Aplikace BIM ve vodním hospodářství

Článek se zaměřuje na aplikaci metody BIM v oblasti vodního hospodářství. Diskutuje o dvou přístupech k implementaci metody BIM. Zmiňuje výhody a nevýhody obou přístupů a zdůrazňuje význam použití BIM v dodací fázi. Dále se článek věnuje provozní fázi, kde BIM umožňuje efektivnější správu a údržbu vodních děl. Kromě toho diskutuje o konceptu digitálního dvojčete a jeho využití v optimalizaci technologických procesů.

V předchozím článku (vyšlo ve VH 10/2023) jsme se seznámili s metodou BIM a představili základní pojmy spojené s tímto inovativním přístupem ve stavebnictví. Vysvětlili jsme, že BIM není pouze 3D model, ale jde o správu informací aktiva, což jsou fyzické entity o skutečné finanční hodnotě, jako jsou stavby, pozemky, zařízení nebo vybavení. Nyní se přesuneme dál a podíváme se na konkrétní aplikace a přínosy metody BIM v prostředí vodního hospodářství. Jak tato metoda transformuje stavebnictví, se dozvíme níže.

Implementace BIM ve vodním hospodářství

Jsou možné dva přístupy. Každý má své výhody a nevýhody. První možností je začít implementovat BIM na nové stavby, které vznikají tzv. na zelené louce. Dodací fáze zajistí vytvoření všech stupňů projektové dokumentace a realizaci. Model stavby obsahuje veškeré informace o v budoucnosti skrytých konstrukcích, horninovém prostředí apod. a může být propracovaný do nejmenšího detailu. Samozřejmostí je úprava modelu během realizace, neboť z modelu je posléze generováno skutečné provedení stavby. Tím je zajištěn naprosto identický model stavby odpovídající skutečnosti se všemi validními parametry. Nevýhodou tohoto přístupu je břemeno nákladů, které je neseno po celou dobu dodací fáze. Existuje zde riziko, že k realizaci stavby nemusí ani dojít, případně se neočekávanými okolnostmi posune termín dokončení. Je třeba uvést, že když se stavba zrealizuje a proces se přesune do provozní fáze, začneme ihned vidět veškeré benefity, které podrobné informace přinášejí.

Druhým přístupem je provést pasportizaci již stávajících staveb. Podkladem pro tento přístup by měl být soupis vodních děl s jejich reálnými provozními náklady. Díky tomu je možné provést prioritizaci staveb, které dosahují největších provozních nákladů, a pomocí optimalizace dosáhnout maximálních úspor v nejkratším možném čase. Dodací fáze se soustředí na pasport vybrané stavby a jeho technologie. Informační model lze doplnit o již nashromážděné podklady získané během provozování vodního díla. Velkou nevýhodou jsou zakryté konstrukce, které můžeme převzít pouze z původní projektové dokumentace. Vyvstává tu otázka, do jaké míry je nákladově efektivní požadovat modelaci takových konstrukcí. Nespornou výhodou tohoto přístupu je v podstatě okamžité zefektivnění procesů vztahujících se k provozování vodního díla, čímž dojde k úspoře vynakládaných prostředků.

BIM v dodací fázi

Dodací fáze v životním cyklu aktiva zaujímá pouze malé procento celkové životnosti stavby. V této fázi jsou náklady na BIM největší, protože je nutné vytvořit informační model, případně aktualizovat stávající model. Oproti tradiční projektové dokumentaci znamená použití metody BIM potenciální zvýšení nákladů o rozmezí 20 % až 50 %. Konečná částka navýšení nákladů se odvíjí od míry detailu požadovaného informačního modelu. Výhody, které BIM v této fázi přináší, jsou zejména zlepšení koordinace všech aktérů (stavebník, investoři, zpracovatelé projektové dokumentace, dodavatelé a stavební úřady) a podchycení kolizí, které se mohou objevit. Tím je zajištěn hladší průběh realizace stavby a snížení rizika navýšení ceny stavebního díla. Zároveň se celý proces zrychluje.

Dodací fáze není specifická pro vodní hospodářství a v podstatě probíhá v celém stavebnictví stejně. V kostce se jedná o efektivnější a transparentnější přístup k řízení projektu.

Provozní fáze aktiva

Jakmile se v rámci životního cyklu aktiva dostaneme do provozní fáze, můžeme očekávat úspory ve výši až 20 % i více. Tato úspora závisí na mnoha faktorech, včetně typu a velikosti aktiva, a to především v podobě efektivnějšího vynakládání prostředků na údržbu, jasné inventarizace majetku a snazšího vyčíslení nákladů při plánování dlouhodobých investic. Zjednodušuje se proces vytváření zadávacích dokumentací a tvoření objednávek na služby potřebné pro správu majetku, ať už se jedná o administrativní budovy, přehrady, jezy, MVE, kanalizační a vodovodní řady nebo úpravny pitné vody, případně čistírny odpadních vod.

Dochází ke snížení nákladů na navazující projektové dokumentace na podkladu již vyhotoveného pasportu stavby, či skutečného provedení stavby, který je aktuální a doplněný o případné změny během provozní fáze. Projektant nemusí provádět kompletně nové zaměření, provede pouze kontrolní měření dle jeho potřeb. Předmět jeho projektování lze přímo zasadit do již stávajícího modelu. Zároveň tento postup přináší úsporu času, jež se projeví na rychlejším dodání projektové dokumentace.

Detailní model konstrukcí nachází uplatnění především při stavebních záměrech a haváriích. Během havárie je například řešitelský tým schopen zobrazit tvary konstrukcí, uchycení ocelových konstrukcí a okolních komponentů v podstatě odkudkoliv. To znamená, že krizový pracovník, který nebyl doposud na postiženém vodním díle, může začít informovaně rozhodovat. Je schopen vyhodnotit možné příčiny havárie, navrhnout opatření pro zajištění stabilního stavu a následně rozhodnout o budoucím postupu. Nejzávažnější poruchy se projevují pod vodní hladinou a vizuální kontrola bez potápěčů nebo jiné techniky je v podstatě nemožná. Znalost konstrukcí může ušetřit drahocenný čas, díky včasnému zásahu i následné finanční prostředky.

S trochou nadsázky se dá říct, že BIM model v tuto chvíli představují klíčoví pracovníci na vodních dílech, kteří mají někdy i desítky let zkušeností a znají každý kámen nebo šroub. Při odchodu zmíněného pracovníka do důchodu nebo se změnou zaměstnání dochází bohužel ke ztrátě nepřenositelných zkušeností a znalostí, které musí navazující pracovník mnoho let pracně získávat. Udržováním aktuálního BIM modelu zajistíme efektivní předávání veškerých informací dalším generacím.

Nemusíme tedy čekat na nové stavební záměry a havárie, abychom mohli těžit z BIM modelu. Velkou výhodu představuje podrobně zpracované technologické vystrojení vodních děl (viz obr. 1), jež umožňuje sledovat potřebné parametry na turbínách, uzávěrech, měřící technice a zajistit přímé převedení získaných dat pro další činnosti. Na jednom místě tak můžeme vidět například motohodiny všech osazených turbín a optimalizovat jejich vytížení, aby docházelo ke stejnoměrnému opotřebování součástek.

Obr. 1. Pasport technologického zařízení VD Švihov (Povodí Vltavy, státní podnik)

Pro změnu textových parametrů během provozní fáze nemusíme nutně dělat projektovou dokumentaci, neboť systém umožňuje editaci. Příkladem může být dodání nového čerpadla stejných parametrů, kdy se mění pouze sériové číslo. U příkladu čerpadla můžeme zůstat. Pokud je potřeba zjistit parametry, v praxi to většinou znamená vyslat místního pracovníka do skladu a požádat o fotografii štítku. Problém nastává v případě nečitelného, nebo zcela chybějícího štítku. Zavedením jednotné databáze je zjednodušena evidence majetku, včetně všech potřebných parametrů.

Možnosti pro naplnění modelu informacemi jsou prakticky neomezené. Model může například obsahovat informace o době expirace hasicích přístrojů a termíny plánovaných revizí. V návaznosti na dotace může být model doplněn o informace, do kdy je nutné počítat s udržitelností projektu. Tyto informace jsou mimo jiné klíčové pro plánování investiční strategie.

Digitální dvojče

Pod pojmem digitální dvojče si můžeme představit matematický model technologie. Digitální dvojče není BIM, může existovat i bez BIMu. Jedná se o přidanou hodnotu, kterou můžeme aplikovat na informační model a využít BIM na maximum.

Hlavním principem je simulace možných stavů a relevantní predikce v reálném čase. Tím je docíleno optimalizace technologických procesů, čímž lze dosáhnout úspory až 20 % nákladů. Zároveň poskytuje možnost školení pracovníků na reálných datech. Například na čistírně odpadních vod lze simulovat účinnost čištění a náklady na provoz. Data pro tyto analýzy jsou již dávno shromažďována a je možné definovat přísun odpadní vody během dne. Vzhledem k dostatečně dlouhé datové řadě jsme schopni predikovat i budoucí vývoj.

Pokud vytvoříme digitální dvojče pro úpravnu vody (viz obr. 2) a zapojíme do matematického modelu neuronové sítě, budeme schopni predikovat kvalitu upravené vody na základě průtoku v toku, zákalu přitékající vody, úhrnu srážek a nasycenosti půdy v lokalitě. Díky tomu můžeme optimalizovat náklady na úpravu vody za dodržení předepsané kvality vody na výstupu. 

Obr. 2. Aplikace digitálního dvojčete úpravny vody, realizovaná za účelové podpory Ministerstva vnitra České republiky z projektu „TWIN SKIN – Digitální dvojče úpravny vody pro efektivní řízení rizik kritické vodárenské infrastruktury“ v rámci projektu bezpečnostního výzkumu ČR, vývoj, testování a evaluace nových bezpečnostních technologií (SECTECH). Credit: VŠCHT Praha, VDT Technology a. s., Ústav pro hydrodynamiku AV ČR v. v. i.

Digitální dvojčata najdou své uplatnění především v technologických provozech, kde je nutné sledovat v reálném čase měnící se parametry, které ovlivňují kvalitu produktu na konci technologické linky. Použití ve velké vodě není vyloučeno (např. vodní elektrárny), ale je třeba brát v potaz, že vytvoření takového matematického modelu je značně finančně nákladné a pravděpodobně nepřinese takový užitek, jako například na čistírně odpadních vod. Správci vodních toků si bez problému vystačí pouze s metodou BIM bez nástavby digitálních dvojčat.

Závěr

V článku jsme zkoumali, jak metoda BIM nachází uplatnění v oblasti vodního hospodářství. Zjistili jsme, že existují dva hlavní přístupy k implementaci. Prvním je začít BIM používat při výstavbě nových staveb, což zahrnuje detailní modelování od samého počátku, a druhým způsobem je provést pasportizaci již existujících staveb. Obě metody vedou k optimalizaci provozních nákladů.

Dále jsme se zabývali tím, jak metoda BIM ovlivňuje dodací fázi a vyjmenovali jsme benefity, které aplikace metody přináší. Nakonec jsme se zaměřili na provozní fázi, která je hlavním důvodem, proč aplikujeme BIM postupy, a kde dochází k největší úspoře finančních prostředků.

Vysvětlili jsme si pojem digitálního dvojčete, které neznamená BIM, ale může být skvělou nástavbou již stávajícího modelu a přinést další nástroje pro provoz.

Celkově lze konstatovat, že BIM je klíčový nástroj pro stavebnictví, který přináší významné výhody a úspory. Má velký potenciál zvýšit efektivitu a transparentnost v celém odvětví.

Ing. Stanislav Winkler
Povodí Labe, státní podnik
winklers()pla.cz