3D моделирование в проекте промышленного предприятия

В последние годы все чаще можно услышать о необходимости 3D моделирования. Если в машиностроении, дизайне и архитектуре можно видеть достаточное количество примеров «мейд ин раша», то вот в промышленном проектировании очень сложно найти достойные работы.

Пример трехмерное проектирование цементного завода. Когда на стройке и монтаже встречаются железобетон, металлоконструкции, оборудование и инженерные системы становится, очевидно, что многих ошибок, накладок и переделок можно было бы избежать, если бы при проектировании учли всю будущую «картину» в комплексе. Хотя бывалый проектировщик или строитель скажет, что классическая схема проектирования и так подразумевает сопоставление различных стадий и разделов проекта в процессе разработки.

Система автоматизированного проектирования выглядит следующим образом: Технологи, исходя, из потребностей заказчика определяет переделы будущего производства, представляют технологическую схему, просчитывает материальные затраты, балансы и прочее, выбирает подходящее оборудование, режимы работы. Далее на основании своих исследований технологи выдает задание инженеру-конструктору изобразить все это при помощи компьютерного черчения, т. е. связать все единицы оборудование в единую систему чертеж-модель. На этом этапе рождается предварительная компоновка оборудования и вид требуемого для этого земельного участка, помещения, планировка объектов на объекте и т. д. Конструктор оформляет свое задание с учетом всех норм экологии, безопасности, рациональности планировки и обслуживания, и передает его архитекторам-проектировщикам, рис. 1 и 2. Они при помощи прикладных программ выполняют трехмерную модель объекта с использованием перемещения и разных ракурсов наблюдения, подсветки и т. д.

Рис. 2. 3D схема технологии производства на цементном заводе.

Архитектор рисует здание уже по своим архитектурным нормам. Оно уже может значительно поменяться, как и его расположение на плане. При всем главенстве технологии технологу-конструктору приходится идти навстречу и корректировать свои решения в соответствии с новой архитектурой.

После этого в процесс включаются конструктор-железобетонщик, конструктор-металлист, далее электрик, водянщик, газовик, вентиляционщик, автоматчик, эколог, пожарник (рис.3).

Теперь представим, что каждый из проектировщиков, выполняя свой раздел, преследует свои задачи и идет к их выполнению по пути наименьшего сопротивления, т. е. его решения зачастую могут конфликтовать с решениями смежных разделов. Каждый специалист вносит свою лепту в пространственную компоновку помещения и/или оборудования. Несложно понять, что количество нестыковок может быть велико.

Рис. 3. 3D модель здания цеха-завода.

Чтобы избежать подобного при классической схеме, заводится журнал передачи заданий между специалистами, главный инженер проекта следит за тем, чтобы все чертежи согласовывались между собой. Тут основная в опытности специалистов и вероятность человеческой ошибки, которая бывает очень часто. Ведь сложить в голове в единую картину двухмерные чертежи архитектуры, оборудования и инженерии не так просто.

Вот и получается, что все эти 2D чертежи складываются в трехмерную картину уже в натуре, на стройке и монтаже, где оказывается, что на месте стены должен стоять фильтр, сквозь метровую толщу бетона нужно было предусмотреть трубу или металлическая балка почему-то преграждает ход передвижного механизма.

А ведь если бы все специалисты сложили свои чертежи воедино, то, покрутив общую картинку на мониторе, можно было бы избежать многодневных и порой многомиллионных убытков в период строительства. Но это эмоции, теперь попробуем немного разобраться, хоть и по-дилетантски, но все же.

Заказчик, обращаясь к проектировщику, очень часто в последнее время обуславливает необходимость создания 3D модели будущего проекта, хотя сам для себя не всегда понимая, что же вкладывает в это понятие.

Разные 3D модели проектов могут нести разную смысловую нагрузку, могут быть выполнены различными путями и различными инструментами.

Все начинается и зачастую заканчивается красивой презентационной моделью, которая в целом похожа на желаемый результат. Такие модели нужны в первую очередь для презентаций: при участии в тендере на проектирование ее представляет Проектировщик, при рассмотрении кредита в банке представляет Заказчик, нужна она и при освещении проекта в СМИ.

Такую модель-картинку при большом желании можно получить в обычных CaD — программах с функциями выдавливания (также отметим, есть отечественная программа Компас (АСКОН, С-Петербург), она очень удобна). Однако модель нормального проекта получится весьма тяжелой, да и красоты в ней будет немного. Подобная модель обычно рисуется один раз и, когда возникнет необходимость выполнить модель другого завода, все рисуется заново. И так несколько раз.

Но ведь 3D модель нашего цементного завода можно выполнить более детально и с большей привязкой к действительности. При этом модель будет не просто картинкой, которую можно покрутить, а станет финалом работы всех проектных подразделений. И в зависимости от вложенного функционала трехмерная модель может служить рабочим инструментом или готовым пространством для последующих проектных работ. Для того, чтобы выполнить приближенную к реальности 3D модель завода, уже потребуется использовать более продвинутые 3D-программы, рис. 4.

Рис. 4. Изображение здание в плане, 3D-модель.

В частности для трехмерного проектирования цементного завода в современной российской действительности придется пробовать поднимать 2D чертежи западных поставщиков.

И вроде бы все замечательно, в продвинутой САПР присутствует уже удобный инструментарий, всякие программные фишки, облегчающие работу, но нарисовав один объект, понимаешь, что было бы неплохо иметь стандартную библиотеку оборудования, т.к. каждый раз прорисовывать вентилятор или фильтр не очень благодарное занятие. Казалось бы такие библиотеки в том или ином виде воплощены в разных САПР, но вот незадача: оборудование цементного завода не то чтобы совсем необычное, но среди популярных в других отраслях железяк его найти не удастся скорее всего. Немного отвлекусь, чтобы отметить всеобщий акцент разработчиков на трубах, каких-то стандартных инженерных линиях, магистралях и подобном. Это программы умеют делать быстро, качественно и хорошо, но нам навряд ли поможет, в виду не первой роли трубопроводов на цементном заводе, особенно по сухому способу.

Для автоматизации работы по проектированию необходимо создавать свою личную библиотеку типовых элементов. Но как бы ни были похожи заводы один на другой, аналогичное оборудование хоть немного, но часто различается. Поэтому встает вопрос: как бы так обрисовать типовую модель, чтобы потом меняя какие-то базовые параметры (самое простое-линейные размеры), подгонять имеющуюся модель к требуемым характеристикам. На этом этапе в наш лексикон входит понятие параметризация т. е. программа, которая поддерживает библиотеки типовых элементов, да еще и позволяет прописывать параметрические зависимости для элементов, вероятно будет очень неплоха для нужд проектировщика цементного или другого завода стройматериалов.

Но мало сделать библиотеку 3D элементов с параметрическими зависимостями, необходимо уметь сделать сборку, и чтобы программа тоже не зачахла при склеивании отдельных элементов в цех, отдельных цехов в технологическую линиюзавод. Достигается это специальным инструментарием, присутствующим в программных пакетах некоторых разработчиков. Такой инструмент-программа позволяет собрать все цеха на отрисованных реалистичной или похожей поверхностиобъемном генплане, при необходимости облегчая исходные модели, для обеспечения высокой работоспособности общей сборки.

И так получается реалистичная трехмерная модель предприятия.

Что же она нам дает? В первую очередь — это поиск коллизий. То есть то, о чем я и говорил в самом начале. Если объекты прорисованы с внутренними элементами и наружными габаритами в соответствии с реальными размерами, то становится все как на ладони: мешающиеся балки, лишние колонны, пересечения оборудования и строительных конструкций.

Причем поиск коллизий можно провести как просто покрутив картинки, так и с помощью виртуального человечка походить, на самолетике облететь, а в совсем продвинутых версиях можно еще и задавать минимально допустимые расстояния между пространственными элементами, чтобы они автоматически двигались относительно друг друга.

Это уже рабочая 3d модель завода, при разработке которой на начальных этапах тратится с первого взгляда больше усилий, однако это может окупаться в дальнейшем (рис. 5.).

Рис. 5. Наглядное изображение на поверхности 3d модель завода.

Вершина проектирования — это комплексная работа всех отделов в едином пространстве 3D проектирования.

Разные 3D программы устроены по разному, по разному алгоритму строится 3D модель, так же и система совместной работы представлена по разному у разработчиков. У кого-то более продуманная, у кого-то попроще. Но в идеале получается так: технолог строит модель, она сохраняется на сервере. Архитектор видит построение в режиме реального времени и может вносить свои корректировки прямо в этой модели. Хорошо связанные алгоритмы могут трансформировать итоговую модель и при корректировках в отдельных 2D видах, так и в самой модели.

Все коммуникации между отделами уже происходят в режиме реального времени в едином пространстве. Уже не нужны журналы учета выдачи заданий, лишние обходы ГИПа по отделам. В этой системе все прозрачно, все централизованно, содержится вся история ревизий.

Несомненным плюсом работы в таком пространстве будет являться и то, что если все элементы и их взаимосвязи отстроены параметрически, то система может обеспечивать автоматическое изменение уже начерченных элементов, например, при перемещении стены архитектором, проложенный технологом газоход изменит свою трассу в соответствии с новой компоновкой.

Время работ по проектированию сокращается в разы при условии, что все участники процесса уже имеют достаточную квалификацию. Кроме этого опять же в зависимости от продвинутости программы присутствует возможность собрать все отдельные объекты на одном генплане. В продвинутых вариантах существует отдельные инструменты для облегчения файла и более удобного просмотра. Создание площадки завода (рельефа земли, с учетом инженерной геологии, геодезии и современной картографии, ГИС-проектов) может производиться также по-разному. В одном случае просто делаются плоскости или выдавливания, но это не технологично. В другом случае может присутствовать инструмент для 3D визуализации 2D генплана. Делается это обведением тополиний и последующей их обработкой. Так же есть вариант совмещения с программой, в которой работает генпланист, где он рассчитывает объемы земляных масс, чертит математическую визуальную модель поверхности (есть ГИС-приложения, которые стыкуются с CAD — программами).

Имея итоговую 3D модель, конструктор каждого отдела выбирает необходимые слои, указывает необходимые разрезы, виды, форматы листов и др., и распечатывает готовый комплект чертежей.