Использование застройщиком-инвестором цифровой модели при строительстве высокотехнологичного предприятия

Представление объекта

Опыт использования цифровой модели (BIM - Building Information Model / Modeling) в проектировании, строительстве и эксплуатации показывается на примере предприятия по производству тиссью (бумаги санитарно-гигиенического назначения). Здесь будет производиться бумага-основа, а также изделия из нее:

• салфетки

• туалетная бумага

• бумажные полотенца.

В России активно строятся предприятия по производству туалетной бумаги.

Название предприятия – ООО «Архбум Тиссью Групп». Располагается оно в Калужской области, Индустриальном парке «Ворсино». Это дочернее общество АО «Архангельский ЦБК».

К слову, это не первый проект по производству бумаги, где мы принимаем участие. В 2012-2015 году мы трудились в Ярославской области на Brownfield-строительстве ОАО «СТГ».
Поэтому встречаемые мной замечания, что мы в России не можем произвести из нашего леса даже туалетной бумаги, не соответствуют действительности.

Особенности высокотехнологичных предприятий и проблемы их строительства

Чтобы понять предпосылки применения инновационного подхода с цифровой моделью, нужно сделать важные оговорки:

• разработка BIM-модели необходимого качества (детальность, системность) требует на порядок больших трудозатрат в сравнении со «среднестатистическим» проектированием;

• окупаемость BIM-проектирования приходит, если проект достаточно сложен, а значит, возникнут многочисленные и дорогие проблемы, которые можно решить на «виртуальном» этапе;

• не любой BIM одинаково хорош – большая часть из того, что мы видели, непригодна к практической работе (представляет собой красивые картинки без четкой системы объектов и нужной детализации).

Рассматриваемый объект является сложным высокотехнологичным предприятием со следующими особенностями:

• Значительная плотность коммуникаций

  Следовательно, большое пространство для многочисленных и сложных в устранении пересечений (коллизий).

• Множество подрядчиков

  Что приводит к сложности организации совместной работы, многочисленным «белым пятнам» на границах ответственности.

• Иностранные поставщики основного технологического оборудования

  Для достижения понимания с коллегами нужен наглядный инструмент.

• Высокие требования к эффективности и надежности

  Все участники процесса строительства и будущей эксплуатации должны еще на этапе проектирования в полной мере увидеть будущее предприятие и дать предложения к его улучшению.

Классический подход при строительстве сложных промышленных объектов:

• иностранное «технологическое ядро»;

• российская компания, совмещающая функции генерального проектировщика (2D-чертежи по ГОСТ) и генерального подрядчика;

• отдельные подрядчики на узкоспециализированные работы под контролем генподрядчика и специалистов застройщика.

В такой схеме Заказчик стремится к решению следующих управленческих задач:

1. Минимизация технологических рисков за счет использования проверенной технологии.

2. Минимизация строительных рисков за счет единственного ответственного, который отвечает за действия всех своих субподрядчиков, не пуская проблемы к Заказчику.

Описанный выше классический подход имеет серьезные риски на границах ответственности как различных подрядчиков, так и отдельных разделов рабочей документации.

Среди наиболее распространенных проблем:

• многочисленные пересечения (коллизии) различных разделов документации;

• сложности в координации работ;

• отсутствие наглядного образа будущего объекта;

• длительные сроки согласований;

• проблемы с использованием документации при эксплуатации объекта.

Понимая эти риски, руководство АО «Архангельский ЦБК» приняло стратегическое решение использовать современный подход к проектированию, строительству и эксплуатации объекта на базе цифровой модели предприятия (BIM - Building Information Model).

Участники разработки и использования BIM в проекте АТГ

Инструменты для работы с BIM-моделью

Качественная BIM (цифровая модель предприятия) предоставляет широкие практические возможности.

Для удобства, разделим инструменты, применявшиеся в проекте, на группы:

1. Блок «Анализ»

   Инструменты анализа цифровой модели для определения оптимальных решений и устранения коллизий

2. Блок «Изменения»

   Внесение изменений в проектную и рабочую документацию

3. Блок «Координация»

   Визуализация строительно-монтажных работ для координации подрядчиков (4D BIM)

4. Блок «Эксплуатация»

   Централизованный доступ к данным, связь с системой диспетчеризации

Группа BIM-инструментов «Анализ»

Наглядность документации: 2D против 3D

Для начала зададимся вопросом: «Каким специалист видит свой объект при классическом подходе к проектированию»? Ведь полный комплект документации – это десятки коробок с сотнями томов рабочей документации.

Покажем глазами инженера, как выглядит котельный зал Энергоблока (одно из помещений не самого сложного здания).

Для этого по каждому разделу рабочей документации:

• возьмем планы котельного зала;

• выделим тематические объекты (соответствующие только данному разделу);

• дадим объектам специфический окрас (чтобы отличаться от других разделов)

• выполним наложение тематических объектов в единый 2D-образ помещения.

Сознательно упрощаем картину, не накладывая на планировки детальных узлов, армирования или текстур, так как иначе наглядность исчезнет вовсе.

А теперь честно ответим: «Может ли человек держать в голове всю эту картину в малейших деталях, полностью исключив конфликты элементов из разных разделов»? Лично я таких людей не знаю.

Объем финальной итерации рабочей документации (планировки, схемы, ведомости, расчеты, спецификации и т.д.) по Энергоблоку составляет: 1220 листов (размер до 3 х А0) или 2746 листов (эквивалент А4).

С учетом промежуточных версий, объем увеличивается в 3-5 раз (около 10 000 листов А4).

Это только Энергоблок, один из десятка крупных корпусов производственной площадки.

Сложность объектов

Для примера сравним сложность Энергоблока и корпуса бумагоделательной машины на примере насыщенных технологических участков.

Эффективность цифровой модели для экономики проекта

Инженеры застройщика на основании чертежей рабочей документации должны составить четкий облик объекта до передачи «в производство работ».

BIM является замечательным средством для многократной проверки принимаемых решений, а также автоматизированной печати чертежей с согласованной цифровой модели.

Проблемы, переданные на строительную площадку с чертежами под штампом «В производство работ», приводят к трем последствиям:

1. Увеличению фактической стоимости проекта.

2. Задержке сроков строительства и ввода объекта в эксплуатацию.

3. Снижению качества производственного комплекса.

По оценкам международных организаций, перенос решения проблем со стадии строительно-монтажных работ на этап BIM-проектирования приводит к уменьшению сроков (на 10-30%) и стоимости (на 5-20%) строительства.

Базовые возможности 3D-модели. Инструменты управления

Управление 3D-моделью – это возможность:

• вращения, масштабирования, перемещения объектов;

• отображения только нужных элементов (разделов РД, выбранного оборудования или отдельного манометра).

На примере Энергоблока продемонстрируем отдельные разделы рабочей документации.

Или рассмотрим силовой трансформатор 10/0,4 кВ собственных нужд Энергоблока с установленными предохранителями по высокой стороне.

Базовые возможности 3D-модели. Инструменты обзора

Для лучшего обзора внутренней компоновки объекта имеются возможности облета и обхода (с действующей силой тяжести) объекта.

Проектную и рабочую документацию по Энергоблоку мы выполняли в полном объеме.

С основным производственным блоком (бумагоделательной машины) сложнее. В ее проектировании участвовало 11 (одиннадцать) организаций. Причем, кроме нас и основного технологического партнера (компании Andritz), никто не предоставлял 3D-модели. Только 2D-документация со всеми ее «родовыми» недостатками (описание проблемы ниже, в разделе «Коллизии»).

Работы по сбору (интеграции) всей документации производственного блока БДМ в единую цифровую модель (BIM) мы выполняли в рамках соответствующего договора с ООО «Архбум Тиссью Групп».

Насыщенность конструкций, оборудования и инженерных коммуникаций хорошо видна при обходе БДМ (бумагоделательной машины).

Коллизии

Коллизия – это пересечение объектов в проектной документации, недопустимое в реальности.

При сборе единой цифровой модели блока С выявлены сотни коллизий, хотя в моделирование выдавалась только финальная рабочая документация (то есть прошедшая проверку проектными организациями, генеральным проектировщиком).

При отсутствии 3D-модели документация с данными коллизиями была бы выдана «в производство работ».

Это не полторы тысячи миллионов (© Н. Петров, 2008 год) потраченных впустую рублей, но тоже сумма солидная.

На этапе монтажа это приводит к следующим проблемам:

• Увеличение сроков строительства (время работ, ожидание материалов)

• Дополнительные затраты (оплата дополнительных работ)

• Возникновение новых коллизий (монтажники выполняют решение «по месту», не зная, что там запроектирована другая система)

• Эксплуатационные проблемы (ухудшение условий доступа и т.п.)

Для завода масштаба ООО "АТГ" финансовые потери на горизонте жизненного цикла составляют сотни миллионов рублей.

Это не полторы тысячи миллионов (© Н. Петров, 2008 год) потраченных впустую рублей, но тоже сумма солидная.

Работа над ошибками

Инженерами застройщика принята следующая процедура взаимодействия по обнаружению и устранению коллизий:

1. BIM-интегратор проверяет все внесенные в единую цифровую модель системы на коллизии. По результатам проверки формируется отчет, состоящий из двух файлов:

   • Текстовый отчет с информацией о коллизии (какие 2D-чертежи конфликтуют друг с другом и в каком месте, описание проблем с иллюстрациями).

     Были выполнены десятки отчетов, текстовая часть каждого из них представляет собой увесистый документ с детальным описанием найденной проблемы, отображения участка на планах, разрезах, схемах рабочей документации.

   • 3D-модель с сохраненными точками обзора, позволяющими быстро найти и проанализировать проблемное место.

     BIM позволяет оперативно найти и рассмотреть проблемное место со всех возможных ракурсов.

2. BIM-интегратор направляет отчет застройщику.

3. Застройщик направляет запросы тем проектным и монтажным организациям, в чьи зоны ответственности входят найденные коллизии.

4. На очередном еженедельном совещании Стороны обсуждают и принимают решение по каждому пункту отчета:

   • действие;

   • ответственный;

   • срок.

5. Исправленные чертежи застройщик направляет BIM-интегратору для включения в 3D-модель и новой проверки на коллизии.

Базовые возможности 3D-модели. Инструменты сечения

Для анализа узлов и систем на объектах с высокой плотностью инженерных коммуникаций используется инструмент «Сечение»

Например, выделив бумагоделательную машину с помощью сечений, мы сразу увидим все подходящие инженерные коммуникации. Двигая сечение, мы открываем интересующие нас участки.

Имеющиеся инструменты сечения столь многогранны, что их полноценный обзор невозможно разместить в рамках настоящей статьи. Например, имеется:

• сечение прямоугольным параллелепипедом и плоскостями;

• передвижением и отключением отдельных плоскостей;

• произвольным наклоном выбранных плоскостей.

BIM предоставляет поистине богатый арсенал для знакомства с объектом.

В среднем, трудоемкость работ по BIM в 2-4 раза превышают трудоемкость выпуска «классической» документации.

Базовые возможности 3D-модели. Инструменты измерения

Анализ объекта – это не только поиск коллизий, но и анализ расстояний между различными объектами. Примеры использования инструмента:

1. Определение высоты или ширины прохода к обслуживаемому агрегату. А иногда, и возможности подъезда погрузчика.

2. Получение расстояния между коммуникациями для проверки соблюдения нормативных расстояний.

3. Контроль удобства будущих маршрутов внутрицеховой логистики, анализ и расшивка «узких» мест.

4. Возможность поворота ручки запорной арматуры (не представляете, насколько часто это происходит).

Чем выше плотность коммуникаций, тем больше необходимость в измерениях.

Например, измерим расстояние между ГРУ и технологическим оборудованием: 1,797 м. Мы понимаем, что для обслуживания ГРУ (газораспределительного устройства) и электродвигателя горелки БДМ у нас есть 1,8м. Эксплуатирующий персонал сообщает: «Достаточно».

Теперь проверить высоту проема над газопроводом: 3,850 м. Вполне достаточно для прохода человека с инструментом.

Базовые возможности 3D-модели. Инструменты анимации

Для планирования строительно-монтажных и ремонтных работ используется инструмент «Анимация».

Анимация – это средство для анализа мобильных средств строительства, производства и транспорта.

Алгоритм:

1. Выбирается элемент.

2. Задается его маршрут (крайние точки, траектория).

3. Назначаются «горячие клавиши» для управления.

Выполнив алгоритм последовательно для нескольких элементов, мы можем запускать перемещение как одного элемента, так и нескольких.

Для проекта бумзала «Архбум Тиссью Групп» реализовано управление тремя мостовыми кранами.

Управление выполняется с помощью «горячих клавиш» следующими механизмами:

• каждым из трех мостовых кранов (продольное движение вдоль балок крановых путей),

• каждым из тельферов (поперечное движение вдоль главных балок),

• каждым из подъемных крюков (подъем / спуск крюков).

С помощью данного инструмента проверяем:

• отсутствие конфликтов крана с конструкциями и коммуникациями;

• возможность подачи крана к нужному оборудованию;

• оптимальный порядок монтажных работ;

• безопасность обслуживающего персонала.

Включив воображение, можно найти множество практичных применений данного инструмента:

1. Оптимальная схема движения большегрузного транспорта на территории предприятии (запускаем движение десяти фур одновременно с разными скоростями и определяем «узкие» места).

2. Оптимальный парк строительной техники (задаем маршруты экскаваторов, перемещения стрел башенных кранов и анализируем проекта организации строительства).

3. Оптимальность внутрицеховой логистики и т.п.

Мы против принципа «еще один красивый мультик». Целесообразность применения инструмента определяется практической пользой для принятия обоснованных управленческих решений.

Наиболее ярко преимущества цифровой модели заметны при реконструкции.

Изменения цифровой модели и рабочей документации

Цифровая модель при внесении изменений в проектные решения позволяет:

1. Наглядно продемонстрировать объект с внесенными изменениями.

2. Минимизировать ошибки за счет инструментов анализа 3D-модели и работы с коллизиями, а также средств автоматизированной печати документации из цифровой модели.

3. Быстро получить документацию после утверждения цифровой модели.

Вместе с тем, цифровая модель – это не волшебная палочка, решающая все вопросы. В среднем, трудоемкость работ по BIM в 2-4 раза превышают трудоемкость выпуска «классической» документации. Причина в том, что детализация цифровой модели на порядок выше детализации «классической» документации.
При одинаковых требованиях к детализации и качеству, работа с цифровой моделью объекта ускоряет работу минимум втрое при несоизмеримо лучшем контроле коллизий. Особенно для нестандартных объектов.

Объем корректировок в проекте АТГ был огромен. Менялись нагрузки, переносилось оборудование, добавлялись дополнительные трубопроводы и многое другое.

Происходившие изменения видны в видео об эволюции малого сооружения – технологической галереи между Энергоблоком и зданием бумагоделательной машины.

Основные принципы иллюстрации изменений в 3D-модели:

• заменяемые элементы выделяются прозрачным красным цветом;

• новые элементы показываются прозрачным зеленым цветом.

Наиболее ярко преимущества цифровой модели заметны при реконструкции. В ситуациях ограниченного пространства, насыщенности коммуникаций и жестких привязок.

Координация или 4D-проектирование

4D-проектирование – это виртуальная имитация строительства объекта. Эта имитация может выполняться двумя способами:

1. С помощью специального графического программного обеспечения.

   Результатом серьезного труда является красивый фильм, предназначенный для презентации объекта или технологии. Подобный фильм малополезен на строительной площадке.

2. С помощью специального BIM программного обеспечения.

   Результатом является связка цифровой модели с календарным планом, которая «строит» имитацию автоматически. Внесение изменений в календарный план вносит изменения и в имитацию строительства.

Специализированный BIM-подход к виртуальной имитации строительства позволяет дорабатывать календарный план до уровня, когда обеспечивается оптимальный порядок строительно-монтажных работ, логистики оборудования и материалов. Без ручного внесения изменений в цифровую модель.

Итоговый результат мы называем интерактивным планом производства работ, так как его целью является не презентация, а координация работ на строительной площадке.

Подчеркну: интерактивный ППР может выполняться силами заказчика-застройщика или генподрядчика. Без участия разработчика BIM.

Маленькая оговорка: детализация, качество и уникальность наименований цифровой модели определяет возможности интерактивного ППР. Не любой BIM одинаково хорош.

В примере ниже используется привязка к 3D-модели календарного плана в MS Project. Показывается интерактивный ППР 2-го этапа монтажа в котельном зале Энергоблока.

BIM и эксплуатация

Цели эксплуатации промышленного предприятия:

• Сохранение высокой эффективности производства

  Поддержание на длительных временных горизонтах проектных показателей эффективности, достигнутых при пусконаладочных работах. Полномасштабное использование энергоэффективных решений.

• Предотвращение аварий и инцидентов

  Обеспечение целевой надежности производства как коэффициента готовности, стремящегося к единице, зависит от надежности каждого из критических элементов в системе.

  Следовательно, задачей является определение потенциальных отказов и оперативное их предотвращение:

  • первый блок задачи обеспечивается системой автоматизации (АСУ ТП + SCADA);

  • быстроту реакции по второму блоку кардинально повышает BIM (цифровая модель), синхронизированная с системой диспетчеризации.

• Быстрый поиск и устранение причин аварии (инцидента)

  Если остановка производства все же случилась, необходимо быстро и точно определить причину происшествия и устранить ее. Возможности BIM в быстром определении места расположения каждого элемента и мгновенного доступа к нужному каталогу централизованного архива данных незаменимы для решения данной задачи.

Итого,
связка инструментов BIM + SCADA
(цифровая модель предприятия + система диспетчеризации)
дает синергетический эффект.

Разберем практический пример в системе теплоснабжения блока С (зал БДМ и ПРС):

1. Для индивидуального теплового пункта ИТП-С была разработана цифровая модель, рабочая документация и система диспетчеризации (SCADA). Каждый элемент системы автоматизации имеет уникальный идентификационный номер.

2. В системе происходит остановка насосов контура теплоснабжения вентиляционных установок химического склада. Необходимо оперативно определить причину останова, направить специалиста на место аварии, при необходимости, быстро закупить и заменить вышедший из строя элемент.

3. Открываем мнемосхему ИТП-С. На экране SCADA-системы видим, что насос NY35-01 остановился по причине аварийного повышения давления в системе.

4. Возможных причин аварии множество:

   • засорившийся теплообменник;

   • закрытая задвижка (запорная арматура);

   • аппаратная ошибка (сбой датчика или линии);

   • программная ошибка.

   Соответствующий отдел службы Главного инженера должен составить служебное задание и направить специалиста на место аварии.

5. Для детализации задачи:

   • переходим на видеоэкран с подробной схемой проблемного контура;

   • анализируем показания смежных и дублирующих датчиков;

   • составляем перечень задач для проверки на месте:

     • состояние теплообменника;

     • состояние задвижек (запорной арматуры);

     • состояние насосов и датчиков;

     • получение показаний манометра.

6. Далее нужно определить точное месторасположение элемента (например, датчика):

   • копируем ID датчика из SCADA;

   • в цифровой модели выполняем поиск по ID;

   • определяем местоположение датчика.

7. Для доступа к технической документации переходим напрямую из цифровой модели (BIM) в каталог соответствующего элемента.

Специалисты-практики BIM

Самое главное – это широкое использование цифровой модели при проектировании, строительстве и эксплуатации сложных объектов капитального строительства. Иначе инструмент превращается в «красивые картинки».

Мы благодарны специалистам заказчика-инвестора ООО «Архбум Тиссью Групп» за масштабное использование цифровой модели предприятия в фактической деятельности.

Инициаторы

Поделенюк Петр Петрович, директор по производству

Вторый Алексей Владимирович, директор по новому строительству

Инженерный состав

Ядыкин Сергей Сергеевич, главный инженер

Луц Андрей Дмитриевич, ГИП строительства

Омельченко Владимир Владимирович, заместитель главного инженера

Колесников Вячеслав Борисович, главный механик

Николаенко Юрий Михайлович, начальник БДМ

Солонинин Алексей Геннадьевич, начальник конвертинга

Ермолаев Леонид Вячеславович, главный энергетик

Кузнецов Александр Алексеевич, начальник Энергоблока и ПСХ

Гришанов Сергей Иванович, начальник отдела КИПиА

Карлов Олег Борисович, энергетик конвертинга

Трум Валентин Витальевич, энергетик цеха БДМ

Иванов Владимир Вячеславович, инженер ПСД