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前言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，我國在核技術(shù)與核工程領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，為國家國防建設(shè)、能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。新時(shí)代背景下，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對建筑工程領(lǐng)域提出了更高的要求，數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在成為一條引導(dǎo)建筑工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級、降本增效的解決方案。積極推進(jìn)重大工程項(xiàng)目運(yùn)用信息化、數(shù)字化等技術(shù)手段，努力提升工程建設(shè)質(zhì)量和全生命周期高效管理，借助BIM技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級是大勢所趨。近5年調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，BIM應(yīng)用的項(xiàng)目覆蓋范圍持續(xù)提升、業(yè)務(wù)范圍不斷擴(kuò)大、行業(yè)整體認(rèn)知大幅度提升。圖1所示為2017—2021年企業(yè)BIM組織建設(shè)情況。

圖1 2017—2021年企業(yè)BIM組織建設(shè)情況

近年來，隨著我國核工業(yè)的穩(wěn)步向前發(fā)展，核電重大工程項(xiàng)目聚焦于BIM技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，正在加速推進(jìn)核電建設(shè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新變革，積極推動(dòng)并邁向以數(shù)字模型為支撐的核電全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用，推進(jìn)核電全生命周期的數(shù)字化建造與管理目標(biāo)。本文基于核電設(shè)計(jì)階段、施工階段及運(yùn)維階段，全面闡述了BIM技術(shù)在各個(gè)環(huán)節(jié)的高效率管理和多維度應(yīng)用對核電項(xiàng)目實(shí)施帶來的積極影響。如圖2所示為核電全生命周期中BIM技術(shù)的應(yīng)用。

圖2  核電全生命周期中BIM技術(shù)的應(yīng)用

核電設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用

基于BIM的三維設(shè)計(jì)是數(shù)字化建造的基礎(chǔ)，有助于數(shù)字化技術(shù)在核電項(xiàng)目中的推進(jìn)和實(shí)施，深入推進(jìn)核電設(shè)計(jì)階段的數(shù)字化創(chuàng)新工作，有助于推動(dòng)我國核工業(yè)核心競爭力持續(xù)提升，促進(jìn)BIM技術(shù)在核電項(xiàng)目中的創(chuàng)新應(yīng)用，助力核工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，為核工業(yè)領(lǐng)域的健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)方案形成

核電廠設(shè)計(jì)方案的形成需經(jīng)反復(fù)推敲、研究與計(jì)算，以保障其建設(shè)及運(yùn)行具有足夠的安全性，設(shè)計(jì)人員需要更加全面地考慮具體設(shè)計(jì)要求。核電廠設(shè)計(jì)過程采用BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維正向設(shè)計(jì)，能夠保證核電廠在設(shè)計(jì)階段的整體合理性，更加有利于完成整體布局，較為系統(tǒng)地、全面地完成設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)相比，BIM技術(shù)在核電廠設(shè)計(jì)方案形成階段具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：第一，BIM技術(shù)具備三維可視化特點(diǎn)，能夠結(jié)合核電廠周圍環(huán)境等情況確定核島位置布局，最大程度地減小對周圍環(huán)境的影響；第二，BIM技術(shù)具備設(shè)計(jì)信息共享及交互設(shè)計(jì)優(yōu)勢，不同專業(yè)的設(shè)計(jì)工程師在三維情況下可以同步、共同參與核電廠整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，保障各個(gè)專業(yè)綜合設(shè)計(jì)的合理性、可行性，提高核電廠在設(shè)計(jì)階段的效率；第三，設(shè)計(jì)工程師利用BIM技術(shù)相關(guān)軟件完成核電廠總體正向設(shè)計(jì)模型，能夠直觀地檢查功能分區(qū)的合理性、實(shí)用性等，便于交流討論與分析。

設(shè)計(jì)方案確定

核電廠設(shè)計(jì)方案需要滿足國家關(guān)于核工程領(lǐng)域的相關(guān)要求，核電初步設(shè)計(jì)方案形成之后，設(shè)計(jì)人員需針對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行精細(xì)化處理，不斷調(diào)整，確保核電廠設(shè)計(jì)方案中的安全性、空間合理性。基于BIM技術(shù)的虛擬建造技術(shù)，可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更好的完善與修改，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重大改進(jìn)時(shí)能夠進(jìn)行可建造性模擬分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，避免對后期施工及運(yùn)維產(chǎn)生影響。

設(shè)計(jì)方案輸出

核電廠設(shè)計(jì)方案完成之后，設(shè)計(jì)人員將三維設(shè)計(jì)模型移交建設(shè)單位，實(shí)現(xiàn)核電工程的數(shù)字化智能交付，建設(shè)單位施工人員利用三維模型指導(dǎo)核電施工。BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以更準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖表達(dá)給施工人員，同時(shí)，BIM模型可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與施工單位的對接與共享，真正做到基于三維模型的“一張藍(lán)圖繪到底”，為三維模型指導(dǎo)數(shù)字化施工奠定基礎(chǔ)。

核電施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級過程中，核電發(fā)展迎來新機(jī)遇，同時(shí)也賦予核電建設(shè)新挑戰(zhàn)。積極探索創(chuàng)新數(shù)字化技術(shù)，推動(dòng)BIM技術(shù)賦能核電建設(shè)，圍繞項(xiàng)目施工痛點(diǎn)難點(diǎn)，融合施工模擬、BIM+模塊化、BIM+力學(xué)、BIM+自動(dòng)焊等先進(jìn)技術(shù)，自主研發(fā)智能化軟件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)數(shù)字化管理、三維施工創(chuàng)新模式、安裝物項(xiàng)碰撞檢查、施工方案可視化交底、施工進(jìn)度管理、模塊化施工等核電建造全周期的BIM技術(shù)應(yīng)用。通過核電施工階段BIM技術(shù)的應(yīng)用，全面提升核電建設(shè)單位的數(shù)字化施工及管理水平，助力核電建設(shè)單位數(shù)字化轉(zhuǎn)型成功。

施工數(shù)據(jù)數(shù)字化管理

基于二維施工圖紙的傳統(tǒng)施工方法，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)量巨大，且無法直接從設(shè)計(jì)端獲取，施工企業(yè)需投入大量人力對圖紙進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，錄入施工管理系統(tǒng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某核電機(jī)組僅設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的整理和系統(tǒng)錄入投入近百人月，不僅效率低，龐大基礎(chǔ)信息容易出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，準(zhǔn)確率難以保障。通過研發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息一鍵導(dǎo)入施工管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字員工將設(shè)計(jì)信息共享至施工端，盤活設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的無損傳遞，提升施工數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如圖3所示為系統(tǒng)間數(shù)據(jù)接口工具，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一鍵導(dǎo)入施工系統(tǒng)。

圖3 數(shù)據(jù)接口工具

三維施工創(chuàng)新模式

傳統(tǒng)核電施工以二維施工圖紙為依據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，存在資源消耗大、設(shè)計(jì)意圖表達(dá)不直觀等問題。隨著三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和模型應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)核電三維正向設(shè)計(jì)，繼而實(shí)現(xiàn)三維模型施工模式。核電施工單位通過信息化平臺接收三維設(shè)計(jì)模型及數(shù)據(jù)后，直接提取設(shè)計(jì)信息及物項(xiàng)參數(shù)信息，并進(jìn)行二次細(xì)化，形成符合指導(dǎo)現(xiàn)場施工的三維施工模型。三維施工模型包含施工尺寸、物項(xiàng)屬性、材料信息等，替代傳統(tǒng)的二維施工圖紙，成為指導(dǎo)核電現(xiàn)場施工的唯一標(biāo)準(zhǔn)。三維模型能夠?qū)崿F(xiàn)核電工程無紙化、模塊化、數(shù)字化施工，提高施工單位數(shù)字化建造水平。

安裝物項(xiàng)碰撞檢查

傳統(tǒng)二維圖紙會(huì)審只能根據(jù)圖紙資料以及會(huì)審人員的工作能力、經(jīng)驗(yàn)、空間想象力來完成，不能有效地甄別出設(shè)計(jì)的“錯(cuò)、漏、碰、缺”現(xiàn)象，因此施工現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)不同專業(yè)在同一空間位置物項(xiàng)的干涉碰撞，存在設(shè)計(jì)不合理問題，出現(xiàn)班組都不能有效地連續(xù)施工情況，造成人工停工或待工，造成成本的浪費(fèi)。全專業(yè)安裝物項(xiàng)的綜合碰撞檢查，提前梳理設(shè)計(jì)問題，預(yù)警出工程中不同專業(yè)在空間上的碰撞沖突，將碰撞在正式施工前消滅掉，減少變更發(fā)生。不僅提高施工質(zhì)量，還節(jié)約大量的施工和管理成本，為現(xiàn)場安裝爭取更多的作業(yè)時(shí)間，以提高現(xiàn)場施工效率。

施工方案可視化交底

現(xiàn)場施工方案、施工邏輯通常采用施工交底卡，以及技術(shù)員口頭講解，交底卡由二維圖紙與圖片組成，無法將施工所需信息準(zhǔn)確有效地傳遞至施工班組，不能使班組快速高效接受交底內(nèi)容，就會(huì)出現(xiàn)安裝隱患，甚至出現(xiàn)施工質(zhì)量問題。將BIM技術(shù)與施工方案相結(jié)合，利用模擬軟件，實(shí)現(xiàn)施工信息的三維施工方案可視化交底，對工序邏輯分拆動(dòng)態(tài)展示，讓作業(yè)人員能明白如何施工，加快對施工作業(yè)工序的消化吸收，幫助技術(shù)人員、作業(yè)人員對施工過程的深度認(rèn)識，避免盲目施工，同時(shí)驗(yàn)證施工工藝的合理性。施工方案可視化交底使作業(yè)班組對作業(yè)形成有效管控，優(yōu)化作業(yè)工序，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率。

施工進(jìn)度管理

利用BIM輕量化平臺軟件，根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃中的計(jì)劃時(shí)間、實(shí)際時(shí)間進(jìn)行仿真模擬推演，實(shí)現(xiàn)核電建設(shè)期的遠(yuǎn)程、動(dòng)態(tài)、可視化管理。施工現(xiàn)場以手機(jī)端采集抓取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、時(shí)間信息、質(zhì)檢驗(yàn)收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)度，現(xiàn)場問題及時(shí)追蹤，理清責(zé)任。通過手機(jī)APP抓取的信息數(shù)據(jù)反饋至BIM協(xié)同管理平臺，通過進(jìn)行自動(dòng)分析，形成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，在進(jìn)度周例會(huì)可提供豐富的數(shù)據(jù)參考，作為管理決策的依據(jù)，對當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)度做總結(jié)，為接下來的任務(wù)派分做進(jìn)一步安排，通過調(diào)配人、材、機(jī)資源，保證后續(xù)施工進(jìn)度。通過平臺實(shí)時(shí)展現(xiàn)項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度的模型對比，對施工進(jìn)度提前或延誤的工作項(xiàng)用不同顏色進(jìn)行區(qū)分和顯示，使管理者可以通過平臺隨時(shí)隨地監(jiān)控項(xiàng)目進(jìn)展情況，提前發(fā)現(xiàn)問題，保證項(xiàng)目順利開展。

模塊化施工

核電廠工藝管道布置復(fù)雜，管道現(xiàn)場焊口位置設(shè)置分散，施工作業(yè)面少，焊接作業(yè)需要搭設(shè)大量腳手架，復(fù)雜空間的現(xiàn)場焊接工作困難且作業(yè)量大，人員工作降效明顯。基于上述傳統(tǒng)施工模式存在的弊端，以及核電領(lǐng)域BIM技術(shù)的深入應(yīng)用，推動(dòng)了模塊化技術(shù)在核電設(shè)計(jì)施工領(lǐng)域的發(fā)展。模塊化技術(shù)通過安裝模塊劃分，增加“二次預(yù)制”比例，實(shí)現(xiàn)作業(yè)平地化、現(xiàn)場車間化。現(xiàn)場安裝模塊化，大幅增加了預(yù)制工作量，提高了安裝質(zhì)量、降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。某核電項(xiàng)目采用模塊化技術(shù)，節(jié)約管道焊工工時(shí)高達(dá)上千小時(shí)。

BIM技術(shù)應(yīng)用于核電施工階段，能夠更好地將施工過程中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行銜接，對可能發(fā)生的緊急情況進(jìn)行防控，極大地提升了安全質(zhì)量和施工效率，節(jié)約建造成本。未來，基于BIM技術(shù)的數(shù)字化虛擬建造將成為核電施工建造中不可或缺的一部分。

核電運(yùn)維階段BIM技術(shù)應(yīng)用

核電運(yùn)維具有周期性、增長性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，現(xiàn)代化、智能化、規(guī)范化的運(yùn)維管理越來越受到業(yè)主及運(yùn)營商的青睞。在核電運(yùn)維階段，BIM技術(shù)為核電運(yùn)營商提供了核電廠的全局信息，為運(yùn)維階段提供完整的數(shù)字化“檔案”，運(yùn)營商基于數(shù)字化“檔案”對核電廠進(jìn)行應(yīng)急管理、設(shè)備管理等管理活動(dòng)，也能夠?qū)穗姀S進(jìn)行BIM+技術(shù)維護(hù)，為管理者的正確決策提供可靠依據(jù)。基于BIM技術(shù)的核電運(yùn)維，將極大提升核電安全運(yùn)維的安全率，提高運(yùn)維管理水平，并將給業(yè)主及運(yùn)營商帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。

應(yīng)急管理

應(yīng)急管理是核電安全的重要議題之一，同時(shí)也是核電運(yùn)維必需考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對核電廠而言，具備完整的應(yīng)急預(yù)案，能夠確保發(fā)生安全事故后有序應(yīng)對。基于BIM技術(shù)的核電運(yùn)維系統(tǒng)能夠提高應(yīng)對安全突發(fā)事件處理效率，制定應(yīng)急預(yù)案時(shí)，可通過核電廠三維模型模擬應(yīng)急路線，如果有意外情況發(fā)生，管理人員可以在最短時(shí)間內(nèi)通過系統(tǒng)了解危險(xiǎn)地點(diǎn)，從而尋求最佳應(yīng)急路線，指揮現(xiàn)場人員安全疏散。

設(shè)備管理

傳統(tǒng)的核島設(shè)備設(shè)施管理主要通過二維圖紙及相關(guān)紙質(zhì)資料來保存信息，在設(shè)備維護(hù)檢修過程中，也是依靠人力來完成，不僅提高維護(hù)成本，也增加安全隱患。二維圖紙存在明顯的局限性，難以對出現(xiàn)問題的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行精準(zhǔn)定位。BIM+設(shè)備智能檢測技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確獲取設(shè)備設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)及狀況，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)問題的設(shè)備實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的可視化定位，極大地減少了人員資源的浪費(fèi)，降低了維護(hù)成本，提高設(shè)備檢修與跟蹤管理效率，減少了安全隱患。

BIM+點(diǎn)云技術(shù)應(yīng)用

核電運(yùn)維階段，利用BIM+三維激光點(diǎn)云掃描技術(shù)對工程進(jìn)行逆向建模，輔助完成核電改造工作。如圖4所示，某項(xiàng)目在改造過程中遇到大型閥門的更換，利用點(diǎn)云技術(shù)獲取現(xiàn)場模型，再針對點(diǎn)云模型進(jìn)行施工方案模擬，最終優(yōu)化出一條切割方案最少、用時(shí)最短的安裝路徑，最終重達(dá)2噸的閥門在裕度只有8mm的空間內(nèi)多次轉(zhuǎn)身，調(diào)整姿態(tài)，用時(shí)12小時(shí)完成樓梯扶手切割、拆除舊閥門、安裝新閥門的一系列操作。BIM+點(diǎn)云技術(shù)顯著提高了改造效率，縮短了閥門更換技改工期。通過利用三維點(diǎn)云激光掃描技術(shù)，在改造方案規(guī)劃中可以提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取能力，提高改造方案的可行性。

圖4 BIM+點(diǎn)云技術(shù)應(yīng)用

結(jié)語

BIM技術(shù)作為核電建造領(lǐng)域探索數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)手段，在核電型號研發(fā)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段的應(yīng)用越來越廣泛。BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提升核電建造過程的數(shù)字化水平，推動(dòng)核電數(shù)字化建造的快速發(fā)展。BIM技術(shù)這臺“強(qiáng)引擎”，將會(huì)給核工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展帶來強(qiáng)大動(dòng)力與新的契機(jī)，推動(dòng)我國新時(shí)代核工業(yè)安全有序發(fā)展。 

（文章刊發(fā)于《中國核能》雜志2023年第四期  作者：劉海洋　郭登科　楊遠(yuǎn)松　常海軍　周波波   單位：中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司、核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司、中核綠色建造技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）