Autoři
Doc. Ing. Antonín Lupíšek, Ph.D., České vysoké učení technické v Praze – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov | LinkedIn profile
Ing. arch. Kristýna Schulzová, Ph.D., České vysoké učení technické v Praze – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov | LinkedIn profile
Ing. Jakub Diviš, Ph.D., České vysoké učení technické v Praze – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov | LinkedIn profile
Mgr. Ing. Josef Haber, České vysoké učení technické v Praze – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov | LinkedIn profile
Ing. Julie Železná, Ph.D., České vysoké učení technické v Praze – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov | LinkedIn profile
(Poznámka: Názory v článcích jsou pouze autorů a nemusí nutně odrážet názor EU)
Úvod
Stavebnictví je jedním z klíčových pilířů ekonomického rozvoje každé země. Jeho technologická modernizace tak může sehrát zásadní roli nejen v posílení národního hospodářství, ale také v urychlení výstavby tolik potřebné infrastruktury a dostupného bydlení. Podle údajů Evropské komise z roku 2023 představuje stavebnictví druhý největší průmyslový ekosystém v Evropské unii – zaměstnává přibližně 25 milionů lidí a přispívá 9,6 % k tvorbě hrubé přidané hodnoty [1].
Navzdory tomuto významu však sektor dlouhodobě čelí výraznému problému: růst produktivity práce je zde podstatně pomalejší než v jiných odvětvích. Ve srovnání se zpracovatelským průmyslem dosahuje zhruba jen čtvrtinového tempa. Dlouhodobé zvyšování efektivity ve stavebnictví proto představuje zásadní výzvu – a zároveň příležitost, jak prostřednictvím inovací, moderních nástrojů a digitalizace posunout obor směrem k větší udržitelnosti, rychlosti a přesnosti.
Zvýšení produktivity ve stavebnictví dnes nutně vyžaduje přechod od tradičních metod k integrovaným a datově řízeným procesům. Rozšíření automatizace, zavádění digitálních technologií, důraz na průmyslovou prefabrikaci a snižování materiálové a energetické náročnosti výstavby se stávají základními pilíři transformace odvětví.
Tento článek se věnuje možnostem, jakými mohou digitalizace, automatizace a nástroje umělé inteligence přispět ke zvýšení efektivity výstavby a zároveň ke zmírnění jejích ekonomických i ekologických dopadů. Teoretické přístupy jsou doplněny konkrétními příklady z praxe výzkumných týmů Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT. Uvedené případové studie pokrývají všechny klíčové fáze životního cyklu budov – od návrhu a výroby stavebních materiálů přes provoz a správu až po udržitelnou likvidaci či opětovné využití konstrukčních prvků po ukončení životnosti stavby.
Digitální Technologie Využívané Ve Stavebnictví
Mezi klíčové digitální technologie, které transformují stavebnictví, patří především informační modelování budov (BIM), jež slouží ke správě dat o stavbě v průběhu jejího celého životního cyklu. Skutečný stav objektů lze přesně zaznamenat pomocí laserového skenování nebo fotogrammetrie, která vytváří trojrozměrné modely na základě fotografií z různých úhlů. Drony pak umožňují sběr dat i v těžko přístupných místech a spolu s dalšími senzory přispívají k detailnímu zmapování staveniště. Internet věcí (IoT) propojuje fyzická zařízení v budovách a umožňuje sběr i sdílení dat v reálném čase. Tyto informace lze využít v digitálním dvojčeti – propojení fyzické budovy a její digitální repliky, mezi nimiž probíhá obousměrná výměna dat, často i s možností vzdáleného řízení technologií. Pokročilé simulace pak umožňují testovat návrhy a předvídat chování budov ještě před samotnou realizací. Složitější úkoly, jako je analýza dat, optimalizace provozu nebo generování návrhových variant, zajišťují nástroje umělé inteligence a strojového učení. V neposlední řadě hraje významnou roli robotizace při mapování terénu a realizaci prací ve složitých podmínkách a moderní prefabrikace, která díky digitálním technologiím umožňuje efektivní sériovou výrobu s vysokým stupněm individualizace.
Tyto technologie jsou využitelné v celém životním cyklu stavebního projektu od návrhu budovy, přes výstavbu, provoz, až po dekonstrukci či řízenou demolici na konci života stavby.
Návrh Budovy
V návrhové fázi stavby je zásadní sladit architektonické, konstrukční, energetické a environmentální požadavky, které si často vzájemně odporují. Klíčem k efektivní spolupráci mezi profesemi je informační model budovy (BIM), jenž slouží jako společná platforma pro sdílení dat a rozhodování. BIM zároveň umožňuje provádět simulace pro předpověď vlastností budovy a využití generativního navrhování k vytvoření širokého spektra variant, z nichž lze iterativně vybírat a zlepšovat návrh.
Případová studie – digitalizace návrhu budov
Projekt konverze části areálu tiskárny na technologické centrum posloužil jako ověřovací případ pro aplikaci digitálních nástrojů a parametrické optimalizace v návrhové fázi. Technologické centrum by v budoucnu mělo pojmout plejádu provozů na škále od kanceláří až po výrobu technologických komponent. Investor proto přistoupil k rekonstrukci s důrazem na využití pokročilých digitálních technologií, což umožnilo zpracování variantní energetické analýzy a hodnocení environmentálních dopadů.
Analýza vycházela z BIM dokumentace a zahrnovala model s proměnnými scénáři provozních podmínek i predikcí cen elektřiny. Porovnány byly jak kombinace konvenčních technologií (tepelná čerpadla, chillery, fotovoltaika), tak i potenciál využití lokálního zdroje odpadního tepla z datového centra. Výsledky umožnily optimalizaci investiční strategie už v rané fázi projektu.
Obrázek 1: Graf porovnávající CapEX/OpEx bilanci vůči základnímu scénáři (CZT) pro „realistický“ dataset spotových cen (tzn. vyšší intradenní volatilita, vyšší střední cena nakoupené kWh) a úrokovou míru 8 %.
Digitální model byl dále využit pro environmentální porovnání rekonstrukce s hypotetickou novostavbou. Výpočty potvrdily úsporu emisí skleníkových plynů až o 65 %, konkrétně 12 000 t CO₂ ekv. pro objekt A a 10 000 t CO₂ ekv. pro objekt B. Automatizovaná analýza dat z BIM umožnila optimalizovat materiálovou skladbu, která vedla ke snížení uhlíkové stopy o více než 30 %. Současně byly definovány doporučené hodnoty potenciálu globálního oteplování (GWP) pro klíčové stavební materiály jako podklad pro zadávací dokumentaci.
Obrázek 2: Porovnání uhlíkové stopy plánovaných objektů ve variantě odstranění stávajících objektů a jejich nové výstavby anebo jejich rekonstrukce.
Významným nástrojem pro zvýšení efektivity výstavby je pokročilá prefabrikace. Digitalizace umožňuje vyrábět pomocí částečně nebo zcela automatizovaných výrobních linek konstrukční prvky založené na shodném materiálovém a konstrukčním řešení, avšak s výsledným individuálním architektonickým výrazem. Pro zvýšení tempa výstavby bytů je tedy možné využít efektivní řešení, aniž by to vedlo na unifikovanou a fádní výstavbu, jako známe z panelových sídlišť. Tyto nové technologie zároveň pomáhají řešit klíčové problémy odvětví, jako jsou nedostatek kvalifikované pracovní síly, vysoká chybovost a kolísavá kvalita, nízká produktivita a pomalé tempo realizace.
Případová Studie – Digitalizace Výroby A Výstavby Budov
V rámci projektu Automation4Timber byla ve spolupráci s Fakultou strojní ČVUT analyzována a následně digitalizována předvýrobní a výrobní fáze dřevostaveb. Specifikem tohoto výrobce je skutečnost, že celý proces – od prvního kontaktu se zákazníkem přes návrh, dokumentaci, výrobu až po montáž – probíhá v rámci jedné firmy. To poskytlo unikátní příležitost ke komplexní digitalizaci navazujících procesů.
Analýza a návrh digitálního řešení
Detailní mapování stávajícího postupu od zakázkových konfigurací až po výrobní výstupy umožnilo identifikovat slabá místa a příležitosti pro automatizaci. Výsledkem bylo zavedení webového konfigurátoru pro výběr typových domů, který automaticky generuje specifikace i vstupy pro další fáze projektu. Každá konfigurace je přenesena do digitálního modelu, který slouží jako základ pro technickou dokumentaci i výrobní podklady.
Obr. 3: Příklad podrobného výrobního modelu.
Pro tvorbu dokumentace byla zvolena kombinace softwaru ArchiCAD (projektová fáze) a SEMA software (výrobní fáze). Datový přenos mezi systémy je zajištěn pomocí formátu IFC, který kromě geometrie nese i klíčová negrafická data. Zavedení jednotného systému klasifikace prvků a napojení na interní cenové databáze umožňuje průběžnou aktualizaci kalkulací.
Ověření digitálního toku
Navržené řešení je ověřeno na reálných zakázkách. Digitální model typového domu je tvořen v ArchiCADu, převeden do IFC a dále zpracováván v SEMA, odkud se generují data pro CNC výrobu. Výsledné dílce jsou vyrobeny, zkontrolovány a plně odpovídaly požadavkům na kvalitu a montáž. Toto realizované řešení výrazně zkracuje čas potřebný na přípravu zakázky i kvalitní obsluhu zákazníka, snižuje chybovost a přináší vyšší plynulost výroby a lepší přehled o jejím stavu a efektivitě.
Provoz Budovy
Cílem moderního řízení provozu budov je zajistit vysoký uživatelský komfort při současné minimalizaci spotřeby energie a environmentálních dopadů. Výzkum se soustředí na tvorbu provozních scénářů vycházejících z chování uživatelů, vývoj a kalibraci pokročilých simulačních modelů na základě dat ze senzorových sítí (např. IoT) a zavádění inteligentních řídicích systémů, včetně digitálních dvojčat. Pro optimalizaci provozu, predikci zátěže a detekci odchylek se využívají nástroje umělé inteligence, jako jsou genetické algoritmy nebo prediktivní analytika.
Případová Studie – Predikce A Automatizovaný Provoz Systémů Budov
Volatilita cen elektřiny a obecná liberalizace české energetiky otevřely nové příležitosti pro efektivnější řízení spotřeby a výroby energie na úrovni jednotlivých objektů. Díky rozvoji spotových a intradenních trhů je dnes možné přizpůsobovat provoz lokálních zdrojů aktuálním tržním podmínkám.
V rámci vývoje vlastních řešení jsme navrhli algoritmus pro řízení bateriových úložišť, který denně optimalizuje jejich provoz s cílem co nejlépe využít dostupnou kapacitu a reagovat na předpokládané ceny elektřiny. Funguje na principu evolučního výpočtu, který je schopen efektivně vybrat mezi miliony relevantních scénářů ten optimální a generuje časový profil provozu – včetně rozhodnutí, kdy energii ukládat, odebírat ze sítě nebo prodávat zpět.
Pro optimalizaci provozu, predikci zátěže a zpřesňování simulace se využívají inovativní softwarové nástroje jako jsou genetické algoritmy, prediktivní analytika nebo umělé inteligence. Spotřebu modelujeme buď pomocí jednodušších metod, nebo pokročilých přístupů využívajících neuronové sítě, které zohledňují provozní režimy budovy a chování uživatelů. Výroba z fotovoltaiky je predikována prostřednictvím naší osvědčené služby PV Forecast, která využívá předpověď osvitu (a případně pohybu oblačnosti) a poskytuje spolehlivý vstup pro řízení energetických toků.
Takto řízené systémy v budoucnu umožňují nejen účast na spotových trzích, ale i stabilizaci obchodního portfolia, zapojení do komunitní energetiky či agregovaných flexibilních bloků a potenciálně i poskytování podpůrných služeb výkonové rovnováhy. Nejde přitom jen o ekonomický zisk – algoritmy využívající flexibilitu přinášejí reálný systémový přínos a představují klíčový předpoklad pro maximální integraci obnovitelných zdrojů energie a udržení stability moderní distribuční soustavy.
V rámci navazujících projektů proto do nástroje postupně implementujeme další výpočetní bloky, jako jsou tepelná čerpadla, elektromobilita či predikce emisní zátěže (CO₂eq) z distribuční sítě, která budoucnu doplní cenový signál definující provoz celého systému.
Obr. 4: koncepce chytrého energetického provozního managementu budovy vyvíjená na ČVUT UCEEB
Konec Životního Cyklu Budovy
S ukončením životnosti stavby nabývá na významu řízené nakládání s materiály v souladu s principy cirkulární ekonomiky. Klíčovým nástrojem je předdemoliční audit, který identifikuje množství a druh stavebních materiálů uvolněných při demolici, možnosti dalšího využití materiálů a prvků stavby a navrhuje bezpečný postup jejich demontáže. Třídění materiálů přímo na místě snižuje množství odpadu a umožňuje efektivní recyklaci.
Podporu systematického přístupu poskytuje tzv. materiálový pasport stavby (“Building Material Passport” [3]), který shromažďuje informace o použitých materiálech po celý životní cyklus objektu. Nově rozvíjené materiálové katastry navíc umožňují mapovat zásoby stavebních materiálů [1] v městském fondu a plánovat jejich budoucí opětovné využití.
Případová Studie – Digitalizace Demolice Budov
V rámci projektu TISMIC byl informační model budovy (BIM) aplikován jako nástroj pro podporu cirkulární ekonomiky při ukončení životnosti staveb. BIM slouží k tvorbě předdemoličních auditů, které poskytují data o geometrii, množství, složení, stáří a technickém stavu konstrukčních prvků.
U objektů s nedostatečnou dokumentací byly vstupní informace doplněny pomocí laserového skenování a fotogrammetrie. Vzniklá databáze integruje informace z projektové dokumentace, průzkumů a materiálových katastrů a umožňuje efektivní plánování dekonstrukce. V případě částečné demontáže může BIM sloužit i jako podklad pro návrh budoucího využití.
Obr. 5: BIM model vytvořený pro účely předdemoličního auditu
Závěr
Digitalizace a automatizace představují klíčové nástroje pro transformaci stavebnictví směrem k vyšší efektivitě a udržitelnosti. V kombinaci s informačními modely budov (BIM) umožňují optimalizaci návrhových procesů, přesnější plánování energetických systémů, snižování uhlíkové stopy a celkové zlepšení environmentálních i ekonomických parametrů staveb po celý jejich životní cyklus.
Případové studie ukázaly konkrétní přínosy těchto technologií ve všech fázích výstavby – od návrhu a prefabrikace, přes inteligentní řízení provozu budov s využitím prediktivních algoritmů a dynamických cen energií, až po plánování dekonstrukce a opětovné využití materiálů na základě digitálních modelů. Zvláště výrazný přínos byl zaznamenán v oblasti zkrácení času pro optimalizaci návrhu, snížení provozních nákladů a podpoře cirkulární ekonomiky.
Výsledky potvrzují, že systematické zavádění digitálních nástrojů ve stavebnictví není pouze technickým, ale i strategickým krokem k dosažení klimatických cílů, vyšší hospodárnosti a kvalitnější výstavby.
Poděkování
Tato práce vznikla díky podpoře v projektů: TAČR Théta II TK02010164, „Vývoj nástrojů pro optimální energetickou odezvu budov na požadavky chytré sítě a jejich dopad na energetický trh a životní prostředí“; TAČR TREND 3 FW03010555, „Digitalizace a automatizace výrobních procesů energeticky efektivních montovaných dřevostaveb”; MŠMT INTER-EXCELLENCE II, INTER-COST LUC23046 „Udržitelné a bezpečné použití druhotných surovin jako základ pro cirkulární vystavěné prostředí“.
References
[1] European Commission, “Transition Pathway for Construction,” 2023.
[2] „OTE ČR, Krátkodobé trhy - Denní trh,“ OTE, a.s., [Online]. Available: https://www.ote-cr.cz/cs/kratkodobe-trhy/elektrina/denni-trh. [Přístup získán 9 8 2024].
[3] European Commission, „Material Passports, BAMB2020,“ 2020. [Online]. Available: https://www.bamb2020.eu/topics/materials-passports/.
[4] IOER, „Material Cadastres,“ 2023. [Online]. Available: https://ioer-isbe.de/en/resources/material-cadastres.
