探究三維數(shù)字化技術(shù)在火力發(fā)電廠基建期的應(yīng)用

吳正平

（國能神皖馬鞍山發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

基建工程管理是指從項目前期到后期，對項目的投資、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面進(jìn)行綜合管理，包括施工準(zhǔn)備、施工過程、竣工驗收等階段。傳統(tǒng)的基建管理主要采用紙質(zhì)資料方式，如現(xiàn)場施工日志、施工進(jìn)度計劃等。紙質(zhì)資料不僅格式固定且信息量小，難以快速查詢和統(tǒng)計；另外，在紙質(zhì)資料管理過程中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等問題。利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)進(jìn)行基建工程管理可以提升基建工程的管理水平和效率。首先，利用BIM技術(shù)建立三維數(shù)字電廠模型，以三維數(shù)字電廠模型為基礎(chǔ)開展基建項目全生命周期管理工作；其次，利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維可視化管理，從不同角度對基建項目進(jìn)行展示和分析；最后，利用BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計功能完成基建項目的設(shè)計變更管理工作[1-2]。

1 三維數(shù)字化技術(shù)在火力發(fā)電廠基建期的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 有效控制工程造價，實現(xiàn)變更索賠動態(tài)跟蹤

工程實施過程中可能出現(xiàn)各種設(shè)計變更，如果不能及時有效地處理這些問題，將會造成工期延誤和成本增加。采用BIM技術(shù)，可以根據(jù)構(gòu)件屬性對模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并準(zhǔn)確計算出構(gòu)件的工程量。在三維數(shù)字工廠平臺上對各專業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢查，可快速得出碰撞結(jié)果。通過軟件中的統(tǒng)計分析功能，可對各專業(yè)工程量進(jìn)行統(tǒng)計、匯總和分析。通過三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可直觀展示工程施工過程中的沖突部位及解決方案?？梢詣討B(tài)展示實際工程量與模型工程量之間的關(guān)系，并對施工過程中產(chǎn)生的變更、索賠進(jìn)行動態(tài)跟蹤和管理。

1.2 實現(xiàn)施工現(xiàn)場的三維數(shù)字化管理

電廠基建期的施工現(xiàn)場管理是保證工程順利施工、實現(xiàn)項目管理目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著三維數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，工程項目施工現(xiàn)場的管理手段也逐步由傳統(tǒng)的人工管理向以數(shù)字化信息為基礎(chǔ)的現(xiàn)場管理轉(zhuǎn)變。三維數(shù)字化技術(shù)可以將各類工程信息（包括設(shè)計、施工、監(jiān)理等）全部集成到虛擬空間，構(gòu)建一個三維數(shù)字空間，并可以通過各種網(wǎng)絡(luò)和通信工具進(jìn)行信息的收集、傳遞、共享和交換。施工現(xiàn)場的三維數(shù)字化管理平臺可以實現(xiàn)工程項目三維數(shù)字化技術(shù)在建設(shè)工程全生命周期內(nèi)的應(yīng)用，實現(xiàn)對項目工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本等方面進(jìn)行精細(xì)化管理，并為業(yè)主提供基于BIM數(shù)據(jù)模型的一體化管理平臺。

1.3 實現(xiàn)設(shè)計的三維交付

在基建工程中，由于現(xiàn)場條件的限制，常規(guī)的二維設(shè)計方案不能直觀展示各種設(shè)備的安裝位置，影響了施工人員對現(xiàn)場實際情況的掌握和施工方案的制定。為了解決這一問題，可以采用三維設(shè)計方案。在工程設(shè)計過程中，利用BIM技術(shù)，在計算機(jī)上創(chuàng)建三維建筑模型和設(shè)備模型，將模型導(dǎo)入到工程設(shè)計系統(tǒng)中，在系統(tǒng)中展示多個項目的建筑結(jié)構(gòu)、電氣和暖通、給排水等專業(yè)的設(shè)備布置圖和管線綜合圖，并可對設(shè)備進(jìn)行三維展示，通過對設(shè)備及建筑模型的三維展示，可以直觀地了解到建筑物內(nèi)每一項設(shè)備的具體位置及相關(guān)管線的布置情況。此外，通過對設(shè)備及建筑模型進(jìn)行碰撞檢查、工程量統(tǒng)計、材料統(tǒng)計等工作，可以對設(shè)計過程進(jìn)行優(yōu)化和管理。

1.4 仿真分析與虛擬漫游

在相應(yīng)的項目領(lǐng)域進(jìn)行建設(shè)前，先將項目目標(biāo)的3D虛擬模型上傳到項目數(shù)據(jù)庫中。在進(jìn)入數(shù)據(jù)管理平臺之后，火電廠參建部門、設(shè)計單位、施工單位以及監(jiān)理公司的技術(shù)人員可以利用3D虛擬工程模型的可視化展示功能，直觀、真實地了解火電廠工程建設(shè)的周邊環(huán)境、施工過程與優(yōu)化效果，還可以方便地查詢各有關(guān)工程對象的標(biāo)識系統(tǒng)編碼、設(shè)計參數(shù)、工程數(shù)據(jù)及其他有關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上，通過交互和可視化的方式，對工程進(jìn)行可視化的3D仿真，從而保障工程的建設(shè)進(jìn)程和質(zhì)量。

1.5 設(shè)計驗證及碰撞檢測

三維模型碰撞檢查是通過建立現(xiàn)實場景對應(yīng)的碰撞模型，在模型中以不同的視角對實際場景進(jìn)行碰撞檢測，從而發(fā)現(xiàn)潛在的碰撞沖突點。通過在三維數(shù)字工廠中進(jìn)行三維碰撞檢查，能夠快速發(fā)現(xiàn)建筑內(nèi)不同專業(yè)之間、不同管道之間以及設(shè)備與設(shè)備之間的碰撞問題，并且可以直觀地發(fā)現(xiàn)潛在的碰撞沖突，同時也可以對這些潛在的碰撞沖突進(jìn)行標(biāo)注和分類，并可通過修改模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過對三維模型的碰撞檢查，能夠使施工人員更加了解復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)中各專業(yè)、各設(shè)備的位置關(guān)系和相互關(guān)系，從而可以更加合理地組織施工，避免不必要的返工浪費。

2 三維數(shù)字化技術(shù)在火力發(fā)電廠基建期的具體應(yīng)用

2.1 項目概況

某大型火力發(fā)電廠是國內(nèi)較早引進(jìn)“大容量、高參數(shù)、超臨界、全數(shù)字”機(jī)組的工程項目。該項目由2臺660 MW超臨界燃煤機(jī)組組成，基建期設(shè)計的主要內(nèi)容包括初步設(shè)計、施工圖設(shè)計和施工。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是基于二維圖紙進(jìn)行設(shè)計，存在設(shè)計質(zhì)量不高、效率低下、成本高昂等問題。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，將三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于火力發(fā)電廠基建期設(shè)計中，有助于提高基建項目的設(shè)計質(zhì)量和效率，同時能夠有效解決基建管理中的諸多問題。該項目施工難度大、工期長，設(shè)計人員在基建管理方面遇到了一系列難題。一是工程施工難度大。電廠建設(shè)周期長，技術(shù)要求高，現(xiàn)場管理復(fù)雜。二是基建管理任務(wù)重?；ü芾砣藛T來自不同單位，協(xié)調(diào)難度大。三是信息共享不充分。基建項目參與方多，信息交互復(fù)雜。四是設(shè)計變更頻繁。施工階段存在大量的設(shè)計變更，且變更工作量巨大。五是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。不同的設(shè)計院采用不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致圖紙重復(fù)率高。

基于上述問題，本文提出一種基于三維數(shù)字化技術(shù)的基建項目數(shù)字化管理方法。該方法可以將火力發(fā)電廠基建期相關(guān)圖紙、竣工資料等信息存儲在三維數(shù)字化平臺上，并以此為基礎(chǔ)建立三維數(shù)字電廠模型及工程量統(tǒng)計分析系統(tǒng)。同時利用BIM技術(shù)實現(xiàn)基建項目全生命周期管理，包括工程概況、進(jìn)度計劃、資源計劃、設(shè)計變更管理、施工進(jìn)度管理等模塊，通過將數(shù)字化平臺與基建管理系統(tǒng)進(jìn)行無縫對接，實現(xiàn)基建項目設(shè)計、施工和運營一體化全生命周期管理。

2.2 項目管理規(guī)范

以該火電工程項目為例，利用BIM技術(shù)建立基建工程管理模型，如圖1所示。該項目利用了生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)中的自動化過程，完成了任務(wù)下達(dá)、權(quán)限分配、資料交接會簽、版本發(fā)布、成品校審、電子簽名、圖檔管理等多專業(yè)多步驟的協(xié)同設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，提出了一種面向多系統(tǒng)和多平臺的一體化工作流轉(zhuǎn)機(jī)制。各個學(xué)科之間的協(xié)作、同步和自動化水平較高。與此同時，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計流程、質(zhì)量控制措施三個角度，對工程BIM數(shù)字化設(shè)計進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)范，并利用軟件平臺對流程進(jìn)行固化，從而達(dá)到了規(guī)范化的應(yīng)用。

圖1 基建工程管理模型

圖2 數(shù)字化電廠信息管理平臺

2.3 模型元件庫

為了確保在該工程中使用的信息化模型的建模品質(zhì)和實用性，需要對建模工作流程、工程模型數(shù)據(jù)庫及公用模型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行專門管理，以確保數(shù)字化建模工作的順利進(jìn)行。所構(gòu)建的元件數(shù)據(jù)庫具體包含設(shè)備庫、管道元件庫、閥門庫、電器元件庫、支吊架數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)截面庫等內(nèi)容，其中模型類型是完備的，它的空間表達(dá)是適當(dāng)?shù)?，屬性?shù)據(jù)是完整的，能夠達(dá)到設(shè)計深度的需要。

2.4 設(shè)計軟件平臺

基于項目Wise的數(shù)字設(shè)計平臺，實現(xiàn)了對產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計，充分發(fā)揮了Bentley Microstation軟件中的異型裝備模型以及AVEVAPDMS平臺中的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動圖形等優(yōu)點，并在此基礎(chǔ)上，自行研發(fā)了多款界面軟件，確保了單個產(chǎn)品與該系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性和精確性。

2.5 數(shù)字化電廠信息管理平臺

利用BIM技術(shù)可以對場地進(jìn)行模擬分析并進(jìn)行動態(tài)展示，同時利用三維可視化技術(shù)對場地各區(qū)域的空間關(guān)系進(jìn)行模擬分析。例如，通過三維可視化技術(shù)可以直觀展示整個場地的道路網(wǎng)絡(luò)關(guān)系、管線分布情況及場地內(nèi)水、電、風(fēng)、光等管線的空間關(guān)系。

三維數(shù)字工廠平臺在三維模型基礎(chǔ)上，整合了多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)模型通過可視化方式展示出來。該平臺主要實現(xiàn)設(shè)計階段、施工階段、運維階段的三維一體化管理。在設(shè)計階段，該平臺可以將BIM模型導(dǎo)入到三維數(shù)字工廠平臺上進(jìn)行碰撞檢查，從而快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，并進(jìn)行修改。此外，該平臺還提供了模型空間定位及數(shù)據(jù)更新功能，可準(zhǔn)確地將設(shè)計圖紙與現(xiàn)場實際情況進(jìn)行對比，實現(xiàn)工程項目管理中的圖紙校審及交付工作。在施工階段，該平臺可以對現(xiàn)場施工信息進(jìn)行收集和管理。在三維數(shù)字工廠平臺上進(jìn)行工程量計算、變更索賠等工作，為施工信息的采集和存儲提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在運維階段，該平臺可以將數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到三維數(shù)字工廠平臺上進(jìn)行模擬仿真培訓(xùn)、運維指導(dǎo)等工作。通過建立三維數(shù)字化管理平臺，實現(xiàn)設(shè)計、施工和運維全生命周期的信息化管理。

3 結(jié)束語

基于三維數(shù)字化技術(shù)的火力發(fā)電廠基建期設(shè)計、施工和運營一體化全生命周期應(yīng)用，主要實現(xiàn)了以下成果：一是提出基于三維數(shù)字化模型的工程量統(tǒng)計方法，解決了工程量統(tǒng)計難、審核效率低的問題；二是采用基于BIM技術(shù)的三維可視化管理方法，提高了基建管理水平；三是基于BIM模型建立了進(jìn)度計劃系統(tǒng)，并對施工項目進(jìn)行有效管理。本文提出的方案已在多個基建項目中得到應(yīng)用，為火力發(fā)電廠基建期設(shè)計、施工和運營一體化全生命周期應(yīng)用提供了新的技術(shù)支撐?！?/p>