городского планирования и согласований". (Рис.14)

Рис.14

И, наконец, самое главное: портал нацелен на бизнес! Наверное, так будущим арендаторам проще искать локации своего бизнеса. Такой подход выражается в том числе в виде мобильного приложения (Рис.15). 

Рис.15

Насколько эта берлинская инициатива реально работает, сказать трудно. Но для девелопера пример прототипа интерактивного портала города Остин, Техас, может быть очень понятным. К сожалению, вся заковыка в принятии московских ПЗЗ.

Как именно интегрировать BIM-данные и ГИС?

Итак, нам необходимо связывать две среды. Вставить BIM-данные (за исключением чертежей стадии РД) в ГИС-контекст несложно. Вся интеллектуальность поведения колонн, перекрытий и окон исчезает, и остается геометрия объекта с привязанной атрибутивной информацией.

Уровни детализации - главный камень преткновения. Ниже рассмотрено соотношение LOD в BIM и CityGML (Рис.16). Проще всего "женить" геометрию низкой детализации.

Рис.16

Есть уже готовые решения для связки BIM-ГИС - например, инструментарий FME (Рис.17). Функционал FME позволяет конвертировать пакетно множество форматов данных (Рис.18), в т.ч. и такие специфические, как IFC или RVT.

Рис.17

Рис.18

Также сюда можно было отнести InfraWorks, но в нем происходит лишь сборка данных, без конвертации, а Revit-модели приходят простой геометрией без возможности что-либо отфильтровать.
Стоит упомянуть и Esri CityEngine, хотя он больше предназначен для процедурного моделирования. Но именно у CityEngine я увидел наилучшую, на мой взгляд, реализацию публикации трехмерных моделей в интернете (Рис.19). Рекомендую ознакомиться с одним из живых примеров.

Рис.19

В принципе, задачи публикации в интернете таких моделей могла бы решать и российская Vizerra.

Общая схема

Вернемся к схеме, которая была приведена в начале заметки, и добавим к ней новые элементы (Рис.20).

Рис.20

Очевидно, до "умного города" здесь далеко, но можно предположить, что такая схема станет одним из кусочков общей мозаики информационной системы Москвы.

Мы имеем на входе детальные BIM-данные, которые создаются проектировщиками (большие данные оставим пока в стороне). Базовая информация по всевозможному зонированию, застройке, инфраструктуре и рельефу содержится в традиционном "слоистом" ГИС, где мы храним и анализируем данные. В ГИС приходят упрощенные BIM-данные зданий и линейных объектов с необходимой атрибутивной информацией.
Обратная процедура: вставка контекста в BIM-среду не представляется проблематичной, хотя и не может быть выполнена в один клик.
Затем общая сборка по городу может быть наглядно представлена в двух видах (возможно, фрагментами): как web-ГИС для горожан или чиновников и как интерактивная среда просмотра для внутренних обсуждений (например, InfraWorks или что-то от Vizerra).

Конечно же, все эти рассуждения сейчас находятся на базовом уровне. Более интересным и полезным полигоном для интеллектуального цифрового моделирования стала бы городская инженерная инфраструктура. Хотя если распространить на социальные объекты идею Social BIM, то польза от "BIM в градостроительстве" станет ощутимее.

***

Данные материалы были изложены на лекции для сотрудников Москомархитектуры совместно с Золотаревым Алексеем и Ильвицким Дмитрием (ПМ «Точка сборки») и Дмитрием Чубриком (BIM2B)

Изображения, использованные в этой заметке, размещены пока без указания источников, что будет исправлено в ближайшее время.