核電鋼結(jié)構(gòu)智能化建造和數(shù)字化交付研究

摘 要：近年來，我國核電建造迅猛發(fā)展，不僅國內(nèi)遍地開花，同時已經(jīng)搭船出海，進入國際市場。文章主要基于核電站中的鋼結(jié)構(gòu)建造方面分析從設(shè)計—深化—制作—運輸—安裝—驗收—審計結(jié)算—后期維護等全過程中如何推動智能化建造和數(shù)字化成果交付。鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制生產(chǎn)主要是借助Tekla軟件及相關(guān)輔助設(shè)備提高深化設(shè)計能力，建立核電堆型的智能化節(jié)點庫，三維掃描設(shè)備，模型數(shù)據(jù)與焊接機器人相結(jié)合，提高車間的自動化焊接程度，最終實現(xiàn)核電產(chǎn)品數(shù)字化交付的目的。

關(guān)鍵詞：智能化建造；數(shù)字化交付；TEKLA軟件；信息共享平臺

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）16-0178-05

Research on Intelligent Construction and Digital Delivery of Nuclear Power Steel Structure

Abstract： In recent years， Chinese nuclear power construction has developed rapidly， not only everywhere in the country， but also has taken a ship to sea and entered the international market. Based on the steel structure construction in nuclear power plant， this paper mainly analyzes how to promote intelligent construction and digital results delivery in the whole process of design-deepening-production-transportation-installation-acceptance-audit and settlement-late maintenance. The prefabrication of steel structure mainly relies on Tekla software and related auxiliary equipment to improve the deepening design ability， and it establishes the intelligent node library of nuclear power type， three-dimensional scanning equipment， model data and welding robots to combine， improves the automatic welding degree of the workshop， and finally achieves the purpose of digital delivery of nuclear power products.

Keywords： intelligent construction; digital delivery; TEKLA software; information sharing platform

0 引 言

核能發(fā)電經(jīng)歷70余年發(fā)展已經(jīng)成為世界重要的低碳電力供應(yīng)來源，截至目前，全球有400多臺核電機組正在運行[1]。我國大陸核電發(fā)展始于1970年，如今已成為運行規(guī)模世界第三，在建世界第一的核電大國，2021年的《政府工作報告》中明確指出：在確保安全的前提下積極有序發(fā)展核電，這表明核電在未來能源結(jié)構(gòu)中要發(fā)揮更大作用，在碳減排和碳中和中要承擔更大責任，隨著技術(shù)的發(fā)展和革新，核電建造正在向著智能化、數(shù)字化進程發(fā)展[2-4]。

據(jù)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展報告（2023年）》顯示，目前，全國已累計建成數(shù)字化車間近8 000個，涵蓋了鋼鐵、石化、汽車、電子、裝備等多個行業(yè)。這些數(shù)字化車間結(jié)合先進的信息技術(shù)、三維建模技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的可視化和智能化，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[3-4]。通過將傳統(tǒng)車間進行數(shù)字化改造，可以提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。而智能工廠則通過引入先進的智能設(shè)備和機器人，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化和智能化，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動強度，滿足市場對個性化產(chǎn)品的需求[5-10]。

1 核電鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展方向

隨著核電站的高速發(fā)展，國內(nèi)建筑行業(yè)勞務(wù)工人的緊張，煤炭、石油、天然氣等資源的減少，核電建造的智能化和數(shù)字化趨勢勢在必行。民用建筑的智能化建造已經(jīng)取得很大的成就。核電站建造中也有多家單位實現(xiàn)智慧工地的建造[11-12]，在后續(xù)的核電站建造中將更多地從施工安全、質(zhì)量、進度、數(shù)據(jù)、環(huán)境五個方面推進智能化管理。

1.1 進一步完善信息化基礎(chǔ)平臺

通過信息化平臺基礎(chǔ)，將關(guān)于安全、質(zhì)量、進度、數(shù)據(jù)、環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)加載到信息化平臺上，讓更多的管理人員看到相關(guān)數(shù)據(jù)，做到人人參與，各司其職。

1.2 進一步開發(fā)TEKLA軟件的相關(guān)功能

目前使用較多的是在三維建模和加工圖紙的轉(zhuǎn)換上，后續(xù)將進一步開發(fā)其他功能，加載設(shè)計軟件的相關(guān)特性，讓設(shè)計一步到位，研制智能化節(jié)點庫，讓軟件自動識別構(gòu)件，直接選擇相適應(yīng)的螺栓、焊縫等節(jié)點參數(shù)，節(jié)省設(shè)計圖轉(zhuǎn)化深化圖的步驟，設(shè)計一步到位。

1.3 進一步加強智能化安全管理

以攝像機視覺角度+基礎(chǔ)信息平臺物聯(lián)網(wǎng)組合，將生產(chǎn)信息、智能化生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)動，信息互傳，方便管理人員對車間生產(chǎn)安全的實時監(jiān)控，實現(xiàn)安全生產(chǎn)的透明化，打造監(jiān)控—預(yù)警—處置—評價閉環(huán)的智能化安全管理。

1.4 進一步提升質(zhì)量和健康環(huán)境的可視化管理

由于鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)車間中涉及的特殊工種、工作環(huán)境、機器設(shè)備較多，監(jiān)管難度大，在生產(chǎn)過程中管理人員對質(zhì)量的把控難度較大，可以進一步加強對生產(chǎn)全過程中各個質(zhì)量關(guān)鍵點的刷臉監(jiān)控，采用人臉識別、工人定位、區(qū)塊鏈（特殊的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，任何人都可以添加信息，但不能修改或刪除，分散地存在于整個網(wǎng)絡(luò)的各個計算機中）等技術(shù)，將責任落實到每個工人，質(zhì)量檢驗到每個螺栓、每條焊縫，提高質(zhì)量資料的真實可靠性和追溯性。

1.5 進一步完善數(shù)字化成果的匯總和整理

核電建造工期較長，形成的資料較多，在做竣工資料時候需要耗費大量的人力進行資料整理，通過過程中的電子數(shù)據(jù)的整理和存檔，將大大提高文檔歸檔效率。但是目前核電站竣工驗收時仍然以紙質(zhì)資料居多，這就需要建造單位在生產(chǎn)和建造過程進一步地完善數(shù)字化成果，注重數(shù)字資料的收集和歸檔，提高業(yè)主單位對數(shù)字化成果的認可度和信任度，逐漸實現(xiàn)數(shù)字化成果交付的目的。

2 核電站鋼結(jié)構(gòu)智能化建造和數(shù)字化交付情況

目前在核電站鋼結(jié)構(gòu)的建造過程中已經(jīng)引入大量的先進技術(shù)和設(shè)備，比如模塊化設(shè)計、整體吊裝技術(shù)、自動切割設(shè)備、焊接機器人等，正在朝著自動化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。談到鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制加工，就不得不提及TEKLA軟件，目前國內(nèi)在建核電站的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品基本在使用TEKLA軟件，因其強大的功能和較成熟的軟件操作，為核電建造的智能化成果的數(shù)字化交付起到較大的影響作用。

2.1 Tekla三維模型的應(yīng)用

在引入TEKLA軟件之前，傳統(tǒng)的核電鋼結(jié)構(gòu)放樣都是通過CAD二維圖紙進行，需要技術(shù)人員有較強的鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)知識及空間想象力，對不同的構(gòu)件之間的碰撞無法提前避免，造成較多的返工。核電站中的鋼結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，精度要求高，與其他結(jié)構(gòu)緊密相連，施工時也會存在同時進行的情況，通過引入Tekla軟件，建立三維模型如圖1所示，大大提高了產(chǎn)品的正確性，直觀性。

鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)字化交付是指建造一座數(shù)字孿生的鋼結(jié)構(gòu)建筑，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)中的三維模型、數(shù)據(jù)，竣工資料及所有與結(jié)構(gòu)有關(guān)的東西以數(shù)據(jù)的形式存儲，如圖1所示。三維模型按照1：1的比例與實體結(jié)構(gòu)相同的數(shù)字化結(jié)構(gòu)，可以通過三維模型調(diào)取結(jié)構(gòu)中的零件材質(zhì)、尺寸、構(gòu)件信息、焊縫信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，便于資源統(tǒng)籌管理、成本控制。形成的數(shù)據(jù)及文檔資料可以用于竣工資料的驗收和過程資料的檢查，極大地降低了紙質(zhì)材料的制作和查閱，提高驗收的效率。

TEKLA軟件主要從設(shè)計和深化兩個方面最有效地管理制作。核電堆型及其輔助結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)建筑95%以上采用的是TEKLA軟件。通過三維建模可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙中的碰撞和錯誤，同時能夠用于投標演示及技術(shù)交底，能夠較為直觀地展示結(jié)構(gòu)的內(nèi)部細節(jié)；鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制加工離不開加工圖紙，根據(jù)設(shè)計圖紙進行翻樣易出現(xiàn)錯誤，時間成本也較高，TEKLA軟件三維模型建好之后，能夠生成零件圖、構(gòu)件圖、布置圖等圖紙文件，并且可以生成報告、料表等功能可以避免人工識圖的錯誤，提高加工效率，避免下料過程中的返工，節(jié)省時間，可將生產(chǎn)準備時間縮短30%以上。

2.2 提高鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線的智能化

核電站結(jié)構(gòu)中有大量的鋼結(jié)構(gòu)，任何鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造都離不開圖紙和焊接設(shè)備。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制往往需要先獨立成型下料，再進行組對焊接，矯正，過程中會耗費大量的人力和材料，并且生產(chǎn)效率比較低。越來越多的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制廠家引入自動生產(chǎn)線來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。包括各種自動化設(shè)備和智能化系統(tǒng)，TEKLA軟件生成的NC文件與西格瑪自動下料軟件的結(jié)合，就可以大大提高鋼材零件的下料速度，通過合理排版，如圖2所示，能夠大大降低鋼材的浪費，減少廢品和損耗，提高鋼材利用率，進一步降低成本。

2.3 Tekla模型與自動化切割設(shè)備、焊接機器人的配合使用

若要提高鋼結(jié)構(gòu)車間的自動化水平，自動化切割設(shè)備和焊接機器人的使用是必不可少的。TEKLA軟件構(gòu)建三維模型如圖3所示，可以生成NC文件與大部分的智能激光切割系統(tǒng)無縫對接，根據(jù)NC文件進行智能排版，直接讀取、標識材料厚度、數(shù)量等零件信息，大大減少了鋼材的浪費，優(yōu)化提升材料利用率。隨著焊接機器人的使用和推廣，核電站內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)中復(fù)雜節(jié)點，通過設(shè)定焊接路徑，焊接工藝參數(shù)等可以較好地完成焊接任務(wù)，大大降低了人工成本的投入。TEKLA軟件的三維模型可以通過投影的方式，投射到需要加工的構(gòu)件上，焊接機器人可以通過識別圖紙線條從而確定行走路徑，可以大大提高焊接機器人的編程時間，能夠更好地完成焊接工作。

2.4 Tekla模型與三維掃描設(shè)備的配合使用

三維掃描建模，主要通過激光或光學(xué)掃描設(shè)備，獲取實物表面的形狀和紋理信息等三維數(shù)據(jù)，并自動轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的三維模型。三維激光掃描技術(shù)是20世紀90年代中期開始出現(xiàn)的，可以通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)，為快速建立物體的三維影像提供了全新的技術(shù)手段。通過直接獲取數(shù)字信號采集的數(shù)據(jù)，與TEKLA軟件有很好的共享性，兩者配合使用能夠較快地搭建三維模型，將實體建筑還原成三維模型，如圖4所示，方便后臺的監(jiān)測，為數(shù)字化模型交付提供支持。

2.5 三維模型與信息化系統(tǒng)的配合使用

在核電鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制過程中存在著各種零件構(gòu)件種類較多、各工種人員復(fù)雜、統(tǒng)籌管理難度高，以及監(jiān)控工具散、管控難度高、生產(chǎn)流程危險高、安全要求高等問題。生產(chǎn)流程可視化應(yīng)用，系統(tǒng)可以將生產(chǎn)作業(yè)的全過程通過三維可視化技術(shù)實現(xiàn)較好展現(xiàn)，將數(shù)據(jù)信息、加工設(shè)備、鋼材原料等同步模擬展示，后臺管理人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)反饋分析各個流程的時間、成本投入，從而更好地優(yōu)化工作流程，將生產(chǎn)效率達到最大化。TEKLA軟件可以提供鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維模型，通過顏色的變化展示哪些零件已經(jīng)加工，哪些零件已經(jīng)安裝，從而便于后臺對進度和質(zhì)量管理的把控。

2.6 提高鋼結(jié)構(gòu)車間的信息化程度

以數(shù)控加代碼的方式，將信息化管理系統(tǒng)配套TEKLA三維建模軟件，創(chuàng)建零件的輸入數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)信息控制設(shè)備，收集、提取、優(yōu)化車間管理數(shù)據(jù)，從資源投入、安全生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗等方面對鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)加工進行全過程記錄，從而在生產(chǎn)初期制定成本、進度計劃，采用信息碼預(yù)警、APP等手段，實現(xiàn)多維度地管理鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)作業(yè)，如圖5所示。

2.7 提高鋼結(jié)建造成果的數(shù)字化交付

三維掃描RTK（Real-time kinematic）載波相位差分技術(shù)與SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）算法相結(jié)合的應(yīng)用，可以對已建結(jié)構(gòu)進行掃描，然后獲取高精度矢量化三維激光點云模型、帶有坐標位置和姿態(tài)的圖像數(shù)據(jù)以及軌跡點數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)與TEKLE軟件對接，可以快速地將實體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型，便于后臺人員觀測和檢驗，安裝、驗收、竣工資料的整理等數(shù)字化成果交付。

3 結(jié) 論

在核電站的建設(shè)過程中，設(shè)計圖紙、材料采購、構(gòu)件預(yù)制、加工、安裝等過程信息以數(shù)據(jù)的形式存儲下來，在工程竣工時將這些數(shù)據(jù)打包交付給業(yè)主。通過數(shù)字化交付的形式，建設(shè)單位可以根據(jù)一個完成的核電站相關(guān)資料進行復(fù)盤總結(jié)，優(yōu)化自己的設(shè)計、施工思路，在后續(xù)的建造過程中能夠更加安全經(jīng)濟地完成建造。同時，業(yè)主單位接收到這些數(shù)據(jù)后，能夠更好地了解建造過程，對每個環(huán)節(jié)更好地掌控，對后期核電站的運行和維護能夠更加快速準確了解結(jié)構(gòu)情況，減少了資料翻閱和相關(guān)人員的責任追查的時間。

核電站在建設(shè)過程中，通過基于IE瀏覽器的協(xié)作平臺，信息共享平臺來實現(xiàn)設(shè)計進度、采購進度，生產(chǎn)進度等各方面的可視化模擬，能夠自動獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與運維數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，形成以位號和三維模型為索引的大數(shù)據(jù)中心，在此基礎(chǔ)上加入各種智能化的工藝和設(shè)備數(shù)據(jù)，可以有效地提高生產(chǎn)效率，施工生產(chǎn)的安全性和可靠性，節(jié)省人力和時間成本，資源使用率達到最經(jīng)濟化。

經(jīng)過四十余年的核電研究和建造過程，我國的核電技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電機組“華龍一號”不僅在巴基斯坦落戶，也打入了英國等老牌的核電強國市場，成為新基建的搭船出海的首張牌，到2030年，我國平均每年需新開工建設(shè)的百萬級核電機組達8臺左右。核電前景廣闊，整個核電建造過程，從設(shè)計到生產(chǎn)到運行，每個細小的環(huán)節(jié)都有智能化的需求和數(shù)字化的成果，進一步地提升核電建造智能化和數(shù)字化建造將成為核電企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的助推器，推動核電事業(yè)向著更安全更高效的發(fā)展方向前進。

參考文獻：

[1] 陳啟斐，嚴景，葉迪，等.核工業(yè)發(fā)展與全球供應(yīng)鏈長度 [J/OL].經(jīng)濟學(xué)報：1-29（2024-01-16）.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1175.f.20240112.1625.002.html.

[2] 喬凱，韓磊，郭一鵬，等.鋼桁架橋頂推施工數(shù)字化模擬安全預(yù)測技術(shù) [J].施工技術(shù)：中英文，2023，52（20）：56-60.

[3] 盧昱杰，盧家輝，王碩等.新型建筑工業(yè)化視角下集成數(shù)字交付理論體系構(gòu)建 [J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2024，64（2）：214-223.

[4] 積極安全有序發(fā)展核電[N].經(jīng)濟日報，2023-06-07（11）.

[5] 李敏，曹杰，周玉東等.核電站雙腹吊車梁焊接工藝仿真數(shù)值模擬研究 [J].現(xiàn)代信息科技，2023，7（7）：105-110+116.

[6] 劉紅波，劉學(xué)山，周婷等.BIM技術(shù)研究進展與應(yīng)用 [C]//第二十二屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集.天津：[出版者不詳]，2022：6.

[7] 曹杰，鄧克劍，李敏等.核電站鋼結(jié)構(gòu)焊接仿真模擬進展分析 [J].山西冶金，2023，46（4）：76-78.

[8] 王帥，黃越輝，聶元弘，等.基于生產(chǎn)模擬的受端電網(wǎng)新能源發(fā)展場景研究 [J].中國電力，2024，57（5）：240-250.

[9] LIU Z W，LU Y J，SHEN M，et al. Transition from Building Information Modeling （BIM） to Integrated Digital Delivery （IDD） in Sustainable Building Management： A Knowledge Discovery Approach based Review [J/OL].Journal of Cleaner Production，2021，291：125223（2021-02-25）https：//doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125223.

[10] 賀曉，金鑒，程序等.輕鋼模塊化數(shù)據(jù)中心智能化建造技術(shù)現(xiàn)狀和思考 [J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2022，54（4）：625-632.

[11] 姚剛.基于BIM的工業(yè)化住宅協(xié)同設(shè)計的關(guān)鍵要素與整合應(yīng)用研究 [D].南京：東南大學(xué)，2017.

[12] 干申啟.工業(yè)化住宅建筑可維護更新技術(shù)與應(yīng)用 [M].南京：東南大學(xué)出版社，2021.