基于BIM技術(shù)的FPSO塔設(shè)備安裝應(yīng)用實(shí)踐

于真真，陳澤峰，李海壽，何煦(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

在工程行業(yè)中，建筑信息模型技術(shù)(Building Information Modeling)具有工程全周期性介入、4D可視虛擬施工等特點(diǎn)，可對(duì)工程進(jìn)度科學(xué)管控，幫助項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理、提升績(jī)效、合理調(diào)配資源、降低浪費(fèi)，能有效地通過(guò)信息化管理項(xiàng)目中的材料、進(jìn)度、安全等數(shù)據(jù)，節(jié)省項(xiàng)目成本[1]。中國(guó)海洋工程中，工程中的設(shè)計(jì)、建造、安裝板塊配備了專業(yè)的設(shè)計(jì)和管理軟件，所有信息包括結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線、電器等設(shè)施都能在三維模型中物理建模全部完成，三維設(shè)計(jì)水平能力較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得，三維信息能真實(shí)模擬建造成果。海洋工程三維模型向著工程設(shè)計(jì)、工程仿真、虛擬安裝作業(yè)、虛擬培訓(xùn)方向發(fā)展[2-3]。文章基于BIM技術(shù)，在海洋工程建造中，將4D技術(shù)應(yīng)用于FPSO上部模塊的大型塔器安裝，實(shí)現(xiàn)塔安裝的虛擬作業(yè)。

1 項(xiàng)目介紹

南海某FPSO上部模塊的輕烴回收系統(tǒng)分為脫乙烷塔、脫丁烷塔和工藝處理模塊三大部分，坐落于FPSO的右舷側(cè)BS模塊，如圖1所示。兩臺(tái)塔核心工藝設(shè)備：內(nèi)徑都為1.4 m；脫乙烷塔高33 m，重60 t；脫丁烷塔高33.7 m，重68 t。脫乙烷塔設(shè)置操作平臺(tái)10個(gè)，脫丁烷塔設(shè)置操作平臺(tái)11個(gè)。兩塔各自操作平臺(tái)等附件重量重21 t。兩塔中心平臺(tái)布置，北側(cè)和東側(cè)為管廊，西側(cè)為工藝設(shè)備，南側(cè)為輕烴回收處理模塊。塔中心與北側(cè)管廊間距3.3 m，與南側(cè)工藝模塊結(jié)構(gòu)梁間距1.1 m。垂直空間上，塔平臺(tái)邊緣處與北側(cè)管廊部分管線的投影面干涉，與南側(cè)工藝處理模塊投影面完全貼合，只有垂直高度上間距200 mm。

圖1 輕烴回收系統(tǒng)

2 塔設(shè)備施工難點(diǎn)及解決方案

2.1 施工難點(diǎn)

塔設(shè)備到貨時(shí)間晚，輕烴回收系統(tǒng)周?chē)O(shè)施已按項(xiàng)目進(jìn)度安裝定位，只有南面一側(cè)供塔和輕烴回收工藝處理模塊未安裝定位?，F(xiàn)場(chǎng)施工難點(diǎn)：

(1) FPSO模塊上層大部分設(shè)備已經(jīng)吊裝定位，塔高度基本到達(dá)船塢吊機(jī)的極限，需要合理優(yōu)化吊運(yùn)空間及路徑；

(2)塔與輕烴回收工藝處理模塊存在高空剛性連接，且塔周?chē)臻g狹小，需優(yōu)化脫乙烷塔、脫丁烷塔和工藝處理模塊安裝順序；

(3)塔平臺(tái)等附件多，要防止與模塊現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、管線、電器等設(shè)施碰撞；

(4)塔施工工期緊張，高空安裝作業(yè)時(shí)下方不能有任何作業(yè)，需合理安排作業(yè)順序及人力投入。

2.2 解決方案

針對(duì)塔安裝的施工難點(diǎn)，結(jié)合BIM技術(shù)的4D安裝可視化模擬、物理干涉檢查功能，提出以下方案：

(1)在前期FPSO的整體設(shè)計(jì)三維成果模型中，通過(guò)檢查測(cè)量FPSO模塊上部各個(gè)高點(diǎn)位置、安裝通道寬度，尋找出塔吊裝路徑上無(wú)干涉碰撞通道。

(2)利用BIM技術(shù)中的4D安裝模擬功能，模擬脫乙烷塔、脫丁烷塔、工藝模塊和高空剛性連接桁架的不同安裝順序方案可行性，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

(3)在Navisworks軟件中模擬塔帶平臺(tái)等附件的吊裝范圍，對(duì)于吊裝過(guò)程有干涉的平臺(tái)附件在塔定位后再進(jìn)行完善安裝。

(4)利用BIM技術(shù)在Navisworks中模擬桁架及平臺(tái)等需要現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程順序，優(yōu)化人力投入，縮短施工周期。

3 BIM技術(shù)在塔安裝應(yīng)用實(shí)施流程

3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施檢查

FPSO項(xiàng)目工期緊張，模擬施工前對(duì)塔器附近已安裝設(shè)施進(jìn)行標(biāo)記。海洋工程模塊制造安裝經(jīng)驗(yàn)表明，設(shè)施在安裝定位前能完善的工作均比定位后完成更節(jié)省資源、成本?，F(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)散料堆進(jìn)行清理倒運(yùn)，著重考察梳理設(shè)計(jì)三維成果模型中的交界面干涉設(shè)施。安裝定位時(shí)再臨時(shí)切割清理干涉碰撞需要花費(fèi)更多的現(xiàn)場(chǎng)資源和人力?，F(xiàn)場(chǎng)檢查包括安裝通道上的障礙物檢查和塔定位環(huán)境設(shè)施檢查。對(duì)于干涉應(yīng)進(jìn)行優(yōu)先分級(jí)區(qū)分，對(duì)于重要設(shè)備應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，吊裝通道應(yīng)避開(kāi)此類(lèi)設(shè)備。

3.2 仿真安裝

輕烴回收系統(tǒng)的塔和工藝模塊施工模擬，在NavisWork軟件中利用動(dòng)畫(huà)Animator模塊完成，是在設(shè)計(jì)三維成果文件上加上時(shí)間，研究項(xiàng)目的可實(shí)施性、項(xiàng)目順序的合理性。

因海洋工程設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)能力高，已經(jīng)完成整條船F(xiàn)PSO物理模型設(shè)計(jì)，直接在Navisworks中打開(kāi)NWD格式船模型。NWD格式為設(shè)計(jì)院發(fā)布成果的常用格式，含有所有模型數(shù)據(jù)，包括審閱數(shù)據(jù)、視點(diǎn)數(shù)據(jù)，通常文件容量很大。為減少每次更新、保存后臺(tái)運(yùn)行的時(shí)間，4D模擬時(shí)可另存為NWF格式文件, NWF文件會(huì)保存一些特定的Navisworks數(shù)據(jù)，不包含任何模型數(shù)據(jù)，所以文件很小，但一定要確保Navisworks能打開(kāi)NWF所指向的NWD文件，才能打開(kāi)項(xiàng)目的完整模型。

脫丁烷塔、脫乙烷塔受工藝處理模塊伸出結(jié)構(gòu)、船中管廊已吊裝定位實(shí)際情況影響，塔器吊裝空間受限。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施檢查結(jié)果，在模型的選擇樹(shù)選取脫乙烷塔、脫丁烷塔、工藝處理模塊對(duì)應(yīng)設(shè)備及附件，定義安裝過(guò)程對(duì)應(yīng)選取集，建立吊裝設(shè)備模型。在Animator模塊下添加對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，如圖2所示，可添加的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景有平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、更改顏色、更改透明度，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備施工動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景主要用到移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)功能。時(shí)間軸上時(shí)間只具有相對(duì)意義，非真正真實(shí)時(shí)間，關(guān)鍵幀可以手動(dòng)拖拽時(shí)間。通過(guò)編輯修改關(guān)鍵幀的參數(shù)來(lái)調(diào)整設(shè)備安裝的路徑動(dòng)作。各個(gè)方案在Navisworks演示并進(jìn)行比選，經(jīng)在Navisworks中模擬塔器吊裝路徑位置，評(píng)估較優(yōu)順序?yàn)椋?/p>

(1)安裝工藝處理模塊

(2)吊裝脫丁烷塔

(3)高空安裝X型扶塔桁架結(jié)構(gòu)

(4)吊裝脫乙烷塔

通過(guò)比選方案，避開(kāi)FPSO現(xiàn)場(chǎng)的高空障礙物，路徑方案結(jié)果如圖3所示，確定最終較優(yōu)方案。

圖2 動(dòng)畫(huà)模塊制作施工模擬圖

圖3 塔吊裝優(yōu)化路徑

塔屬于高/直徑(H/D)值較大的細(xì)長(zhǎng)類(lèi)設(shè)備，吊裝過(guò)程中自身會(huì)發(fā)生一定水平旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致設(shè)備及附件在吊裝路徑上的掃略面擴(kuò)大。因此吊裝路徑上宜預(yù)設(shè)定一個(gè)中間平臺(tái)暫時(shí)懸停位置，及時(shí)修正塔設(shè)備的水平姿態(tài)和大幅度擺動(dòng)，防止設(shè)備與平臺(tái)設(shè)施碰撞。在吊裝前，與現(xiàn)場(chǎng)施工人員做好詳細(xì)方案的三維可視化技術(shù)交底，做好預(yù)先應(yīng)急預(yù)案，降低吊裝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。以全船最高點(diǎn)、平臺(tái)最多、重量最大的脫丁烷塔吊裝為例，方案如下：

(1)脫丁烷塔提升至預(yù)定高度，途經(jīng)LPG儲(chǔ)罐上方吊至管廊區(qū)域上方，在管廊的格柵平臺(tái)上方進(jìn)行塔姿態(tài)方位調(diào)整。

(2)脫丁烷塔向船尾移動(dòng)，吊至兩塔中間北側(cè)區(qū)域 (-1.842,3.920，11.800)，避開(kāi)兩塔中間外伸管和工藝處理模塊的外伸懸臂平臺(tái)。

(3)脫丁烷塔向右舷的工藝處理模塊移動(dòng)，吊至(-1.842,0.600，10.800)，此為兩塔中間的外接管道區(qū)，管道及支架在塔定位后再安裝，腳手架等臨時(shí)設(shè)施應(yīng)全部拆除，為塔靠近工藝模塊預(yù)留空間。

(4)脫丁烷塔下落至EL32,000上方，吊至(0.000, 0.600，0.800)，在此位置空間開(kāi)闊，利于進(jìn)行塔身姿態(tài)方位調(diào)整。

(5)脫丁烷塔向右舷工藝處理模塊緩慢移動(dòng)，吊至塔定位點(diǎn)上方(0.000, 0.000，0.800)。

(6)脫丁烷塔緩慢下落至塔定位點(diǎn)。

3.3 水平安裝范圍及路徑碰撞檢查

海洋工程設(shè)備采用橇塊化施工，在地面水平狀下盡可能的將塔設(shè)備附件與塔一起安裝，整體吊裝。塔設(shè)備水平成橇范圍確定由兩方面因素確定：塔吊裝自身與吊裝工具鋼絲繩的掃略干涉，包括塔翻身時(shí)尾吊繩干涉和軸耳鋼絲繩干涉；塔及附件與平臺(tái)設(shè)施的干涉。

在PDMS模型中，精確建立脫乙烷塔和脫丁烷塔軸耳、尾吊、鋼絲繩吊裝掃略面。由于塔吊裝時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，吊裝鋼絲繩路徑為錐臺(tái)形狀。檢查錐臺(tái)體、尾吊掃略面與塔附件的干涉，軸耳以上的平臺(tái)附件、塔下部的三層平臺(tái)存在干涉。在模型中去除干涉平臺(tái)，水平預(yù)安裝只安裝中間的平臺(tái)部分。由于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中軸耳擋板高度較小，船塢吊車(chē)所用鋼絲繩較粗，為防止鋼絲繩滑脫出軸耳，在軸耳外緣增加焊接環(huán)形輪廓。增加的軸耳輪廓范圍角度根據(jù)塔翻身確定塔附件。干涉檢查主要重點(diǎn)為塔平臺(tái)結(jié)構(gòu)、扶塔結(jié)構(gòu)、組塊結(jié)構(gòu)、管道、燈具間的吊裝碰撞。在Navisworks中，可調(diào)整施工開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、回放、調(diào)整動(dòng)畫(huà)視點(diǎn)等對(duì)存在干涉處進(jìn)行檢查。

根據(jù)仿真結(jié)果，脫丁烷塔水平安裝范圍為塔體、EL.45800～EL.57300五個(gè)平臺(tái)和攀登爬梯；脫乙烷塔水平安裝范圍為EL.43000～EL.57300五個(gè)平臺(tái)和攀登爬梯；工藝處理模塊頂部的扶塔結(jié)構(gòu)、北側(cè)的外接管廊不預(yù)安裝；X型扶塔桁架結(jié)構(gòu)與塔身鞍座有螺栓配合連接，其起配合作用的滑動(dòng)鞍座塊不預(yù)安裝，塔定位測(cè)定后再進(jìn)行連接。塔現(xiàn)場(chǎng)安裝附件提前倒運(yùn)至組塊塔定位點(diǎn)無(wú)干涉處。通過(guò)4D模擬確定各階段施工工作，合理安排了施工順序，節(jié)省了項(xiàng)目工期，優(yōu)化資源配置。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著海洋工程信息化管理的發(fā)展，往往對(duì)具有制造過(guò)程有典型特種的大型結(jié)構(gòu)物安裝、裝船作業(yè)采用計(jì)算機(jī)仿真虛擬，本文將BIM技術(shù)應(yīng)用到具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)附件的設(shè)備安裝，評(píng)估并優(yōu)化最終安裝作業(yè)方案，降低了安裝風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)工期。通過(guò)BIM技術(shù)應(yīng)用，提高復(fù)雜海洋工程設(shè)備的制造安裝效率、提升質(zhì)量、降低項(xiàng)目成本，為海洋工程未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。