Vom traditionellen Layout zur integrierten 3D-Modellierung

von David Myall

 

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Der Artikel ist im Original in der Zeitschrift IT Produktion, Ausgabe September 2011 erschienen.

Angesichts des verstärkten Drucks auf die Entwicklungskosten und des gestiegenen Bedarfs an präzisen Kostenvoranschlägen hat die Frühphase der Projektgestaltung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Laut einer Studie des britischen Instituts für Bauwesen (Construction Industry Institute) fallen über 80% der Gesamtkosten eines Projekts innerhalb der ersten 20% der Projektentwicklungszeit an. Eine andere Studie, die von Independent Project Analysis Inc durchgeführt wurde, zeigt, dass nur vier von zehn Pro-jekten die Vorplanungsphase vollständig abschließen, in der ein Kostenvoranschlag erstellt wird. Daher sind Instrumente, mit denen der Ingenieur bestehende Optionen richtig analysieren und die entsprechen-den Kosten präzise ermitteln kann, von erheblichem Nutzen.

Die Anlagenplanung hat neue Wege beschritten und konnte so "herkömmliche" Layoutstudien (Excel für Materialentnahme-Reports, 2D-CAD für Lagepläne und Kostenschätzungen auf der Grundlage von inter-nen Daten, Heuristik und Näherungen) zu höherwertigen und präziseren 3D-Modellierungen entwickeln. Die Vision: Modelle, die im Rahmen von konzeptionellen Layoutstudien erarbeitet werden, sollen sich für Vorplanungspakete und sogar für die Detailplanung wieder verwenden lassen, ohne dass eine Daten-übertragung oder eine erneute Modellierung erforderlich ist. Und selbst wenn dies nicht möglich sein soll-te, sorgt ein präziseres 3D-Modell noch immer für eine solidere Kostenschätzung.

Heute setzen viele Anlagenentwickler auf eine 2D-Lösung oder eine vereinfachte 3D-Modellierung mit Tools, die speziell für diesen Zweck konzipiert wurden. Typischerweise basiert die Kostenschätzung bei diesem Ansatz auf internen historischen Daten. Die Ingenieurbüros arbeiten mit einer Kombination aus Standardprodukten und Eigenentwicklungen. Das 3D-Modell wird jedoch nur für die konzeptionelle Planung genutzt und dann nicht mehr weiter verwendet.

Die integrierte 3D-Modellierung stellt daher einen Schritt zur Maximierung der konzeptionellen Planung des Anlagenlayouts dar. Hier handelt es sich um einen besser artikulierten und stärker konsolidierten Ansatz: Die integrierte 3D-Modellierung liefert ein bewegliches, flexibles und wieder verwendbares Layout, das mehr planerische Möglichkeiten bietet und für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet ist.

Die neuesten auf dem Markt erhältlichen Tools – darunter Intergraph® SmartPlant® 3D und SmartPlant Layout – ermöglichen eine automatische Rohrführung. Hinzu kommt eine spezielle, vereinfachte Anla-genbibliothek, die im gesamten 3D-System angeordnet ist. Der Konstrukteur hat so wiederum bereits bei der Vorplanung Zugriff auf alle Funktionen des gesamten 3D-Systems wie anspruchsvolle Modellierung,
Identifizierung von Kollisionspunkten, Modellreferenzierung oder Automatisierungsinstrumente sowie Ergebnisse wie Übersichtszeichnungen, Materialentnahme-Reports und Rohrisometrien. Das Modell aus der Vorplanung muss nicht umgewandelt, sondern einfach weiter ausgearbeitet werden.

Vorplanung
Der Vorplanungsprozess (auch als FEED bzw. FEL, Front End Engineering bezeichnet) besteht im Wesentlichen aus zwei Phasen.

  • Zunächst die konzeptionelle Layoutphase. Hier werden zahlreiche Anlagenlayouts betrachtet, um festzustellen, welches die beste Kombination aus Investitionskosten und betrieblicher Effizienz bietet. Dabei ist wichtig, schon hier die Rohrleitungen zu berücksichtigen, da sich diese in erheb-lichem Maß auf das Ergebnis auswirken, beispielsweise im Hinblick auf die Größe und Anord-nung von Rohrgerüsten. Als Input wird für diesen Prozess beispielsweise ein einfaches Pro-zessablaufdiagramm (PFD) und das zugehörige Fließbild verwendet. Diese Studien werden übli-cherweise von kleinen Expertenteams innerhalb einer sehr kurzen Zeit angefertigt.
  • In der zweiten Phase wird ein Anlagenlayout ausgewählt und hinreichend ausgearbeitet, um einen präzisen Kostenvoranschlag zu erstellen. Im Sinne fundierter geschäftlicher Entscheidungen sollte diese Kostenschätzung um nicht mehr als 5-10% von den tatsächlichen Kosten abweichen. Entscheidend sind in dieser Phase die genauen Rohrlängen und die exakte Anzahl der An-schlüsse. Häufig erzeugt man so ein realistisches Modell, das dem Kunden zur Prüfung vorgelegt wird. In dieser Phase ist das disziplinübergreifende Projektteam deutlich größer, und das Projekt kann mehrere Monate in Anspruch nehmen.

Projekte, bei denen keine relevante konzeptionelle Planung entwickelt wird, können nicht die gewünschten geschäftlichen Ergebnisse liefern. Wenn die kalkulierten Kosten und Zeitpläne überschritten werden oder der Anlagenbetrieb nicht wie vorgesehen verläuft, erreicht die Investition am Ende nicht die geplante Rendite. Bei vielen Projekten (laut IPA-Studie vier von zehn) wird die konzeptionelle Phase nicht einmal abgeschlossen. Der Grund: Zeitdruck und die Notwendigkeit, alle Optionen so lange wie möglich offen zu halten, während weitere Informationen eingeholt werden.

Integrierte 3D-Modellierung
Einer der vielen Vorteile der integrierten 3D-Modellierung liegt in der Möglichkeit, den Planungsprozess zu rationalisieren und dabei bestehende Daten zu sichern, besser nutzbar und wieder verwendbar zu ma-chen. SmartPlant 3D bietet alle Funktionen, die zur Konstruktion einer Anlage benötigt werden, und sorgt dafür, dass diese während des gesamten Anlagenlebenszyklus dem Istzustand entsprechen. Die 3D-Lösung reduziert Konstruktionsfehler, technische Änderungen und Nacharbeit. Mit der Durchsetzung von Designregeln sorgt die 3D-Technologie für höhere Präzision und Konsistenz bei der Planung. Zudem stehen diese Designregeln für höhere Produktqualität und -zuverlässigkeit, da sie die Erstellung, Übertra-gung und Prüfung von konstruktiven Beziehungen schneller und effizienter gestalten: Auf dieser Grundla-ge können die Planer besser informierte Entscheidungen treffen. Durch die Integration der automatischen Routing- und Layoutlösung in die 3D-Designumgebung lassen sich die Regeln von Anfang an nutzen. Auch das verringert die Nacharbeit.

3D-Lösungen bieten zudem Tools für eine kontinuierliche Überwachung von Designregeln und für die Meldung der Auswirkung von Änderungen während des gesamten Planungsprozesses. Zudem verfolgen sie Zeichnungen, die aufgrund von Änderungen am Modell aktualisiert worden sind.

Zur Verbesserung der Konstruktionsfunktionen von SmartPlant (and SmartMarine®) 3D hat Intergraph SmartPlant Layout entwickelt, eine Lösung zur Erstellung von 3D-Vorentwürfen, die als zusätzliche Auf-gabe oder Disziplin in der übergreifenden Smart3D-Architektur implementiert wird. SmartPlant Layout unterstützt die Entwicklung von Vorschlägen, frühzeitige Schätzungen und die Optimierung des Anlagen-layouts. Mit dieser Technologie lassen sich Vorentwürfe durch die Weiterentwicklung von Layouts zu einer Ausführungsplanung wieder verwenden, ohne dass eine zusätzliche Neumodellierung erforderlich ist. Das spart Zeit und steigert die Planungsqualität.
SmartPlant Layout erweitert die zu Grunde liegende Smart3D-Software durch eine spezielle, vereinfachte Anlagenbibliothek und durch Referenzdaten, einen integrierten Autorouter für Rohre, Leitungslistenin-tegration auf der Grundlage von Kalkulationstabellen oder PID/PFD sowie eine Funktion zum Import von Ausrüstungsteilen aus einer Kalkulationstabelle. Dem Nutzer stehen alle Smart3D-Berichte (einschließlich Isometrien), Modellierinstrumente – Rohrleitungen, Ausrüstung, Struktur – und branchenführende Tools für die Wiederverwendung von Modelldaten und die Referenzierung zur Verfügung. Hinzu kommen eine leistungsfähige Automatisierungsebene und die vollständige Integration mit Instrumenten zur Kos-tenschätzung. Der Benutzer von Smart3D kann die manuelle und automatische Rohrverlegung beliebig mischen, um schnell ein einziges Anlagenmodell zu erstellen, das zudem vollständig skalierbar ist – von der kleinsten bis hin zur größten Prozessanlage und von der Offshoreanlage bis hin zum Schiff.

SmartPlant Layout verfügt jedoch noch über eine weitere Funktion, die diese Lösung unverwechselbar macht: Während alle anderen Produkte die Vorplanung (FEED) für ihr Haupt-Konstruktionssystem kom-plett neu modellieren müssen, dient Intergraph SmartPlant Layout als Frontend, und zwar ungeachtet des Produkts, das später für die Ausführungsplanung zur Anwendung kommt.

Die Anlagenplaner können zunächst die Lage der wichtigsten Ausrüstungsteile, Rohrgerüste und anderer wichtiger reservierter Bereiche festlegen, die der integrierte Autorouter für Rohrleitungen nutzt. Hierzu zählen beispielsweise zu vermeidende Bereiche und Bereiche mit Hindernissen. Zur Unterstützung dieser Phase können die Planer Regeln definieren und anwenden, die die Konstruktionsstandards des Unter-nehmens (oder des Eigners und Betreibers) durchsetzen. Hierzu zählen das Rohrlayout innerhalb von Rohrgerüsten und der Mindestabstand von Ventilen.

Von der Rohrführung zum Bericht
SmartPlant Layout nutzt eine Kostenanalyse, um eine Entscheidung zwischen alternativen Führungen zu ermöglichen. Dabei müssen die Kosten lediglich relativ dargestellt werden oder können auf Unterneh-mensinformationen basieren. Nach der ersten Festlegung von Zonen wird die Leitungsführung direkt vom Benutzer eingegeben, aus einer extern erstellten Kalkulationstabelle mit Leitungslisten importiert oder aber aus den P&IDs abgeleitet. Der in SmartPlant Layout integrierte Autorouter für Rohrleitungen be-rechnet dann die kostengünstigsten Rohrführungen für ein bestimmtes Anlagenlayout und festgelegte Regeln und stellt diese dar.

SmartPlant Layout dient zur Verlegung von Leitungen (PipeRuns) – also verbundenen Rohrleitungen ein-schließlich Biegungen, Verbindungen und Bauteilen, die bei Durchmesseränderungen erforderlich sind. Jeder PipeRun verfügt über entsprechende Referenzdaten. Diese sind mit einem Datenblatt verbunden, das zahlreiche Standardelemente steuert, beispielsweise die Art der Biegungen und Abzweigungen, die in einer bestimmten Situation erforderlich sind. SmartPlant Layout enthält erweiterte Referenzdaten, die auch bestimmte Regeln und Daten für die automatische Rohrführung auf der Grundlage von Datenblättern enthalten. Sowohl die Standardreferenzdaten als auch die erweiterten Referenzdaten für den PipeRun wirken sich in erheblichem Maß auf die Berechnungsergebnisse der automatischen Rohrführung aus.

Die Funktion "Case Management" ermöglicht die Anzeige und den Vergleich der Ergebnisse verschiede-ner Layouts. So können Sie zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Vorentwurfsplanung erste Konstruktions-entwürfe erstellen und die Modelle prüfen. Gleichermaßen unterstützen die erweiterten Berichtsfunktionen in SmartPlant Layout den Anwender bei der Erzeugung zahlreicher standardisierter und benutzerdefinierter Reports, beispielsweise einer Zusammenfassung der benötigten Mengen zur Erstellung eines Kostenvoranschlags. Einige der vorkonfigurierten Berichte ermöglichen sogar eine direkte Übertragung der Daten in gängige Kostenschätzungssysteme.

Die SmartPlant Layout-Software zur automatischen Rohrführung wurde speziell mit Blick auf eine einfa-che und schnelle Einrichtung mit minimalem Datenbedarf konzipiert, denn einer der häufigsten Kritikpunk-te an vergleichbaren Systemen betrifft die zeitaufwändige Definition des Problems, das bearbeitet werden soll. Die Regeln in SmartPlant Layout nutzen die Möglichkeiten von SmartPlant Layout, berück-sichtigen dabei jedoch auch die zahlreichen "Regeln" aus der SmartPlant 3D-Software, der Kernplattform für SmartPlant Layout.

Definitionsgemäß lassen sich diese Regeln nicht vom Anwender ändern, da dies auch eine Änderung der Logik erfordern würde. Dieser Regeltyp gilt als so wichtig, dass die Möglichkeit einer Anpassung durch den Benutzer wenig sinnvoll wäre. Typischerweise basiert eine solche Regel auf guter Ingenieurpraxis.

Ein wesentlicher Punkt von SmartPlant Layout besteht darin, dass die Lösung in der SmartPlant-Umgebung arbeitet. Das bedeutet, dass dem Planer alle Funktionen zur manuellen Rohrführung zur Ver-fügung stehen. Wo Details zählen, ist es oftmals produktiver, Rohrleitungen manuell festzulegen. Dies gilt insbesondere für Bereiche, in denen zahlreiche Ausrüstungsgegenstände angeordnet sind. Die Anbin-dung an Anschlussstellen erfolgt dann wieder automatisch. Durch eine einfache Oberfläche wird ein er-fahrener SmartPlant-Benutzer schnell mit dem Vorplanungs-Tool vertraut. Versierte Mitarbeiter lassen sich problemlos entsprechend dem Projektbedarf einteilen, da nur ein geringer Nachschulungsbedarf besteht. SmartPlant Layout erweitert die Möglichkeiten in der Vorplanungsphase und sorgt für weniger Materialbedarf und damit für geringere Kosten. Darüber hinaus bietet die Software verbesserte Metriken und optimiert Planung bzw. Layout, sodass Unternehmen Bauzeiten und -kosten senken können.

Mit der integrierten 3D-Modellierung erhalten Anlagenplaner eine einfache und bedienerfreundliche Um-gebung mit moderner Grafik und leistungsstarken Assistenten, die sie selbst bei extrem komplexen Auf-gaben schnell und einfach unterstützen. 3D-Tools zur Layoutplanung ermöglichen eine disziplinübergrei-fende Nutzung von Konstruktionsdaten in Echtzeit. Das spart Zeit und Geld und sorgt für höhere Pla-nungsqualität.

Doch die heute auf dem Markt erhältlichen Tools bieten Planern nicht nur mehr Zeit zur gründlicheren Auswertung von umfassenderen Optionen: Sie stehen für präzise Materialentnahme-Reports und PIDs, genaue 3D-Modelle für den Kunden, automatische Ergebnisse, Skalierbarkeit und eine Workshare-Umgebung. Und weil sie auf den gesamten Produktlebenszyklus ausgerichtet sind, fördern sie die güns-tige Produktion, senken Investitions- und Anlagenbetriebskosten und bilden die Grundlage für wirklich informierte Entscheidungen.

David Myall ist Leiter Produktentwicklung bei Intergraph

 

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