BIM – pomoc dla energetyki przyszłości

Rozwój cywilizacyjny i związany z nim nieunikniony wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną wymuszają konieczność poszukiwania kolejnych jej źródeł. Ze względu na ograniczone zasoby paliw kopalnych porzucenie ich jest wręcz pewne, a jako alternatywę promuje się odnawialne źródła energii elektrycznej. Szacuje się, że przejście to nastąpi w okresie 40-50 lat, przez które trzeba będzie stosować technologie ułatwiające osiągnięcie zamierzonego celu – krajobrazu energetycznego jutra.

Z obawy przed energetyką jądrową wiele państw decyduje się na budowę nowoczesnych i czystszych ekologicznie elektrowni gazowych, węglowych lub na biomasę. Przykładami takich obiektów
zlokalizowanych w Niemczech są węglowa elektrownia w Lünen oraz elektrociepłownia w berlińskiej dzielnicy Lichterfelde.

Elektrownia Lünen
Kompleks elektrowni węglowej Lünen zaprojektowano na moc znamionową 750 MW. Ich potencjał umożliwia zaspokojenie potrzeb energetycznych ok. 1,6 mln gospodarstw domowych. W pracach realizacyjnych wykorzystano najnowocześniejsze rozwiązania techniczne i technologiczne, dzięki czemu uzyskano wyjątkową skuteczność energetyczną elektrowni wynoszącą aż 45%, spełniając przy tym rygorystyczne wymogi emisji CO2. Zasadniczymi obiektami stanowiącymi kompleks elektrowni Lünen są: budynek kotła głównego (wys. 110 m), powłokowa chłodnia kominowa (wys. 160 m), silos na popiół lotny (wys. 170 m), silos na węgiel kamienny (wys. 70 m) oraz przemysłowy budynek turbin (wys. 36 m).

Prace projektowe
Fazę budowy kompleksu przewidziano na lata 2008-2012, a wartość inwestycji oszacowano na 1,4 mld euro. Z uwagi na obszerność tematu projekt wykonawczy rozdzielono na szereg jednostek specjalizujących się w budownictwie przemysłowym. Jedną z nich było wrocławskie Biuro Inżynierskie JAKOSTA. Swoją działalność rozpoczęło ono w 2002 roku i specjalizuje się w projektach
dla przemysłu energetycznego. Wykonuje dokumentację techniczną dla różnego rodzaju konstrukcji: bloków energetycznych, mostów technologicznych pod rurociągi, hal przemysłowych, taśmociągów i innych. Zakres prac projektowych biura JAKOSTA przy elektrowni Lünen objął 4,8 tys. t konstrukcji stalowej, w tym 2,5 tys. t przy budynku kotła, 1,8 tys. t konstrukcji głównej budynku turbin oraz szereg pomniejszych obiektów (rys. 1). Prace projektowe związane ze stalową konstrukcją budynku kotła głównego realizowano w latach 2008-2011.

BIM w praktyce
W aspekcie nieuniknionych bieżących aktualizacji na etapie projektowania oraz dążenia do zminimalizowania kosztownych błędów projektowych podjęto decyzję, że w pracach wykorzystane zostaną systemy przestrzennego modelowania konstrukcyjnego. Wymusiło to konieczność stosowania najnowocześniejszych technologii informatycznych dostępnych na rynku, jak m.in. system Tekla Structures. Jest to samodzielne oprogramowanie do modelowania informacji o budowli (ang. BIM – Building Information Modeling), o najwyższym poziomie kontroli projektowania i produkcji. Zostało ono wykorzystane do zaprojektowania konstrukcji okalającej oraz pomostów roboczych budynku kotła głównego. Do zoptymalizowania realizacji projektu wykorzystywano dostępny w Tekla tryb „wielu użytkowników”, który pozwalał na modelowanie konstrukcji, wydawanie warsztatowych rysunków elementów wysyłkowych oraz rysunków montażowych kilku osobom jednocześnie (etap I: 4 osoby – 3 konstruktorów i 1 statyk; etapy kolejne: 8 osób – 6 konstruktorów i 2 statyków). Dawało to gwarancję wymaganej precyzji modelowania oraz pozwalało na przyspieszenie opracowania modelu i dokumentacji wykonawczej. Inne narzędzie – Tekla Model Sharing – pozwala z kolei na współpracę dzięki rozwiązaniom „w chmurze”, bez względu na lokalizację czy strefę czasową, w której znajdują się członkowie zespołu.
Przemysłowe obiekty budownictwa energetycznego cechują się wysokim stopniem skomplikowania, związanym z dużymi rozpiętościami, znacznymi i wielokierunkowymi obciążeniami statycznymi i dynamicznymi, interakcyjnym wytężeniem elementów prętowych ustroju oraz koniecznością stosowania indywidualnych rozwiązań konstrukcyjnych. W takich przypadkach nieocenione jest wsparcie projektowe systemu Tekla Structures, pozwalające uzyskać wyjątkową jakość strukturalną. Dynamiczne środowisko pracy 3D w znaczący sposób ułatwia dobór optymalnego pod względem technologicznym i montażowym, rozwiązania konstrukcyjnego. Praca w przestrzeni, która ukazuje budowlę tak, jak będzie ona wyglądała w rzeczywistości (rys.2), zmniejsza również ryzyko popełnienia błędów projektowych. Dotyczy to nie tylko błędów mniej istotnych – typowo kolizyjnych, ale również tych znaczących – zagrażających bezpieczeństwu konstrukcji i ludzi. Wgląd w wirtualny model konstrukcji prętowej systemu Tekla Structures umożliwia bowiem inżynierowi łatwiejszą identyfikację przepływu sił w elementach ustroju i jego rzeczywistej pracy statycznej.

Współpraca pomiędzy branżami
Realizacja tak dużego projektu wymagała skoordynowania działań kluczowych branż, tj. energetycznej, konstrukcyjnej, elektrycznej, wentylacyjnej i ciepłowniczej. W osiągnięciu jak najlepszej koordynacji między poszczególnymi podwykonawcami projektu pomogła praca na tzw. modelach referencyjnych (np. eksport do SDNF i IFC). Pełniący funkcję głównego koordynatora wykonawca konstrukcji stalowej na bieżąco nanosił zmiany w systemie Tekla, przesyłając jednocześnie aktualne modele referencyjne członkom zespołu projektowego. Zapewniono w ten sposób wyjątkowo wysoką jakość zgodności konstrukcyjno-montażowej, wręcz niemożliwą do uzyskania w projektowaniu klasycznym.

Elektrociepłownia w Lichterfelde
W 2009 roku senat Berlina oraz firma Vattenfall podpisały porozumienie dotyczące redukcji o połowę emisji CO2 w mieście do 2020 roku (w odniesieniu do roku 1990). Najważniejszym krokiem w kierunku realizacji tego celu jest zastąpienie działającej od 1972 r. elektrowni. Nowa elektrownia, z innowacyjnym blokiem parowo-gazowym z odzyskiem ciepła, zapewni mieszkańcom południowo-
-zachodniej części Berlina prąd oraz ogrzewanie. Zastosowanie takiej technologii pozwoli zwiększyć efektywność paliwową do 85% i zmniejszyć emisję CO2 o 100 tys. ton rocznie. Całkowita pojemność elektryczna wyniesie 300 MW, a pojemność cieplną – prawie 230 MW.
Generalnym wykonawcą inwestycji jest jedna z największych firm sektora energetycznego – IBERDROLA ENGINEERING. Od kwietnia 2014 r. w pracach uczestniczy także biuro projektowe
JAKOSTA, spełniając warunek kontraktu, którym było wykonanie zlecenia z wykorzystaniem oprogramowania Tekla Structures. W zakresie obowiązków biura jest kompletny projekt warsztatowy ze statyką połączeń dla budynków turbin (gazowej – UMB i parowej – UMA) oraz budynku kotłowni (UHA) i mostów technologicznych – w sumie około 4,5 tys. ton stali (rys. 3). Realizacja inwestycji jest bardzo utrudniona ze względu na małą działkę w centrum dzielnicy mieszkaniowej Berlina. Ograniczona powierzchnia ma wpływ na niezwykle ciasne rozmieszczenie urządzeń, co wiąże się z koniecznością dużej liczby zmian i uzgodnień. Bardzo pomocne w takiej sytuacji jest wykorzystanie dokładnego modelu BIM, który łączy w sobie kompletną konstrukcje stalową oraz technologie, służące do koordynacji pracy wszystkich stron. Podobnie jak w przypadku elektrowni w Lünen równolegle opracowywano wiele różnych obszarów, a w szczycie prac nad projektem pracowało 12-15 konstruktorów. BIM nie ogranicza obiegu informacji tylko do biur projektowych – mogą być one również wykorzystywane na terenie robót. Umieszczenie w modelu danych o strukturze placu budowy posiada wiele zalet. Jeżeli teren inwestycji jest bardzo ograniczony, umożliwia to zaplanowanie m.in. zasięgu dźwigów, tras dojazdu transportu czy rozmieszczenia zaplecza, jeszcze w fazie projektowania. Bardzo łatwo jest przenieść tak przygotowany model w teren, np. z wykorzystaniem darmowego oprogramowania Tekla BIMsight, które sprawnie działa także na urządzeniach mobilnych (rys. 4).

Podsumowanie
System modelowania przestrzennego Tekla Structures oraz technologia modelowania informacji o budowli przenosi na całkowicie inny poziom twórczy proces kształtowania inżynierskiego obiektów budownictwa przemysłowego. Jego wszechstronność umożliwia projektowanie w znacznie szerszym spektrum zagadnień konstrukcyjnych (np. obiektów mostowych, budownictwa ogólnego) i materiałowych (konstrukcje żelbetowe, drewniane). Uzyskiwana jakość pracy w sposób znaczący zmniejsza możliwe błędy projektowe, redukując tym samym koszty wznoszenia obiektu oraz oszczędzając czas na jego realizacji. Ponadto system daje pełną kontrolę nad procesem inwestycyjnym, umożliwiając bieżące śledzenie zmian, generowanie niezbędnych raportów i sprawne zarządzanie produkcją oraz ułatwia komunikację między montażem, kierownictwem budowy, kadrą zarządzającą i inwestorem. Takie wsparcie umożliwiło sprawniejsze wywiązanie się z powierzonego zadania i terminową realizację projektów obu elektrowni.

dr inż. Tomasz Olszewski, Construsoft Sp. z o.o.

mgr inż. Jan Jaszczyński, Jakosta Biuro Inżynierskie