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USO DE TECNOLOGÍAS INNOVADORAS EN EL DESARROLLO DE PROYECTOS: UN CASO DE ÉXITO

Por: Ing. Juan Escala Abril, Ing. Nestor Deza Grados e Ing. Carlos León, superintendente de Planificación y Desarrollo de Negocios, gerente de Estudios y gerente de Procesos y Control de Proyectos en Compañía Minera Antamina.


Introducción

Una de las estrategias clave de la industria minera en los últimos años, es la incorporación de Innovación y Tecnología encaminada a la optimización de los procesos productivos, con el objetivo de mantener la competitividad.

En esta dirección, la vicepresidencia de Planificación y Desarrollo de Negocios de Compañía Minera Antamina ha incorporado la utilización de tecnologías innovadoras de manera paulatina en sus proyectos de crecimiento. Una de estas es denominada Building Information Modeling (BIM), que es una metodología colaborativa que busca conectar tres ejes importantes: personas, procesos y modelos digitales para gestionar activos en sus distintas fases, desde el diseño hasta su ejecución, con el objetivo de integrar la ingeniería, el proceso constructivo hasta la operación de un brownfield1 minero. Con esta implementación se pretende tener un equivalente virtual (Digital Twin) que contenga los elementos constructivos esenciales de los proyectos en un diseño en donde se incorpora además de los modelos de ingeniería 3D y metadata, la información concerniente a los cronogramas 4D y costos 5D. 

Adicionalmente, se incorporan nuevas herramientas de visualización, donde el equipo de trabajo puede interactuar con el modelo por medio de realidad virtual (VR). Los beneficios buscados con el uso de estas tecnologías son: la disminución en la probabilidad de diseñar con interferencias, la mejora de la seguridad y mantenibilidad, la optimización del trabajo colaborativo y el incremento en la eficiencia para la revisión de modelos.

Por tal motivo, el objetivo del presente trabajo es brindar, a partir de un caso de éxito, una aproximación de la innovación tecnológica ejecutada en Compañía Minera Antamina y la relevancia del mismo en la planificación de proyectos.

Antamina: aproximación general

Compañía Minera Antamina es considerada una de las tres minas de cobre más grandes del mundo a nivel de producción. Sus productos son concentrados de cobre, zinc, molibdeno y plomo-bismuto; además tiene plata en los concentrados de cobre y plomo.

La mina se encuentra ubicada en la quebrada Antamina, distrito de San Marcos, departamento de Áncash. Aquí se realiza una operación a tajo abierto donde se explota un depósito tipo skarn2. El mineral extraído del tajo es procesado en la planta concentradora, considerada una de las de mayor automatización en el mundo, la cual está equipada con tecnología de punta.

Los concentrados producidos en mina son transportados a través de un moderno mineroducto de 304 kilómetros hasta el puerto Punta Lobitos, localizado en la provincia de Huarmey (Áncash). Los concentrados son recibidos, filtrados, almacenados y embarcados en buques para su exportación.

En la Figura 1 se puede apreciar el proceso productivo de Compañía Minera Antamina.

Aproximación general a los BIM

Actualmente, el análisis, diseño y generación de documentos en proyectos de infraestructura resultan en un proceso complejo y dinámico, el cual sufre modificaciones en el ciclo de vida del mismo debido a múltiples factores como órdenes del cliente, interferencias con infraestructura real o la posterior revisión por expertos (Muñoz et al., 2019). Para la creación de diseños estructurales, la interacción entre el personal dentro y fuera de la compañía también es complejo, lo cual acarrea flujos de trabajo largos con varias comunicaciones entre las partes involucradas.

Es así que a partir de la problemática actual en la gestión de proyectos de construcción, nace el BIM, entendido como uno de los cambios promisorios más importantes en las industrias de ingeniería y construcción. BIM es una metodología colaborativa que busca conectar tres ejes importantes: personas, procesos y modelos digitales para gestionar las distintas fases de diseño. De igual forma, representa un cambio de paradigma en la concepción de proyectos debido a que permite el desarrollo de modelos virtuales de una manera integral, incorporando la gestión y procesamiento de datos diversos. (Porras et al., 2014; Muñoz et al., 2019).

Relevancia e importancia de BIM

Costo

La relevancia del uso de BIM en la etapa de diseño del proyecto es alta. La Figura 2 concerniente a la curva de distribución de tiempo y esfuerzo de MacLeamy muestra el comportamiento de los costos/esfuerzos con el tiempo de vida de proyectos (Muñoz et al., 2019). En primer lugar, la curva 4 evidencia que los costos y esfuerzos son mayores en la etapa de diseño, pero estos disminuyen drásticamente a medida que los proyectos entran en la fase de construcción u operación. En contraste, la curva 3, referente al diseño tradicional, muestra un costo bajo durante la fase de diseño pero costos altos en las etapas posteriores. Así, el uso de BIM permite una mayor capacidad de hacer cambios en etapas tempranas, así como una mayor interacción entre las partes involucradas.

Comunicación

La comunicación es una cualidad importante en la gestión de un proyecto.

El uso de metadata, relacionada y auditada mediante reglas de consistencia permite desarrollar el concepto de fuente única de la verdad (Single Source of the Truth), proceso vital en el manejo de la integridad de la información que se necesita para generar, procesar, transmitir, revisar y aprobar.

Existe una diferencia notable en la comunicación, entre un proyecto gestionado de manera tradicional y otro con BIM. Por un lado, en la práctica tradicional no existe un nexo entre todos los agentes del proyecto, generándose órdenes en todas las direcciones, lo que puede propiciar errores futuros (Gonzáles, 2015). Por otro lado, estudios recientes han demostrado que la transmisión de información y comunicación entre personal de distintas especialidades con el uso de BIM es eficiente (Figura 3), lo cual permite un control actualizado de toda la información concerniente al proyecto en tiempo real, así como una rápida detección de errores y corrección de los mismos en etapas tempranas (Eastman et al., 2010; Ho et al., 2013). Así, BIM ayuda a la creación de una nueva cultura de comunicación, en donde prima el trabajo colaborativo y una manera efectiva y estructurada de transmisión de información.

Detección de interferencias

En años anteriores, los proyectos derivados de la metodología Computer Aided Design (CAD) consignaban la elaboración de planos independientes no relacionados entre sí, produciéndose errores de interferencias.

 Así, estas interferencias se generan debido a la deficiente integración que sufren los planos de distintas especialidades; lo cual puede generar órdenes de cambio, retrasos y sobrecostos posteriores (Taboada et al., 2011). Dentro de la modelación BIM 3D, se pueden generar modelos independientes de la estructura, arquitectura, mecánica, electricidad, entre otros; y, a diferencia de la modelación CAD, luego, ser integrados y centralizados para poder visualizar el proyecto como un todo y así revisar la constructabilidad y encontrar conflictos entre los elementos de distintas especialidades.

Dimensiones BIM

La metodología BIM está compuesta por siete dimensiones, es decir, por niveles en donde se va aportando un valor añadido nuevo en cada uno (Gonzáles, 2015).

Dimensión 3D

Esta dimensión abarca tres ejes: x, y, z, y está orientada a la representación de objetos con una geometría detallada; a partir de parámetros que consignan información numérica de la geometría de los elementos (Gonzáles, 2015).

En esta dimensión la metadata3 es importante, la cual hace referencia a parámetros y atributos de los materiales.

Dimensión 4D – temporalidad o variable tiempo

Está referida a la variable tiempo. La temporalidad de los modelos ayuda a definir simulaciones de fases de ejecución y revisión en los estados de demora o adelanto en proyectos. La dimensión 4D permite una mayor eficiencia en los procesos (Gonzáles, 2015).

Dimensión 5D – control de costos

La dimensión 5D comprende todo lo concerniente al control de costos, estimaciones y gastos del proyecto. Asimismo, las dinámicas de gestión y control del proyecto están relacionadas a mejorar la rentabilidad del proyecto en cuestión (Gonzáles, 2015).

Dimensión 6D - sostenibilidad

Engloba la sostenibilidad del modelo teniendo en cuenta aspectos energéticos, diseño ambiental, durabilidad de materiales, entre otros (Gonzáles, 2015).

Dimensión 7D - mantenibilidad

Esta dimensión hace referencia a la fase de mantenimiento, por lo que permite un control logístico del proyecto durante su vida útil (Gonzáles, 2015).

Caso de éxito: Antamina

Actualmente, Antamina viene desarrollando múltiples proyectos de ingeniería. Dos han sido encargados a la vicepresidencia de Planificación y Desarrollo de Negocio en su etapa de prefactibilidad son: Crushing and Conveying System (CCS) y Debottlenecking 145kt/d (DBN), que en general buscan mantener la competitividad de Antamina en cuanto a su productividad. Ambos estudios se encuentran en la etapa de pre-factibilidad e incluyen estudios de ingeniería, de simulación, diseños de mina, planificación minera, estudios complementarios y ejecución de perforación.

Los proyectos antes descritos presentaban un reto mayor tanto en los costos de ejecución como en la coordinación de un gran número de empresas encargadas de la consultoría con equipos de ingeniería bastante numerosos; es así que el equipo del proyecto optó por la implementación de herramientas colaborativas eficientes que permitan la mayor coordinación de las partes involucradas, mejor planificación, eficiente uso de recursos y la reducción de re-trabajo. El uso de metodología BIM a nivel de 3D, 4D y 5D fue la más indicada para el cumplimiento de estos objetivos.

Metodología

Se encargó el desarrollo del estudio en su etapa de prefactibilidad para ambos proyectos a la misma empresa de ingeniería. Dentro de lo requerido se planteó la entrega de planos 2D y modelos 3D con base de datos integrados y metadata estructurada.

Para la presentación de avances, se determinó el uso de la plataforma Smartplant 3D. El software de diseño de plantas que posee la capacidad necesaria para elaborar diseños de proyectos y, después, mantenerlos como as-built durante su ciclo de vida4.

Modelo 3D

La creación de modelos 3D para los proyectos CCS y DBN fueron pensados para facilitar la asignación y la gestión en las fases posteriores del diseño con el área de Ingeniería y Proyectos; para proporcionar una visualización virtual y estudiar posibles interferencias u otros detalles constructivos de fases posteriores.

Para la elaboración de los modelos 3D fue necesario contar con los planos CAD 2D de las diferentes estructuras planteadas para posteriormente modelarlas en Smartplant 3D. Así, se elaboraron sólidos de las instalaciones futuras que se definen para el proyecto como chancadoras y nuevas áreas en planta concentradora siguiendo cuatro etapas (Figura 4).

De igual forma, para detectar interferencias entre los elementos actuales y los previstos para un futuro, fue necesario realizar un escaneo de nube de puntos en ciertas áreas consideradas relevantes para CCS y DBN, y también vuelos de drone. El escaneo consta de tres etapas que pueden visualizarse en la Figura 5.

La primera etapa consistió en el levantamiento de la nube de puntos. Así, inicialmente se ejecutó un levantamiento con el escáner láser en el espacio del entorno inmediato de las áreas relevantes con el escáner láser Leica P40, generando una nube de puntos que abarca 360° en el plano horizontal y 270° en el plano vertical. Fueron quince zonas de escaneo que abarcaron las locaciones de mina y el puerto Punta Lobitos. Inmediatamente después del levantamiento de las nubes de puntos y otro fotográfico con el escáner láser. Dicha información sirvió para fusionar el color real a cada punto medido previamente en el escaneo. Finalmente, se utilizó una Estación Total Leica TS11 para detectar las coordenadas de aquellos elementos que se registraron con el láser.

La segunda etapa, referente al procesamiento de nubes de puntos, fue realizada en oficina, en donde los puntos recolectados en campo son posicionados y orientados en un espacio digital 3D. Además, se fusionan las nubes de puntos y las fotos capturadas con el escáner láser.

Modelo 4D

El modelo 4D muestra el secuenciamiento o temporalidad de la ejecución del proyecto. Para el caso de Antamina fue creado a partir de los talleres de constructabilidad en donde se desarrollaron a detalle los cronogramas indicando la manera de construir y mejorar la modularización de las estructuras. Esta definición está incluida dentro de los cronogramas del proyecto. Este secuenciamiento se encuentra integrado en la herramienta Primavera.

Modelo 5D

Para la elaboración del modelo 5D fue necesario contar con los siguientes requerimientos: Elementos 3D (diseño y metadata), elementos 4D (cronogramas) e información referente a presupuestos y estimación de costos. La manera en cómo se visualiza se encuentra en la Figura 6.

Uno de los software utilizados para la integración de los modelos 3D desarrollados y la información correspondiente a cronograma y costos fue EcoSys. A partir de su uso se plantearon los siguientes beneficios para la compañía:

   Identificación del cronograma, productividad y problemas en costos en tiempo real.

   Una ingeniería de costos sensitiva.

   Mejorar el trabajo de coordinación entre las partes.

   Revisión de múltiples escenarios enlazados a cambios.

   Reunir la información más importante de todas las disciplinas.

   Eliminar la entrada de datos duplicada y automatizar la integración de los mismos.

   Los stakeholders, equipo del proyecto, subcontratistas y clientes tienen una plataforma común para intercambiar información.

Al hacer uso de modelos 5D en EcoSys se integró la parte estratégica y la táctica del proyecto. De esta manera, se pudo mantener un historial estandarizado de toda la información del mismo.

Resultados

Desde el Modelo 3D hasta el 5D

Para los modelos 3D, como resultado se obtuvieron elementos que pueden trabajarse de manera colaborativa a través de Smartplant 3D. Por ejemplo, se logró el diseño de chancadoras y otras infraestructuras de vital importancia para el proyecto.

Las Figuras 7 y 8 muestran infraestructuras existentes en las operaciones mineras. La Figura 7, corresponde al área de planta concentradora, que abarca hasta la zona de los tres stockpiles actuales. De igual forma, la Figura 8 muestra estructuras existentes en forma de nube de puntos que se logró obtener a partir del escaneo láser realizado en las instalaciones de la compañía.

 Por otro lado, a diferencia de las figuras anteriores, la Figura 9 muestra un modelo 3D de estructura proyectada de chancadoras, en un área establecida del proyecto en donde también se puede observar la topografía del lugar.

En total, se han validado cerca de 20 mil componentes desarrollados, es decir, se validó que su contenido posea los siguientes atributos: nombre, descripción, información técnica y representación 3D.

Caminata del proyecto

El modelo permitió realizar una caminata virtual de todo el proyecto por parte de los ingenieros desarrolladores y aportantes de las especialidades de ingeniería utilizando los Hololens y a partir de la vinculación con realidad virtual (Figuras 10 y 11). Por otro lado, esta visualización 3D permitió explicar a las personas no relacionadas directamente al proyecto, las ubicaciones, infraestructura, límites para tener una mejor perspectiva del proyecto así como su importancia.

Detección de Interferencias

Antamina es una compañía minera que inició su operación a nivel comercial en 2001. Se trata de un brownfield, quiere decir, que la instalación de la nueva infraestructura debe ser cuidadosamente planeada para no interferir las instalaciones actuales. En 2011, durante la fase de construcción del programa de expansión de Antamina, un aprendizaje fundamental fue el tratamiento de más de 1,580 tie-ins necesarios para expandir las facilidades existentes. Este esfuerzo requirió el desarrollo de ingeniería en terreno y un gran esfuerzo en costos, recursos y planificación que puso en riesgo la producción y la seguridad por falta de detalle en las ingenierías. Debido a esto los modelos BIM ayudarán a detectar interferencias tempranas en las fases de diseño de ingeniería para restructurar o modificar las nuevas instalaciones en el modelo y no llegar hasta momentos tardíos en etapas de construcción. 

Expectativas a futuro

Antamina, como parte de su política de innovación tecnológica pretende expandir el uso de BIM en proyectos futuros, con el objetivo de incrementar la eficiencia y colaboración en su personal. Además, de utilizar un modelo central para sus proyectos que puedan ser consultados y utilizados a lo largo de su ciclo de vida (desde la fase de diseño hasta la construcción y posteriormente en la operación).

Así, al trabajar en un modelo centralizado, se generará una reducción en la documentación manejada al fusionar las bondades de modelos 3D, 4D y 5D, pues se tendría información sobre materiales, cronogramas y costos. De igual forma, se crearía una nueva filosofía de trabajo con diseños de ingeniería, donde Antamina sería el dueño de sus modelos BIM, y alimentaría metadatos y diseños según las distintas especialidades requeridas en proyectos futuros, tanto en el campo de prefactibilidad, factibilidad y transferencia a la vicepresidencia de Ingeniería y Proyectos.

Conclusiones y recomendaciones

Se concluye lo siguiente:

1.   La metodología BIM es un método colaborativo que busca conectar personas, procesos y modelos digitales para optimizar la gestión de las distintas fases del diseño de un proyecto con el objetivo de mejorar la costo-efectividad del mismo, no es de reciente creación, pero su utilización en grandes proyectos de ingeniería ha venido incrementándose en los últimos años, por los beneficios probados que ofrece.

2.   BIM tiene hasta siete dimensiones, cada una con un propósito bien definido y orientado a cubrir una necesidad. La recomendación es implementarlas en los proyectos de manera paulatina. Si se trata de un piloto se puede incorporar las siete dimensiones en un escenario controlado.

3.   A partir de lo desarrollado en Compañía Minera Antamina se ha logrado la creación de alrededor de 20 mil elementos existentes y proyectados para los proyectos Crushing and Conveying System y Debottlenecking 145 kt/d.

4.   Otras tecnologías que acompañan a la implementación de BIM fueron el escaneo de nube de puntos, vuelos con drones y el uso de realidad virtual.

5.   Para la definición de un caso de negocio es necesario la identificación de beneficios como ahorros en la documentación, pero el mayor valor que debe de ser cuantificado son las mejoras en la integración de los equipos de ingeniería para los proyectos actuales, pero sobre todo, para futuras modificaciones del brownfield.

6.   La relevancia de modelos BIM recae en la optimización de diseños futuros basados en el manejo de una única fuente de información, cuyos beneficios principales son las mejoras en las nociones de colaboración entre partes involucradas del proyecto, reducción de interferencias, optimización de las definiciones y cambios en la etapa de diseño, disminución de costos proyectados en las fases de construcción del proyecto, incremento de la predictibilidad de resultados, y, la generación de un modelo central que puede ser utilizado en etapas y proyectos posteriores.

Bibliografía

Eastman, C.M., Jeong, Y., Sacks, R., Kaner, I. 2010. Exchange model and exchange object concepts for implementation of national BIM standards. Journal of Computing in Civil Engineering, v. 24, p. 25-34.

Gonzáles, C. 2015. Building Information Modeling: Metodología, aplicaciones y ventajas. Casos prácticos en gestión de proyectos. Universidad Politécnica de Valencia, p. 1-96.

Ho, S.P., Tserng, H.P., Han, S.H. 2013. Enhancing knowledge sharing management using BIM technology in construction. The Scientific World Journal, v. 2013, p. 1-10.

Muñoz, F., Vielma, J.C., Herrera, R.F., Carvallo, J. 2019. Methodology for Builing Information Modeling (BIM) Implementation in Structural Engineering Companies (SECs). Advances in Civil Engineering, v. 2019, p. 1-16.

Porras, H., Sánchez, O.G., Galvis, J.A. 2014. Metodología para la elaboración de modelos del proceso constructivo 5D con tecnologías “Building Information Modeling”. Revista Gerencia Tecnológica, v. 14, p. 58-73.

Taboada, J., Alcántara, V., Lovera, D., Santos, R., Diego, J. 2011. Detección de Interferencias e incompatibilidades en el diseño de proyectos de edificaciones usando tecnologías BIM. Revusta del Instituto de Investigaciones de la Facultad de Geología, Minas, Metalurgia y Ciencias Geográfica, v. 14, p. 1-9.


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