Проектирование уникальных промышленно-гражданских сооружений

с использованием технологий информационного моделирования: опыт АО «Мособлгидропроект»

Опыт специалистов со стажем и творческая активность молодежи позволяют институту решать сложные инженерно-технические задачи:

• проектирование новых, реконструкция и модернизация действующих гидроэлектростанций;
• проектирование новых, реконструкция и модернизация действующих систем технического водоснабжения атомных электростанций;
• проектирование систем водообеспечения и территориального перераспределения стока, в состав которых входят каналы и уникальные насосные станции, подпорные гидроузлы и судоходные сооружения;
• проектирование объектов инфраструктуры (жилые поселки, школы, больницы, дворцы культуры, многоэтажные жилые комплексы, спортивно-оздоровительные сооружения).

В современных условиях АО «Мособлгидропроект» не может ограничиваться разработкой проектов в рамках традиционных, хотя и надежно освоенных технологий. Поэтому при поддержке ПАО «РусГидро» институт активно разрабатывает и внедряет инновационные технические решения.

Выбор пилотного проекта и определение необходимого ПО, организация процесса моделирования

Одной из множества задач, решаемых сегодня институтом АО «Мособлгидропроект», является проект масштабной модернизации гидротехнического сооружения II класса повышенного уровня ответственности — головной и старейшей гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС) России из состава каскада кубанских ГЭС. Это уникальное сооружение работает в режиме сезонного регулирования: с использованием турбинного режима в летний паводковый период станция наполняет Кубанское водохранилище водой, поступающей из Большого Ставропольского канала, и вырабатывает при этом электроэнергию (то есть работает как обычная гидроэлектростанция), а в зимний межсезонный период, когда используется насосный режим, подает воду из водохранилища в канал и тем самым обеспечивает работу остальных девяти гидроэлектростанций каскада.

Кубанская ГАЭС введена в эксплуатацию более полувека назад, в 1968 году, и обладает мощностью 15,9 МВт в турбинном и 15 МВт в насосном режиме. Но за время эксплуатации оборудование станции сильно износилось. Кроме того, насос-турбины станции, созданные на основе серийных насосов, имеют низкий КПД и ограничения по режимам работы. Специалисты института работают над проектом нового здания ГАЭС (рис. 1), в котором разместятся шесть современных обратимых насос-турбинных гидроагрегатов. Расположенное на берегу водохранилища здание будет соединено с существующим водоприемником при помощи двух новых турбинных водоводов. Также планируется замена всего комплекса гидромеханического (затворы, сороудерживающие решетки) и кранового оборудования, реконструкция гидротехнических сооружений: водоприемника, холостого водосброса, шлюза-регулятора, подводящего канала, плотины Кубанского водохранилища. Эти работы позволят увеличить мощность Кубанской ГАЭС в турбинном режиме до 18,9 МВт (на 19%), а в насосном — до 19,44 МВт (на 30%). Одновременно среднегодовая выработка электроэнергии возрастет до 18,6 млн кВт/ч или более чем на 50%.

Рис. 1. Проект реконструкции ключевой станции каскада кубанских ГАЭС

В мае 2021 года АО «Мособлгидропроект» получило от ФАУ «Главгосэкспертиза России» положительное заключение по проекту реконструкции ГАЭС, что является необходимым условием для получения разрешения на строительство и начало строительно-монтажных работ на объекте. А в сентябре 2021 года началось формирование рабочей документации. При этом для проверки и согласования проектных решений, а также для достижения максимально качественного результата создается полная конструктивная информационная модель станции с практической отработкой технологии информационного моделирования. Надо отметить, что специалисты института ранее не использовали ТИМ. В рамках проекта реконструкции, получившего статус пилотного, отрабатываются принципы взаимодействия сотрудников и подразделений, настройки программного обеспечения, анализируются потенциальные возможности технологии.

Основным инструментом моделирования выбран программный комплекс nanoCAD BIM Конструкции. К работе подключились специалисты компании «Нанософт разработка»: пилотный проект — хорошая возможность проверить продукт не только в части проектирования привычных объектов ПГС, но и в работе над уникальными сооружениями, а также использовать полученный опыт для последующего усовершенствования программного решения.

На начальном этапе для работы над проектом была сформирована группа, в которую вошли три конструктора. Специалисты ООО «Нанософт разработка» провели для них краткий курс обучения работе с продуктом. Благодаря тому, что основу его рабочей среды составляет привычный формат *.dwg, многие вещи оказались интуитивно понятными и сотрудники института смогли практически сразу приступить к созданию модели.

Так как ГАЭС — объект, весьма масштабный как по своим размерам, так и по связанной с ним информационной составляющей, на выделенном сервере была организована база данных сводной информационной модели в программном продукте CADLib Модель и Архив.

Работа над информационной моделью, возникшие вопросы и их решение

Одна из особенностей этого проекта заключается в том, что сооружение не обладает классической сеткой осей: весь проект выстроен относительно гидротехнических агрегатов (спиральных камер) — высокоточных, насыщенных машиностроительных объектов, которые являются «сердцем» ГАЭС и определяют все остальные конструктивные особенности станции (рис. 2). Именно трехмерная модель позволила получить комплексное представление о строении сооружения, а инструменты генерации двумерных сечений предоставили возможность формировать качественные заготовки для рабочей документации. Кроме того, с использованием трехмерной модели была проработана стадийность работ по заливке бетона и определены этапы согласованного возведения объекта.

Рис. 2. Трехмерная модель спиральных камер на генплане проекта позволяет получить комплексное представление о строении сооружения

В свою очередь стадийность возведения объекта напрямую и существенно повлияла на рабочую документацию: основная — подземная — часть объекта формируется в котловане и, по мере демонтажа распирающих конструкций внутри котлована, отлитые бетонные конструкции начинают воспринимать нагрузки от грунта, который наваливается на сооружение (рис. 3). Поэтому важно не только заложить корректную толщину внешних ограждающих конструкций, способную выдержать давление грунта, но и учесть меняющиеся по мере строительства нагрузки на возведенные бетонные секции, оптимально подбирая диаметры армирующих стержней.

Рис. 3. Информационная модель подземной части ГАЭС с моделированием стадийности бетонирования

Информационная модель показала необходимость объединения прочностных расчетов, моделирования и рабочего документирования для получения оптимального результата с точки зрения соотношения «цена/качество» (рис. 4).

Рис. 4. Наглядная демонстрация необходимости объединения прочностных расчетов, информационной модели и рабочей документации по сложным объектам

Благодаря наглядности трехмерного моделирования у проектировщиков появилась возможность анализировать расположение закладных конструкций по всей вертикали сооружения (рис. 5). Так, в бетонных секциях были заложены вентиляционные короба, которые не только согласовывались с горизонтальными уровнями внутри сооружения, но и позволили выйти на точное положение насосов, расположенных над землей, не создавая сюрпризов для архитекторов и специалистов, отвечающих за монтаж инженерного оборудования.

Рис. 5. Согласование закладных конструкций под вентиляционное оборудование в рамках информационной модели

Точное информационное моделирование позволяет выполнять анализ и подсчет объемов материалов. Без сомнения, в рамках информационной модели гидроэлектростанции этот функционал использовался для подсчета необходимого количества арматуры и бетона. Но кроме того, благодаря инструментарию nanoCAD BIM Конструкции, появилась возможность завести в библиотеку, смоделировать и подсчитать объем гидроизолирующих шпонок (рис. 6) — трехмерная модель позволила учесть особенности монтажа, убедиться в комплексности и оптимальности проекта гидроизоляции. В ходе этих работ специалисты компании «Нанософт разработка» познакомились с производителем российских гидроизоляционных шпонок в г. Чехове, договорились о сотрудничестве при наполнении базовых библиотек качественными элементами, обсудили вопросы автоматизации проектирования гидроизоляционных шпонок в программных решениях для информационного моделирования.

Рис. 6. Моделирование гидроизоляционных шпонок АКВАСТОП

Теперь поговорим о характерных ситуациях, с которыми проектировщики столкнулись при работе над пилотным проектом:

1. На одном из начальных этапов проектирования при очередном осмотре сводной модели сооружения обнаружилось некорректное сочленение геометрии аванкамеры и расчетной модели (а значит и ярусов бетонирования) — в будущем эта проектная неточность создала бы проблемы из-за нарушения характеристик потока воды. Ошибка, не очень заметная при «классическом» процессе проектирования, стала очевидной при визуализации. Уточнив компоновочные решения, проектировщики устранили проблему и продолжили работу над проектом.

2. Сформировав модель в достаточном объеме и запустив поиск коллизий, специалисты увидели, что часть элементов раскрепления распорной конструкции котлована попадает в узлы фундаментной плиты. Такая ошибка, будь она обнаружена при производстве работ, потребовала бы штробления уже изготовленных конструкций. Как следствие, нарушалась бы монолитность, возникала бы необходимость в перерасчетах и изменении армирования, неизбежно возрастали бы сметная стоимость и сроки строительства.

   С использованием ТИМ было определено новое положение поддерживающих конструкций. Кроме того, был разработан и смоделирован порядок их демонтажа.

3. Следующая ситуация связана с приостановкой работы зарубежных поставщиков гидротехнического оборудования на территории России. Так как повлиять на сроки поставки оборудования не представлялось возможным, а остановка процесса строительства повлекла бы за собой очень большие затраты (подготовленный котлован не может долго стоять открытым), требовались быстрые и нестандартные действия.

   В сложившейся ситуации было принято решение изменить технологию возведения ГАЭС и создать «пустую» коробку внутри котлована (несущие внешние стены с пустой «внутренностью») и в дальнейшем поэтапно выполнять внутренние работы.

   Наглядность 3D-модели сооружения позволила оперативно актуализировать проектные решения, произвести перерасчет вновь смоделированных конструкций. Была заменена арматура, в автоматизированном режиме пересчитаны все спецификации и т.д. Информация с учетом внесенных изменений поступила заказчику в достаточно короткие сроки.

   Таким образом, строители смогли выполнять работы по подготовке котлована и бетонированию нижних ярусов станции, а службы, занятые закупкой оборудования, получили дополнительное время для решения вопроса о поставках. Разработка и реализация проекта продолжились без серьезных задержек.

4. Не самым очевидным, но важным аспектом использования ТИМ в процессе проектирования стала возможность обучения молодых сотрудников сложным технологиям создания и монтажа гидротехнических сооружений.

   Как показывает практика, молодой специалист может получить полное представление о монтаже напорных водоводов (одной из важнейших частей ГАЭС) только на производстве, непосредственно присутствуя при сборке водовода. Но в ходе выполнения пилотного проекта напорные водоводы были полностью смоделированы в nanoCAD BIM Конструкции — благодаря наличию встроенного 3D-модуля для выполнения разверток металлических пластин и формирования спецификаций. А полученные модели использовались для обучения молодых сотрудников и передачи опыта проектирования специфических и сложных узлов.

Промежуточные итоги работы и выводы о применении информационной модели для моделирования уникальных сооружений

Работа над пилотным проектом продолжается, причем группа задействованных в нем сотрудников увеличена до 20 человек. Используется обширный комплекс программных средств: расчетные ANSYS и SCAD, моделирующие nanoCAD BIM Конструкции, nanoCAD BIM Электро, модуль «Топоплан» Платформы nanoCAD и документирующие решения. Сводная модель и ее анализ выполняются в программном комплексе CADLib Модель и Архив. Актуальный вид модели представлен на рис. 7 и 8.

Рис. 7. Сводная модель гидроаккумулирующей электростанции

Рис. 8. Частичный разрез сводной модели гидроаккумулирующей электростанции

Очередной задачей, которую сейчас решают проектировщики АО «Мособлгидропроект», стало моделирование двух водоводов, выполняемое с помощью инструментов листового моделирования (используется модуль «Механика» Платформы nanoCAD) с последующим раскроем для монтажа механического оборудования на объекте. Это эксперимент, который проводится на базе российских программных разработок при взаимодействии машиностроительных решений со средствами информационного моделирования (рис. 9).

Рис. 9. Моделирование водоводов с помощью модуля «Механика» Платформы nanoCAD

В рамках проекта предстоит выполнить немалый объем работы, но уже сейчас можно подвести некоторые итоги и сформулировать преимущества, полученные благодаря применению информационного моделирования:

1. более точный и наглядный контроль компоновочных решений по сравнению с использованием 2D-технологий;
2. детальная проработка этапности возведения, что позволяет сформировать выверенные графики поставки стройматериалов на площадку, которая находится в достаточно удаленном месте;
3. быстрые актуализация и согласование проектных решений, внесение изменений в спецификации в условиях непредвиденных ситуаций;
4. точный подсчет объемов работ для подрядчиков. Информационная модель позволяет заблаговременно начать производство оборудования и распределить монтаж узлов по отложенным периодам;
5. наглядность при передаче опыта и обучении сотрудников сложным технологиям и процессам.