基于BIM技術的FPSO塔設備安裝應用實踐

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

在工程行業中，建筑信息模型技術(Building Information Modeling)具有工程全周期性介入、4D可視虛擬施工等特點，可對工程進度科學管控，幫助項目實現精細化管理、提升績效、合理調配資源、降低浪費，能有效地通過信息化管理項目中的材料、進度、安全等數據，節省項目成本[1]。中國海洋工程中，工程中的設計、建造、安裝板塊配備了專業的設計和管理軟件，所有信息包括結構、設備、管線、電器等設施都能在三維模型中物理建模全部完成，三維設計水平能力較強，實現所見即所得，三維信息能真實模擬建造成果。海洋工程三維模型向著工程設計、工程仿真、虛擬安裝作業、虛擬培訓方向發展[2-3]。文章基于BIM技術，在海洋工程建造中，將4D技術應用于FPSO上部模塊的大型塔器安裝，實現塔安裝的虛擬作業。

1 項目介紹

南海某FPSO上部模塊的輕烴回收系統分為脫乙烷塔、脫丁烷塔和工藝處理模塊三大部分，坐落于FPSO的右舷側BS模塊，如圖1所示。兩臺塔核心工藝設備：內徑都為1.4 m；脫乙烷塔高33 m，重60 t；脫丁烷塔高33.7 m，重68 t。脫乙烷塔設置操作平臺10個，脫丁烷塔設置操作平臺11個。兩塔各自操作平臺等附件重量重21 t。兩塔中心平臺布置，北側和東側為管廊，西側為工藝設備，南側為輕烴回收處理模塊。塔中心與北側管廊間距3.3 m，與南側工藝模塊結構梁間距1.1 m。垂直空間上，塔平臺邊緣處與北側管廊部分管線的投影面干涉，與南側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

2 塔設備施工難點及解決方案

2.1 施工難點

塔設備到貨時間晚，輕烴回收系統周圍設施已按項目進度安裝定位，只有南面一側供塔和輕烴回收工藝處理模塊未安裝定位。現場施工難點：

(1) FPSO模塊上層大部分設備已經吊裝定位，塔高度基本到達船塢吊機的極限，需要合理優化吊運空間及路徑；

(2)塔與輕烴回收工藝處理模塊存在高空剛性連接，且塔周圍空間狹小，需優化脫乙烷塔、脫丁烷塔和工藝處理模塊安裝順序；

(3)塔平臺等附件多，要防止與模塊現有結構、管線、電器等設施碰撞；

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

2.2 解決方案

針對塔安裝的施工難點，結合BIM技術的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的整體設計三維成果模型中，通過檢查測量FPSO模塊上部各個高點位置、安裝通道寬度，尋找出塔吊裝路徑上無干涉碰撞通道。

(2)利用BIM技術中的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，提前發現問題。

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

(4)利用BIM技術在Navisworks中模擬桁架及平臺等需要現場安裝過程順序，優化人力投入，縮短施工周期。

3 BIM技術在塔安裝應用實施流程

3.1 現場設施檢查

FPSO項目工期緊張，模擬施工前對塔器附近已安裝設施進行標記。海洋工程模塊制造安裝經驗表明，設施在安裝定位前能完善的工作均比定位后完成更節省資源、成本。現場的臨時散料堆進行清理倒運，著重考察梳理設計三維成果模型中的交界面干涉設施。安裝定位時再臨時切割清理干涉碰撞需要花費更多的現場資源和人力。現場檢查包括安裝通道上的障礙物檢查和塔定位環境設施檢查。對于干涉應進行優先分級區分，對于重要設備應重點關注，吊裝通道應避開此類設備。

3.2 仿真安裝

輕烴回收系統的塔和工藝模塊施工模擬，在NavisWork軟件中利用動畫Animator模塊完成，是在設計三維成果文件上加上時間，研究項目的可實施性、項目順序的合理性。

因海洋工程設計三維設計能力高，已經完成整條船FPSO物理模型設計，直接在Navisworks中打開NWD格式船模型。NWD格式為設計院發布成果的常用格式，含有所有模型數據，包括審閱數據、視點數據，通常文件容量很大。為減少每次更新、保存后臺運行的時間，4D模擬時可另存為NWF格式文件, NWF文件會保存一些特定的Navisworks數據，不包含任何模型數據，所以文件很小，但一定要確保Navisworks能打開NWF所指向的NWD文件，才能打開項目的完整模型。

脫丁烷塔、脫乙烷塔受工藝處理模塊伸出結構、船中管廊已吊裝定位實際情況影響，塔器吊裝空間受限。根據現場設施檢查結果，在模型的選擇樹選取脫乙烷塔、脫丁烷塔、工藝處理模塊對應設備及附件，定義安裝過程對應選取集，建立吊裝設備模型。在Animator模塊下添加對應的動畫場景，如圖2所示，可添加的動畫場景有平移、旋轉、縮放、更改顏色、更改透明度，現場設備施工動畫場景主要用到移動、旋轉功能。時間軸上時間只具有相對意義，非真正真實時間，關鍵幀可以手動拖拽時間。通過編輯修改關鍵幀的參數來調整設備安裝的路徑動作。各個方案在Navisworks演示并進行比選，經在Navisworks中模擬塔器吊裝路徑位置，評估較優順序為：

(1)安裝工藝處理模塊

(2)吊裝脫丁烷塔

(3)高空安裝X型扶塔桁架結構

(4)吊裝脫乙烷塔

通過比選方案，避開FPSO現場的高空障礙物，路徑方案結果如圖3所示，確定最終較優方案。

圖2 動畫模塊制作施工模擬圖

圖3 塔吊裝優化路徑

塔屬于高/直徑(H/D)值較大的細長類設備，吊裝過程中自身會發生一定水平旋轉，導致設備及附件在吊裝路徑上的掃略面擴大。因此吊裝路徑上宜預設定一個中間平臺暫時懸停位置，及時修正塔設備的水平姿態和大幅度擺動，防止設備與平臺設施碰撞。在吊裝前，與現場施工人員做好詳細方案的三維可視化技術交底，做好預先應急預案，降低吊裝作業風險。以全船最高點、平臺最多、重量最大的脫丁烷塔吊裝為例，方案如下：

(1)脫丁烷塔提升至預定高度，途經LPG儲罐上方吊至管廊區域上方，在管廊的格柵平臺上方進行塔姿態方位調整。

(2)脫丁烷塔向船尾移動，吊至兩塔中間北側區域 (-1.842,3.920，11.800)，避開兩塔中間外伸管和工藝處理模塊的外伸懸臂平臺。

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

(4)脫丁烷塔下落至EL32,000上方，吊至(0.000, 0.600，0.800)，在此位置空間開闊，利于進行塔身姿態方位調整。

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

(6)脫丁烷塔緩慢下落至塔定位點。

3.3 水平安裝范圍及路徑碰撞檢查

海洋工程設備采用橇塊化施工，在地面水平狀下盡可能的將塔設備附件與塔一起安裝，整體吊裝。塔設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，包括塔翻身時尾吊繩干涉和軸耳鋼絲繩干涉；塔及附件與平臺設施的干涉。

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。由于塔吊裝時發生翻轉，吊裝鋼絲繩路徑為錐臺形狀。檢查錐臺體、尾吊掃略面與塔附件的干涉，軸耳以上的平臺附件、塔下部的三層平臺存在干涉。在模型中去除干涉平臺，水平預安裝只安裝中間的平臺部分。由于相關行業標準中軸耳擋板高度較小，船塢吊車所用鋼絲繩較粗，為防止鋼絲繩滑脫出軸耳，在軸耳外緣增加焊接環形輪廓。增加的軸耳輪廓范圍角度根據塔翻身確定塔附件。干涉檢查主要重點為塔平臺結構、扶塔結構、組塊結構、管道、燈具間的吊裝碰撞。在Navisworks中，可調整施工開始時間、結束時間、回放、調整動畫視點等對存在干涉處進行檢查。

根據仿真結果，脫丁烷塔水平安裝范圍為塔體、EL.45800～EL.57300五個平臺和攀登爬梯；脫乙烷塔水平安裝范圍為EL.43000～EL.57300五個平臺和攀登爬梯；工藝處理模塊頂部的扶塔結構、北側的外接管廊不預安裝；X型扶塔桁架結構與塔身鞍座有螺栓配合連接，其起配合作用的滑動鞍座塊不預安裝，塔定位測定后再進行連接。塔現場安裝附件提前倒運至組塊塔定位點無干涉處。通過4D模擬確定各階段施工工作，合理安排了施工順序，節省了項目工期，優化資源配置。

4 結語

隨著海洋工程信息化管理的發展，往往對具有制造過程有典型特種的大型結構物安裝、裝船作業采用計算機仿真虛擬，本文將BIM技術應用到具有復雜結構附件的設備安裝，評估并優化最終安裝作業方案，降低了安裝風險，節省了現場施工作業工期。通過BIM技術應用，提高復雜海洋工程設備的制造安裝效率、提升質量、降低項目成本，為海洋工程未來發展趨勢。