Виртуално моделиране на пътища и мостове

Поради увеличената урбанизация покачващите се разходи за инфраструктура са един от основните фактори, движещи иновациите в този сектор. Засиленият стремеж към повече ефективност тласка строителната индустрия към бурно развитие. И при инфраструктурните проекти разработването на дигитализирани процеси на планиране, проектиране и управление е голяма цел и за производители, и за учени. Бързото развитие на интерактивните технологии, като виртуална реалност (Virtual Reality/VR) и разширена реалност (Augmented Reality/AR), не само предоставя нови възможности, но насърчава и разработването на множество различни приложения в тази област. Тези иновации притежават огромен потенциал за революционно развитие на строителната индустрия.

Текст: списание Инфрабилд

Изправени сме пред уникални предизвикателства с проектирането, изграждането и експлоатацията на нова инфраструктура. Обикновено се следват традиционните технологични модели, но ако добавим дигитални елементи към истински изглед, ще си създадем допълнена, разширена реалност (Augmented Reality/AR). Виртуалната реалност (Virtual Reality/VR) предполага цялостно потапяне в дигитално обкръжение, което изключва физическия свят. Вече се говори и за смесена реалност (Mixed Reality/MR). При нея виртуалните и физическите елементи съществуват едновременно и си взаимодействат в реално време. Така създаваме мостове между дигитален и физически свят. В даден етап на развитие на строителните технологии доскоро отчетливите граници между реални и програмирани конструкции се размиват. Някак без много шум и претенции, че виртуалната и разширената реалност ще променят начините на строителство, в технологиите на отделни фирми тези реалности неусетно се промъкват и се настаняват удобно.

С интерактивните технологии VR и AR развитието на нова инфраструктура ще става с помощта на нови приложения, които позволяват проектиране, конструиране и изследване, без ограничението на реални разходи и логистични изисквания. Включването на VR и AR в строителната индустрия означава промяна на модела на мислене.

Общи положения

Промените в проектирането вървят с бързи темпове. Доскоро използваните 2D чертежи бяха изместени от 3D. VR играе важна роля в това ускорено развитие. Със способността си да демонстрира и интегрира, VR носи инженерни възможности от следващо поколение - позволява работа с цифрови версии на чертежи, дава възможност за проверка на поведението на дадена конструкция във виртуално пространство, подпомага преквалификацията на техническия персонал. Използването на технологии за виртуална и разширена реалност е насочено към подобряване на съществуващите технологии за компютърно проектиране. Инженерите ще могат предварително да тестват продуктите си във виртуална реалност, а това намалява крайната цена на проекта.

Виртуалната реалност предоставя нови форми за визуализация. В някои случаи VR може изключително точно да осигури поглед върху характеристики, процеси и детайли по начин, недостъпен за други средства в етапа на проектирането. Разработват се начини за изграждане на виртуална среда за инженерни приложения, като се търси повторно използване на цифровия модел на дадено съоръжение, вместо да се прави паралелно създаване на съдържание за визуализация. Макар че търсенето на виртуална реалност в областта на инфраструктурата нараства, внедряването на VR системи все още може да бъде възпрепятствано от финансови съображения. Нуждата от рентабилни решения, които да предлагат гъвкавост и да гарантират безопасност по време на тестване, става все по-очевидна. Ето тук е силата на VR - в нейния потенциал да осигури и ниска цена, и адаптивна среда за тестване и безопасно експериментиране. Това е от особено значение там, където е изключително скъпо да се правят изпитвания и тестове по метода проба-грешка в реална среда.

Досега разработваните приложения, предназначени за справяне с предизвикателства, свързани с икономика, безопасност и риск, могат да се възползват с огромен успех от въвеждане на VR. Като предлага симулирана среда, VR позволява на професионалистите да провеждат експерименти и тестове, без да се излагат на потенциални опасности. Това създава една практична и сигурна алтернатива, намаляваща ограниченията, които обикновено реалността налага. Точно затова VR е с невероятна стойност при изследване на инфраструктурни съоръжения, много над плюсовете, които дава възможността за „потапяне“ в една виртуална действителност. VR може да служи като стратегически инструмент, едновременно предназначен за преодоляване на финансови бариери и за осигуряване на възможност за безопасни симулации.

Трябва да отбележим, че въпреки огромния набор от функции, съвременните компютърни системи за проектиране имат редица ограничения. Това не позволява работа върху проект в режим на виртуална реалност и ограничава възможността за проектиране от няколко инженери наведнъж, засега. Вече има програми, които планират да се добави възможност за работа с устройството за разширена реалност. Разширената реалност ще позволи на инженерите да работят удобно с проекти с различни размери и сложност на изпълнение. Ще бъде възможно да се контролират всички функции на програмите с помощта на интуитивни движения и няколко специалисти ще могат да работят по един проект наведнъж. Тези технологии перфектно ще допълнят съществуващите функции на CAD системите. Неприятното е, че при големи проекти наличната компютърна мощност може да се окаже недостатъчна, ако се насочи и за виртуална реалност. Освен това е необходима и цялостна подготовка за прилагането на VR и AR технологии в областта на проектирането.

Използване на VR при проучване за магистрален мост

Магистралите са изключително важна част от инфраструктурата и транспортните системи на една държава и изискват огромни инвестиции от страна на правителството, респективно данъкоплатците. Мостовете са най-предизвикателните строителни части на тези системи. Строителството е много важен етап от инфраструктурните инвестиции, които обикновено включват първоначална конструкция, рехабилитация, подмяна или добавяне на структурни или второстепенни елементи. По време на изпълнението на даден строителен проект се очаква той да включва редица компоненти като безопасност, устойчивост, навременно завършване, рентабилност и качество, за да бъде проектът обобщен като успешен. Ако говорим общо за проект на магистрала, при него типичните фази са проектиране, строителство, поддръжка, рехабилитация и разрушаване. Връзката между тези фази също може да се осъществява на качествено ново ниво, ако се интегрира VR. И най-сложните процеси, като осигуряване на качеството, комуникацията между участниците в проекта, управлението на активите на магистралната инфраструктура - могат да бъдат управлявани и решавани с внедряване на VR технология.

VR има потенциала в най-близко бъдеще да започне да подпомага строителни обекти в различни области. Точно при строителството на магистрален мост може да се усетят плюсовете, които носи подходящото адаптиране на иновативните технологии като VR - в оценката на проекта, намаляване на разходите и навременното завършване. Дизайнът и строителните фази на моста започват с анализ, последван от проверки на проекта и завършва с оптимизация. Тази последователност се повтаря, докато се достигне до пълно изпълнение на проекта. Именно със съвременна технология отделните етапи в изграждането на транспортната система могат да бъдат интегрирани, за да се постигне по-добро взаимодействие и изпълнение.

По време на строителството се акцентира на транспорта и изпълнението. Обичайно транспортните операции се извършват от „площадка“ до „площадка“ или „на място“. Изискват се време и усилия за подробна оценка на доставките за даден инфраструктурен проект. Не бива да се пропускат и начините, и средствата за транспорт, като се има предвид конкретната реална среда. Точно на този етап VR технологиите могат да дадат възможно най-добрата информация за доставката. Колкото по-рано се възприемат и внедрят новите технологии, толкова по-големи предимства ще се разкриват в процеса на работа.

Методология на изследването

Проектирането на транспортното съоръжение започва по стандартните правила. Създава се модел на моста, като се спазват всички нормативни документи. Плочите, гредите, колоните и устоите на моста се разработват според нормите за натоварвания и проектиране. Създаването на модули е от особено значение при моделирането. Вече използваме 3D модели, а точността при създаването им ще допринесе за разработване на правилната платформа за вмъкване на основните носещи структури и на всички останали компоненти. След създаване на модела се пристъпва към множество последователни итерации за усъвършенстването и подобряването му. Стъпките за подобряване се прилагат за всеки компонент. Моделът се валидира, като се докажат съответствията с нормативните документи за проектиране на мостове, осигуряване на съответствие с установените стандарти, както и изпълнението на изискванията на нормите за проектиране към отделни елементи - греди, плочи, колони. Разбира се, че целият процес трябва грижливо да се документира.

Самото 3D моделиране се извършва след щателно проучване на реалните условия - брой ленти на пътищата, острови между тях, възможности за изграждане на колони и фундаменти и др. От друга страна, изискванията за видове превозни средства, интензивност, тегла и т.н. също се отчитат. Проектирането може да се извършва с различен софтуер. Например използването на Solidworks позволява проектиране на колони и фундаменти/основи в съвсем конкретна околна среда. В резултат се изработва изометричен и прозрачен чертеж на колоните и основата. Определят се брой греди, разстояние между тях, дължини и височини на напречното сечение, дебелина и вид на плочата и достатъчна ширина на аварийните ленти. Изчислява се и се конструира армировката. Изясняват се диаметрите на стоманените пръти и стремената. Етапите на монтаж също залягат в модела.

Прехвърляне на 3D модела във VR

При избор на софтуер за проектирането е добре да се търси програма, която дава възможност за проектиране на единични части, за окрупняването и сглобяването им, за много симулации и тестове, които да се прилагат за различни материали, които имат добра визуализация. След създаване на 3D модела той се прехвърля към Unity, като се използва опция за експорт на файл във формат, който поддържа 3D модели, йерархия на изгледи, материали и осветеност, повърхности и смесени форми, например формат .fbх. Ако се опитаме да изградим една опростена блок схема на описания процес, тя би изглеждала така:

Предварителен етап на проучване, данни, норми, проектиране, създаване на 3D модел. Вторичен етап - инженерно разработване, навлизане в подробности, решения на възли и детайли. Крайна цел - виртуална реалност. Моделът трябва да бъде калибриран, материалите да бъдат повторно нанесени и текстурирани, тъй като при експорт от първоначалната програма може да се изкривят или загубят някои данни. След проверка и сравнение с оригиналния модел файлът може да бъде експортиран в някое VR приложение. Middle VR, например, предлага лесна настройка с много възможности.

Не е без значение и съпътстващото оборудване - стени за активна VR среда, които могат да бъдат със задно прожектиране, а вече има и стереоскопична LED технология за проекция; система за оптично проследяване - то не изисква никаква физическа връзка между проследявания обект и реалния свят и използва малки камери за едновременно следене на множество обекти, затова е идеално за приложения като добавена реалност; подразбира се и наличието на много висок клас работни станции с поддръжка с най-новия хардуер и VR софтуер; CAD пакети, необходими за проектирането; софтуерни пакети; подходящи за тестване; казано накратко - трябва да се осигури напълно интегрирана софтуерна система, която да приема CAD съдържание, което да се въвежда във VR среда със софтуер, доказано стабилен при конвертирането на виртуално CAD съдържание във VR съдържание. Една подобна лаборатория би била основа за разработка, интеграция и тестване на налични VR приложения при строителството на магистрали и съпътстващите ги съоръжения. Очевидно развитието на виртуалната реалност (VR) и на добавената реалност (AR) ще зависи не само от разработките на софтуера, но и от качеството на хардуера. Разработват се и се внедряват очила, слушалки и шлемове от най-ново поколение.

Ползи от VR на строителната площадка

Повечето от проблемите, произтичащи при сблъсъци между различните инженерни части при проектирането на нов мост, се откриват и разрешават още в процеса на проектиране, без да стигнат до строителната площадка. Тъй като факторите, които могат да генерират промени и преработка, от замяна на материали до грешки в конструкцията, са изключително много, точно това е мястото за прилагане на VR за намиране на решение. Ръководството на строежа е на ход!

Ще споменем най-практичната полза - впечатляващата способност да се визуализира строителният обект до ниво най-дребни детайли. Ръководителят, а и останалите участници в процеса, получават информация за напредъка на проекта, възможност за своевременно участие и подкрепа на взетите решения. Осигурява се основата за контакт между отделните звена. Тази визуализация позволява на ръководителя на строителството да следи процеса във всеки етап от изпълнението. При проектиране на мостове VR дори показва до каква степен транспортната система е адаптирана към околната среда. По време на строителния процес, когато е активирано VR приложение, всяка промяна може да се отиграе предварително, все едно, че вече е изпълнена. Това би позволило на ръководители на проекти и различни хора, участващи в проекта, да получават информация за напредъка на проекта и да имат основа за обосновани решения. Особено при големите проекти, разширената реалност се оказва изключително полезна на място. Създаването на цифров еквивалент на реален проект преди началото на строителството позволява на изпълнителите да оценят и поръчат подходящите материали много по-рано от предвижданото им влагане на обекта. Освен че така се осигурява сигурност при планирането, могат да се получат и възможно най-добрите цени на пазара. Разширената реалност ще помогне и на изпълнители, и на инвеститори да се вместят в определения срок за завършване на обекта, и то по най-рентабилен и ефективен начин.

Знаем, че при големите инфраструктурни обекти има различни подизпълнители или работни групи, и в повечето случаи те работят изолирано, като всеки се е вторачил в своя срок на изпълнение и своите задачи. Точно това поведение може да доведе до непредвидени „сблъсъци“ - точки на конфликт, чието отстраняване би оскъпило обекта, а и би отнело много време. В такъв случай наличието на виртуалния модел е много полезно. Използването на „облачна“ платформа позволява преглед и обсъждане на триизмерния виртуален модел. Така, в един-единствен модел, всеки от участниците в процеса разполага с всички налични данни, с варианти за възможни критични възли и моменти, с предвиждане какво може да се обърка. Следователно с подходящо координиране и съобразяване проблемите могат да се избегнат, преди да са се случили в реалния свят.

Още нещо - ако работниците бъдат поставени във виртуална среда, с разиграване на виртуален сценарий, които би бил опасен в реалния свят, създадените усещания са отлично превантивно обучение. Инцидентите, свързани с действия, при които е имало подценяване на опасностите за здравето и безопасността, рязко намаляват.

Заключение

Строителната индустрия се развива много бързо, особено след Covid-застоя. В тази област е необходимо привличане на новото поколение, което има значителен интерес към подобни иновативни технологии. Предвижда се все по-засилващо се влияние на виртуалната реалност върху строителството. Всяко допълнително комбиниране с други технологии, например сензори и GPS технология на конкретната строителна площадка, създава връзка между физическата същност на площадката и цифровия ѝ близнак в „облак“ и отключва безброй варианти за ефективно управление на проекта. Когато се обединят данни от различни източници в реално време, техният анализ е основа за безпроблемно адаптиране към нуждите на проекта и вземане на обосновани, правилни, възможно най-добри решения. Това неминуемо ще се окаже мощен фактор за индустрията - ще се строи по-икономично и обмислено, ще се намали негативното въздействие върху околната среда.

Неприятно е, че са наблюдавани някои психофизиологични проблеми, които възникват в процеса на използване на VR и AR технологиите поради несъответствията между зрителните сигнали и мозъчната дейност. Доскоро нашият мозък е получавал информацията от различни източници, и след анализа ѝ ние сме разполагали с нашата лична, субективна реалност. При новите дигитални реалности информацията от един сетивен източник може да не бъде потвърдена от друг, и тогава е възможно да възникнат различни странични нежелани ефекти - умора, световъртеж, главоболие или други. Въпреки това ръстът на инвестициите в тази област е огромен. Това е бъдещето.

VR се очертава като потенциален фактор, който би могъл коренно да трансформира строителната общност. Големите строителни компании сериозно обмислят, или би трябвало да обмислят, как по-интензивно да внедряват VR технологията, което ще ги изтласка още по-напред в развиващата се строителна индустрия. Всяка промяна в проекта може да бъде своевременно отразена и анализирана. Всяка подробност може да бъде визуализирана. Е, да не забравяме специалните очила! Няма съмнение - това е бъдещето.