تحقق نمذجة معلومات البناء (BIM) والتوأم الرقمي (Digital Twin) في المنشآت الصناعية وفراً في الوقت والتكلفة في مرحلتين أساسيتين: حين يجب أن تُركَّب معدات جديدة داخل منشأة قائمة، وحين تكون المنشأة في طور التشغيل وكل ساعة توقف تكلّف خسارة في الإنتاج. وفي الحالتين تنبع القيمة من وجود نموذج واحد منسَّق للهياكل والأنظمة والمعدات يطابق ما هو قائم فعلاً في الموقع.
تختلف الأصول الصناعية عن المباني في جانب عملي واحد: معظم تكلفتها ومخاطرها تتركز في الأنظمة. فالأنابيب ومجاري الهواء وحوامل الكابلات ومعدات العمليات تملأ الفراغ، وتتغير على امتداد عمر المنشأة. نتناول في هذا المقال المواضع التي تؤتي فيها الأساليب الرقمية ثمارها، ونعرض ثلاثة مشاريع نفّذتها BIMON في هذا القطاع.
ثلاث مراحل يصنع فيها النموذج الفرق
تصميم المنشآت الجديدة
في المنشأة الجديدة، ينسّق نموذج BIM بين الأعمال المعمارية والإنشائية وأنظمة MEP حول معدات العمليات. فالتعارض الذي يُكتشف في النموذج يكلّف ساعات، أما التعارض نفسه بين حامل أنابيب وجسر إنشائي إذا اكتُشف في الموقع فيكلّف أياماً وأمر تغيير. ويوفّر النموذج أيضاً الكميات اللازمة للمشتريات، وهي في المشاريع الصناعية كثيراً ما تقع على المسار الحرج.
التحديث والتوسعة
هنا نلمس الفائدة الأكبر. فعند توسعة منشأة، يجب أن تُركَّب خطوط وآلات جديدة بين هياكل وأنظمة قائمة، وغالباً ضمن فترات إيقاف محدودة. ويتيح نموذج المنشأة القائمة، المستخرج عادةً من مسح بالليزر، إلى جانب نموذج الأجزاء الجديدة، للفريق أن يختبر تسلسل الأعمال والمساحات قبل وصول الرافعة.
التشغيل
في مرحلة التشغيل، يربط التوأم الرقمي النموذج ببيانات المنشأة: نقاط نظام إدارة المبنى (BMS) أو نظام SCADA، والعدادات، وسجلات الصيانة. والأسئلة هنا عملية: ما المعدات التي تسبّب معظم التوقفات؟ وأين تُهدر الطاقة؟ وماذا يحدث لو أضفنا خطاً هنا؟ والإجابات تعتمد على جودة البيانات أكثر مما تعتمد على البرمجيات.
القاسم المشترك بين المراحل الثلاث هو مصدر واحد موثوق للهندسة والبيانات. ففي كثير من المنشآت تظهر المضخة نفسها في أربعة أماكن: مخطط الأنابيب والأجهزة (P&ID)، ومخطط CAD، وبرنامج الصيانة، وورقة بيانات المورد، ولكلٍّ منها رمز مختلف. وجمعها في نموذج واحد برمز واحد عمل لا بريق فيه، لكنه الشرط الذي يقوم عليه كل ما عداه.
Inalca في Sochocin: تصميم منشأة لتجهيز اللحوم بمساحة 46,000 م²
أنشأت شركة Inalca، التابعة لمجموعة Cremonini، منشأة للذبح وتجهيز اللحوم في Sochocin ببولندا. ويمتد المجمّع على نحو 46,000 م² في خمسة مبانٍ صناعية، بعضها قائم جرى تطويره وبعضها جديد.
تولّت BIMON لصالح STI Engineering في عام 2018 التصميم التفصيلي والتنفيذي متعدد التخصصات. وأعددنا التصاميم ونماذج BIM للأعمال المعمارية وأنظمة MEP حتى مخططات الإصدار للتنفيذ، بما فيها التصميم التنفيذي للأنظمة الكهربائية والخاصة والميكانيكية. وبالتعاون مع العميل في التنسيق متعدد التخصصات، أعددنا مخططات التنفيذ واستخرجنا كل الكميات اللازمة لضبط المشتريات للمبنى B وحامل الأنابيب.
وفي منشآت الأغذية، يحمل تصميم أنظمة MEP اشتراطات صحية تُضاف إلى الاشتراطات المعتادة: أسطح قابلة للغسل، والفصل بين المسارات النظيفة والمسارات الملوثة، وبيئات خاضعة للتحكم. وقد أبقى تنسيق هذه الاشتراطات في نموذج واحد القيود واضحة أمام كل التخصصات.
WTE Trieste: توسعة منشأة لتحويل النفايات إلى طاقة
تمثّل منشأة Hera لتحويل النفايات إلى طاقة في Trieste، المعروفة باسم Errera 3، تطويراً لمنشأة Errera 2 السابقة التي ضمّت خطَّي حرق بطاقة 204 أطنان يومياً لكل منهما، وتوربيناً بخارياً بقدرة 4.85 ميغاواط ينتج 32 غيغاواط ساعة سنوياً. وأضاف التجديد خط معالجة ثالثاً ودورة حرارية جديدة بالكامل تخدم الخطوط الثلاثة، بتوربين قدرته 14.9 ميغاواط قادر على إنتاج 100 غيغاواط ساعة سنوياً.
في مشروع WTE Trieste، ومنذ عام 2021، أنشأت BIMON جميع النماذج الرقمية ونسّقتها، وأعدّت محاكاة مراحل التنفيذ وأساليبه للمكونات الجديدة، في منشأة تبلغ مساحتها نحو 12,000 م². وبالجمع بين BIM والمحاكاة الزمنية، حلّ الفريق التعارضات قبل ظهورها في الموقع وحافظ على أنشطة التنفيذ ضمن الجدول الزمني. وقدّمنا كذلك استشارات إدارة BIM للمشروع ومتابعة تستند إلى احتياجات الموقع، مع مسح بالليزر يُبقي النماذج مطابقة لما نُفّذ فعلاً.
هذا ما نسمّيه التوأم الرقمي للتنفيذ: نموذج يواكب الأعمال ويدعم القرارات المتعلقة بالمساحات والتسلسل. ويصبح ناتجه، أي نموذج ما بعد التنفيذ (as-built)، الأساس لإدارة المنشأة لاحقاً. ونشرح هذا الفرق في مقال ما هو التوأم الرقمي فعلاً.
مركز بيانات ECMWF في Bologna: نماذج من المسح بالليزر في مجمّع تاريخي
يقع مركز بيانات المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) في Tecnopolo بمدينة Bologna، داخل مصنع التبغ السابق (Manifattura Tabacchi) الذي صمّمه Pier Luigi Nervi في خمسينيات القرن الماضي. ويشغل المشروع، المموَّل بمبلغ 40 مليون يورو، نحو 9,000 م² قابلة للتوسعة بـ 6,000 م² إضافية، داخل مباني "Botti" القائمة، والمبنى L1 المخصص للمحوّلات وأنظمة UPS، ومبنى جديد L2 للأنظمة الفنية.
أنشأت BIMON لصالح Aster نموذج BIM الإنشائي ونموذج أنظمة MEP انطلاقاً من مسح بالليزر ومن التصميم التنفيذي. ثم أجرينا كشف التعارضات والتحقق من مطابقة الاشتراطات (code checking) للتحقق من التصميم قبل التنفيذ، بهدف ضمان التنفيذ الصحيح وتيسير الصيانة المستقبلية للمبنى.
مراكز البيانات كثيفة الأنظمة ولا تحتمل الأخطاء: يجب أن تكون مسارات الطاقة والتبريد والتكرار الاحتياطي في المواضع التي يحددها التصميم تماماً. وبدء النموذج من مسح للهياكل القائمة، لا من مخططات قديمة، أزال فئة كاملة من مفاجآت الموقع.
أمثلة من حول العالم
نفّذت شركات أخرى حول العالم بعضاً من أكثر المشاريع الصناعية تقدّماً، وهي حالات مرجعية دولية تُظهر إلى أين يقود هذا النهج. وقد سارعت شركات كبرى مثل Siemens وTesla إلى اعتماده في مصانعها.
مصنع Siemens Digital Industries في Amberg
يُعدّ مصنع Siemens في Amberg بألمانيا من أكثر الأمثلة تقدّماً على تطبيق التوأم الرقمي في القطاع الصناعي. فالتوأم الرقمي للمصنع يجمع معلومات المنتجات والعمليات والأداء في نموذج رقمي واحد، ويتيح تحسين الإنتاج باستمرار.
وبهذا النهج بلغت Siemens مستوى جودة غير مسبوق، إذ وصلت نسبة المنتجات الخالية من العيوب إلى 99.9988%، ورفعت الإنتاجية إلى ثمانية أضعاف دون توسيع المساحة الفعلية للمصنع. كما خفّض النظام التنبؤي فترات التوقف بنسبة 30% وتكاليف الصيانة بنسبة 20%.
Tesla Gigafactory في نيفادا
طبّق مصنع Tesla Gigafactory قرب مدينة رينو بولاية نيفادا نظام توأم رقمي متكاملاً يغطي دورة حياة المنتج كاملة، من التصميم إلى الإنتاج، ويحاكي كل جوانب عملية الإنتاج افتراضياً قبل تنفيذها فعلياً.
وخفّض النظام زمن بدء الإنتاج بنسبة 40%، وحسّن كفاءة الطاقة في المصنع، ومكّن من إدخال تحسينات مستمرة قائمة على تحليل البيانات التشغيلية. وبفضل القدرة على محاكاة العملية الإنتاجية بأكملها، تمكّنت Tesla من رفع حجم الإنتاج بسرعة مع الحفاظ على معايير جودة عالية.
معايير تستحق المعرفة
- ISO 23247 يحدد إطاراً للتوائم الرقمية في التصنيع، ويركّز على العملية الإنتاجية.
- سلسلة ISO 55000 تغطي أنظمة إدارة الأصول، أي الجانب التنظيمي الذي يحدد كيفية استخدام بيانات التوأم الرقمي.
- EN ISO 19650 يغطي إدارة المعلومات للمباني والبنى التحتية التي تحتضن العملية الإنتاجية، وهو المرجع في العقود والتسليم.
وفي إيطاليا، تخضع الأعمال التي تتجاوز مليوني يورو في المنشآت المملوكة للقطاع العام، مثل منشآت المرافق أو معالجة النفايات، لإلزامية BIM الواردة في قانون العقود العامة. اطّلعوا على دليلنا حول إلزامية BIM.
كيف تبدأون التوأم الرقمي الصناعي
- ابدأوا من التدخل القادم. فالتحديث أو التوسعة هو الوقت الطبيعي لبناء نموذج المنشأة القائمة.
- امسحوا قبل أن تصمّموا. في المنشآت القائمة، تكلفة Scan to BIM أقل من اكتشاف التعارضات أثناء فترة الإيقاف.
- ادمجوا نماذج الموردين. تصل معدات العمليات مع نماذجها ثلاثية الأبعاد الخاصة، فاتفقوا على الصيغ ونظام الإحداثيات مبكراً.
- حافظوا على النموذج حياً بعد التسليم. يجب أن تنعكس التعديلات التي تجريها فرق الصيانة على النموذج، وإلا تقادم خلال عام.
- اربطوا البيانات التشغيلية خطوة بخطوة. ابدأوا بسجلات الصيانة والعدادات الرئيسية، ثم أضيفوا بيانات العمليات حيث يحتاجها قرار ما.
ما تقدّمه BIMON للعملاء الصناعيين
نصمّم أنظمة MEP بتقنية BIM، وننسّق النماذج متعددة التخصصات في المنشآت الجديدة والقائمة، ونبني توائم رقمية للتنفيذ وللتشغيل والصيانة. وتغطي خدماتنا في تصميم أنظمة MEP ومراقبة الموقع وO&M Digital Twin دورة حياة المنشأة من التصميم إلى التشغيل. وإن كنتم تخططون لتحديث منشأتكم، فنموذج ما تملكونه اليوم هو أول ما سننظر فيه.
