CC BY
12
УДК 004.9:624
К ВОПРОСУ ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ 3Б-МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В.В. Середин, А.В. Андрианов, П.А. Красильников
Технология 2D-проектирования приобрела широкое применение, но зачастую не отвечает требованиям заказчиков, особенно на технически сложных объектах. Поэтому на смену 2D-технологий постепенно внедряются технологии SD-проектирования в горном и в промышленном производстве, в газовой и нефтяной промышленности. Применение технологии трехмерного моделирования существенно повышает качество проекта. Наряду с SD-проектированием развиваются технологии информационного моделирования с последующим использованием их в управлении технологическими процессами объекта (BIM-технологии). Однако в России технологии цифрового проектирования широкого внедрения не нашли. Это прежде всего связано с тем, что заказчик не верит в эффективность цифровых технологий, т.к. эффект при их реализации несколько отсрочен. Результаты исследований показали, что технология SD-проектирования даже на небольшом позволила снизить общие затраты на строительство более чем на 10 %, снизить металлоемкость конструкций на 12 %, что наиболее актуально для северных районов России, и сократить сроки строительства на 25 %.
Ключевые слова: технология SD-проектирования; геологическая модель; информационная модель; нефтяные компании; BIM-модель.
Введение
Технология 2D-проектирования в последнее время приобрела широкое применение, но в большинстве случаев не отвечает требованиям заказчиков, особенно на технически сложных объектах, где возрастает вероятность возникновения ошибок (коллизий), которые приводят к увеличению стоимости и сроков строительства. Поэтому на смену 2D-технологий постепенно внедряются технологии SD-проектирования в горном [8-10] и в промышленном [2, 11, 13] производстве, в газовой [7, 15] и нефтяной [1, 2, 6, 14, 16] промышленности. Наряду с SD-проектированием развиваются технологии информационного моделирования (ИМ) [4] с последующим использованием их в управлении технологическими процессами объектов (BIM-технологии) [5].
Наибольших успехов в SD-проектировании и ИМ достигло ООО «Газпром нефть» [15], которое впервые в нефтегазовой отрасли России представило на рассмотрение в ФАУ «Главгосэкспертиза» проект обустройства нефтяного месторождения в цифровом формате. АО «Зарубежнефть» разработало концепцию комплексного проектирования активов совместного предприятия «Вьетсовпетро» с использованием программного обеспечения собственной разработки [2].
Компания ООО «Волгограднефтепроект» выполнила значительную часть своих проектов в цифровом виде: газоперерабатывающие заводы, протяженные линейные участки трубопроводов, морские сооружения [16]. Цифровая модель включает в себя объем данных и документов, которые необходимы для эксплуатации и должны быть предоставлены проектировщиками, строительными подрядчиками и субподрядчиками, поставщиками оборудования [16].
АО «НЕОЛАНТ Проект» выполняет проектирование при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте объектов обустройства нефтегазовых месторождений. Применение технологии трехмерного моделирования существенно повышает качество проекта [14].
Однако в России технологии цифрового проектирования широкого внедрения не нашли [5]. Это прежде всего связано с тем, что заказчик не верит в эффективность цифровых технологий, т.к. эффект при их реализации несколько отсрочен. Как показывает опыт, службы капитального строительства заказчика отчитываются каждый за свой этап: одна за экономию при разработке проектной документации, а другая - за строительство объектов. При этом хотелось бы подчеркнуть, что службы заказчика, отвечающие за разработку проектной документации, ориентируются главным образом на экономию средств при разработке проектно-изыскательских работ (ПИР), а не на эффективность проектных решений, которые позволили бы экономить средства при реализации проекта.
Поэтому при увеличении стоимости ЭЭ-проектирования на 40 % по сравнению с 2Э и времени проектирования на 20 % заказчик, как правило, выбирает технологию 2Э, из-за того, что эффект разработки ПСД виден сразу, а эффект от строительства отсрочен.
Поэтому целью данной работы является оценка эффективности применения 30-проектирования на примере объекта нефтяного комплекса как на стадии ПИР, так и на стадии строительно-монтажных работ (СМР).
Объектом исследования является «Установка налива нефти», расположенная в Пермском крае.
Методика
Работа проводилась в несколько этапов. Первоначально разрабатывались 2Э-геологическая модель по СП 446.1Э2.5800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ». На втором этапе используя данные полевых и лабораторных исследования, а также программные комплексы Кредо Геокарты по алгоритму [12] строилась ЭЭ-геологическая модель.
Затем с учетом 2Э-геологической модели разрабатывался 2Э проект, а с учетом ЭЭ-геологической модели разрабатывался ЭЭ-проект [12].
После чего сравнивались общие затраты на реализацию объекта по данным 2Э- и ЭЭ-проектов.
Результаты исследований
Разработка геологической модели проводилась в два этапа. На первом этапе проведены инженерно-геологические изыскания площадки строительства согласно СП 446.1Э2.5800.2019. В результате проведения изысканий установлено, что в пределах исследуемой территории выделяется три инженерно-геологических элемента (ИГЭ):
ИГЭ 1 - глина тугопластичная (dQ). Расчетные характеристики грунта: р = 1,89 г/см3, ф = 1Э°, с = 32 кПа, Е = 10,4 МПа;
ИГЭ 2а - суглинок полутвердый среднепросадочный (dQ). Расчетные характеристики грунта: р = 1,83 г/см3, ф = 17°, с = 25 кПа, Е = 5,1 МПа;
ИГЭ 2 - суглинок тугопластичный (dQ). Расчетные характеристики грунта: р = 1,96 г/см3, ф = 19°, с = 31 кПа, Е = 14,4 МПа.
На основании полевых и лабораторных работ составлена 2D-геологическая модель.
На втором этапе по данным полевого и лабораторного материала, используя программный комплекс Кредо Геокарты, построена объемная 3Э-геологическая модель.
Алгоритм построения геологической модели следующий. В программу загружаются:
1) цифровая модель местности (рельеф местности);
2) геологические выработки (скважины), привязанные к рельефу местности;
3) поинтервальное описание грунтов и их физико-механические свойства.
Затем выделяются инженерно-геологические элементы, приводиться их нормативные и расчетные характеристики. Используя инструмент создания объемной геологической модели, формируются поверхности кровель ИГЭ.
Трехмерная геологическая модель позволяет визуализировать инженерно-геологическое строение участка изысканий и строить в автоматическом режиме геолого-литологические разрезы по заданным разрезам, а также выводить литологические колонки в любой точке модели по результатам интерполяции данных инженерно-геологических скважин (рис. 1). Эта информация позволяет выявить участки в т.ч. слабых грунтов (торфов и др.), что влияет на принятие проектных решений.
3Э-геологическая модель позволила также оценить распространение инженерно-геологических процессов, в частности, подтопления. Общеизвестно, что подтопление может существенно осложнять строительство и эксплуатацию сооружений согласно СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства.
a б
Рис. 1. Оценка инженерно-геологического строения в любой точке 30-геологической модели (а - в Model Studio CS Строительные решения; б - в Кредо Геологии)
Часть I. Общие правила производства работ. В представлении каждой инженерно-геологической скважины модели приведено не только по-интервальное описание встреченных грунтов, но и уровень грунтовых вод. Пример визуализации поверхности грунтовых вод и характеристика водоносного горизонта приведены на рис. 2.
Рис. 2. Поверхность грунтовых вод и характеристика водоносного горизонта в CadLib Модель и Архив
ЭЭ-модель отражает изменения в пространстве инженерно-геологических элементов и, прежде всего, расчетных показателей свойств грунтов и мощности ИГЭ. На основании этих показателей принимаются решения о выборе оптимального типа и вида фундаментов, а также технологических параметров подземных сооружений. Так, использование объемной геологической модели позволило проектной части оптимизировать (уменьшить) длину горловин подземных емкостей объемом 100 мЭ, следствием чего явилось уменьшение глубины монтажа емкостей, объема земляных работ и металлоемкости конструкции.
Разработка 2D-проекта проводилась по техническому заданию заказчика проектным предприятием «Недра». Сроки и стоимость приведены в табл. 1.
Таблица 1
Сроки и стоимость разработки проектно-сметной документации для объекта «Установка налива нефти-Оса»*
Вид проектирования 2D 3D
Сроки выполнения работ, мес. 4,0 4,5
Стоимость выполнения работ, млн руб. 8,2 11,4*
Примечание: * Стоимость проектирования трехмерной электронной модели определяется с коэффициентом 1,4 согласно СБЦП 81-2001-1Э «Объекты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности».
Стоимость SD геологической модели определялась по трудозатратам.
Разработка SD-проекта проведена по инициативе и на средства проектного предприятия «Недра». Сроки и стоимость ПСД приведены в табл. 1. На основе технологической схемы, согласованной с заказчиком, проведено моделирование объекта с учетом существующих рельефа, инженерной геологии и ситуации. При разработке SD-проекта «Установка налива нефти-Оса» использовались программные комплексы Modul Studio CS, Кредо Генплан, AutoCAD Civil 3D и программа управления проектом CadLib Модель и Архив. Все оборудование, трубопроводы и другие элементы SD-модели объекта отображены с учетом фактических размеров, нормативных расстояний (как по горизонтали, так и по вертикали), требуемых глубин и уклонов, а также соответствующей цветовой гаммы.
ЭЭ-модель является точной копией будущего объекта, на которой можно оценить все расстояния и получить подробную информацию по любому элементу, а также спецификации по группам элементов. На основе ЭЭ-модели получены чертежи, на которых объект или его части отображаются в любых ракурсах: планы на любой отметке, любые сечения и разрезы, изометрии. Результаты проектирования представлены на рис. 3.
Наличие SD-геологической модели и SD-модели проекта помогли оптимизировать, по сравнению с 2D-проектом, расстановку и технологическую обвязку оборудования, технологическую схему объекта «Установка налива нефти-Оса», выразившуюся в ряде позиций проекта: сокращении площади занимаемых земель, объема земляных работ, протяженности кабелей, количестве подземных емкостей и т.д. (табл. 2).
Кроме прямой эффективности, установлена и дополнительная эффективность использования SD-проектной модели, заключающаяся в том, что:
сокращается продолжительность процедуры согласования проектных решений;
использование BD-модели при выполнении СМР исключило ряд ошибок, связанных с неправильным чтением чертежей и отсутствием наглядности на чертежах;
процедура контроля и надзора за СМР значительно упростилась ввиду наглядности и детализации объекта строительства в BD-модели;
ЭЭ-модели позволили службам заказчика одинаково легко определять требуемые для объекта строительства оборудование и материалы.
Рис. 3. Проект «Установка налива нефти-Оса» в 3D
Дополнительная эффективность BD-модели приводит к сокращению сроков СМР и уменьшению стоимости строительства объекта на 3...10 %.
Таблица 2
Эффективность 31 0-проекта по сравнению с 2В-проектом
Наименование сооружения Единицы измерения Проект Экономический эффект, тыс. руб.
2D 3D
Территория приемосдаточного пункта 2 аренда, м2 1680 1500 35,8 (за 20 лет)
Планировка приемосдаточного пункта объем земляных работ, м3 1Э15 1004 300,9
Ограждение приемосдаточного пункта протяженность, пог. м 148 1Э8 51,3
Кабельная эстакада протяженность, пог. м 12Э 11Э 25,5
Окончание табл. 2
Наименование сооружения Единицы измерения Проект Экономический эффект, тыс. руб.
2Б ЭБ
Кабельная продукция протяженность, пог. м 12Э 11Э 4,4
Подземные емкости 100 мЭ количество, шт. Э 2 3921,8
Подземные емкости 100 мЭ, в части уменьшение длины горловин емкостей, вследствие чего уменьшение глубины монтажа емкостей объем земляных работ, мЭ 1059 806 132,4
Блок-бокс операторной площадь, м2 51 39 2147,0
Площадка слива автоцистерн количество мест автоцистерн, шт. 4 Э 1342,0
Итого - - - 7961,0
Сравнение общих затрат на реализацию объекта по данным 2Б-и 3Б-проектов
Анализ стоимости разработки ПСД показал (см. табл. 1), что удорожание 3D-проекта составляет 3,2 млн руб., а срок выполнения возрос на 15 рабочих дней по сравнению с 2D-проектом.
Анализ качества 3D-проекта по сравнению с 2D-проектом показал, что на стадии строительства объекта стоимостью 74,5 млн руб. можно получить экономию средств на сумму 7,9 млн руб. (10 %), сократить сроки строительства на 1 месяц (с 4,5 до 3,5 мес.) и уменьшить металлоемкость конструкций на 12 % (табл. 2). Кроме того, получить экономию от дополнительной эффективности на 3... 10 %.
Проект 3D «Установка налива нефти-Оса» реализован 2019 г. Фактический эффект составил 36,2 млн руб. (табл. Э).
Таблица 3
Экономическая эффективность реализации объекта _«Установка налива нефти-Оса»__
Увеличение стоимости ПИР, млн руб. Увеличение срока про-ектирова-ния, месяц Снижение стоимости строительства, млн руб. Уменьшение срока строительства, месяц Выручка за счет более раннего ввода в эксплуатацию, млн руб. Общий экономический эффект, млн руб.
-3,2 -0,5 +7,961 +1,0 +31,5 +36,261
Заключение
Технология BD-проектирования, опробованная на объекте «Установка налива нефти-Оса», позволила снизить общие затраты на строительство более чем на 10 %, снизить металлоемкость конструкций на 12 %, что наиболее актуально для северных районов России, и сократить сроки строительства на 25 %. Для технологически более сложных объектов (например, объект «Установка промысловой подготовки нефти-Оса») эффект от 3D-проектирования будет выше.
В развитии данной темы следует отметить, что 3 D-технологии применяются также и на застроенных территориях. Для этих территорий, на основании опыта ООО НИППППД «Недра» [12], рекомендуется проводить работу поэтапно. На первом этапе создать ИМ, на втором использовать ИМ для разработки 3D-проекта, на третьем использовать ИМ для планирования строительства и на четвертом использовать ИМ для оптимизации технологических процессов.
Список литературы
1. Андрианов В. ГИС в нефтяных компаниях России // ARCREVIEW, 2002. № 4(23). С. 1-2.
2. Практическая реализация концепции интегрированного проектирования для шельфового актива АО «Зарубежнефть» / И.С. Афанасьев, Г.Д. Федорченко, А.А. Кожемякин, В.А. Смыслов // Нефтяное хозяйство, 2016. № 8. С. 94-97.
3. Болдырев Г.Г. К вопросу использования информационных систем при изысканиях и проектировании оснований фундаментов зданий и сооружений // Геоинфо. 2020. № 2. URL: https://www. geoinfo.ru/product/
boldyrev- gennadij_-grigorevich/k-voprosu-ispolzovaniya-informacionnyh-
sistem-pri-izyskaniyah-i-proektirovanii-osnovanij-fundamentov-zdanij-i-sooruzhenij-42530.shtml.
4. Информационные системы в геотехнике - 3D геотехника / Г.Г. Болдырев [и др.] // Геотехника. 2019. Т. XI. № 2. С. 6-27, https://doi.org/10.25296/2221-5514-2019-11-2-6-27.
5. BIM геотехника и перспективы ее развития в Российской Федерации / Г.Г. Болдырев, И.Х. Идрисов, А.В. Редин, А.А. Дивеев // Геотехника, 2020. Том XII. № 4. С. 6-22. https://doi.org/10.25296/2221-5514-2020-12-4-6-22.
6. Цифровизация и интеллектуализация нефтегазовых месторождений / А.Н. Дмитриевский, В.Г. Мартынов, Л.А. Абукова, Н.А. Еремин // Автоматизация и IT в нефтегазовой области, 2016. № 2(24). С. 13-19.
7. Дроздова С.Б. Цифровые инженерно-геологические картографические модели планирования подземных хранилищ газа: на примере
Щелковского подземного хранилищагаза: автореф. дис. ... канд. геол.-мин. наук. М., 2010.
8. Красильников П.А. Трехмерная визуализация данных проходки и эксплуатации шахтных стволов средствами ArcGis как элемент информационно-аналитической системы «сооружение - геологическая среда» // Научная визуализация. 2020. Т. 12. № 2. С. 84-97.
9. Лукичев С.В., Наговицын О.В. Цифровое моделирование при решении задач открытой и подземной горной технологии // Горный журнал. 2019. № 6. С. 51-55.
10. 2018. Цифровые технологии инженерного обеспечения горных работ - первый шаг к созданию «умного» добычного производства // С.В. Лукичев, О.В. Наговицын, Е.А. Ильин, Р.С. Рудин // Горный журнал. 2010. № 7. С. 86-90.
11. Московская О.П. Геологическая модель может позволить делать расчеты «нажатием одной кнопки» // Геоинфо. 2020. № 1. URL: https: //www.geoinfo. ru/product/mo skovskaya-olga-petrovna/olga-mo skovskaya-geologicheskaya-model-mozhet-pozvolit-delat-raschety-nazhatiem-odnoj-knopki-42070.shtml.
12. Способ BIM-проектирования наземно-подземного объекта: пат. № RU 2699257 C1 от 04.09.2019.
13. Хронусов В.В., Барский М.Г., Красильников П.А. Программный продукт для ведения базы данных инженерно-геологической информации урбанизированных территорий // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. 2018. № 1 (38). С. 261-266.
14. 30-модель как продукт проектной деятельности - реальность завтрашнего дня, доступная заказчикам «НЕОЛАНТ Проект» уже сегодня. URL: http : //www.neolant.ru/it-services/Proektirovanie.php#Sozdanie 3d_mod_ v_tek
15. Газпром нефть первой в нефтегазовой отрасли представила Главгосэкспертизе SD-проект обустройства месторождения, 2021. URL:https://neftegaz.ru/news/tsifrovizatsiya/621198-gazprom-neft-pervoy-v-neftegazovoy-otrasli-predstavila-glavgosekspertize-3d-proekt-obustroystva-mest/
16. Цифровое моделирование объектов нефтегазовой промышленности. URL: https://ardexpert.ru/article/18892.
Середин Валерий Викторович, д-р геол.-мин. наук, проф., зав. кафедрой, seredin@nedra.perm.ru, Россия, Пермь, Пермский государственный национальный исследовательский университет,
Андрианов Андрей Владимирович, исп. директор, nedra@nedra.perm.ru, Россия, Пермь, ООО НИППППД«НЕДРА»,
Красильников Павел Анатольевич, д-р геол.-мин. наук, проф. тф., geolnauka@gmail.com, Россия, Пермь, Пермский государственный национальный исследовательский университет
THE EFFICIENCY OF 3D TECHNOLOGIES APPLICATION WHEN DESIGNING
ENGINEERING FACILITIES
V.V. Seredin, A.V. Andrianov, P.A. Krasilnikov
2D design technology is applied everywhere, but it does not fully respond to today's needs, especially in technically complex objects. Therefore 2D technologies are gradually being replaced by 3D design technologies in mining and industrial production, gas and oil industries. The greatest success in 3D design was achieved by Gazprom Neft PJSC, which was the first in Russian oil and gas industry to submit a digital oil field development project to the Main Department of State Expertise for examination. Digital technologies are widely used in design, construction, reconstruction and overhaul of oil and gas field facilities by Zarubezh-neft JSC, Volgogradnefteproekt LLC, Nedra LLC, Perm. The use of three-dimensional modelling significantly improves the quality of the project. Along with 3D design, information modelling (IM) technologies are being developed and used to manage the technological processes of an object (BIM technologies). However, digital design technologies have not been widely adopted in Russia. This is primarily due to the fact that the Customer does not believe in the effectiveness of digital technologies, since the effect of their implementation is delayed. Therefore, the aim of this work is to evaluate the efficiency of 3D design by looking at the example of an oil complex object at both design and construction stages. The research results show that even at a small oil loading facility 3D design technology made it possible to reduce total construction costs by more than 10 %, metal consumption by 12 % (which is significant for the northern regions of Russia) and construction time by 25 %.
Key words: 2D-technology; 3D-design technology; geological model; information model; oil companies; BIM model.
Seredin Valery Viktorovich, doctor of geological sciences, professor, head of chair, seredin@nedra.perm.ru , Perm, Russia, Perm State National Research University,
Andrianov Andrey Vladimirovich, executive director, nedra@nedra.perm.ru , Russia, Perm, LLCNIPPPD "NEDRA",
Krasilnikov Pavel Anatolyevich, doctor of geological sciences, professor, geolnau-ka@gmail.com, Perm, Russia, Perm State National Research University
Reference
1. Andrianov V. GIS in oil companies of Russia // ARCREVIEW, 2002. No. 4(23).
pp. 1-2.
2. Practical implementation of the integrated design concept for the offshore asset of Zarubezhneft JSC / I.S. Afanasyev, G.D. Fedorchenko, A.A. Kozhemyakin, V.A. Smyslov // Oil Economy, 2016. No. 8. pp. 94-97.
3. Boldyrev G.G. On the use of information systems in the survey and design of foundations of buildings and structures // Geoinfo. 2020. № 2. URL: https://www.geoinfo.ru/product/ boldyrev-gennadij -grigorevich/k-voprosu-ispolzovaniya-
informacionnyh-sistem-pri-izyskaniyah-i-proektirovanii-osnovanij-fundamentov-zdanij-i-sooruzhenij- 42530.shtml.
4. Information systems in geotechnics - 3D geotechnics / G.G. Boldyrev [et al.] // Geotechnics. 2019. Volume XI. No. 2. pp. 6-27, https://doi.org/10.25296/2221-5514-2019-11-2-6-27 .
5. BIM geotechnics and prospects for its development in the Russian Federation / G.G. Boldyrev, I.H. Idrisov, A.V. Redin, A.A. Diveev // Geotechnics, 2020. Volume XII. No. 4. pp. 6-22.
https://doi.org/10.25296/2221-5514-2020-12-4-6-22 6. Digitalization and intellectu-alization of oil and gas fields / A.N. Dmitrievsky, V.G. Martynov, L.A. Abukova, N.A. Ere-min // Automation and IT in the oil and gas field, 2016. No. 2(24). pp. 13-19.
7. Drozdova S.B. Digital engineering-geological cartographic models for planning underground gas storage facilities: on the example of the Shchelkovsky underground gas storage facility: abstract of the dissertation of the Candidate of Geological Sciences. E.M. Ser-geev Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences, Moscow. 2010.
8. Krasilnikov P.A. Three-dimensional visualization of mine shaft penetration and operation data by means of ArcGIS as an element of the information and analytical system "construction - geological environment" // Scientific visualization, 2020. Volume 12. No. 2. pp. 84-97.
9. Lukichev S.V., Nagovitsyn O.V. Digital modeling in solving problems of open and underground mining technology. Mining Journal, 2019. No. 6. pp. 51-55.
10. 2018. Digital technologies of mining engineering - the first step towards creating a "smart" mining production // S.V. Lukichev, O.V. Nagovitsyn, E.A. Ilyin, R.S. Rudin // Mining Journal, 2010. No. 7. pp. 86-90.
11. Moskovskaya O.P. Geological model can allow making calculations "at the push of a button" // Geoinfo, 2020. No. 1. URL: https://www.geoinfo.ru/product/moskovskaya-olga-petrovna/olga-moskovskaya-geologicheskaya-model-mozhet-pozvolit-delat-raschety-nazhatiem-odnoj-knopki-42070.shtml.
12. The method of BIM-design of a ground-underground facility: pat. No. RU 2699257 C1 dated 04.09.2019.
13. Khronusov V.V., Barsky M.G., Krasilnikov P.A. A software product for maintaining a database of engineering and geological information of urbanized territories // Geology and minerals of the Western Urals, 2018. No. 1 (38). pp. 261-266.
14. 3D-model as a product of project activity - the reality of tomorrow, available to customers of "NEOLANT Project" today. URL: http://www.neolant.ru/it-services/Proektirovanie.php#Sozdanie_ 3d_mod_ v_tek
15. Gazprom Neft was the first in the oil and gas industry to present a 3D field development project to Glavgosexpertize, 2021. URL:https://neftegaz.ru/news/tsifrovizatsiya /621198-gazprom-neft-pervoy-v-neftegazovoy-otrasli-predstavila-glavgosekspertize-3d-proekt-obustroystva-mest/.
16. Digital modeling of oil and gas industry facilities. URL: https://ardexpert.ru/article/18892.
