核電施工數(shù)字化需求研究

林達(dá)平 張手琴 王付軍

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)是利用三維軟件進(jìn)行物項(xiàng)布置，利用軟件展示核電站模型，施工人員通過瀏覽模型，對整個(gè)核電站全景有簡單的認(rèn)識，從而達(dá)到輔助施工的目的。然而，這種工作模式浪費(fèi)了三維模型的功能，不能滿足核電施工的需求。隨著核電技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)國家各個(gè)公司越來越注重核電站的智能化和數(shù)字化，由此提出了“數(shù)字核電站”的概念。數(shù)字核電站是指以數(shù)字化方式表示核電站中的各類物項(xiàng)，與實(shí)體核電站相對應(yīng)。與傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)相比，數(shù)字核電站不僅重視核電站的模型，更重視依附在其模型中的數(shù)據(jù)。在數(shù)字核電站中，涵蓋了各系統(tǒng)、設(shè)備、構(gòu)筑物的外形尺寸，以及其所涵蓋的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)屬性、安裝邏輯、運(yùn)行方式等，形成了基于數(shù)字化的虛擬核電站，以滿足核電站設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、運(yùn)行、老化管理直至退役與環(huán)境治理的多方位綜合需求。

現(xiàn)階段，國內(nèi)核電設(shè)計(jì)院大多依托于PDMS（Plant Design Management System）軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。搭建三維設(shè)計(jì)平臺，在平臺內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)管理，并將設(shè)計(jì)成果輸出到現(xiàn)場的施工建造，對于核電施工可以產(chǎn)生巨大的效益。利用三維設(shè)計(jì)平臺的施工模擬，有助于優(yōu)化施工方案，減少返工，提高施工質(zhì)量。為了將數(shù)字化核電設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)和施工要求，便需要對現(xiàn)場施工數(shù)字化需求進(jìn)行分析研究，以實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)平臺與項(xiàng)目現(xiàn)場的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。

1 核電施工數(shù)字化現(xiàn)狀

現(xiàn)有核電施工數(shù)字化應(yīng)用現(xiàn)狀如下：

（1）設(shè)計(jì)院使用的三維設(shè)計(jì)模型（例如PDMS模型）對計(jì)算機(jī)和人員的需求較高，其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能在施工現(xiàn)場施不需要的，現(xiàn)場施工人員更多關(guān)注軟件的模型瀏覽功能。

（2）現(xiàn)場施工管理系統(tǒng)與三維設(shè)計(jì)平臺無關(guān)聯(lián)，施工人員在施工管理系統(tǒng)手動(dòng)錄入圖紙信息、計(jì)劃協(xié)調(diào)、現(xiàn)場預(yù)制、安裝進(jìn)度報(bào)量、質(zhì)量監(jiān)督管理等數(shù)據(jù)以進(jìn)行項(xiàng)目施工管理。在施工現(xiàn)場，施工單位往往需要安排專人進(jìn)行信息的錄入和審核，而這些信息大多已經(jīng)存在與三維設(shè)計(jì)平臺中，這些機(jī)械性、重復(fù)性的工作完全可以與三維設(shè)計(jì)平臺中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對接共享并按需導(dǎo)入。

（3）現(xiàn)場施工管理系統(tǒng)無法從三維設(shè)計(jì)平臺中獲取需要的設(shè)計(jì)信息，而設(shè)計(jì)人員在三維設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也無法了解現(xiàn)場的施工進(jìn)度、施工需求等施工情況。

（4）現(xiàn)場施工單位在施工時(shí)，需要根據(jù)施工圖紙進(jìn)行施工分析，對圖紙進(jìn)行技術(shù)分解，開啟質(zhì)量計(jì)劃，并實(shí)施施工。現(xiàn)場施工無法離開施工圖紙，無法利用三維設(shè)計(jì)平臺的模型及施工數(shù)據(jù)直接進(jìn)行核電施工。

（5）對于施工模擬和動(dòng)畫功能的需求，目前三維設(shè)計(jì)平臺還不夠完善，操作較為復(fù)雜。

2 核電施工數(shù)字化需求

2.1 總體需求

將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程和施工過程，即打通三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同施工管理數(shù)據(jù)的接口?，F(xiàn)場施工人員可以根據(jù)現(xiàn)場施工對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的需求，從先進(jìn)三維設(shè)計(jì)平臺中準(zhǔn)確查詢并獲取需求的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)先進(jìn)三維設(shè)計(jì)平臺還可以利用輕量化模型瀏覽和模擬驗(yàn)證功能，對現(xiàn)場施工技術(shù)方案進(jìn)行指導(dǎo)，對現(xiàn)場施工質(zhì)量控制等信息進(jìn)行管理。

2.2 應(yīng)用需求

（1）根據(jù)現(xiàn)場施工單位對三維設(shè)計(jì)平臺的數(shù)據(jù)需求，定制三維設(shè)計(jì)平臺適用于現(xiàn)場施工的模型輸出，剔除現(xiàn)場施工不關(guān)心的數(shù)據(jù)和功能，對三維設(shè)計(jì)平臺的模型輸出進(jìn)行輕量化處理，以降低模型對計(jì)算機(jī)性能的需求。同時(shí)對模型操作進(jìn)行優(yōu)化，使得發(fā)送到現(xiàn)場的輕量化模型易于上手，滿足現(xiàn)場施工的模型瀏覽和數(shù)據(jù)查詢等需求。

（2）構(gòu)建三維設(shè)計(jì)平臺與施工管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，對于已在三維設(shè)計(jì)平臺中存在的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以方便地查詢并導(dǎo)入現(xiàn)場施工管理系統(tǒng)，以減少施工人員手動(dòng)錄入的工作量和錯(cuò)誤率。由于施工單位各專業(yè)都有自己的數(shù)據(jù)庫，對各自數(shù)據(jù)庫的管理維護(hù)需求不一致，因此，需要結(jié)合現(xiàn)場專業(yè)的需求，制定符合設(shè)計(jì)和施工的數(shù)據(jù)規(guī)范，使這些數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地查詢和導(dǎo)出。

（3）材料管理，包括材料匯總、材料采購和材料分發(fā)，是施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是施工過程中最為煩瑣的工作之一。優(yōu)化三維設(shè)計(jì)平臺中的材料統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以SSC結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的材料架構(gòu)，使三維設(shè)計(jì)平臺能夠方便地對不同廠房、不同房間、不同系統(tǒng)、不同專業(yè)的材料統(tǒng)計(jì)，對施工項(xiàng)目材料管理進(jìn)行數(shù)據(jù)支持。其次，由于在項(xiàng)目周期內(nèi)，各專業(yè)物項(xiàng)存在變更的可能，材料統(tǒng)計(jì)始終在不斷地變動(dòng)當(dāng)中；或者現(xiàn)場經(jīng)常由于現(xiàn)場缺貨、而物項(xiàng)采購周期長無法施工，采用同一項(xiàng)目廠址借用已建項(xiàng)目材料的解決辦法。因此，應(yīng)在三維設(shè)計(jì)平臺中搭建完整的材料庫，包含現(xiàn)場使用的所有材料，為了材料管理的準(zhǔn)確，需要將設(shè)計(jì)院變更、施工單位變更導(dǎo)致的材料信息都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需要關(guān)聯(lián)三維設(shè)計(jì)平臺和現(xiàn)場施工管理系統(tǒng)，提取現(xiàn)場材料數(shù)據(jù)庫，做到實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)統(tǒng)計(jì)，為設(shè)計(jì)和施工協(xié)同提供便利。

（4）三維設(shè)計(jì)平臺也可以從施工管理系統(tǒng)提取施工進(jìn)度、施工計(jì)劃等工程信息，以方便設(shè)計(jì)人員能夠依據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)度，使得設(shè)計(jì)進(jìn)度和施工進(jìn)度相匹配。通過接口，三維設(shè)計(jì)平臺可以從施工管理系統(tǒng)中提取現(xiàn)場預(yù)制、材料庫存、施工難度等情況，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，選擇最優(yōu)的變更方案。建立施工進(jìn)度計(jì)劃關(guān)聯(lián)的三維模型，通過觀看施工過程，可以驗(yàn)證計(jì)劃條目間的邏輯關(guān)系，觀察是否出現(xiàn)施工邏輯錯(cuò)誤，對不合理工作條目進(jìn)行調(diào)整并反映到最佳方案中，并能使計(jì)劃在執(zhí)行過程中得到有效的控制和監(jiān)督。

（5）現(xiàn)階段，現(xiàn)場施工無法離開施工圖紙，因此，三維設(shè)計(jì)平臺應(yīng)該具備出圖功能，輸出現(xiàn)場施工所需的施工圖。根據(jù)現(xiàn)場對不同專業(yè)的施工圖的需求，三維設(shè)計(jì)平臺應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)出圖定制。從長遠(yuǎn)角度來看，施工單位應(yīng)考慮采用數(shù)字化施工，直接利用三維設(shè)計(jì)平臺的模型數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行施工，預(yù)計(jì)可以大大提高安裝施工效率，并降低工程造價(jià)。

3 需求分析

對核電施工數(shù)字化現(xiàn)狀和需求進(jìn)行歸納，可以將核電施工現(xiàn)場的數(shù)字化需求總結(jié)為以下三點(diǎn)：

（1）功能完善：現(xiàn)階段核電設(shè)計(jì)主要依托于PDMS搭建三維設(shè)計(jì)平臺，但是由于PDMS自身的功能不夠完善，為了優(yōu)化三維設(shè)計(jì)平臺的使用功能，便需要在PDMS的基礎(chǔ)上開發(fā)適用于現(xiàn)場施工的平臺功能；

（2）成果輸出：利用三維設(shè)計(jì)平臺，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表單、設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)模型的輸出，這些數(shù)字化交付成果可以直接用于現(xiàn)場的施工，在搭建三維設(shè)計(jì)平臺時(shí)，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的需求，輸出現(xiàn)場施工需要的數(shù)字化成果；

（3）搭建接口：搭建三維設(shè)計(jì)平臺和現(xiàn)場施工管理的接口，將設(shè)計(jì)情況與現(xiàn)場施工情況相關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場施工管理可以通過三維設(shè)計(jì)平臺獲取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，三維設(shè)計(jì)平臺可以通過現(xiàn)場施工管理獲得施工進(jìn)度、施工計(jì)劃等工程信息，以及材料庫存、施工難度等施工情況，方便設(shè)計(jì)與施工的交互聯(lián)通。

4 結(jié)論

對核電施工數(shù)字化現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，對數(shù)字化需求進(jìn)行分析，將核電施工現(xiàn)場的數(shù)字化需求總結(jié)為功能完善、成果輸出、搭建接口三個(gè)方面，為搭建三維設(shè)計(jì)平臺提供指導(dǎo)。依據(jù)現(xiàn)場需求，為三維設(shè)計(jì)平臺搭建相關(guān)的功能提供基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)三維設(shè)計(jì)平臺到現(xiàn)場施工的傳遞，提高施工質(zhì)量和施工效率，完善數(shù)字核電站的建設(shè)。