BIM在垃圾電廠全生命周期中的應用

文｜北京城建集團有限責任公司 陳凱琦 王建飛 韓達

近年來，隨著生活垃圾的急劇增加，我國固廢處理行業得到快速發展，已基本形成“焚燒為主，生化為輔，填埋兜底”的垃圾終端處理格局，垃圾焚燒電廠工程的建設正如火如荼。作為電力系統的重要組成部分，并結合其自身的屬性特點，垃圾焚燒發電工程設計、施工、運營重難點突出。設計時需考慮電廠與周邊環境的融合，以“鄰避”變“鄰利”；施工時存在超高超限模板支撐體系、深基坑、懸挑腳手架等危大工程和超長結構大體積混凝土防滲抗裂、垃圾倉防腐、高空鋼架拼裝吊裝等復雜施工工藝；傳統電廠管理效能低下，智慧化運維需求迫切，同時在施工與運維中表現出較多的安全隱患，如機械設備、用電以及消防系統等方面的安全隱患。此外，作為大型工業廠房，其建設還存在工期緊、任務重，專業交叉施工多、協調難度大，大型工業設備安裝控制要求高，各專業管線錯綜復雜等特點。因此，對于垃圾焚燒電廠項目，在設計、施工、運營全過程及項目精細化、智慧化管理等方面都有較高要求。

BIM（Building Information Modeling）

技術是近些年建筑行業廣泛應用的新技術，是對工程物理特征、功能特性的數字化展現，在建筑物全生命周期內為項目各利益方提供共享信息和輔助決策[1]。其通過計算機技術的工具優勢與項目工程參數的有機整合，建立涵蓋項目全部信息的三維工程數據模型[2]，具有降低成本、提高效率、縮短工期、提高安全性、減少返工、改進決策、可視化等顯著優點[3,4]。因此，通過BIM 技術的介入，對推動垃圾焚燒電廠全生命周期建造向精細化、數字化、智慧化轉型，具有重要意義。

1 項目概況

本工程為北京某特大類垃圾焚燒電廠，垃圾處理規模為5100t/d，采用6 臺850t/d機械爐排爐和3 臺45MW 汽輪發電機組，煙氣凈化系統采用“SNCR 爐內脫硝（尿素溶液）+半干法旋轉噴霧脫酸（Ca(OH)2漿液）+活性炭噴射+干法脫酸（Ca(OH)2干粉）+布袋除塵器+煙氣再加熱+SCR 脫硝（尿素溶液）”組合工藝。垃圾焚燒主廠房分兩列布置，按垃圾處理工藝流程由南向北依次為卸料間、垃圾倉、焚燒間、煙氣凈化間，主控廠房、汽機廠房、升壓站、煙囪布置在兩組主廠房之間。主廠房結構類型為鋼筋混凝土框排架結構、鋼排架結構，基礎為后注漿鉆孔灌注樁。

圖1 垃圾焚燒電廠主廠房平面布置圖

2 BIM 技術在垃圾電廠全生命周期中的應用

2.1 BIM 技術在垃圾電廠設計階段的應用

2.1.1 協同設計

電廠工藝流程復雜，設計專業眾多，包括建筑、結構、給排水、暖通空調、電氣、熱動、設備等多個專業，不同專業間信息的準確交互是電廠設計的關鍵。協同設計是BIM 最基礎的應用，其最大優勢便是能夠實現各專業間的可視化溝通，使離散的分步設計轉向基于同一模型的全過程整體設計。各專業設計人員在自己習慣的設計界面下，獨立完成本專業主體文件的設計，然后將其模型鏈接到統一的三維協同設計平臺。各專業在進行修改、優化設計方案時，會即時同步更新在平臺模型上，保證信息的準確傳遞，破解傳統設計各專業間的信息孤島，減少潛在的錯、漏、碰、缺等設計問題，提高出圖質量。

2.1.2 三維可視化

“鄰避”現象一直伴隨著垃圾焚燒電廠的發展，電廠在規劃設計之初越來越重視去工業化，需要創新的建筑設計使工廠和周邊環境融為一體，使垃圾電廠展現出科技、生態和藝術的融合，減少城市環境的“視覺污染”。利用BIM 技術的三維可視化，對建筑的外立面進行建模，直觀的表達出建筑物的幾何特征，宏觀上展現出建筑物與周邊環境的融合，便于不同設計方案的比選。本工程基于“能量塊”的設計理念，以簡潔干練的幾何形體勾勒出內部功能形態，通過大尺度建筑體塊的巧妙穿插，組合成富有力量感和雕塑感的體量關系，表達出充滿能量感的建筑特點，以及工業建筑特有的理性美學。

2.1.3 仿真模擬

在垃圾電廠廠房設計中，環境的變化對廠房本身的影響很大。本工程通過BIM及模擬分析軟件，對建筑的熱環境、噪聲、日照、陰影遮擋等進行分析，并據此優化設計方案?；贐IM 技術，將綠色節能生態的理念融入建筑環境分析中，以實現如增強空氣質量、減少噪聲、降低能耗等方案的優化設計，為低碳可持續、健康舒適度高的建筑環境設計提供極大便利。

2.1.4 工藝流程模擬

基于BIM 技術，構建設備、管線等一系列模型及族庫，真實模擬垃圾焚燒發電過程中焚燒、余熱回收、發電、煙氣凈化等工藝流程，讓業主身臨其境感受工藝方案，直觀評估方案特征，做出最佳決策，并方便后期施工和運維人員熟悉工藝流程。

2.2 BIM 技術在垃圾電廠施工階段的應用

2.2.1 BIM+GIS 智慧工地管理平臺

基于BlM+GIS 智慧工地管理平臺，融合多源BIM、GIS 數據，以GIS 數據為宏觀基礎，以BIM 數據為應用核心，同時結合物聯網、大數據、云計算、移動互聯等技術，實現視頻監控、人臉識別、環境監測、智能用電、物料管理、人員管理、車輛管理、機械設備管理等綜合施工調度管理系統，提升生產組織效率，輔助項目對安全及環境的有效管控，提升項目的管理水平。

2.2.2 大體積混凝土實時溫度檢測、應力檢測與預警

垃圾池是垃圾儲存、發酵和滲濾液收集的主要構筑物，其所處的腐蝕環境較為惡劣，運行期間一旦發生泄漏，將帶來嚴重的環境污染問題，因而要求其具有良好的防滲抗裂性能。本項目垃圾池尺寸為83.4m×32m（部分底板1500mm 厚），屬于超長結構大體積混凝土施工。項目根據施工圖紙建立BIM 模型并將大體積混凝土應有的參數指標進行錄入（如混凝土強度，傳熱系數、熱阻、熱質量、吸收率等），通過BIM 二次開發建立一個可以集成存儲BIM 數據與傳感器監測數據的數據庫，并通過可視化的形式實時展示混凝土溫度、應力情況；可以將監控部署方案導入、設置預警閾值等；對現場采集的數據信息進行實時同步更新；可查詢、調取溫度、應力的歷史數據。

圖2 垃圾焚燒電廠建筑外立面三維效果圖

2.2.3 基于BIM 結合人工智能技術的鋼筋線性規劃下料

通過人工智能工具對鋼筋原料分割進行線性規劃計算并應用于復雜節點的下料。首先寫出初始形表；其次，進行第一判別定理檢測，通過檢測得到最優解，結束運算。未通過檢測進行第二判別定理檢測，以此類推。通過本項目地下基礎施工中的承臺、短柱等上百條數據作為學習樣板，搭建鋼筋線性規劃的數學模型，并通過本項目后期復雜節點的鋼筋下料作為驗證樣板，對前期規劃好的數學模型進行校對。調整影響因子和權重，最終形成正式版的數學模型。通過BIM 技術進行數據歸類與整理，人工智能計算部分通過TensorFlow 進行神經網絡數學模型的搭建。通過此應用實踐，實現對現場鋼筋下料起到輔助計算的作用。

2.2.4 基于BIM 設備安裝組裝模擬

鋼架是焚燒爐、余熱爐主要的支撐結構，主要分布在鍋爐本體安裝范圍內，本項目鍋爐鋼架施工采用現場設備地面組對拼接，集中吊裝的方法。利用BIM 技術制作3D 動畫，對鋼結構組合及安裝吊裝順序進行技術交底，并提前利用BIM 對組合鋼架重量進行計算，保證現場吊裝的安全性。

汽輪發電機組設備重量大、體積大、吊裝難度大、零配件多、安裝精度要求高。為了提高裝配質量，減少預裝配的次數，加快裝配進程，針對該技術難點，利用BIM 技術對汽輪機的裝配進行模擬演示，方便裝配人員對汽輪機構造和裝配精確了解，實現快速裝配。同時模擬組裝動畫也為后續運行維護和檢修提供了非常好的參考和指導。

圖3 垃圾焚燒發電工藝流程模擬

2.2.5 管線綜合與碰撞檢測

主廠房內各專業管線及橋架眾多，綜合管線存在與鋼構、設備的碰撞及廠區墻面、吊頂、門窗和通道的干涉，同時還需考慮美觀和檢修的便利性，故在模型優化和解決碰撞方面難度較大[5,6]。根據設計院提供的圖紙，建立BIM 機電深化模型，通過 BIM 碰撞檢測，提前發現管線沖突，從而優化管線布置，逐一消除碰撞，減少施工現場返工量。此外，在管綜深化模型基礎上，項目利用BIM 進行管線綜合支吊架排布，優化綜合支架方案，節約成本、加快施工進度、提高觀感質量。

2.2.6 輔助方案論證

垃圾倉從23.3m 至46.3 米高度中間無樓板，框架結構四口五臨邊圍護較多，且在池體靠近鍋爐側落地腳手架與后續設備安裝施工存在交叉作業，需在垃圾池23.3m 層設置封閉懸挑式腳手架，懸挑高度19.8m。因此，架體搭設成為施工中的難點。通過BIM 建模輔助方案設計、計算，并配合現場放樣，對施工方案模擬優化，提高方案的經濟性、安全性。

圖4 主控廠房管線綜合排布

2.3 BIM 技術在垃圾電廠運營階段的應用

在電廠運維階段，以BIM 竣工模型為載體，整合各種機電設備參數，并集成物聯網、云技術等數字化技術，構建電廠智慧運維云平臺，為電廠的運維管理提供智慧化、精細化、可視化支撐，提高運維管理水平。

2.3.1 設備運行維護

鍋爐、汽機、煙氣凈化設備、風機、水泵以及各種熱工儀表的正常運行，是保證電廠安全生產、環保達標的關鍵。利用BIM 技術的三維可視化、空間定位和數據記錄的優勢，在設備故障時，可以快速定位和查看設備基本信息，快速獲取設備維修、保養等表單信息，設備日常運維產生的各種業務數據會不斷的記錄在數據庫中，運維人員可通過檢索和學習來解決故障問題，提高效率。

2.3.2 能耗管理

基于BIM 結合物聯網技術，通過在系統末端安裝智能電表、多功能水表、遠傳氣表等，實現對垃圾電廠內能耗數據的實時監測、采集、分析，并對異常能源使用情況進行警告或標識，及時發現運行中存在的能耗異常，減少用能的“跑、冒、滴、漏”。除此之外還可以實現廠內溫度的遠程監測，分析廠內的實時溫濕度變化，配合節能運行管理。

2.3.3 災害應急模擬

利用BIM 及相應災害分析模擬軟件對可能發生的場景進行預案設置，并進行BIM 模擬預演[7]。本工程主控廠房部分展廳和參觀走廊設置濕式自動噴淋系統，當發生火災時，通過火災探測器感應著火信息，BIM 信息模型界面中即時發出火災預警警報，并迅速定位著火區域，控制中心可及時查詢相應周圍環境和設備情況，以選擇最佳逃生路線，最快組織人員疏散逃生。還可通過無線網絡將現場信息實時傳輸至消防人員手中的BIM 移動設備，使其快速制定合理的救援方案，更好的開展救援工作。

2.3.4 隱蔽工程管理

運維人員可以通過BIM 模型直觀地掌握垃圾電廠內隱蔽工程的情況，特別有利于地下管網的運維管理。垃圾電廠地下管線復雜，涉及生產用水、工業冷卻水、循環冷卻水、生活給水、市政自來水、雨污水、滲濾液、消防用水、除鹽水、電纜、油管等管線及相關閥門、井室。通過對隱蔽工程的數據監測，一旦出現管網泄露，能迅速在模型上定位并查詢相關管線信息，方便運維人員維修。另外，當項目需要擴改建時，也能準確地對施工范圍內的管線進行合理避讓。

3 結語

信息技術時代的來臨為環保建設事業帶來新的機遇，在垃圾焚燒發電工程的設計、施工、運營的全生命周期中應用BIM技術，極大地提高各利益相關方的工作效率，減少工程的建設周期，降低建設和運營成本，加快電廠的投產的步伐，為未來建成數字化的“智慧電廠”打下了堅實的基礎。