CC BY
25
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 721.021.23
DOI: 10.22227/2305-5502.2022.3.9
Оценка эффективности проектирования на основе модульных элементов максимальной готовности
Ангелина Олеговна Рыбакова
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Информационное моделирование зданий (BIM) и модульное строительство — современные технологии для обеспечения развития строительной отрасли. Оба направления на сегодняшний день перспективны даже при наличии определенных недостатков. Последствия интеграции этих технологий в проектировании недостаточно исследованы. Поэтому целесообразно изучить возможную суммарную эффективность применяемых в совокупности технологий информационного моделирования и модульного строительства. Цель исследования — определение эффективности проектирования на основе модульных элементов максимальной готовности (МЭМГ) с помощью средств информационного моделирования на примере конкретного объекта строительства. Для достижения цели необходимо решить задачи: формирование критериев оценки эффективности, разработка информационной модели (ИМ) на основе МЭМГ, сравнение двух альтернативных объектов, формирование выводов по результатам. Материалы и методы. Применили сравнительный анализ двух альтернативных по техническо-экономическим показателям объектов — центров обработки данных, проектная документация которых разработана на базе модульного и традиционного подходов. Анализ эффективности выполняется на основе сравнения полученных значений заданных критериев оценки проектирования. Одновременно рассматривается процесс формирования ИМ одного из объектов на основе МЭМГ.
Результаты. Представлена оценка эффективности проектирования на базе МЭМГ: проведен сравнительный анализ относительно аналогичного объекта, проектная документация которого разработана традиционным способом. Анализ реализован с помощью сравнения предложенных автором базовых характеристик оценки выполнения проектных работ двумя различными концепциями проектирования. Приведена ИМ объекта, разработанная с использованием модульного проектирования с учетом существующих теоретических и практических данных в этой области. Выводы. Представленная оценка эффективности проектирования на основе МЭМГ демонстрирует очевидное преимущество модульного способа в рамках рассматриваемых объектов. По результатам разработки ИМ одного из объектов показаны особенности проектирования в рамках модульности, а также определены недостатки и направления для дальнейшего развития и повышения эффективности модульного проектирования.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: BIM-технологии, модульные элементы максимальной готовности, комплектно-блочное проектирование, автоматизация проектирования, организация строительства, модульные конструкции, префабрикация
Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-37-90064.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Рыбакова А.О. Оценка эффективности проектирования на основе модульных элементов максимальной готовности // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12. Вып. 3. Ст. 9. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.3.9
Автор, ответственный за переписку: Ангелина Олеговна Рыбакова, angelinaribakova@yandex.ru.
Evaluating the efficiency of modular design based §
on prefabricated elements ||
_ e a
Angelina O. Rybakova I e
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); e :
Moscow, Russian Federation O
ABSTRACT .
Introduction. Building Information Modeling (BIM) and modular construction are modern technologies that ensure the de- S
velopment of the construction industry. Despite certain weaknesses, both areas have strong prospects today. However, u
the consequences of integrating these technologies into design have not been sufficiently investigated. Therefore, it is e
advisable to study the total potential effectiveness of information modeling and modular construction technologies, if applied GO
in combination. Hence, the purpose of this work is to apply information modeling tools to a particular construction facility to 4
identify the effectiveness of design based on prefabricated modular elements. It is necessary to solve the following tasks 5
to achieve this purpose: development of performance evaluation criteria, design of an information model based on prefab- —
© А.О. Рыбакова, 2022
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
ricated modular elements, comparison of two alternative facilities, drawing conclusions based on the results of the work. Materials and methods. The study is based on a comparative analysis of technical and economic indicators of two alternative facilities, or buildings of data processing centres, whose design documents were developed using modular and traditional approaches. The efficiency analysis is based on the values of design evaluation criteria to be compared. At the same time, the process of designing an information model of a facility, made of prefabricated elements, is considered. Results. As a result, the efficiency assessment of the design based on prefabricated modular elements is presented: a similar facility, whose design documentation was developed in the traditional way, is employed to conduct a comparative analysis. The author compares basic evaluation characteristics to the design developed using two different design concepts. At the same time, the author presents an information model, developed using modular design with account taken of the most recent theoretical and practical data available in this area.
Conclusions. The proposed method of evaluating the design efficiency, based on prefabricated modular elements, demonstrates the obvious advantage of the modular method in terms of the facilities under consideration. At the same time, the information model of a facility is demonstrated, aspects of modular design are presented; weaknesses, further development and efficiency improvement trends are identified.
KEYWORDS: BIM technologies, fully assembled modular elements, design based on pre-fabricated elements, design automation, organization of construction process, modular structures, prefabrication
Acknowledgements. The reported study was funded by the Russian Foundation for Basic Research (RFBR), project No. 20-37-90064.
FOR CITATION: Rybakova A.O. Evaluating the efficiency of modular design based on prefabricated elements. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education]. 2022; 12(3):9. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/23055502.2022.3.9
Corresponding author: Angelina O. Rybakova, angelinaribakova@yandex.ru.
in
CO
tn и
еч
о св
■a to
ВВЕДЕНИЕ
Технологии информационного моделирования зданий (BIM) и технологии модульного строительства на сегодняшний день являются важнейшими и наиболее перспективными направлениями развития строительной отрасли не только в России, но и в мире [1, 2]. BIM и модульные технологии взаимосвязаны и в будущем могут интегрироваться для максимизации прибыли, сокращения сроков выполнения работ, уменьшения рисков возникновения дефектов, а также упрощения некоторых проектных процессов [2, 3]. Таким образом, рационально исследовать взаимосвязь совместного использования BIM-технологий и модульного метода для повышения суммарной производительности в строительстве [4].
Модульное строительство — одна из разновидностей строительства, которое заключается в максимальном изготовлении здания или сооружения за пределами строительной площадки: в заводских условиях с использованием стандартных материалов и конструкций в рамках установленных правовых норм и правил. При данном подходе объект будет произведен и возведен быстрее, чем при классическом строительстве.
Модульный элемент максимальной готовности в строительстве (МЭМГ) — это заранее изготовленный из различных материалов полноценный элемент строительства, обладающий наивысшей степенью готовности для монтажа. Как правило, такие элементы выполняются в заводских условиях, затем транспортируются на строительную площадку, где происходит их поочередное внедрение в конструкцию объекта [5].
Модульный BIM-блок или BIM-модуль — это цифровая модель комплексной структурной единицы, которая аккумулирует свойства и характеристики нескольких элементов строительных
конструкций, выполненных в среде информационного моделирования. Главная характеристика В1М-модуля — представление всех составляющих в одной структурной единице, т.е. в виде блока в любом геометрическом виде. Следовательно, информационная модель МЭМГ (ИМЭМГ) — базовая единица модульного информационного моделирования, которая представлена в виде В1М-модуля.
Большинство исследований, как российских, так и зарубежных, направлено на изучение особенностей именно строительства в рамках модульного подхода [6-9]. Однако для реализации модульного строительства необходимо учитывать не только особенности производства и монтажа, но и проектирования. С распространением информационного моделирования выполнять проектные работы с учетом особенностей модульного подхода становится проще за счет инструментария средств информационного моделирования [10]. При максимально эффективном использовании модульных аспектов не только в строительстве, но и в проектировании можно значительно улучшить некоторые показатели:
• сократить время на разработку проектной документации;
• уменьшить количество привлекаемых специалистов;
• уменьшить количество ошибок при проектировании;
• снизить количество ошибок при строительстве;
• повысить функциональность программных средств информационного моделирования.
Целесообразно выполнить анализ модульного проектирования в интеграции с информационным моделированием, определить преимущества и недостатки, особенности, а также дополнительно выявить уровень применимости функционала информационного моделирования для реализации основных задач
модульного подхода. Цель данной работы — определение эффективности проектирования на основе модульных элементов (МЭ) максимальной готовности с помощью средств информационного моделирования на примере конкретного объекта строительства. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: формирование критериев оценки эффективности, разработка информационной модели (ИМ) на базе МЭМГ, сравнение двух альтернативных объектов (традиционного и модульного), формирование выводов по результатам. По итогам будет определена эффективность интеграции модульного проектирования и информационного моделирования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Критерии и объекты сравнения
Оценка эффективности проектирования на основе МЭМГ возможна путем сравнения показателей проектирования двух аналогичных объектов двумя различными способами: модульный (на основе ИМЭМГ) и традиционный. В качестве исследуемого объекта предлагается рассмотреть проектирование двух объектов с аналогичными технико-экономическими показателями — центров обработки данных (ЦОД).
Центр обработки данных — сложное инженерное сооружение, высокотехнологичная площадка для обслуживания информационных систем и телекоммуникационного оборудования, цель работы которого — обработка, хранение и передача стратегически важной для конкретной компании информации и управление ее информационной системой. В инфраструктуру ЦОД входит несколько инженерных систем высокого уровня надежности: система кондиционирования, бесперебойного питания, пожаротушения, слаботочные системы и контроль
Табл. 1. Критерии оценки эффективности проектирования
доступа, а также другие системы в соответствии со спецификой обслуживаемого объекта [11, 12].
С целью реализации оценки необходимо сформировать критерии для сравнения выполнения проектных работ. С учетом существующих проблемных ситуаций и ограничений проектирования [13-15], а также специфичных особенностей ЦОД [16, 17] и модульного строительства [18, 19] определены критерии для оценки эффективности (табл. 1).
В качестве примера рассмотрены ЦОД, технические задания которых включали следующую информацию для проектирования (табл. 2).
Разработка информационной модели объекта
Разработка ИМ объекта рассматриваемого ЦОД выполнялась в соответствии со всеми принципами информационного моделирования согласно ключевым этапам методики проектирования на основе МЭМГ. Методика разработки ИМ на базе МЭМГ опирается на главные положения модульности1 и включает этапы [20].
1. Анализ основных характеристик объекта согласно техническому заданию.
2. Оценка рациональности применения модульного проектирования.
3. Оценка эффективности использования МЭМГ.
4. Разработка геометрического эскиза расположения будущих МЭМГ.
5. Определение необходимых типовых моделей МЭМГ на основе классификации. Работа с библиотекой ИМЭМГ.
6. Подготовка (разработка или корректировка) блоков информационного моделирования для ИМЭМГ.
Критерий Описание
Время Время на выполнения полного комплекса проектных работ
Количество обнаруженных коллизий Количество коллизий ИМ, обнаруженных при первой проверке
Проблемные ситуации Количество спорных и проблемных ситуаций между различными специалистами в процессе проектирования
Количество задействованных специалистов Количество специалистов, участвующих в проектировании
Количество замечаний заказчика/ эксперта Количество замечаний к проекту проверяющей инстанции
Время корректировки Время на выполнение работ, которые возникли вследствие коллизий и замечаний
й
се
ев ы
1 СП 501.1325800.2021. Здания из крупногабаритных модулей. Правила проектирования и строительства. Основные 5 положения. URL: https://docs.cntd.ru/document/607168489 —
Табл. 2. Характеристики сравниваемых объектов
Пункт технического задания Объект № 1 (модульный) Объект № 2 (традиционный)
Мощность объекта 480 м2 510 м2
Количество этажей Не более 3-х 3
Технологические решения и оборудование Общий объем 1Т-стоек — 200-250 шт. Общий объем 1Т-стоек — 250 шт.
Размеры стоек Использование современных стоек для ЦОД с потреблением мощности на стойках до 10 кВт Использование современных стоек для ЦОД с потреблением мощности на стойках до 10 кВт
Помещения 600 х 1000 мм 600 х 1000 мм
Уровень надежности Помещение для оборудования пожаротушения Помещение пожаротушения
Назначение объекта Помещение подготовки оборудования Помещение подготовки оборудования
Согласно геометрической карте ИМЭМГ (рис. 1) можно сделать следующие выводы для систематизации требуемых МЭМГ:
• 2-3, 6-7, 10-11 ИМЭМГ попарно полностью одинаковы;
• 1, 5, 9 и 4, 8, 12 ИМЭМГ зеркально отражены и имеют лестничные проемы;
• 1 и 4 ИМЭМГ обладают дополнительными проемами для входа;
• 5-8 ИМЭМГ отличают два лестничных проема, 1-4, 9-12 ИМЭМГ — один проем сверху и снизу соответственно.
Все ИМЭМГ объединяются в один информационный элемент посредством инструментов группировки, IT-стойки и холодильного оборудования — путем сборки, контейнер представлен в виде семейства. Трубы и коммуникации в группы включаются после их расположения. После подготовки всех моделей МЭМГ (ИМЭМГ) наступает второй этап — компиляция всех 12 ИМЭМГ в одну модель (рис. 2, 3).
Таким образом, получена итоговая комплексная ИМ модель ЦОД на стадии проекта. Дальнейшие действия над моделью осуществляются исходя из требований ТЗ и проектных решений, принятых управленческой группой. В данном случае модель передается для поиска коллизий в программный комплекс (ПК) Autodesk Navisworks [21, 22] с дальнейшей корректировкой и оформлением документации.
После всех возникающих корректировок и изменений, дополнительной верификации и утверждения модели весь перечень ИМЭМГ будет применен как модель ТЗ для производства компанией-изготовителем.
7. Формирование комплексной информационной модели на базе ИМЭМГ.
8. Проверка соответствия модели техническому заданию.
Содержание каждого из этапов методики разработки ИМ на основе МЭМГ включает три составляющие:
• входные материалы или информация;
• инструменты и алгоритмы, задействованные на данном этапе;
• выходные материалы или информация.
If9
п
ел и
еч
w я
■a ta
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
С учетом требований технического задания (ТЗ), систематизации и классификации МЭМГ, архитектурных и конструктивных особенностей проектируемого объекта выполнена разработка 12 ИМЭМГ на основе модификаций одного исходного типового контейнерного ЦОД — ИМЭМГ. Концептуально геометрию будущих ИМЭМГ и комплексной модели можно представить, как показано на рис. 1.
8
Рис. 1. Геометрическое представление модели
Рис. 2. Расположение единичного ИМЭМГ в модели
Одновременно разработанные 12 ИМЭМГ теперь составляют библиотеку ИМЭМГ, которая может быть использована для следующих проектов.
Принципиальные отличия в методике построения модели заключаются в количестве и способе расположения элементов. После разработки шаблона и установки вспомогательных элементов при традиционном подходе начинается построение архитектурно-конструкторской части с последующим размещением инженерных систем (независимо от ПК, в котором выполняется работа). При модульном подходе проектирования сначала выполняется работа по подготовке ИМЭМГ (расчет количества, разработка или модификация) на первом этапе и создание комплексной ИМ на втором (объединение ИМЭМГ) [23].
В результате обоих подходов формируется проектная документация в соответствии с требованиями нормативно-правовых актов, появляется возможность дополнительных действий над моделью с целью ее улучшения: автоматической проверки на пересечения, а также верификации модели на предмет полноценности и соответствия правилам проектирования в рамках существующих возможностей и алгоритмов [24].
При необходимости корректировок проводится точечная работа внутри модели, которая подразумевает максимально автоматизированное изменение повторяющихся элементов ИМ, представленных в виде модулей ИМЭМГ. В зависимости от трудоемкости и назначения изменений определяется алгоритм их выполнения в ИМ. Одновременно предполагается рационализация процесса разработки моделей для последующих проектов за счет расширения библиотеки, создания методической и теоретической поддержки, а также аккумулирования практических знаний [25].
По итогам разработки ИМ ЦОД можно провести анализ двух аналогичных объектов по предложенным показателям. Проектирование модульного ЦОД при сравнении с проектированием традици-
онного ЦОД (разработка модели без использования ИМЭМГ) имеет значения показателей, приведенные в табл. 3.
В результате сравнения продемонстрировано преимущество проектирования на основе МЭМГ по всем рассматриваемым критериям оценки. Количество задействованных специалистов суммарно уменьшилось, однако для реализации проекта потребовались дополнительные специалисты одновременно со специалистами по проектированию: В1М-координатор и В1М-менеджер. Значительное сокращение времени корректировки модели осуществлено за счет автоматической корректировки всех связанных ИМЭМГ после корректировки одного ИМЭМГ посредством инструментария по работе с группировкой в средствах информационного моделирования, а также за счет дополнительной координации и контроля В1М-специалистов.
Одновременно в ходе сравнительного анализа по оценке эффективности результатов проектирования на основе МЭМГ можно увидеть не только преимущества модульного проектирования по количественным показателям проектных процессов: суммарная эффективность достигается еще и благодаря когнитивному упрощению проектных процессов, за счет чего сокращается трудоемкость работы заинтересованных специалистов, что в итоге дает возможность выполнять ее более качественно.
Однако, несмотря на преимущества проектирования на основе МЭМГ относительно традиционного, в процессе разработки модели были выявлены инструментальные коллизии, которые значительно усложняют процесс проектирования.
1. Отсутствие специального модульного функционала. Программные комплексы информационного моделирования обладают только инструментами группировки, которые были адаптированы для формирования ИМЭМГ.
2. Отсутствие автоматизированного алгоритма для формирования ТЗ (параметров и характеристик)
Табл. 3. Сравнительный анализ эффективности проектирования ЦОД
Критерий Модульный ЦОД Традиционный ЦОД
Время 62 дня 99 дней
Количество задействованных специалистов 14 инженеров 21 инженер
Количество обнаруженных коллизий 51 коллизия 198 коллизий
Количество замечаний заказчика/эксперта 30 шт. 57 шт.
Проблемные ситуации 4 шт. 6 шт.
Последствия корректировки 2 дня 14 дней
Л СО
И
и
еч
ш я Я в
С. 137-150
модульных элементов максимальной готовности
каждого ИМЭМГ. Вследствие данной проблемы необходимо вручную формировать порядок расположения ИМЭМГ в модели. При объектах большого масштаба это невозможно и имеет большой риск возникновения ошибок.
3. Низкий уровень наполненности библиотеки ИМЭМГ. Разработка новых и корректировка имеющихся требует существенных временных затрат. Решение данной проблемы возможно при специальной предварительной разработке ИМЭМГ для наполненности библиотеки. Однако с разработкой каждого нового проекта при правильной систематизации проблема будет минимизироваться.
4. Отсутствие систематизации и классификации ИМЭМГ: в том числе отсутствие системы хранения и доступа к библиотеке.
5. Низкий уровень стандартизации и нормативно-правовой базы в данной области.
6. Отсутствие опыта и рекомендаций по использованию инструментов группировки относительно объединения примитивов и компонентов в рамках одного ИМЭМГ.
7. Потребность в предварительном анализе необходимости и эффективности применения модульного принципа проектирования для каждого конкретного объекта.
Таким образом, помимо рассмотренных ранее выявленных преимуществ проектирования на основе МЭМГ, существуют проблемные вопросы, решение которых в перспективе может повысить эффективность разработки как ИМ, так и проектной документации в целом.
На основе вышеизложенного можно сделать вывод о том, что проектирование на основе мо-
дульных элементов максимальной готовности является эффективным по сравнению с традиционными подходами. Однако для достижения максимальной эффективности следует решить некоторые программные, концептуальные и теоретические вопросы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Итоги данного исследования теоретически и практически значимы для деятельности в области модульного строительства и информационного моделирования. Определены реальные преимущества и перспективы проектирования на основе модульных элементов максимальной готовности, а также в результате практической реализации тестируемого объекта, выявлены направления для дальнейшего развития в данной сфере с целью рационализации рассмотренного подхода. Необходимо работать над изысканиями по формированию как теоретических основ для проектирования на основе МЭМГ, так и над разработкой более адаптированного для модульности функционала.
Перспективным направлением на базе проведенного исследования является анализ возможности и эффективности комбинации и применения существующего функционала информационного моделирования и ключевых задач модульного проектирования в отличие от традиционного. Также требуется определить методику оценки рациональности применения модульного подхода на самых ранних этапах работы над проектом с целью принятия наиболее верного с точки зрения эффективности проектирования решения в рамках конкретного объекта капитального строительства.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Abanda F.H., Tah J.H.M., Cheung F.K.T. BIM in off-site manufacturing for buildings // Journal of Building Engineering. 2017. Vol. 14. Pp. 89-102. DOI: 10.1016/J.JOBE.2017.10.002
2. Yin X., Liu H., Chen Y., Al-Hussein M. Building information modelling for off-site construction: Review and future directions // Automation in Construction. 2019. Vol. 101. Pp. 72-91. DOI: 10.1016/ j.autcon.2019.01.010
3. Sabet P.G.P., Chong H.Y. Interactions between building information modelling and offsite manufacturing for productivity improvement // International Journal of Managing Projects in Business. 2019. Vol. 13. Issue 2. Pp. 233-255. DOI: 10.1108/ IJMPB-08-2018-0168
4. FarmerM. The farmer nstruction labour model // Construction Leadership Council. 2016.
5. Rybakova A. Development of an integrated information model based on standard modular elements
of the maximum readiness basis // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Vol. 231. Pp. 211-219. DOI: 10.1007/978-3-030-96206-7_22
6. Чибирикова Д.А., Атаев Б.С., Мельникова О.Г. Модульное проектирование и конструирование js многоквартирных домов с использованием готовых и » компонентов // Актуальные проблемы и перспективы â о развития строительного комплекса : сб. тр. Междунар. S ® науч.-практ. конф. Волгоград, 2020. С. 82-86. S »
7. Kasperzyk C., Kim M., Brilakis I. Automated re- S I? prefabrication system for buildings using robotics // V Automation in Construction. 2017. Vol. 83. Pp. 184-195. Щ DOI: 10.1016/J.AUTC0N.2017.08.002 .
8. Клевцова К.С. Инновационное модульное S строительство // Молодой ученый. 2017. № 3 (137). u С. 103-105. Щ
9. Ji Y., Qi K, Qi Y., Li Y., Li H.X., Lei Z. et al. ( BIM-based life-cycle environmental assessment of 5 prefabricated buildings // Engineering, Construction
1Л СО
со tñ
еч
and Architectural Management. 2020. Vol. 27. Issue 8. Pp. 1703-1725. DOI: 10.1108/ECAM-01-2020-0017
10. Lee M., Lee D., Kim T., Lee U.K. Practical analysis of BIM tasks for modular // Sustainability. 2020. Vol. 12. Issue 7. P. 6900. DOI: 10.3390/su12176900
11. Lu W., Chen K., Xue F., Pan W. Searching for an optimal level of prefabrication in construction: an analytical framework // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 201. Pp. 236-245. DOI: 10.1016/ j.jclepro.2018.07.319
12. Lee J., Kim J. BIM-Based 4D Simulation to improve module manufacturing productivity for sustainable building projects // Sustainability. 2017. Vol. 9. Issue 3. P. 426. DOI: 10.3390/su9030426
13. Поняев А.Н., Дворников Ю.Я., Абрамова Д.О. Проблемы проектирования в строительстве, их решение // Техника. Технологии. Инженерия. 2019. № 3 (13). С. 13-17.
14. Климанов С.Г., Громов В.Н. Системный подход к проблеме проектирования и строительства быс-тровозводимых сооружений для обустройства войск в районах Арктики // Актуальные проблемы военно-научных исследований. 2021. № 1 (13). С. 319-335.
15. Зеленцов Л.Б., Шогенов М.С., Пир-ко Д.В. Проблемы интеграции проектирования и строительства на основе цифровых технологий // Строительство и архитектура — 2020. Факультет промышленного и гражданского строительства : мат. Междунар. науч.-практ. конф. 2020. С. 291-292.
16. Захаров А.И., Брякалов Г.А., Михайлова П.И., Чумакова Е.В. Методика расчета и оценки состава IT-оборудования центра обработки данных // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2019. № 2. С. 110-119.
17. Rybakova A., Kagan P. Application of building information modeling in data center design // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 869. P. 022006. DOI: 10.1088/1757-899X/869/2/022006
18. Ansah M.K., Chen X., Yang H., Lu L., Lam P.T.I. Developing an automated BIM-based life cycle assessment approach for modularly designed high-rise buildings // Environmental Impact Assessment Review. 2021. Vol. 90. P. 106618. DOI: 10.1016/ J.EIAR.2021.106618
19. Jang S., Lee G. Building Information Modelling (BIM) based generative design for drywall installation planning in prefabricated construction // Automation in Construction. 2021. Vol. 89. Pp. 86-98. DOI: 10.1155/2021/6638236
20. Sharafi P., Samali B., Ronagh H.R., Ghodrat M. Automated spatial design of multi-story modular buildings using a unified matrix method // Automation in Construction. 2017. Vol. 82. Pp. 31-42. DOI: 10.1016/J.AUTC0N.2017.06.025
21. Alshabab M.S., Petrichenko M., Vysotskiy A., Khalil T. BIM-based quantity takeoff in Autodesk Revit and Navisworks manage // Proceedings of EECE 2019. Energy, Environmental and Construction Engineering. Cham. 2020. Pp. 413-421.
22. Кривошейцева Е.А., Корницкая М.Н. 4D-моделирование зданий с использованием AUTODESK NAVISWORKS // Ползуновский альманах. 2022. № 1. C. 94-96.
23. Андреева А.Б. Актуальность использования технологий информационного моделирования на всех этапах «жизненного цикла» объекта капитального строительства // Уральский научный вестник. 2019. Т. 3. № 2. С. 63-66.
24. Третьякова З.О., Воронина М.В. Использование новых информационных технологий в строительном моделировании // Современное образование: содержание, технологии, качество. 2019. Т. 1. С. 363-365.
25. Goh M., Goh Y.M. Lean production theory-based simulation of modular construction processes // Automation in Construction. 2019. Vol. 101. Pp. 227-244. DOI: 10.1016/j.autcon.2018.12.017
Поступила в редакцию 3 августа 2022 г. Принята в доработанном виде 16 сентября 2022 г. Одобрена для публикации 16 сентября 2022 г.
Об авторе: Ангелина Олеговна Рыбакова — старший преподаватель, аспирант кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; SPIN-код: 2368-5758, Scopus: 57202815558, ResearcherID: AAC-8443-2022, ORCID: 0000-0002-6652-6334; angelinaribakova@yandex.ru.
«¡g INTRODUCTION
m o
9 co
s S Currently building information modeling (BIM)
S ® and modular construction technologies are the most
H important and promising trends in the construction in-
Sb dustry not only in Russia, but also worldwide [1, 2].
BIM and the modular technology are interconnected; in the future they can be integrated to maximize profits, accelerate the work performance, reduce the risk of defects, and simplify some design processes [2, 3]. Hence, one should investigate the relationship between
the joint use of BIM technologies and the modular method to increase the total performance of the construction industry [4].
Modular construction is a construction method, that ensures the performance of the maximal amount of construction work in terms of a building or a structure outside the construction site, or at a factory where standard materials and structures are used within the framework of the legal norms and regulations. This approach ensures that the facility will be produced and built faster than in the case of a classical approach.
A prefabricated modular element (PME) is a structural element made of different materials, which demonstrates the highest degree of readiness for installation. As a rule, such elements are made at factories, transported to a construction site, where they are integrated into the construction facility one after another [5].
A modular BIM unit or a BIM module is a digital model of an integrated structural unit that has the properties and characteristics of several structural elements designed in the information modeling environment. The main characteristic of a BIM module is the representation of all components within a single structural unit, i.e. as a block having any geometric shape. Consequently, the information model of a PME (IPME) is the basic unit of modular information modeling, which represents a BIM module.
The majority of the studies, made in Russia and worldwide, were aimed at studying the peculiarities of construction in the framework of the modular approach [6-9]. However, to implement the modular construction concept, it is necessary to take into account not only the peculiarities of production and installation, but also the features of design. Widely spread information modeling tools simplify the process of design with account taken of the features of the modular approach [10]. The following indicators can be significantly improved, if modular aspects of construction and design are efficiently employed:
• faster development of project documentation;
• fewer specialists involved;
• fewer design errors;
• fewer construction errors;
• higher performance of information modeling software.
It is advisable to analyze modular design together with information modeling to identify the advantages and disadvantages, features, as well as the level of applicability of functional information modeling to solve the main tasks of the modular approach. The purpose of this work is to determine the effectiveness of design based on prefabricated modular elements (PME) using information modeling tools applied to a construction facility. To achieve the purpose, it is necessary to solve the following tasks:
development of effectiveness evaluation criteria, development of an information model (IM) based on IPME, comparison of the two alternative facilities (traditional and modular), drawing conclusions on the basis of the results. The results will determine the effectiveness of integration of modular design and information modeling.
MATERIALS AND METHODS
Criteria and objects of comparison
The effectiveness of IPME-based design can be assessed by comparing two similar facilities designed in two different ways: the modular one (based on IPME) and the traditional one. The idea is to consider the design of the two facilities having similar technical and economic characteristics, or data centres (DC).
A data centre is a complex engineering structure, a high-tech site for maintaining information systems and telecommunications equipment, whose function is to process, store and transmit information, strategically important for a particular company, and manage its information system. The data centre infrastructure includes several engineering systems with a high level of reliability: air conditioning, continuous power supply, firefigh-ting, telecom systems and access control, as well as other systems depending on the function of a facility [11, 12].
In order to implement the evaluation, it is necessary to identify the criteria for comparing the efficiency of design. Given the current problems and design constraints [13-15], as well as the features of DC [16, 17] and modular construction [18, 19], the following performance evaluation criteria were identified (Table 1).
As an example, we considered the following DCs (Table 2).
Development of the information model of the facility
The IM of the facility was developed in compliance with all the principles of information modeling and the key stages of the IPME design methodology. The methodology for developing IPME-based IM employs the main provisions of modularity1 and encompasses the following steps [20].
1. Analysis of the main characteristics of a facility according to the technical assignment.
2. Evaluation of rationality of modular design application.
3. Evaluation of effectiveness of IPME.
4. Development of a geometric layout of the site of future IPMEs.
5. Identification of the necessary standard models of IPMEs based on the classification. Using the IPMEli-brary.
6. Preparation (development or adjustment) of information modeling blocks for IPME.
1 Construction Regulations 501.1325800.2021. Buildings made of large modules. Design and construction guidelines. Basic provisions. URL: https://docs.cntd.ru/document/607168489
M CD
oo
Table 1. Design efficiency evaluation criteria
Criterion Description
Time Time to complete the full range of design work
Number of collisions detected Number of collisions in the information model identified in the course of the first check
Problematic situations The number of controversial and problematic situations arising between different specialists in the course of design
Number of specialists involved Number of specialists involved in design
Number of remarks made by the Customer/Expert Number of comments on the draft design made by the superior authority
Time needed to make adjustments Time to perform the work to be made as a result of conflicts and comments
Table 2. Characteristics of the compared facilities
Construction facility characteristics Facility 1 (modular) Facility 2 (traditional)
Floor area 480 m2 510 m2
Number of floors Not more than 3 3
Engineering solutions and equipment Total number of IT racks — 200-250 Total number of IT racks — 250 pieces
Rack dimensions Using modern data centre racks featuring the power consumption of up to 10 kW Using modern data centre racks featuring the power consumption of up to 10 kW
Premises 600 x 1,000 mm 600 x 1,000 mm
Reliability level Fire extinguishing equipment room Fire extinguishing room
Function of the facility Equipment preparation room Equipment preparation room
in
CO
CO CO
CN
7. Generation of a comprehensive information model based on IPME.
8. Verification of the model compliance with the technical assignment.
The content of each stage of the IPME-based IM development methodology includes three components:
• incoming materials or information;
• tools and algorithms employed at this stage;
• outgoing materials or information.
RESEARCH RESULTS
Taking into account the requirements of the request for proposal (RfP), systematization and classification of IPMEs, architectural and structural features of the designed object, 12 IPMEs were developed on the basis of the modifications of one standard DC container. Conceptually, the geometry of future IPMEs
and the complex model can be represented as shown in Fig. 1.
9 10 11 12
5 6 7 8
1 2 3 4
Fig. 1. Geometric representation of the model
According to the geometric chart of the IPME (Fig. 1), the following conclusions can be made in respect of the systematization of the required IPMEs:
• the following pairs of 2-3, 6-7, 10-11 are absolutely identical;
• IPMEs 1, 5, 9 and 4, 8, 12 are mirrored and have stair openings;
• IPMEs 1 and 4 have additional entry openings;
• IPMEs 5-8 have two stair openings, IPMEs 1-4, 9-12 have one opening at the top and at the bottom, respectively.
All IPMEs are consolidated into one information element by means of grouping tools; IT racks and refrigeration equipment are consolidated into one information element by means of assembly, and the container is represented as a family. Pipelines and communication lines are grouped after there are laid. After the preparation of all IPME models (IPMEs) comes the second stage, or the compilation of all 12 IPMEs into one model (Fig. 2, 3).
Hence, the final comprehensive IM model of a DC at the stage of the project is devised. Any further work, involving the model, is performed in compliance with the requirements of the RfP and the design solutions developed by the management team. In this case, the model is transferred to Autodesk Navisworks software package (SP) to identify collisions [21, 22], make further adjustments and draft the documentation.
Following all adjustments and changes, the model will be verified, the whole list of IPMEs will be applied as a RfP model submitted for production by the manufacturing company.
At the same time, the 12 IPME s developed within the framework of this project, make up the IPME library, which can be used for the next projects.
These model development methods differ in the number and arrangement of elements. As for the traditional approach, the architectural and design work is initiated and the installation of engineering systems (regardless of the software package used to perform this work) is performed after the development of a template and the installation of auxiliary elements. As for the modular design approach, the IPME preparation work (quantity calculation, development or modification) is done first, and a complex IM is made later (combining IPMEs) [23].
Both approaches result in drafting the design documentation in accordance with the requirements of regulatory and legal acts to ensure the further improvement of the model, including the automatic identification of intersections and verification of the model for completeness and compliance with desig.rules using current algorithms [24].
If adjustments are necessary, "pinpoint" changes are made, which imply the automated modification of recurring IM elements, represented as IPME modules. Depending on the labour intensity and purpose of changes, the algorithm of their implementation in the IM is determined. The process of model development is streamlined for subsequent projects by expanding the library, providing methodological and theoretical support, as well as the accumulation of practical knowledge [25].
Following the development of DC IM, one can analyze two similar facilities using the proposed indica-
Fig. 2. Position of a single IPME in the model
M
Ol
n
M 5
Fig. 3. The IPME plan of the ground floor in the information model
tors. The values, shown in Table 3, show the difference dinator and a BIM manager. A significant reduction in between modular and traditional (model development the model correction time was achieved through the au-without the use of IPME) DC designs. tomatic correction of all related IPMEs after one IPME
The comparison demonstrates the advantage was corrected by the grouping tools and through the ad-of PME-based design in terms of all the criteria consi- ditional coordination and control exercised by the BIM
dered here. The total number of specialists went down, but the project required additional specialists simulta-
specialists.
A comparative analysis of the effectiveness of de-
neously with design specialists, it needed a BIM coor- sign results based on IPME demonstrates the shortco-
Table 3. Comparative analysis of the data centre design efficiency
Criterion Modular data centre Traditional data centre
Time 62 days 99 days
Number of specialists involved 14 engineers 21 engineers
Number of collisions detected 51 collisions 198 collisions
Number of remarks of the Customer/Expert 30 57
Problem situations 4 6
Consequences of the adjustment 2 days 14 days
in
CO
CO CO
CN
mings of modular design in terms of quantitative indicators of design processes: the total efficiency is also achieved due to the cognitive simplification of design processes, therefore, specialists have less work to do, which ultimately makes it possible to perform it more qualitatively.
However, despite the advantages of PME-based design relative to traditional design, collisions were identified during the development of the model tool, which significantly complicated the design process.
1. Lack of special modular functionality. Information modeling software packages only have grouping tools, adapted to making IPMEs.
2. Lack of an automated algorithm designated for drafting technical assignments (parameters and characteristics) of each IPME. Therefore, it is necessary to manually arrange IPMEs in the model. It is impossible for large-scale facilities, as it may involve errors.
3. Insufficient information in the IPME library. The solution is the preliminary development of IPME to fill the library. However, the problem will be minimized by every new project and the proper systematization.
4. Lack of systematization and classification of IPMEs: including the absence of the system of storage and access to the library.
5. Low level of standardization and regulatory framework in this area.
6. Lack of experience and guidance in terms of the use of grouping tools regarding the association of primitives and components within a single IPME.
7. The need for preliminary analysis of the necessity and effectiveness of the modular design principle for each specific facility.
Hence, in addition to the previously considered advantages of design on the basis of PME, there are problematic issues, and their future resolution can improve the effectiveness of the development of both IM and design documentation in general.
Based on the above, it can be concluded that the design, based on prefabricated modular elements, is effective compared to traditional approaches. However, some software, conceptual, and theoretical issues must be addressed to achieve maximum efficiency.
CONCLUSION AND DISCUSSION
The results of this study are theoretically and practically significant for activities in the field of modular construction and information modeling. The real advantages and prospects of design, involving prefabricated modular elements, have been identified, and as a result of the practical implementation of the tested facility further development areas were identified to streamline the proposed approach. It is necessary to advance both theoretical fundamentals of the PME design and develop the functionality which is more adapted to modular systems.
A promising area of research is the analysis of the feasibility and effectiveness of the consolidation and application of the current scope of functions of information modeling and the key tasks of modular design in contrast to the traditional one. Researchers should also develop a methodology for evaluating the rationality of the modular approach at the earliest stages of project work to make the best decision in terms of design efficiency for a specific capital construction facility.
REFERENCES
1. Abanda F.H., Tah J.H.M., Cheung F.K.T. BIM in off-site manufacturing for buildings. Journal of Building Engineering. 2017; 14:89-102. DOI: 10.1016/ J.J0BE.2017.10.002
2. Yin X., Liu H., Chen Y., Al-Hussein M. Building information modelling for off-site construction: Review and future directions. Automation in Construction. 2019; 101:72-91. DOI: 10.1016/j.autcon.2019.01.010
3. Sabet P.G.P., Chong H.Y. Interactions between building information modelling and off-site manufacturing for productivity improvement. International Journal of Managing Projects in Business. 2019; 13(2):233-255. DOI: 10.1108/IJMPB-08-2018-0168
4. Farmer M. The farmer nstruction labour model. Construction Leadership Council. 2016.
5. Rybakova A. Development of an integrated information model based on standard modular elements of the maximum readiness basis. Lecture Notes in Civil Engineering. 2022; 231:211-219. DOI: 10.1007/9783-030-96206-7 22
6. Chibirikova D.A., Atayev B.S., Mel'niko-va O.G. Modular design and construction of apartment buildings using ready-made components. Actual Problems and Prospects of the Construction Complex Development: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. Volgograd, 2020; 82-86. (rus.). j?
7. Kasperzyk C., Kim M., Brilakis I. Automated j? re-prefabrication system for buildings using robo- g « tics. Automation in Construction. 2017; 83:184-195. mg DOI: 10.1016/J.AUTCON.2017.08.002 gg
8. Klevtsova K.S. Innovative modular construction. g g Young Scientist. 2017; 3(137):103-105. (rus.).
9. Ji Y., Qi K., Qi Y., Li Y., Li H.X., Lei Z. et al. ® BIM-based life-cycle environmental assessment of pre- 2 fabricated buildings. Engineering, Construction and I Architectural Management. 2020; 27(8):1703-1725. s DOI: 10.1108/ECAM-01-2020-0017 g
10. Lee M., Lee D., Kim T., Lee U.K. Practical « analysis of BIM tasks for modular. Sustainability. 2020; 12(7):6900. DOI: 10.3390/su12176900 2
11. Lu W., Chen K., Xue F., Pan W. Searching for an optimal level of prefabrication in construction: an analytical framework. Journal of Cleaner Production. 2018; 201:236-245. DOI: 10.1016/ j.jclepro.2018.07.319
12. Lee J., Kim J. BIM-Based 4D simulation to improve module manufacturing productivity for sustainable building projects. Sustainability. 2017; 9(3):426. DOI: 10.3390/su9030426
13. Ponyayev A.N., Dvornikov Yu.Ya., Abramo-va D.O. Design problems in construction, their solutions. Technique. Technology. Engineering. 2019; 3(13):13-17. (rus.).
14. Klimanov S.G., Gromov V.N. A systematic approach to the problem of design and construction of prefabricated structures for the arrangement of troops in the Arctic regions. Actual Problems of Military Scientific Research. 2021; 1(13):319-335. (rus.).
15. Zelentsov L.B., Shogenov M.S., Pirko D.V. Problems of integration of design and construction based on digital technologies. Construction and Architecture — 2020. Faculty of Industrial and Civil Engineering: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. 2020; 291-292. (rus.).
16. Zakharov A.I., Bryakalov G.A., Mikhaylo-va P.I., Chumakova Ye.V. Methodology for calculating and evaluating the composition of IT equipment of a data processing center. Bulletin of the Russian New University. Series: Complex systems: models, analysis and control. 2019; 2:110-119. (rus.).
17. Rybakova A., Kagan P. Application of building information modeling in data center design. IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2020; 869:022006. DOI: 10.1088/1757-899X/869/2/022006
Received August 3, 2022.
Adopted in revised form on September 16, 2022.
Approved for publication on September 16, 2022.
18. Ansah M.K., Chen X., Yang H., Lu L., Lam P.T.I. Developing an automated BIM-based life cycle assessment approach for modularly designed high-rise buildings. Environmental Impact Assessment Review. 2021; 90:106618. DOI: 10.1016/J.EIAR.2021.106618
19. Jang S., Lee G. Building Information Modelling (BIM) based generative design for drywall installation planning in prefabricated construction. Automation in Construction. 2021; 89:86-98. DOI: 10.1155/2021/6638236
20. Sharafi P., Samali B., Ronagh H.R., Ghod-rat M. Automated spatial design of multi-story modular buildings using a unified matrix method. Automation in Construction. 2017; 82:31-42. DOI: 10.1016/ J.AUTCON.2017.06.025
21. Alshabab M.S., Petrichenko M., Vysotskiy A., Khalil T. BIM-based quantity takeoff in Autodesk Revit and Navisworks manage. Proceedings of EECE 2019. Energy, Environmental and Construction Engineering. Cham. 2020; 413-421.
22. Krivosheytseva Ye.A., Kornitskaya M.N. 4D building modeling using Autodesk Navisworks. Polzu-novskiy almanac. 2022; 1:94-96. (rus.).
23. Andreyeva A.B. The relevance of the use of information modeling technologies at all stages of the "life cycle" of the capital construction object. Ural Scientific Bulletin. 2019; 3(2):63-66. (rus.).
24. Tret'yakova Z.O., Voronina M.V. The use of new information technologies in construction modeling. Modern education: content, technologies, quality. 2019; 1:363-365. (rus.).
25. Goh M., Goh Y.M. Lean production theory-based simulation of modular construction processes. Automation in Construction. 2019; 101:227-244. DOI: 10.1016/j.autcon.2018.12.017
in
CO
CO CO
CN
Bionotes: Angelina O. Rybakova — senior lecturer, postgraduate student of the Department of Information Systems, Technologies and Automation in Construction; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; SPIN-code: 2368-5758, Scopus: 57202815558, ResearcherlD: AAC-8443-2022, ORCID: 0000-0002-6652-6334; angelinaribakova@yandex.ru.
