Digitalizácia a virtualizácia v procese vzdelávania 5/2022

Ustavičný vedecký a technický pokrok v stavebníctve je v čoraz väčšej miere ovplyvňovaný rýchlym vývojom informačných a komunikačných technológií, čo vytvára priestor aj na zlepšovanie procesu vzdelávania na vysokých školách.

Celosvetovou výzvou dnešnej doby je inovácia a digitalizácia vzdelávacieho procesu, ktoré prinášajú kvalitatívne vyššiu formu vzdelávania, zvlášť v technických odboroch. Laboratórium digitalizácie a virtualizácie v stavebníctve na Stavebnej fakulte Technickej univerzity v Košiciach je špecializované pracovisko Ústavu technológie, ekonomiky a manažmentu v stavebníctve. Činnosť laboratória sa zameriava na implementáciu konceptu technológie BIM a virtuálnych technológií v oblasti výskumu, vzdelávania a aplikovania v podmienkach stavebnej praxe. Hlavné aktivity sa orientujú na tvorbu spoločného digitálneho prostredia s cieľom dosiahnuť integrované projektovanie, plánovanie, organizovanie a riadenie stavebných projektov, ktoré sú pre budúcnosť rozvoja digitalizácie v stavebníctve kľúčové. V rámci výskumných projektov sa realizujú analýzy integrovaných prístupov k projektovaniu stavieb, zabezpečujúcich efektívny spôsob sprístupnenia informácií všetkým účastníkom výstavby prostredníctvom informačného modelovania stavieb a virtuálnej reality. V rámci vzdelávania sa aktivity zameriavajú na podporu riadenia a plánovania stavebnej výroby s cieľom:

• oboznámiť študentov s problematikou projektovania procesu výstavby, kde sa stavebno-technologický projekt chápe ako projekt prípravy, plánovania, uskutočňovania a operatívneho riadenia stavby v zmysle dohodnutých a zmluvne záväzných podmienok výstavby,
• rozvíjať technické myslenie a zručnosti študentov v oblasti technológie BIM vytvorením informačného 3D modelu zadanej stavby a umožniť študentom zdokonaľovať priestorovú predstavivosť a schopnosť „vidieť“ simulovanú skutočnosť,
• vysvetliť základnú problematiku realizácie stavebných procesov, technologické postupy procesov hrubej stavby a dokončovacích prác vrátane požiadaviek na stavebné stroje, materiálové, priestorové a profesijné zabezpečenie, na kvalitu vyhotovenia procesu a na dodržanie zásad BOZP pri výstavbe,
• spracovania teoretických poznatkov nosnej témy zadanej záverečnej práce z oblasti prípravy a realizácie stavieb, ekonomiky a riadenia procesov spojených s výstavbou, s cieľom určenia spôsobu a možností prepojenia teoretických poznatkov s riešením konkrétneho problému stavebnej praxe,
• prehĺbenia schopností na konštrukčnú tvorbu, správny návrh konštrukcií, aplikáciu a syntézu poznatkov z absolvovaných predmetov, ako aj získanie zručností na projektovanie pri komplexnom konštrukčnom návrhu projektu zadanej budovy.

V súčasnosti sa v laboratóriu nachádzajú zariadenia, ktoré sa využívajú na pedagogickú a výskumnú činnosť v oblasti informačného modelovania stavieb technológiou BIM, digitalizácie objektov technológiou 3D laserového skenovania, technológií virtuálnej, rozšírenej a zmiešanej reality a zariadení na aditívnu výrobu modelov objektov.

Informačné modelovanie procesu výstavby technológiou BIM

Jednou z možností na efektívnejšie zabezpečenie prípravy a realizácie stavieb je vyššie využitie digitalizácie a virtualizácie, ktoré sa stávajú silnými nástrojmi v rôznych oblastiach stavebníctva, medzi ktoré patrí aj oblasť projektovania procesu výstavby. Napríklad zobrazenie podmienok uskutočňovania výstavby vo virtuálnom prostredí umožní všetkým účastníkom výstavby nielen vidieť skutočné priestorové proporcie konštrukcií, zariadení a skladovaných stavebných materiálov na budúcu stavbu, rozsah zaťaženia okolia stavby v priebehu jej realizácie zo všetkých možných pohľadov, ale umožní aj v digitálnom priestorovom modeli virtuálne prechádzať staveniskom a tak získať omnoho lepšiu predstavu aj z hľadiska samotnej realizácie stavby. Umožňuje vytvorenie simulácie strojov, technologických procesov v určitých fázach výstavby. Poskytuje informácie týkajúce sa stavby, ako sú zásoby, zdroje a pod. To projektantovi umožní podstatne efektívnejšie spracúvať projekt organizácie výstavby potrebný na stavebné povolenie, ale reálne najväčší efekt prináša zhotoviteľovi stavby. Umožní mu napríklad:

• určiť potrebnú veľkosť plochy na rozvinutie staveniskovej prevádzky vzhľadom na zabezpečenie všetkých potrebných objektov zariadenia staveniska,
• navrhnúť a dimenzovať všetky potrebné objekty zariadenia staveniska a ich optimálnu alokáciu v priestore staveniska,
• lepšie zohľadniť konfiguráciu a členenie staveniska,
• vyhodnotiť vlastné kapacity objektov zariadenia staveniska,
• optimalizovať výber žeriavov a stavebných strojov v kontexte s potrebnými výkonmi, ale aj s podmienkami na stavenisku,
• optimalizovať veľkosť a umiestnenie skladovacích plôch či plôch s výrobňami,
• lepšie koordinovať práce vzhľadom na bezpečnosť a ochranu zdravia pri práci,
• identifikovať riziká súvisiace so staveniskovou prevádzkou a pod.

V prípade technológie BIM predstavuje informačné modelovanie možnosti nielen vkladania parametrických prvkov (objektov), definovania väzieb medzi nimi alebo uskutočňovania potrebných zmien, ale umožňuje aj zistiť kolízne stavy a zabezpečiť, že všetko, čo sa v modeli zmení, sa interaktívne prenáša do všetkých častí modelu a výstupov, ako sú výkresy, prílohy, rôzne výkazy a pod., tvoriace súčasť projektovej dokumentácie. Integrácia technológie BIM zároveň podporuje inteligentnú výmenu informácií medzi účastníkmi projektu pomocou 3D BIM analýzy a 4D/5D BIM stavebných simulácií priebehu výstavby na pokročilé a efektívne generovanie a vyhodnocovanie informácií o projekte.

Obr. č. 1 Interaktívne parametrické prostredie, podporované virtuálnym modelovaním priestorovej alokácie objektov zariadenia staveniska v 3D prostredí modelu staveniska, využívajúcom technológiu BIM v oblasti podpory navrhovania podmienok uskutočňovania výstavby – spracované v softvéroch Archicad a Twinmotion v rámci spolupráce so spoločnosťou CAD EXPERT.

Digitalizácia objektov a ich okolia technológiou 3D laserového skenovania

V oblasti stavebníctva sa často kladie požiadavka na zameranie skutočného stavu existujúceho objektu a jeho okolia ako podkladu na spracovanie projektovej dokumentácie. Za najvyspelejšiu technológiu umožňujúcu najdetailnejšie zameranie geometrie existujúcich objektov s vysokou produktivitou práce sa v súčasnosti považuje 3D laserové skenovanie. Výsledkom skenovania je mračno bodov (point cloud), ktoré predstavuje veľmi podrobné, polohovo presné a bezkontaktné zachytávanie povrchu objektov pomocou laserového lúča. Táto technológia sa v stavebníctve široko uplatní pri zameraní rôznych objektov, ako sú napríklad budovy, výrobné haly, stroje, zariadenia, inžinierske siete, ale i kultúrne pamiatky a iné fyzické objekty.

Obr. č. 2 Mračno bodov – výsledok zamerania budovy legendárneho košického kina Družba laserovým skenerom FARO Focus 3D X130. Budova kina bola zameraná v rámci spolupráce s občianskym združením Chi3 s cieľom spracovania projektovej dokumentácie na zachovanie architektonických hodnôt na premenu na spoločenské centrum, ktoré bude slúžiť nielen pôvodnému účelu na filmovú produkciu, ale aj iným oblastiam umenia a kultúry.

Holografické zobrazenie digitálnych stavebných objektov v zmiešanej realite

Medzi technológie, ktoré si hľadajú miesto v stavebníctve, možno zaradiť aj zmiešanú realitu. Technológia zmiešanej reality ponúka vysoké prezentačné schopnosti pri realistickom zobrazení digitálnych modelov stavebných objektov a ich okolia. Oproti konvenčným zobrazeniam stavieb vo virtuálnom priestore má účastník výstavby lepšiu možnosť objektívnejšieho zhodnotenia dimenzie. Zmiešaná realita účastníkom výstavby uľahčuje aj orientáciu v priestore stavby a objektívnejšie zobrazuje umiestnenie a polohu stavebných objektov a ich konštrukcií. Digitálny 3D model je možné zobraziť ako hologram v zornom poli holografických okuliarov na požadovanom mieste a v ľubovoľnej mierke. Napríklad v kancelárii, na zelenej lúke alebo priamo na uskutočňovanej stavbe v mierke 1 : 1.

Obr. č. 3 Spojenie reálneho a virtuálneho sveta prostredníctvom holografických okuliarov Microsoft HoloLens na efektívne sprístupnenie 3D BIM modelov všetkým účastníkom stavebného procesu v prostredí zmiešanej reality.