“華龍一號”土建工程數字化建造技術應用

李 兵,范桂斌,邵克軍,王紅勝,王旋旋,楊 霞

(中國核工業二四建設有限公司,北京 101601)

1 項目概況

“華龍一號”為我國具有完全知識產權的三代核電堆型,設計采用能動＋非能動系統雙層安全殼,最大電功率能達115萬千瓦時。與同等規模的煤電站相比,可減少標煤消耗約250萬噸,減少二氧化碳排放約600萬噸。

福清核電站5、6號機組為 “華龍一號”示范工程,位于福清市三山鎮西南前薛村的岐尾山前沿,東、南、西三面環海,東北與福清陸地連接。建設有2臺百萬千瓦級壓水堆型核電機組,廠區一次規劃,連續建設,正式工程占地面積近25萬平方米,包含了反應堆廠房、汽輪機發電廠房、循環冷卻水泵房等數十座廠房,其核島混凝土澆筑量是二代改進堆型的3.0倍,鋼筋量是4.0倍,預埋件是2.7倍,建筑面積是2.5倍。建設用生產臨建區地面積達到19萬平方米,生活臨建占地8.8萬平方米,現場布置塔吊30余臺,參與建設的人員有上萬人。其中5號機組為“華龍一號”全球首堆,于2015年5月7日正式開工建設,總工期62個月。

2 數字化建造技術應用現狀及布局

2.1 “華龍一號”數字化建造技術應用現狀

福清核電 “華龍一號”5、6號機組建設籌備建設階段,數字化建造技術已開始在 “華龍一號”有了初步的應用,隨著項目建設的正式啟動,數字化建造技術應用趨于成熟,成為 “華龍一號”建設的助力,在應用的過程中技術人員需結合項目建設需求對所引進的數字化建造技術有針對性的進行二次開發或優化,經過試驗或試點應用后,開始大面積推廣,目前福清核電 “華龍一號”已應用成熟的數字化技術包括多項目信息系統 (ENpower)的應用、BI M技術、現場塔吊防碰撞技術、數據加密保護管理系統、在線考試系統、現場人員定位管理系統、人臉識別系統、鋼板數字化切割、鋼筋聯動設備、鋼襯里模塊化技術等十余項,涵蓋了項目建造階段技術、質量、安全、進度、勞動力、機械設備管理等各方面。

2.2 “華龍一號”數字化建造技術應用布局

考慮 “華龍一號”土建施工建造階段整體布局,從項目管理的各方面對數字化建造技術進行全面布局,以 “先整體后局部,先研究后應用,先試點后實施”為原則,結合項目發展需求,和行業前沿技術,完成總體布局計劃和技術應用優化,首先解決當前急需問題,而后對細節和提升問題進行深入研究,不斷優化提升數字化建造技術應用的效率和效益。“華龍一號”土建施工項目管理數字化建造分階段布局,具體如下。

第一階段:在土建施工準備階段,研究及應用多項目信息系統 (ENpower)、BI M技術、在線考試系統,對項目管理過程進行把控,對項目管理人員進行業務能力培訓、考核、提升。同時,對數字化建造技術中其他技術開展調研分析和應用研究,啟動有關項目的內外部科研項目立項和研究工作,部署數據加密保護系統,加強知識產權、數據保密管理。

第二階段:基礎施工階段,采購鋼筋聯動設備、鋼板數字化切割設備,布置塔吊防碰撞系統,完成鋼襯里模塊化技術策劃。布置人臉識別系統、遠程監控系統、現場人員定位系統,對現場勞務人員進行考勤管理,對施工過程進行記錄和管理。部署塔吊防碰撞系統,以保證密集塔吊群的運行安全。

第三階段:主體結構及后續施工階段,結合數字化建造技術應用過程中的問題和項目使用人員提出的需求,對已應用的數字化技術進行優化改進或二次開發,不斷提升數字化建造技術應用水平。

3 數字化建造技術研究及應用

3.1 數字化建造多項目信息化管理系統ENPower的研究及應用

目前,核電項目中一些成熟有效的管理模式或者管理方法,往往受制于核心人才流失的制約,無法進行有效的保留和推廣,如能實現一套標準化的管理流程,實現可復制的標準化管理模式,支持企業整體管理能力的提升,將大大降低對核心人才的依賴。而通過ENPower系統的應用實施,實現了可復制的標準化管理模式,支持“華龍一號”建設項目整體管理能力的提升,其中文件管理、物項管理、計量管理、加工計劃管理、進度管理、混凝土管理、質量管理、安全管理等模塊的應用更加規范了 “華龍一號”土建施工管理信息化管理模式,為 “華龍一號”建造積累施工數據和知識經驗。

在福清核電 “華龍一號”土建施工中,多項目信息管理ENpower系統覆蓋了 “華龍一號”施工管理的各個方面,包括安全、質量、進度、技術、商務等,項目管理文件審批流程均在系統中完成,在每個板塊的應用過程中,均可結合實際需求不斷進行優化,簡化軟件操作方法,不斷提高項目管理效率。同時,ENpower系統的可持續優化性,為項目管理模式的不斷優化提供了良好的發展平臺,解決項目管理基本問題后,可結合項目管理實際需求對該系統進行合理的二次開發,如增加裝飾管理、鋼結構管理、焊接管理、工程檢測管理等。

ENPower系統開發過程需遵循PDCA原則,以 “事前有計劃,事中有控制,事后有考核”為切入點,實現了企業精細化的閉環管理。開發的鋼筋下料板塊,能夠實現智能打印鋼筋料牌、自動計算鋼筋工程量功能;開發的物項管理板塊,能夠對物項流轉的全過程進行實時跟蹤,對物項成本進行智能分析。

ENPower系統開發在把握全局的前提下,尚需從細處著手,如實現的計量器具、工機具異常狀態預警功能等一系列自動化管理功能,極大程度地優化了 “華龍一號”土建施工管理模式。其界面如圖1所示。

圖1 ENPower系統工作界面Fig.1 ENPower systeminterface

3.2 數字化建造技術在人力資源和安全方面管理的研究及應用

3.2.1 人力資源管理方面

在勞務人員進場入口處設置人臉識別系統進行考勤管理和記錄,將現場勞務人員信息錄入系統,每日對入場人員通過人臉識別進行記錄,相比較指紋打卡,入場效率更高,形成的人員信息記錄更全面。在建設初期,采用在線考試系統提升項目管理人員業務能力,首先由項目各職系人員結合業務管理需求,制作題庫后,由信息系統管理員錄入系統,參與項目管理人員經授權后可進入系統,可在線練習、考試、查詢等,經過培訓后的考試或日常業務能力考試均可利用在線系統進行,系統可自動打分,統計考試分數,相較傳統的紙質試卷考試,工作效率和準確率均較高。如圖2所示。

圖2 在線考試系統Fig.2 On-line exa mination system

采用人員定位系統對勞務人員和現場管理人員的活動軌跡進行跟蹤,通過人員定位系統,按子項、廠房精確測算各區域真實的勞動力投入,實現核電建造的全過程、全工種的精確數據分析統計。通過人員安全監控系統客戶端實時查詢各區域工種的班組信息、持證情況、血型信息、緊急情況聯系人、違章記錄等。安全管理人員可通過定位系統實施查看、掌握所有主體作業人員的運動軌跡,實現作業人員行為的跟蹤分析;在高風險區域設置電子圍欄對接近該區域人員實現自動報警。如圖3所示。

圖3 人員定位系統Fig.3 Personnel positioning syste m

3.2.2 安全管理方面

“華龍一號”核電土建施工中應用的塔吊防碰撞系統裝置由數據采取板塊、數據分析板塊、報警處理板塊以及軟件界面顯示板塊組成,通過電氣系統拼接、多次調試,將防碰撞系統與塔機自身的電氣系統組裝到一起。以前的防碰撞系統與塔機電氣系統是兩個獨立體,互不影響,防碰撞系統只能提醒,當塔吊轉到危險區域時還是可以一直繼續向危險方向前進,繼而發生事件。而“華龍一號”項目建造中,研究開發的防碰撞系統,已經與塔機自身的電氣系統相連,先是提醒,如果再向危險方向靠近,防碰撞系統會直接強行停止危險方向操作,這樣能夠有效避免解決塔機碰撞事故,并可提高施工現場的工作效率。如圖4所示。

圖4 塔吊防碰撞系統實時監控界面Fig.4 Real-ti me monitoring interface f or tower crane anti-collision system

為保證 “華龍一號”核電建設資料的安全,采用了軟件加密技術。通過數據防泄漏系統,可以對數據文件進行加密,并且加密的文件只能在內部網絡環境中打開,并且可以對文件的操作權限和傳播途徑進行控制,有效地保證數據的安全性。數據防泄漏系統的使用需要在電腦上安裝終端,通過服務器端的控制臺實現加密策略的設置,就可以對電腦上的數據文件進行加密。如果加密的文件需要解密必須通過解密流程,對數據文件的傳播進行控制。

3.3 數字化建造BI M技術應用

在 “華龍一號”核電土建施工中,結合項目建造實際需求,對BI M技術開展有針對性的技術開發,建立基于BI M的建筑工程多維管理體系,開展工程施工階段BI M的5D(三維＋進度＋資金)應用,同時對所應用的BI M軟件進行二次開發,建立 “華龍一號”核電土建施工數據庫,包括鋼筋、套筒、埋件、型鋼數據庫等,數據庫的建立可為三維建模提供便利,建模過程中標準構件只需要加載數據庫文件后點選即可,無需重新繪制模型,方便、快捷,建模效率更高。同時,可根據工程建設需求自行開發制作各種材料表模板,在工程量或構件加工計劃導出時,可根據實際情況加載后點選使用。

為了解決核電建設中鋼筋構造復雜,需要耗費大量時間進行鋼筋下料的問題,通過對BIM軟件進行二次開發,實現運用BIM軟件建模、制定相應下料規則來進行鋼筋深化下料設計,再將鋼筋翻樣數據的自動錄入ENpower信息化管理系統,鋼筋斷料自動計算,既縮短技術人員鋼筋翻樣、斷料計算、數據錄入的時間,又提高了鋼筋下料的準確性。其次在后續鋼筋加工、料牌制作等鋼筋下料管理過程,運用掃碼器、鋼筋聯動設備、鋼筋料打印機等信息化設備,使鋼筋加工過程自動化。經過這一系列的探索與改革,運用“BIM＋信息化＋智慧”使鋼筋下料及加工的全過程實現了智能化、信息化的變革。如圖5所示。

圖5 BI M料表導入ENpower系統流轉Fig.5 BI Mlist of materials trans mitted and circulated in the ENpower system

在福清核電 “華龍一號”建設現場,鋼板數字化切割設備有效的提高了鋼材加工的效率。將用BIM軟件完成的鋼結構模型,導出成Sigma NEST專業軟件能夠識別的CAD下料圖,采用Sigma NEST合理配置下料,與數字化設備連接,車間自動切割鋼板下料,最大限度地提高材料利用率,相同的產出,消耗更少的原材料合理利用了鋼材,效率更高,使用更安全。如圖6所示。

圖6 鋼板數字化切割設備Fig.6 Digital steel-sheet cutting equip ment

3.4 數字化建造設備應用

運用鋼筋剪切線聯動設備自動加工鋼筋,在軟件中批量輸入鋼筋,系統對鋼筋進行自動優化后配料,自動斷料,提高鋼筋的利用率。利用鋼筋彎箍機可自動加工箍筋,自動優化配料,批量加工生產,效率更高,如圖7所示。

4 結束語

隨著當今社會,人工成本的不斷提升,以數字化、智能化替代傳統手工業的智能建筑、數字化建造將迎來一股熱潮,如何在這場前所未有的變革中立足,在未來建筑業亦或是核電行業中迎來長足的發展,是我們值得深思的問題。

圖7 鋼筋聯動設備輸入界面Fig.7 The input interface of reinf orced bar linkage equip ment

福建福清 “華龍一號”核電土建工程建造過程,正引領核電建造走向一個全新的時代,將數字化建造貫穿始終,將技術革新和現場施工相結合,優化施工管理模式,運用新技術解決施工難題,保證項目建設有序進行;運用數字化建造技術優化項目管理模式,解決了管理和技術難題,提高了項目管理效率,為 “華龍一號”標準化建造奠定了基礎,對于核電建造的發展具有重要的意義,對我國核電的發展具有不可估量的價值。