Gradbeni vestnik • letnik 68 • maj 2019 120 POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE BIM-MODEL CONNECTION WITH CNC- MACHINE IN CASE OF PREFABRICATED TIMBER PANEL HOUSE Mitja Furman, mag. inž. grad. mitja.furman@marles.com Ošelj 1 a, 2315 Šmartno na Pohorju doc. dr. Milan Kuhta, univ. dipl. inž. grad. miso.kuhta@um.si UM Fakulteta za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo Smetanova ulica 17, 2000 Maribor Znanstveni članek UDK 62-1 12.6:674.038.5 Povzetek l Industrija 4.0 povezuje digitalni, fizični in biološki svet. V Gradbeništvu 4.0 se BIM (Building Information Modeling) navaja kot vodilni način digitalizacije in pove- zljivosti delovnih procesov. Gradnja lesenih montažnih okvirnopanelnih stanovanjskih hiš predstavlja trend časovno hitre gradnje. Članek predstavlja raziskavo povezljivosti digitalnega in fizičnega na področju lesenih montažnih hiš. Analizirana je možnost digi- talizirane proizvodnje na primeru izdelave BIM-modela montažne hiše in njegove povez- ljivosti z lesnoobddelovalnimi CNC-stroji (Computer Numerical Control). Hkrati se je analiziralo tudi modeliranje v programskem orodju Archicad in njegovem vtičniku Archiframe. V okviru ra - ziskave so bili v podjetju Marles proizvedeni leseni gradniki montažnega stenskega elementa. Ključne besede: lesene gradnje, okvirnopanelna montažna gradnja, BIM, Archicad, Archi- frame, povezljivost, CNC-stroji Summary l Industry 4.0 is the fusion of digital, physical and biological worlds. In AEC (Architecture, Engineering and Construction) industry BIM (Building Information Mo- delling) represents the leading process of digitalization and connectivity. Prefabricated timber panel houses are modern trend of quick construction process. This article de- scribes how digital and physical world in timber construction can be connected. The re- search of CNC (Computer Numerical Control) manufacturing based on BIM modelling of prefabricated timber panel house was done. For this purpose, modelling in software Archicad and add-on Archiframe were analysed. Production and assembley of a single prefrabricated element was realized in company Marles. Key words: timber construction, prefabricated timber panel house, BIM, Archicad, Archi- frame, fusion, CNC machines Mitja Furman, doc. dr. Milan Kuhta•POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE 1•UVOD 1.1 Industrija 4.0/Gradbeništvo 4.0 »Edina stalnica v življenju so spremembe« je misel starogrškega filozofa Heraklita iz ob- dobja 500 let pr. n. št. Veliko pred Heraklitom sta človeško savansko življenje spremenili kognitivna in kmetijska revolucija, za njima pa znanstvena in industrijska revolucija. Slednja je v svoji evoluciji danes na četrtem nivoju, smo v času Industrije 4.0 in Gradbeništva 4.0, na obzorju je Industrija 5.0. Prva industrijska revolucija je temeljila na pretvarjanju toplotne energije v mehansko, začenši z izumom parnega stroja in izgradnjo železnic v obdobju med letoma 1760 in 1840. Osnova druge industrijske revolucije je bila izraba električne energije v drugi polovici 19. stoletja, ki je omogočila masovno, serijsko proizvodnjo na tekočem traku. Tretjo indu- strijsko revolucijo je Evropa doživljala nekje Gradbeni vestnik • letnik 68 • maj 2019 121 od leta 1970 naprej, Slovenija z zamikom desetih let. Pojavili so se računalniki, serij- ska proizvodnja se je avtomatizirala, naučili smo se računalniško podprtega načrtova- nja – CAD (Computer Aided Design), pričeli uporabljati računalniško podprto proizvod- njo – CAM (Computer Aided Manufactur- ing) in numerično krmiljene stroje – CNC (Computer Numerical Control). V začetku 21. stoletja je nastopila četrta industrijska revolu- cija, za katero so značilne hitro razvijajoče se tehnologije, ki povezujejo digitalni, fizični in biološki svet [Schwab, 2016]. Čas trajanja vsake industrijske revolucije je znatno krajši od trajanja njene predhodnice, spremembe v upo- rabljanih tehnologijah in njihovo medsebojno zlivanje se danes odvijajo hitreje kot kadarkoli prej. V Gradbeništvo 4.0 naj bi revolucijo in izboljšanje nižje produktivnosti gradbene in- dustrije (v primerjavi z drugimi industrijskimi panogami) z digitalizacijo, s povezljivostjo in z direktno izmenjavo informacij prineslo tudi informacijsko modeliranje BIM. Poleg BIM spadajo v koncept Gradbeništva 4.0 še npr. robotika, 3D-tiskanje, virtualna resničnost (VR – Virtual Reality), razširjena resničnost (AR – Augmented Reality), uporaba dronov, umetna inteligenca idr. Če je CAD iz projektiranja izrinil tuš, paus papir in kopiranje s pomočjo amoni- jaka, bo BIM morda izrinil papir. 1.2 Lesena okvirnopanelna montažna gradnja Lesena okvirnopanelna montažna gradnja spada med okvirne sisteme lesenih konstruk- cij. Montažni okvirnopanelni konstrukcijski sistem je sestavljen iz ploskovnih montažnih konstrukcijskih elementov – osnovni gradnik tega je t. i. malopanelni sistem stene (dolžine 125 cm), v praksi pa precej pogosteje upo- rabljen velikopanelni sistem, ki je večkratnik dolžine 125 cm. Pri obeh sistemih so osnovni gradniki ste- brički in grede, oziroma kot jim pravijo v praksi, pokončniki in venci. Skupaj z obložni- mi ploščami, ki so lahko izdelane iz lesenih (OSB) ali mavčnih vlaken (MVP), tvorijo POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE•Mitja Furman, doc. dr. Milan Kuhta Slika 1• Od 1. do 4. industrijske revolucije [FrodX, 2019]. Slika 2• Montaža stenskih panelov [Marles, 2019]. Slika 3• Prerez stene Marles Pasiv Natura [Marles, 2019]. nosilni stenski element za prevzem vertikalnih in horizontalnih sil. Vrsta obložne plošče je odvisna od gradbenofizikalnih potreb ali od obtežb, ki delujejo na objekt. Pritrjevanje obložnih plošč na leseni okvir se izvede s pomočjo kovinskih sponk. Za medsebojno spajanje posameznih elementov ter sidranje elementov se uporabljajo različna kovinska vezna sredstva. V osnovi bistvenih razlik med konstrukcijskimi sistemi različnih proizvajalcev lesenih okvirno- panelnih montažnih hiš ni. Jedro predstavlja lesena nosilna konstrukcija, ki je načeloma izdelana iz elementov pravokotnega prereza. Gradbeni vestnik • letnik 68 • maj 2019 122 2•UPORABLJENO BIM ORODJE – ARCHICAD, ARCHIFRAME 2.1 Archicad Archicad je programsko orodje, primar- no namenjeno arhitektom, oblikovalcem in gradbeni industriji. Na voljo je v 17 jezikih in 27 lokaliziranih različicah, ki upoštevajo lokalne standarde in načine projektiranja. Archicad je začetnik pri- stopa »open BIM« za skupno oblikovan- je, gradnjo in vzdrževanje zgradbe, ki temelji na odprtih standardih ter post- opkih IFC (Industry Foundation Classes) in BCF (BIM Collaboration Format). Je eno izmed redkih programski orodij, ki ga neposredno podpirata operacijska sistema Microsoft Windows in Apple ma- cOS. Archicad je programsko BIM-orodje madžarskega podjetja Graphisoft. Razvoj se je začel leta 1982, trenutna in ana - lizirana verzija je 22. Velja za program - sko orodje s prvo implementacijo BIM in prvi program, ki je bil zmožen ustvarjati tako 2D- kot 3D-geometrijo. Z možnostjo vključevanja grafičnega programiranja se lahko izdelajo poljubne oblike, ki se lahko parametrično obdelujejo. Dodat- no se lahko prek vtičnika MEP-Modeler (MEP – mechanical, electrical, and plumbing) vključi tudi projektiranje stroj- nih, električnih in drugih instalacij. S po - Izjeme nastajajo pri različicah pasivnih hiš, kjer se zaradi želje, doseči čim manjšo toplot- no prehodnost, uporabljajo sestavljeni prerezi (slika 3). Namen sestavljenih prerezov je zmanjšanje deleža lesa in posledično pov- ečanje količine toplotne izolacije v nosilni konstrukciji. Za toplotno izolacijo v nosilni konstrukciji se načeloma uporablja mineralna volna. Zadnji trendi trajnostnih gradenj so sprožili uporabo materialov, ki so bolj ekološki in jih je možno reciklirati. Tako se v nosilno konstrukcijo vse pogosteje vpihuje celuloza ali vgradijo lesnovlaknene plošče. Za zunan- ji sloj izolacije se najpogosteje uporabljata ekspandirani polistiren in mineralna volna, v zadnjem obdobju tudi lesnovlaknene plošče, izbira je odvisna od želenih gradbenofizikalnih lastnosti. Slika 4• Model obravnavane hiše v Archicadu. Slika 5• Model obravnavane hiše, obdelan v Archifame. močjo BIM-strežnika se lahko vzpostavi sočasno delo pri enem projektu, ki se ga lahko s pomočjo namenske programske opreme dodatno razširi do te mere, da je možno sodelovanje in komuniciranje s pametnimi tablicami ali mobilnimi tele- foni [Graphisoft, 2019]. 2.2 Archiframe Archiframe je dodatek (vtičnik) za pro- gramsko orodje Archicad, namenjen projektiranju lesenih konstrukcij. Ponuja nam orodja za izdelavo posameznih elementov objekta, od stebrov in nosilcev do okvirnih stenskih elementov, stropnih elementov in ostrešij. Prav tako lahko projektiramo masivne skladovne sisteme. Archiframe omogoča tudi detajliranje v leseni gradnji, kot je prikazano na sliki 6. Z Archiframe lahko natančno izdelamo delavniške risbe, popise materialov in informacije za lesnoobdelovalne stroje [Archiframe, 2019]. Mitja Furman, doc. dr. Milan Kuhta•POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE Gradbeni vestnik • letnik 68 • maj 2019 123 Slika 6• Menjalnik stopnišča in jekleni čevlji na končnem modelu v Archiframe. Po kriteriju razvitosti BIM-modela smo model obravnavane hiše izdelali na nivoju LOD 400 (LOD – Level of Development), primernem za izdelavo delavniških risb (natančna geometrija, oblika, količina, lokacija, orientacija), in druge dokumen- tacije, potrebne za izdelavo montažnih elementov, vključno z vsemi potrebni- mi informacijami za nadaljnje delo na CNC-strojih [Borrmann, 2018]. 3•MODELIRANJE ELEMENTOV HIŠE Z ARCHICAD IN ARCHIFRAME 3.1 Modeliranje okvirnih stenskih in stropnih elementov Z namenom testiranja interoperabilnosti Ar- chicada smo vanj uspešno uvozili IFC-model hiše, ki je prikazan na sliki 4. Po uvozu se lahko prične modeliranje okvirnih elementov hiše s pomočjo vtičnika Archiframe. Za lažje in hitrejše delo je priporočljiv natančno priprav- ljen arhitekturni model, to pomeni, da so zmode- lirane natančne debeline oz. sestave elemen- tov (stena, strop, streha), višine posameznih elementov in medsebojno stikanje (stena pritličja–strop pritličja–stena mansarde). Če ni tako, so potrebni popravki arhitekturnega modela. Za delo z vtičnikom Archiframe je tre- ba vsakemu okvirnemu elementu (kompozitu) predhodno definirati sloje, ki ga sestavljajo, in njihove lastnosti. Okvirne elemente (stene, stropi) so lahko pripravljeni za različne konstrukcijske sisteme (okvirnopanelni ali masivni), poleg tega tudi za različne tipe kompozitov, kot je na primer stenski element z instalacijsko ravnino ali strop pritličja oziroma strop mansarde. Vsi ti elementi, ki jih moramo definirati, so shranjeni v bazi in jih lahko uporabimo za nadaljnje pro- jekte. Sistem modeliranja okvirnega elementa je prikazan na sliki 7: – »1« stenski element, uvožen v program Ar- chicad (arhitekturni model), – »2« stenski element, izdelan z vtičnikom »Archiframe okvirni elementi«, – »3« končni stenski element z generiranimi vsemi sloji elementa. Generiranje posameznih slojev elementa se izvede avtomatsko s pravili generiranja, ki so določena v sklopu definiranja posameznih slojev okvirnega elementa. Programska opre- ma dopušča izbiro med številnimi vnaprej definiranimi možnostmi samodejnega gene- Slika 7• Postopek izdelave obravnavane stene. Slika 8• Postopek izdelave obravnavane stene v 3D-pogledu. POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE•Mitja Furman, doc. dr. Milan Kuhta Gradbeni vestnik • letnik 68 • maj 2019 124 nesejo v CNC-stroje. Primer preboja je prikazan na sliki 12. Za arhitekturni model, prikazan na sliki 4, smo s pomočjo orodja za okvirne elemente generirali vse plasti, ki so v posameznem okvirnem elementu. Na sliki 5 je prikazan končni BIM-model obravnavane hiše, pri ka- terem so zaradi lepšega pregleda v celoti zakrite fasadne plošče in zunanje obložne plošče. V končnem modelu so vključeni tudi vsi dodatni elementi, potrebni z vid- ika mehanske odpornosti in stabilnosti, vključno z vsemi jeklenimi elementi. Prav tako so vključeni vsi drugi elementi, kot so men- jalniki, čevlji, preboji in drugi detajli. V tej fazi imamo pripravljene samodejno generirane delavniške risbe in lahko glede na risbe izdela- mo popise materiala in datoteke za CNC-stroj. Končni model lahko shranimo kot datoteko Archicad ali v formatu IFC. V primeru hrambe v IFC-formatu lahko model uporabimo tudi v drugih programskih orodjih BIM. hovih lastnosti za celoten kompozit, pod točko »2« je prikazan stropni element, izdelan z »Archiframe okvirni elementi«, in pod točko »3« je prikazan celoten kompozit z generiranimi vsemi sloji. V sklopu vtičnika Archiframe imamo možnost izvoza informacij v različne CNC-stroje. V os- novi je izvoz prilagojen strojem proizvajalca Hundegger, poleg teh pa še strojem proizva- jalca Weinmann. 3.2 Možnosti detajliranja Programska oprema omogoča modeliranje številnih standardnih spojev in priključkov med elementi. Primer priključevanja z lastovičjim repom je prikazan na sliki 1 1. Če imamo pripravljene strojne in elektroinšta- lacije, jih lahko uvozimo prek dokumenta v formatu IFC v program Archicad in nato s pomočjo vtičnika Archiframe prilagodimo kon- strukcijske elemente in po potrebi izvedemo preboje, katerih informacije se prav tako pre- riranja tako za osnovno nosilno konstrukcijo kot za obložne plošče. Postopek izdelave stene s pomočjo programske opreme je na sli- ki 8 prikazan še v 3D-pogledu. Pri fazi 3 smo za lažji pregled zakrili zunanji sloj izolacije in zunanjo obložno ploščo. Po končanem generiranju posameznih slojev elementov lahko pripravimo delavniške risbe in naredimo popis materiala. Tega lahko izvozimo v tekstovni datoteki ali v datoteki .xls (Excel). Sli- ka 9 prikazuje samodejno izdelano delavniško risbo za steno na slikah 7 in 8 z vključenim prikazom lesene nosilne konstrukcije. S številko »1« je označen del risbe, ki predstavlja popis materiala. Prva številka predstavlja velikost ali dolžino elementa (MVP, velikost 15 x 1,250 x 2,600 mm), druga številka število kosov (2) in tretja številka oznako elementa (01). Postopek modeliranja stenskih elementov je treba ponoviti za stropne elemente, kot je prikazano na sliki 10. Pri tem je pod točko »1« prikazano predhodno definiranje slojev in nji- Slika 9• Delavniška risba – pogled iz notranje strani. Slika 10• Postopek izdelave stropnih elementov [Archiframe, 2019]. Slika 1 1• Priključek z lastovičjim repom. Slika 12• Preboj. Mitja Furman, doc. dr. Milan Kuhta•POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE Gradbeni vestnik • letnik 68 • maj 2019 125 4•POVEZLJIVOST BIM-CNC Slika 13• Uporabniški vmesnik Hundegger Speed-Cut. Slika 14• Uvoz podatkov na stroj Hundegger Speed-Cut in razrez lesa. Povezljivosti BIM-modela stenskega elemen- ta z lesnoobdelovalnim CNC-strojem smo preverili s prenosom podatkov iz Archicad BIM-modela v CNC-stroj in uspešnost prenosa potrdili z izdelavo lesenih elementov stenske- ga elementa, obravnavanega v poglavju 3. S pomočjo Archiframe smo za obravnavano steno ustvarili datoteko s končnico .bvn, ki jo uporabljajo stroji proizvajalca Hundegger. Uporabniški vmesnik stroja Hundegger Speed-Cut, v katerega smo uvozili datote- ko .bvn za obravnavani stenski element, je prikazan na sliki 13. Z vmesnikom lahko lesene elemente BIM-modela pred končnim razrezom po potrebi še dodatno obdelujemo. S strojem Hundegger Speed-Cut (slika 14) so bili za obravnavani stenski element raz- rezani vsi leseni elementi (pokončniki, ven- ci in preklade). Stroj Hundegger Speed-Cut SC2 omogoča natančen in hiter razrez lesa dimenzij od 20 mm x 40 mm do 160 mm x 450 mm poljubne dolžine [Hundegger, 2019]. Po razrezu vseh lesenih elementov se ti položijo na delovno mizo, kjer se s pomočjo delavniške risbe sestavijo in medsebojno spojijo. Na sliki 15 je prikazana dokončana lesena nosilna konstrukcija, sestavljena iz pokončnikov, vencev in preklade. Na kon- strukcijo se položi parna zapora, pritrdijo notranje obložne mavčno-vlaknene plošče, izvede se zatesnitev stikov med ploščami, vgradi izolacijska mineralna volna in na koncu se pritrdijo še zunanje obložne plošče. Po vgradnji stavbnega pohištva in fasadnega sloja je stenski element pripravljen za mon- tažo na gradbišču. Slika 15• Dokončana lesena nosilna konstrukcija stenskega elementa. POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE•Mitja Furman, doc. dr. Milan Kuhta Gradbeni vestnik • letnik 68 • maj 2019 126 5•SKLEP 6•LITERATURA Archicad in vtičnik Archiframe sta se v obravnavanem primeru izkazala za uspešno orodje. Z izdelanim BIM-modelom se lah- ko izdelajo kvalitetne delavniške risbe, ki se jih lahko uporabi v primeru nedigitalizirane proizvodnje. S programskim orodjem se lahko uspešno izvede tudi detajliranje, z vključitvijo strojnih in elektroinstalacij pa lahko izvajamo tudi teste kolizij. S programskim orodjem Archicad in vtičnikom Archiframe smo izdelali BIM-model lesene okvirnopanelne montažne hiše, ki smo ga uspešno prenesli v CNC- stroj Hundegger Speed-Cut in z njim izdelali osnovne gradnike lesenega okvirja. Takšen razrez s CNC-strojem je hiter in natančen, pod poljubnim kotom in nagibom, ročno merjenje, označevanje in dodajanje posameznih kosov lesa niso potrebni. Pokazali smo, čeprav v manjšem obsegu in na specifičnem področju, da Industrija 4.0 in Gradbeništvo 4.0 nista le moden termin, da je iz digitalnega sveta možno priti neposredno v fizičnega. Način proizvodnje v gradbeništvu se lahko spremeni in se (lahko) spreminja tudi pri nas. Podjetje Marles še v letošnjem letu načrtuje uporabo prikazanega načina Archiframe, https://www.archiframe.fi/en/in-brief, 2019. Borrmann, A., König, M., Koch, C., Beetz, J., Building Information Modeling,Springer International Publishing, 2018. FrodX, Četrta industrijska revolucija, https://frodx.com/cetrta-industrijska-revolucija/, 2019. Furman, M., Izdelava BIM-modela lesene montažne hiše in povezljivost s CNC-stroji, Univerza v Mariboru, Fakulteta za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo, 2019. Graphisoft, Archicad 22, https://www.graphisoft.com/archicad/ in http://archicad.com/si/all-about-archicad/, 2019. Homag, Roboter im Holzbau, https://www.homag.com/news-events/news/artikel/roboter-im-holzbau/, 2019. Hundegger, Inovationen für den Holzbau, https://www.hundegger.de/de/maschinenbau/unternehmen.html, 2019. IFR, International Federation of Robotics, https://ifr.org/, 2019. Marles d.d., Marles, https://www.marles.com/hise/, 2019. Schwab, K., Četrta industrijska revolucija, World Economic Forum, FrodX, d. o. o., 2016. SURS, Statistični urad, Republika Slovenija, https://www.stat.si/StatWeb/Field/Index/6, 2019. Slika 16• Robot v lesni okvirni gradnji [Homag, 2019]. modeliranja in izdelavo stenskih in stropnih elementov za celotno hišo. V Sloveniji se vrednost opravljenih gradbenih del od leta 2016 neprestano povečuje [SURS, 2019]. Priložnosti za Gradbeništvo 4.0 je in bo v slovenskem gradbeništvu veliko, problem ni znanje, problem sta volja in doslednost. Naslednji korak v leseni okvirnopanelni mon- tažni gradnji je vpeljava robotov za sesta- vo celotnega stenskega panela. Robotika v gradbeništvu namreč ni več vizija, postaja realnost. Robot na sliki 16 sestavlja leseni okvir s šestimi takti na minuto. V Južni Koreji in Singapurju, ki sta vodilni državi po uporabi robotov v industriji, število industrijskih robotov znaša že okoli 700 robotov na 10.000 zapos- lenih [IFR, 2019]. Mitja Furman, doc. dr. Milan Kuhta•POVEZLJIVOST BIM-MODELA IN CNC-STROJA NA PRIMERU LESENE OKVIRNOPANELNE MONTAŽNE HIŠE