Ar pastato valdymo sistemos koreguoja architektūrinę viziją? Nors pastato technologines ir inžinerines sistemas architektai veikiau linkę slėpti, nei demonstruoti, tai yra svarbios dalys, darančios įtaką ir architektūriniams sprendimams. Architekto vaidmenį skaitmenizacijos procese taikliai apibūdino inžinierius Jimas Sinopolis, JAV įmonės „Smart Buildings LLC“ generalinis direktorius: „Turbūt svarbiausias jo vaidmuo, kuriant išmanųjį pastatą, – įtraukti į darbotvarkę pažangias technologijas ir išmanųjį pastato valdymą.“
Kalbėdami su architektais ir srities specialistais, „Architektūros linijos“ vadovu prof. Gintaru Čaikausku, KTU SAF prof. Dariumi Pupeikiu, „Orange architects“ architekte Elena Staškute ir „Caverion Lietuva“ projektų valdymo skyriaus vadovu Vitalijumi Grunevu, aptarsime keletą aspektų, kodėl išmanusis valdymas yra toks svarbus šiuolaikiniams pastatams ir ką architektams būtina įvertinti.
Svarbiausi pastato išmanumo komponentai
Anot J. Sinopolio, statant naują pastatą, renovuojant ir rekonstruojant daugumą pastatų architektas yra jungiamoji grandis tarp pastato savininko arba vystytojų. JAV, kaip ir daugelyje kitų šalių, būtent architektas kuria pastato programą ir suburia projektavimo komandą. Architektai neabejotinai supranta, kad valdymo, stebėjimo ir automatizavimo sistemos yra esminis išmaniojo pastato aspektas. Tai dinamiški pastato komponentai, tarsi nervų sistemos, leidžiančios prisitaikyti prie pastato aplinkos, numatant optimalų eksploatacinį našumą, susijusį su komfortu, saugumu, energija ir sveika atmosfera.
„Taigi vienas iš pagrindinių architekto uždavinių, o galbūt svarbiausias, dirbant su išmaniojo pastato projektu – įtraukti pažangias technologijas ir išmaniojo pastato eksploatavimą į darbotvarkę, paaiškinti savininkui ar vystytojui technologiją ir ekonominę naudą“, – teigia J. Sinopolis, JAV įmonės „Smart Buildings LLC“, teikiančios inžinerines ir konsultavimo paslaugas integruotų pastatų technologijų sistemų projektavimo ir eksploatavimo srityse, generalinis direktorius.
Tačiau architektai taip pat supranta, kad išmaniajam pastatui svarbios ne tik valdymo sistemos. Fiksuoti parametrai, tokie kaip pastato vieta, konstrukcija, apvalkalas, langai, vidaus planas ir kt., taip pat atlieka svarbų vaidmenį nustatant, kiek išmanus bus pastatas ir kaip jis veiks. J. Sinopolio įsitikinimu, geriausios pastato valdymo sistemos negali kompensuoti blogiausios pastato konstrukcijos ir suplanavimo, kaip ir geriausia konstrukcija negali kompensuoti blogiausių pastato valdymo sistemų. Abi jos yra labai svarbios kuriant išmanųjį ir gerai suprojektuotą pastatą.
„Architektas ne tik kuria pastato estetiką, bet ir užtikrina, kad pastatai būtų funkcionalūs, energiją taupantys ir technologiniu požiūriu pažangūs nuo koncepcijos iki galutinio įgyvendinimo“
Skaitmeninių sistemų integravimas – pradinėje projekto stadijoje
„Didesniuose komerciniuose pastatuose, biuruose ar mokslinių laboratorijų centruose pastatų valdymo sistemos (angl. Building Management System, BMS) tampa privaloma dalimi. Jos leidžia automatizuotai valdyti šildymą, vėsinimą, apšvietimą, žaliuzes, energijos vartojimą ir pastato saugą, todėl jų integracija turi būti planuojama nuo pat projektavimo pradžios“, – sako architektas Gintaras Čaikauskas, biuro „Architektūros linija“ vadovas, VILNIUS TECH universiteto profesorius.
„Dirbdami su projektavimo komanda, dažnai susiduriame su pastatais, kuriuose BMS integracija neišvengiama, ypač dideliuose objektuose, kai komfortas, energijos taupymas ir sauga yra ypač svarbūs pastato eksploatacijos rodikliai.“ Anot architekto, tokiuose projektuose BMS integracija yra būtina, kad pastatas veiktų sklandžiai, būtų saugus ir patogus naudoti. Todėl architektai nuolat sprendžia klausimus, susijusius su automatizacijos sistemų koordinavimu.
Įmonės projektai, tokie kaip „Sky Office“ biurų pastatas ir Vilniaus universiteto (VU) Gyvybės mokslų centras, parodo, kad BMS planavimas ir integracija yra kasdienė praktika, neatsiejama didesnių pastatų kūrimo dalis. Šiuo metu realizuojamas VU Chemijos ir geomokslų fakulteto pastato projektas, kuriame taip pat bus įdiegta moderni pastatų valdymo sistema.
Pasak profesoriaus, architekto vaidmuo planuojant BMS, prasideda dar kuriant koncepciją, kai reikia numatyti pastato funkcines zonas, inžinerinių sistemų išdėstymą, energinio efektyvumo tikslus ir patalpų paskirtį.
„Šiame etape planuojama, kur įrengti jutiklius, valdiklius, kur bus techninės patalpos, kad sistema veiktų efektyviai, ne trukdydama architektūrinei idėjai. Techninio projekto stadijoje architektas tikslina sprendimus ir koordinuoja projektą su inžinieriais, nustatydamas sensorikos ir valdiklių vietas, planuodamas kabelių trasas bei automatikos spintų ir serverinių išdėstymą.“ – teigia prof. G. Čaikauskas.
Inžineriniai sprendimai daro vis didesnę įtaką architektūros raiškai. Reikia numatyti tokią vietą inžinerinėms sistemoms, kad jos neturėtų neigiamo poveikio pastato dizainui. G. Čaikauskas pažymi, jog svarbu pasirūpinti, kad techninės patalpos būtų prieinamos priežiūrai, o įranga netrukdytų pastato estetikai ir funkcionalumui:
- Rengiant darbo projektą detalizuojami architektūriniai sprendimai, leidžiantys BMS įrangą estetiškai integruoti į lubas, fasadus ar sienas.
- Nustatomos angos, nišos ir valdiklių vietos, koordinuojami lubų, sienų ar fasado elementai, kad pastato architektūra ir automatizacijos sprendimai veiktų darniai.
„Architektų komandos bendradarbiavimas su energetikos ar tvarumo inžinieriais turėtų prasidėti pačioje projekto pradžioje – planavimo etape. Kai architektas modeliuoja tūrinį, erdvinį planą, tuo metu inžinierius turi modeliuoti pastato energinio naudingumo, tvarumo aspektus. Geriausias sprendimas – įtraukti daugiau ekspertų į projekto pradžią, planavimo etapą“
Projekto dalyvių ir skaitmeninių sistemų koordinavimas
Kuriant išmanųjį pastatą, atsiranda vis daugiau veiksnių, kuriuos architektai turėtų įvertinti. Tai pastatų programos ypatybės, kurias nustato vyriausybės reglamentai, taip pat tolesniam eksploatavimui įtakos turintys pastatų standartai ir gairės. Kaip ir pastatų programos dalys, kurioms įtakos turės trečiosios šalys, akivaizdžiausia iš jų yra sertifikavimo programa. Todėl kai kuriose šalyse yra įvairių išmaniųjų pastatų institucijų, universitetinių mokslo įstaigų, mokymo ir sertifikavimo centrų, savo veiklą orientuojančių į pažangias technologijas, sistemų ir duomenų integravimą bei pastatų eksploatavimą.
Svarbu, kad architektai suprastų, jog pastatų valdymo sistemos koreguoja pastato projektą ir keičia eksploatacines savybes. Techninės žinios, tarpdisciplininio bendradarbiavimo įgūdžiai ir holistinis duomenimis grįstas projektavimo požiūris padeda priimti pagrįstus sprendimus, kurie gerina tiek tiesioginį pastato funkcionalumą, tiek ilgalaikį tvarumą ir našumą.
KTU Statybos inžinerijos ir architektūros fakultete studentams dėstomi su skaitmenizacija ir išmanumu susiję studijų moduliai:
- statinių informacinis modeliavimas (angl. Building Information Modeling, BIM);
- pastatų duomenų mokslas;
- mašininis mokymasis(angl. Machine Learning);
- statybinių konstrukcijų, technologijų ir inžinerinių sistemų informacinis modeliavimas;
- kompiuterinis projektavimas;
- parametrinė architektūra;
- erdvinės aplinkos skaitmeninis modeliavimas;
- inžinieriams – programavimas ir pan.
„Tik bendra specialistų komanda gali profesionaliai patarti ir užtikrinti, kad projekto sprendimai bus integruoti. Todėl, prieš rengdamas išmaniojo pastato projektą, architektas turėtų glaudžiai derinti savo sprendimus su automatizacijos dalies ekspertu, projekto vadovu ir kitų susijusių projekto dalių (ŠVOK, VN, elektrotechnika) atsakingaisiais“, – sako prof. D. Pupeikis.
Pastato sistemų našumo optimizavimas
„Orange architects“ (Nyderlandai) vyr. architektė Elena Staškutė įsitikinusi, kad inžineriniai sprendimai daro didelę įtaką ir patalpų planavimui, ir biudžetui, ir tolesniam eksploatavimo efektyvumui. Ankstyvame projekto etape atliekamos saulės, vėjo, aplinkos triukšmo analizės, padedančios suprojektuoti efektyvesnę pastato formą, patalpų išsidėstymą ir orientaciją.
„Saulės šviesos / apšvietimo studijas architektai atlieka patys, o detalesnes analizes – specialios inžinierių komandos. Inžinierių indėlis – neatsiejama kiekvieno projekto vystymo dalis, svarbu, kad inžinieriai prisijungtų kuo ankstesniame projekto etape“, – sako specialistė.
„Skaitmenizacija – daugumos statybos projekto dalyvių prerogatyva. Kiekvienas sukuriamas pastato elementas yra bendras komandinis darbas. Architektas kuria ne tik dizainą. Viskas integruota – konstrukcijos, inžinerinės sistemos, taip pat visi gyvavimo ciklo etapai – planavimas, projektavimas, statyba, naudojimas“, – pažymi D. Pupeikis.
Pasak mokslininko, pastato naudojimo rodiklių stebėjimas yra pirmas žingsnis link efektyvaus ir tvaraus pastato eksploatacijos. Tam padeda pastato valdymo sistema, kuri yra centralizuotas pastato techninių sistemų valdiklis, jungiantis pastato inžinerinių sistemų (ŠVOK, VN, priešgaisrines, apsaugos, apšvietimo, elektros ir kt.) veikimą ir automatizuojantis jų valdymą.
„Sistema veikia kaip pastato smegenys, leidžianti vienu metu stebėti ir valdyti įvairią įrangą, taip sumažinant eksploatavimo sąnaudas ir prailginant įrangos naudojimo laiką. BMS sudaro techninė įranga (pagrindiniai valdikliai, jutikliai, pavaros, instaliaciniai laidai, duomenų perdavimo priemonės ir kt.) ir programinė įranga, kuri jungia ir suprogramuoja visą minėtą įrangą į išmaniai ir sinchroniškai veikiančią ekosistemą, – patikslina D. Pupeikis. – Tačiau būtina ne tik stebėti, bet ir analizuoti, o tuomet priimti sprendimus ir valdyti.“
Duomenimis grįstas architektūros projektavimas
„Norint kuo labiau padidinti pastato ilgalaikę vertę, į projektavimą, statybą, priežiūrą ir modernizavimą reikėtų žvelgti iš pastato gyvavimo ciklo perspektyvos. Radus sinergiją tarp šių etapų, galima sutaupyti iki 30 % visų gyvavimo pastato ciklui reikalingų išlaidų. Jei rengiant projektą ir statant bus galvojama apie visus statinio gyvavimo ciklo etapus, galima numatyti ir būsimas pastato eksploatavimo išlaidas. Protingas ir tikslus planavimas leidžia išvengti nenumatyto priežiūros ir investicijų poreikio“, – sako „Caverion Lietuva“ projektų valdymo skyriaus vadovas Vitalijus Grunevas.
Gyvavimo ciklo vertinimas (angl. Life Cycle Assessment, LCA) yra pastato poveikio aplinkai vertinimo metodas visą jo gyvavimo ciklą – nuo žaliavų gavybos iki utilizavimo, o BMS – tai operacinės technologijos, kurios valdo pastatyto pastato funkcijas. Architektai turėtų integruoti LCA ankstyvajame projektavimo etape, kad galėtų priimti informacija grįstus sprendimus dėl medžiagų ir sistemų, mažinančių įtaką aplinkai, ir projektuoti taip, kad būtų užtikrintas eksploatavimo efektyvumas, ilgalaikis tvarumas ir naudotojų komfortas įvertinant ir BMS poreikį.
Projektavimas, duomenų integravimas. Architektai ir inžinieriai taiko statinio informacinį modeliavimą, siekdami parengti daug duomenų turintį skaitmeninį pastato modelį, kurį galima integruoti su LCA programine įranga, taip siekiant analizuoti poveikį aplinkai ir optimizuoti projektą.
Medžiagų parinkimas ir tvarumo sertifikavimas. Architektai kartu su kitais projekto dalyviais atsižvelgia į LCA rezultatus, kad įvertintų medžiagų poveikį aplinkai, lygindami įvairias medžiagų pasirinkimo galimybes, tokias kaip gelžbetonis ir vietinės kilmės mediena, taip pat tokius veiksnius, kaip anglies dioksido emisijos, gamybos, statybos ir transportavimo metu. Šie duomenys leidžia priimti aplinkai nekenksmingus sprendimus. LCA supratimas yra gyvybiškai svarbus norint (dažniausiai kliento pageidavimu) gauti tvariųjų pastatų sertifikatus (pvz., LEED, BREEAM).
Eksploatacinės energijos sąnaudos. Derinant fizines pastato ypatybes ir skaitmenines technologijas, galima pasiekti, kad anglies dioksido emisija artėtų prie nulinės vertės. LCA padeda įvertinti ilgalaikį energinį efektyvumą ir eksploatavimo išlaidas, susijusias su šiais pradiniais projektavimo sprendimais: pastato valdymo sistema (BMS) valdo eksploatacinį efektyvumą, architekto projektavimo pasirinkimai (pvz., pastato orientacija, fasado dizainas, izoliacijos lygiai) iš esmės lemia pastato energijos poreikį.
Atliekų mažinimas ir eksploatavimo pabaigos planavimas. Architektai galėtų atsižvelgti ir į žiedinės ekonomikos principus pastato eksploatavimo pabaigoje – įvertinti išmontavimo galimybes, medžiagų pakartotinį naudojimą ir perdirbimą, o tai gerokai sumažintų poveikį aplinkai.
Dirbtinis intelektas ir galimybės ateityje
Po 2010 metų įvykęs tikrasis DI proveržis, kai prasidėjo didžiųjų duomenų (angl. Big Data) ir mašininio mokymosi era, šiandien ne tik padeda optimizuoti procesus, užtikrinti kokybės kontrolę ar prognozuoti įrangos gedimus, bet ir tapo neatsiejama valdymo, rinkodaros, priežiūros ir strateginio planavimo dalimi.
Naudojant didžiuosius duomenis ir dirbtinį intelektą, dauguma pastatų parametrų gali būti valdomi automatiškai. Siekiama, kad DI dalyvautų koordinuojant skirtingų pastato inžinerinių sistemų elementų darbą pasitelkus daiktų internetą (angl. Internet of Things, IoT), laiku nustatytų ar aptiktų esamus ir būsimus gedimus ir pasiūlytų tinkamiausius sprendimus, o nedidelius gedimus sutvarkytų ir be žmogaus įsikišimo.
„Kalbant apie DI ir BMS derinį, manyčiau, sistema šiuo metu dar nesąveikauja glaudžiai. Ateityje pastatas natūraliai turės vis daugiau DI modelių, kurie bus atsakingi už atitinkamų sistemų valdymą, įsigalės ne vadinamasis taisyklėmis grįstas valdymas (angl. Rule-Based Control), kaip yra dabar, o duomenimis grįstas valdymas (angl. Data-Driven). Kaip ir skaitmeniniai dvyniai, kurių koncepcija grįsta įvairių skaitmeninių technologijų (BIM, IoT, BMS, CAD, GIS) sujungimu siekiant bendro tikslo – atliepti atitinkamą taikymo atvejį“, – komentuoja KTU mokslininkas.
metodais
Renovuotų ir rekonstruotų pastatų sistemų valdymas
Pastatų valdymo sistemas paprasčiau pritaikyti naujiems pastatams, tačiau jas sėkmingai būtų galima naudoti ir renovuojant bei rekonstruojant atskirus objektus ar ištisus kvartalus, nuosekliai skaitmenizuojant svarbiausius renovacijos ar rekonstrukcijos etapus.
Renovacijos kontekste skaitmenizaciją galima taikyti daugelyje projekto etapų:
- skenuojant esamą situaciją ir tokiu būdu surenkant duomenis apie esamų pastatų geometriją;
- sukuriant statinių informacinius modelius, kurie kokybiškiau perteikia projektinius sprendinius ir pasitarnauja tolesniuose etapuose;
- valdant pastatą šiluminės energijos, saugos sistemų ir kitos daiktų interneto technologijos ar net BMS gali labai pagerinti tokių statinių kokybę.
„Senuose pastatuose diegti naujas sistemas visuomet yra iššūkis, nes konstrukcijos nėra pritaikytos naujoms fizinėms instaliacijoms. Tačiau įmanoma. Reikia atsižvelgti į ekonominę naudą – atsipirkimą, efektyvumą. Renovacija dažnai itin jautriai vertinama ekonominiu požiūriu, todėl daug šiuolaikiškų sprendimų kol kas nėra diegiama“, – sako D. Pupeikis.
Architektas, kuriantis skaitmeninių technologijų amžiuje
Architektai turi suprasti BMS veikimo ir galimybių principus kaip šiuolaikinio pastato centrinės nervų sistemos, integruojančios ir valdančios tokias sistemas kaip ŠVOK, apšvietimas, apsauga ir priešgaisrinė sauga, vaidmenį. BMS optimizuoja energijos suvartojimą ir naudotojų komfortą, automatizuodama korekcijas, pagrįstas realiojo laiko duomenimis.
Našumo optimizavimas
Architektai kartu su inžinieriais turi projektuoti pastatus, kurie maksimaliai padidintų automatizuotų valdiklių efektyvumą, pavyzdžiui, pasitelkdami natūralios šviesos ir vėdinimo strategijas, kurias BMS gali efektyviai valdyti.
Sistemų integravimas
Architektų užduotis – projektuoti erdves, kurių funkcionalumas turėtų būti suderintas su tinkamu mikroklimatu, apšvietimu, patogumu, ir siekti palengvinti sklandų įvairių pastato sistemų integravimą į centralizuotą platformą. Tam reikia žinoti fizinius ir funkcinius jutiklių, valdiklių, laidų reikalavimus bei tai, kaip jie veikia erdvinį planavimą ir estetiką.
Erdvinis planavimas ir estetika
Projektavimo pradžioje reikia atsižvelgti į BMS valdymo sistemai skirtų patalpų, jutiklių ir įrangos išdėstymą. Architektai turėtų užtikrinti, kad šių komponentų funkcionalumas ir prieinamumas nepakenktų architektūrinei vizijai ar naudotojo patirčiai.
Specifikacija ir atitiktis
Architektai yra atsakingi už pastato gaminių ir sistemų, atitinkančių reglamentus, specifikaciją. Pastatų valdymo sistemose (BMS) tai apima techninių ryšio protokolų, duomenų formatų ir paleidimo reikalavimų standartų nustatymą, siekiant užtikrinti, kad visi komponentai veiktų kartu taip, kaip numatyta, ir atitiktų našumo tikslus.
Pritaikymas ateityje
Projektuose turėtų būti atsižvelgiama į būsimus technologinius atnaujinimus arba pastato naudojimo pokyčius – lanksčios infrastruktūros kūrimą ir ilgalaikių BMS bei susijusios įrangos priežiūros ir atnaujinimo poreikių įvertinimą.
Išmaniojo projektavimo terminai
Pastato valdymo sistema (angl. BMS) – terminas, daugiau vartojamas kalbant apie komercinius ir verslo pastatus; išmaniųjų, arba protingų, namų terminas vartojamas kalbant apie gyvenamuosius ir privačius pastatus. Iš esmės tai ta pati išmanioji pastatų valdymo sistema.
Mašininis (kompiuterio) mokymasis (angl. Machine learning) – viena iš dirbtinio intelekto atšakų, siekianti apmokyti tam tikrus algoritmus atlikti specifines užduotis, naudojantis dideliais duomenų kiekiais ir laikui bėgant tobulėti, nereikalaujant aiškių nurodymų.
ŠVOK – šildymas, vėdinimas, oro kondicionavimas.
VN – vandentiekis, nuotekų tinklai.
Gyvavimo ciklo vertinimas (angl. Life Cycle Assesment, LCA) yra labai svarbi metodologija, skirta bendram pastato poveikiui aplinkai per visą jo gyvavimo ciklą – nuo medžiagų išgavimo iki eksploatavimo pabaigos – įvertinti. Architektai, kaip ir kiti statybos bei statinio naudojimo proceso dalyviai, siekdami maksimalaus teigiamo pastato poveikio aplinkai ir naudotojams, turi taikyti LCA principus jau projektavimo proceso pradžioje.
Daiktų internetas (angl. Internet of Things, IoT) – tai tarpusavyje sujungtų objektų ir įrenginių tinklas, kuriame įdiegta programinė įranga, jutikliai ir kitos technologijos, leidžiantis rinkti, perduoti ir dalytis aktualiais duomenimis realiuoju laiku be žmogaus įsikišimo.
Skaitmeninis dvynys – realiuoju laiku veikiantis virtualusis modelis, perteikiantis tikrą pastato arba jo sistemų būklę, veikimą ir sąveiką su aplinka bei vartotojais. Skiriasi nuo tradicinių valdymo sistemų, kurios dažnai veikia izoliuotai ir reaguoja pavėluotai – skaitmeninis dvynys yra dinamiškas sprendimas, leidžiantis prognozuoti būklę, prisitaikyti ir optimizuoti procesus proaktyviai.
