BIM技術在天然氣處理裝置建設中的應用探索

摘" " 要：以某大型天然氣處理裝置建設應用為依托，將建筑信息模型（BIM）技術應用于大型天然氣處理裝置全生命周期管理。研究了BIM技術在設計過程中的應用及優勢，探討了基于BIM技術的工廠化預制技術、施工過程4D模擬、施工方案推演優化，以及BIM技術在安全管理方面的應用。BIM技術在實際項目中的應用場景及應用效果顯示，該技術能夠提升設計質量、工廠預制效率，并可實現可視化施工管理；該技術改變了傳統的工程建設管理方式，能夠從建設進度、質量、安全等方面全面提升項目管控水平，具有較好的推廣應用前景。

關鍵詞：BIM技術；天然氣處理；工廠化預制；施工應用

Exploration of the application of BIM technology in natural gas treatment plants

JI Junyi， HU Yanhe， DU Ximing

Sinopec Petroleum Engineering Zhongyuan Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China

Abstract：Based on the construction and application of a large-scale natural gas treatment plant， Building Information Modeling （BIM） technology is applied to the full lifecycle management of large-scale natural gas treatment plan. This study investigated the application and advantages of BIM technology in the design process， and explored the factory prefabrication technology based on BIM technology， 4D simulation of construction process， optimization of construction plan deduction， and the application of BIM technology in safety management. The application scenarios and effects of BIM technology in actual projects show that this technology improves design quality， factory prefabrication efficiency， and achieves visual construction management. It has remodeled the traditional engineering construction management and comprehensively improved the project control in terms of construction progress， quality， safety， etc.， thus enabling its good prospects for application.

Keywords：BIM; gas treatment; factory prefabrication; construction application

隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術應用的深化，BIM在工程行業已有很多應用探索。在建筑行業中，其主要應用于設計建造、工程造價、運維管理等方面[1]；在城市橋梁建設中，其主要應用于三維設計與施工[2]。近年來在石油化工行業工程建設中推廣應用BIM技術，有效提高了該行業工程建設的水平。王傳寶等[3]介紹了BIM技術在油氣站場施工中的應用。本文以某天然氣處理項目乙烷回收建設為例，對BIM技術在工程建設項目全生命周期管理中的應用進行探索與分析。

乙烷回收工程新增1座600 × 104 m3/d的乙烷回收裝置和1座100 × 104 m3/d的液化天然氣（LNG）裝置，共分11個區域，包括主工藝裝置區、低溫產品罐區、LPG產品罐區、裝卸車區、110 kV變電站、輔助生產區、冷劑儲配區、熱媒系統區、放空火炬區、站控用房、消防站等。該工程裝置工藝復雜，涉及專業多，在項目建設中存在較多不可控的因素，利用BIM技術開展數字化設計、采購、施工，能夠有效地提升工作效率和質量。在設計階段，利用數字化協同設計、逆向恢復建模技術構建大型處理裝置的BIM三維模型；在采辦及施工階段，充分發揮BIM技術優勢，開展基于BIM技術的4D進度展示及施工方案推演，實現工程建設設計與施工的深度融合，充分利用信息技術節約成本、合理制定進度計劃、優化物料配置及施工方案。

1" " BIM技術在設計階段的應用

1.1" " 逆向三級模型恢復技術

乙烷回收項目涉及已建站場的改造，針對已建裝置，利用三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術，對已建裝置進行激光點云掃描，獲得已建站場點云數據。通過數據校驗與數據對齊，對在役站場實現逆向三維模型恢復，實現已建站場的數字化管理，滿足項目改建及運營期間智能化應用需求。已建站場逆向建模見圖1。

1.2" " 數字化BIM設計技術

通過搭建數字化BIM設計平臺，基于Smart 3D軟件形成全專業三維模型。模型涵蓋總圖、工藝、配管、材料和應力、結構、機制、電氣、儀表、消防、熱工、暖通等多個專業。集成設計過程通過集成平臺進行數據交換，在Smart 3D中接收SPamp;ID發布的工藝數據、PKPM結構計算數據等，然后開展全專業三維模型建模，最終實現二維計算模型、多軟件設計模型的融合與集成，提升了設計深度與設計質量[3]。

1.3" " BIM設計技術應用優勢

1）提高設計質量。BIM數字化設計技術為數據驅動，通過二、三維校驗，保證了數據來源唯一、準確，保證了三維模型與工藝流程的一致性。

2）減少設計變更。項目設計過程中，對乙烷回收裝置通過開展碰撞檢查工作，尤其針對地下管網部分，包含7個專業、11類管道，涉及消防、給水、生產污水、生活污水、雨水、初期含油雨水、供熱、通信、電氣、儀控、工藝、已建地下管道等開展專業間模型碰撞檢查，實現各類管道及附屬構筑物無碰撞；管道及附屬構筑物與其他建、構筑物基礎無碰撞，并及時發現施工問題，減少施工過程中的設計變更。

3）優化模塊化設計。利用BIM全專業設計技術優化模塊化設計，利用虛擬人物檢查逃生通道、閥門安裝高度等設計內容，確保橇塊內空間足夠，滿足安裝、運營需求。

4）開展模型分析與優化。針對已建部分，通過逆向建模進行恢復，通過顏色區分已建裝置與新建裝置，能夠在模型中可視化識別、標注動火點，并通過模型分析與優化，將動火點數量從90多個優化至70多個，有效減少施工費用。

2" " 基于BIM技術的工廠化預制

以設計階段工藝管道BIM模型為數據來源，施工單位利用EP3D軟件對設計階段的PCF格式管道模型數據進行加工設計，完成設計模型數據到工廠化預制加工的數據對接，包括：管道規格尺寸、焊接數據、材料數據等，以及基于數據的進度管理和質量管理，充分發揮BIM模型、數字技術的傳遞性，改變傳統的工作方式，使施工管理、工廠化預制的管理效率更高。

對比分析采用紙版圖紙進行加工設計和采用BIM模型進行加工設計的工作效率，后者大大節約了工作時間，效率提升87%。同時，施工單位基于BIM模型數據進行模型重現，從而便于施工人員形象地了解管道信息，可以達到所見即所得的效果。

在工藝管道施工過程中，由于工藝優化或者專業間的調整會出現一定數量的圖紙升級。施工單位可基于BIM模型及數據，對比新版和舊版的設計模型文件，快速定位變更的位置，并且確定該位置的施工狀態，以便降低設計變更對現場施工的影響，同時繼承舊版模型的焊接數據，針對變更位置迅速開展相關工作。

3" " BIM技術在施工期的管理實踐

3.1" " 4D進度管控

基于BIM的4-Dmention（4D）信息化技術，將全專業的BIM信息模型與施工進度相鏈接，并與施工資源、場地布置信息集成一體，構建可視化4D施工信息模型，實時跟蹤施工進度[4]。吳濤等[5]重點針對管道狀態進行了4D可視化研究。在乙烷回收項目中，考慮全廠設備、管道、基礎、建筑等建立全廠三維模型，使之與P6進度數據關聯，形成4D計劃推演模型，對現場的采購、施工進度進行可視化模擬，模擬狀態涵蓋設備采購到貨、施工完成情況等。通過計劃推演模型可優化進度安排，將實際進度一鍵更新至4D模型，實現實時跟蹤施工進度，實現施工進度可視化，為管理者提供項目進度控制的決策依據。4D進度管控模型見圖2。

3.2" " 施工方案推演

針對建設過程中技術難度大、施工工藝復雜、危險性大的項目，利用BIM技術開展施工方案推演，確定專項施工方案可行性。

項目中某裝置的脫甲烷塔高約53.432 m，容器凈質量114 t，施工復雜，屬于核心設備，也是全場最高、最重的設備，距離已建工程部分較近，吊裝施工空間受限。利用BIM技術，針對該塔吊裝過程進行施工模擬分析，以驗證塔吊裝方案的可行性與可操作性。塔施工過程示意見圖3。

以塔吊裝時最為復雜的情況進行分析，假設右側塔已完成安裝，東側管廊已安裝，南側為已建裝置部分。由于塔較高，因此現場可采用整體吊裝或分體吊裝空中組焊兩種吊裝方式。對兩種方案分別從技術可行性、施工進度、安全、質量、成本、施工場地等方面進行比對，采取最優方案對塔進行吊裝，以滿足現場要求。吊裝前狀態分析見圖4。

整體吊裝方案：吊裝載荷為1 273.9 kN，最小的起吊高度為71.51 m，吊車選用1臺650 t履帶吊作為主吊車，1臺300 t履帶吊作為溜尾吊車。

分段吊裝（分體吊裝、空中組焊）方案：第一段吊裝載荷772.3 kN，第二段吊裝載荷441.6 kN。最大起吊高度為64.5 m。第一段吊裝采用1臺400 t汽車吊作為主吊車，1臺100 t汽車吊作為溜尾吊車。第二段采用300 t汽車吊可滿足要求。

利用已建BIM模型，對施工機具進行建模，開展整體吊裝施工推演，模擬了吊車位置、脫甲烷塔設備擺放位置等不同方案，確認吊裝施工空間是否足夠。整體吊裝模擬推演見圖5、圖6。分段吊裝模擬推演見圖7，方案對比見表1。

通過以上方案推演模擬，從6個方面分析施工方案的可行性（見表1）。通過對比，建議采用分段吊裝方式，該方案費用低、作業面小、對已建裝置以及附近施工作業影響小。

3.3" " 施工安全管理

在建筑行業利用BIM技術精細化建立現場安全管理設施已有實際應用[6-7]。通過研究該技術在建筑行業的應用，在乙烷回收項目中針對現場的安全管理，構建三維模型，可視化地指示現場安全設施的布置、注意事項等問題。

對吊裝現場的圍欄布置進行模擬，通過建立安全警示標語，明確現場安全標語布置，見圖8。

脫甲烷塔吊裝完成后，利用經緯儀采用十字線法進行垂直度測量，利用設備基礎地腳螺栓和吊車輔助的方式進行設備垂直度調整。利用BIM技術，模擬施工人員的具體位置、設備位置等，方便施工人員了解現場情況與操作程序。垂直度測量模擬見圖9。

4" " 應用效果分析

BIM技術在乙烷回收項目中的應用有利于設計和施工的深度融合，是以數字化技術促進能源化工產業高質量發展的重要舉措。

在設計階段采用全專業BIM協同設計，能夠對設計進行優化，提前開展專業間碰撞檢查，減少施工過程中的變更。利用逆向恢復技術，優化改造方案，減少動火連頭數量。

充分利用設計階段BIM模型，施工單位基于BIM模型數據進行焊口加工設計，實現設計數據的遞延與應用，提升施工焊縫二次加工效率。設計將BIM模型移交給施工單位，便于快速進行工廠化預制，二次設計加工效率可提高約85%；利用BIM技術，深化工廠化預制程度，減少現場施工工作量。

在項目中，利用BIM信息化技術，開展了項目4D施工計劃推演，通過對施工機具建模開展施工方案比選推演，真正讓BIM技術指導施工。項目進度控制部門結合BIM模型與進度計劃，實現4D模型構建，可以在項目建設過程中合理制訂施工計劃，以動態的形式精確掌握施工進度，優化使用施工資源以及科學地進行場地布置，對整個工程的施工進度、資源和質量進行統一管理和控制，達到縮短工期、降低成本、提高質量的目的[8]。

在施工管理方面，利用BIM技術模擬分析施工方案，能夠直觀分析施工方案的合理性，指導重大項目的施工方案制訂，提前預判風險，減少施工過程的人力、物力投入。將施工安全管理與BIM模型結合，將安全措施通過三維模型進行展示，提高現場安全管理水平。

5" " 結束語

隨著信息化技術在工程建設領域的深入應用，對傳統建設工程行業產生了深遠的影響。建設項目的施工模式正向“綠色、智能、精益和集約化”方向發展。BIM技術作為一種新的現代工程管理方法，在項目實施過程中具有廣闊的市場前景。本文從設計、工廠化預制、施工管理等三個方面分析了BIM技術在大型天然氣處理裝置建設中的應用，并在實踐中取得了較好的應用效果。下一步，需要繼續挖掘與分析該技術在工藝裝置區設計與施工中的應用，進一步利用BIM技術分析EPC聯合體項目中施工計劃、機具、人員的統籌安排，以提高EPC項目的創效能力；加大基于規則驅動的高效設計技術的研發，以及BIM技術國產化應用的研究；利用BIM技術，從進度、質量、安全等方面全面提升項目管控水平；在施工工序模擬中，充分利用BIM設計成果，研究更加便捷、可行的施工推演方法，以便對更多的重點施工方案進行全方位的比選模擬。

參考文獻

[1]" 勞瑩，謝麗莎，毛子婷. BIM技術發展及運用分析[J]. 科學與信息化，2023（9）：34-36.

[2]" 孫勤霞. BIM技術在城市橋梁施工中的應用[J]. 市政技術，2020，38（Z1）：62-64，67.

[3]" 王傳寶，賀金，李良，等. BIM技術在油氣田站場施工管理中的應用[J]. 油氣田地面工程，2018，37（7）：96-99.

[4]" 喬堃，張亮. 建筑信息模型在上海國際旅游度假區某主題公園施工全周期中的應用[J]. 工業建筑，2016，46（5）：192-197.

[5]" 吳濤，莊宏昌，劉艷雯，等. 管線專業4D施工狀態可視化模型技術的研究[J]. 石油和化工設備，2021，24（12）：54-56.

[6]" 葛鑫，王茂同，王再寧，等. BIM技術在安全管理中的應用[J]. 建筑技術，2023，54（5）：633-636.

[7]" 胡德富. BIM技術在建筑施工安全管理中的應用[J]. 磚瓦，2023（4）：119-121，125.

[8]" 高文松，王剛，尹金亮，等. 三維數字化電廠建設探討[J]. 華電技術，2018，40（2）：1-3，12.

作者簡介：

吉俊毅（1991—），女，河南焦作人，工程師，2016年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業，碩士，現從事油氣田地面工程數字化設計工作。Email：jjy1688997@163.com

收稿日期：2024-03-20