BIM技術(shù)在電廠建設(shè)與管理中的應(yīng)用

蘇玲

（中車信息技術(shù)有限公司，北京市 100084）

BIM技術(shù)在電廠建設(shè)與管理中的應(yīng)用

蘇玲

（中車信息技術(shù)有限公司，北京市 100084）

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的不斷進(jìn)步，智慧電廠建設(shè)已經(jīng)是未來發(fā)展的大趨勢。作為智慧電廠基礎(chǔ)的電廠數(shù)字化、信息化建設(shè)，在局部、點(diǎn)狀的應(yīng)用上都取得了良好的成效。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)研究成果，結(jié)合電力行業(yè)特點(diǎn)和電廠設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把運(yùn)用到建筑行業(yè)的BIM理念和技術(shù)運(yùn)用到新型數(shù)字化/智能電廠的建設(shè)中?；贐IM的理解對數(shù)字化電廠進(jìn)行研究，以數(shù)字信息為主線，重點(diǎn)研究電廠設(shè)備的數(shù)字化建模與信息建立，研究如何開展數(shù)字化電廠建設(shè)過程中的設(shè)備信息采集和管理。建立發(fā)電設(shè)備的BIM模型，把廠房的建筑模型和設(shè)備的模型結(jié)合到一起，結(jié)合BIM空間定位、設(shè)備管理等功能對設(shè)備進(jìn)行管理。

BIM技術(shù)；可視化運(yùn)維；數(shù)字電廠；智慧電廠

0　引言

當(dāng)前，我國發(fā)電廠裝機(jī)容量和發(fā)電量已經(jīng)居于世界第一。隨著發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和電力信息技術(shù)的支撐，我國發(fā)電廠正在由集中控制與信息化管理向智能、環(huán)保、高效的方向邁進(jìn)。

“數(shù)字化電廠”作為術(shù)語，可認(rèn)為其源于Shimon Awerbuch博士在1997年的著作《數(shù)字公共設(shè)施：新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競爭力》一書中對數(shù)字公共設(shè)施的定義：數(shù)字公共設(shè)施是獨(dú)立且以市場為驅(qū)動的實(shí)體之間的一種靈活合作，這些實(shí)體不必?fù)碛邢鄳?yīng)的資產(chǎn)而能夠?yàn)橄M(fèi)者提供其所需要的高效服務(wù)［1］。

BIM技術(shù)是從美國發(fā)展起來，并逐漸擴(kuò)展到歐洲、日韓等發(fā)達(dá)國家，當(dāng)前BIM技術(shù)在歐洲和美國、日本和韓國等國家在后續(xù)發(fā)展趨勢中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了一定的高度，其中，在美國的深入應(yīng)用最廣泛［2］。

電力設(shè)計(jì)行業(yè)三百強(qiáng)企業(yè)中八成以上都應(yīng)用了BIM技術(shù)。美國威斯康辛州是第一個(gè)要求新建項(xiàng)目使用BIM的州，要求從2009年7月開始使用，所有預(yù)算在500萬美元以上的項(xiàng)目和預(yù)算在250萬美元以上的施工項(xiàng)目，從項(xiàng)目設(shè)計(jì)開始就必須應(yīng)用BIM技術(shù)。

近年來，國內(nèi)關(guān)于數(shù)字化電廠的研究和探索不斷深入，關(guān)于數(shù)字化電廠的內(nèi)涵也在不斷深化，在一些電廠項(xiàng)目中開始取得實(shí)踐成果。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)發(fā)表文章預(yù)計(jì)現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）將成為數(shù)字化電廠的關(guān)鍵技術(shù)［3］。

在現(xiàn)場總線應(yīng)用方面，自2006年以來，華電萊城電廠、國華寧海電廠都局部應(yīng)用了現(xiàn)場總線技術(shù)，華能九臺電廠、華能金陵電廠等在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)方面取得了更多的實(shí)踐。近兩年新投產(chǎn)的京能高安屯燃?xì)怆姀S，其總線設(shè)備應(yīng)用率更是取得了新高，成為數(shù)字化電廠新的楷模。

在DCS一體化方面，自2006年華電齊齊哈爾電廠利用一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電氣、汽機(jī)、鍋爐一體化控制，DCS已經(jīng)從主機(jī)控制涵蓋到輔控集中控制，并得到了普遍應(yīng)用。并且，新型的ECS與DCS融合設(shè)計(jì)應(yīng)用，使我們看到DCS對全電廠全面一體化控制的能力不斷提高。

在數(shù)字化電廠總體建設(shè)方面，自2008年山西平朔煤肝石電廠初步數(shù)字化的應(yīng)用，到近兩年新建的山東萊州電廠、京能高安屯電廠等的數(shù)字化建設(shè)，數(shù)字化電廠的建設(shè)已經(jīng)勾勒出了清晰的面孔。

當(dāng)前，我國數(shù)字化電廠需要統(tǒng)一思想，形成共識，加大投入，加快推進(jìn)。隨著現(xiàn)代三維技術(shù)、DCS一體化技術(shù)、精確測量技術(shù)、APS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)理等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字化電廠必將實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行，低能耗、低排放、高效益的目標(biāo)。

1　研究內(nèi)容與擬解決的關(guān)鍵問題

基于BIM的數(shù)字化電廠信息模型建模實(shí)踐，包括廠房模型建模標(biāo)準(zhǔn)和建模實(shí)踐、設(shè)備模型建模標(biāo)準(zhǔn)和建模實(shí)踐、幾何尺寸參數(shù)、建造過程參數(shù)、設(shè)備廠商參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行管理參數(shù)等各種信息在模型上的附加。

基于BIM的建筑模型構(gòu)建，已經(jīng)有較為成熟的經(jīng)驗(yàn)和方法，但是基于BIM的數(shù)字化電廠模型建立，尚沒有成形的方法和經(jīng)驗(yàn)，具有創(chuàng)新性，因而需要從電廠規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、移交、運(yùn)行、管理等環(huán)節(jié)，以項(xiàng)目管理方法統(tǒng)籌研究［4］?？紤]本課題研究的側(cè)重點(diǎn)在于以BIM方法建模，以建筑工程領(lǐng)域較為成熟的方法，研究其在發(fā)電廠這一設(shè)備、資產(chǎn)、技術(shù)密集型領(lǐng)域應(yīng)用的方法。

2　BIM技術(shù)應(yīng)用情況

BIM技術(shù)對于建筑行業(yè)而言，是一種新的理念和技術(shù)，不同類型的建筑工程項(xiàng)目都可以與BIM技術(shù)進(jìn)行契合，以解決相應(yīng)的問題。在國外的工程項(xiàng)目實(shí)踐中，使用BIM技術(shù)的在建項(xiàng)目已占據(jù)了一半以上。國內(nèi)許多在建項(xiàng)目也開始在一些價(jià)值點(diǎn)上對BIM技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)踐［5］。近幾年國內(nèi)BIM實(shí)施應(yīng)用的電廠類工程項(xiàng)目管理典型案例見表1。在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維方面運(yùn)用BIM技術(shù)的電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，見表2。

表1　運(yùn)用BIM技術(shù)的電廠類工程項(xiàng)目

3　面向電廠全生命周期管理的三維建模應(yīng)用研究案例

本文以國內(nèi)某抽水蓄能電站為工程實(shí)例，研究了面向抽水蓄能電站廠房、設(shè)備全生命周期的建模應(yīng)用。全面考慮建模的成本，建模的應(yīng)用及數(shù)據(jù)管理的需要。最后項(xiàng)目按照預(yù)期的設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)高效地完成了全景電廠，并在未來的運(yùn)維管理中不斷檢驗(yàn)。數(shù)字化電廠全生命周期的三維建模應(yīng)用圍繞著建模、模型應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理三個(gè)部分來進(jìn)行。

建模首先要確定建模的對象，抽水蓄能電廠三維建模的對象一般包括球閥，水泵水輪機(jī)組，發(fā)電系統(tǒng)，油、水、氣系統(tǒng)，起重和金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，大壩，廠房及構(gòu)筑物（見表2）。確定了建模對象后，依照以下步驟建模。

表2　系統(tǒng)與電廠三維建模對象表

（1）建模工具

市場上用于建模的工具很多，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，常用的工具有：用于精確建模的歐特克公司的Inventor、3D-MAX，PTC公司的 PRO-E，達(dá)索的Solidworks，西門子的UGNX。用于布置設(shè)計(jì)和外觀建模工具有：Autodesk的 Revit，AVEVA公司的pdms，Intergraph公司的pds，還有Bentley奔特力公司的microstation［3］。

因?yàn)殡娬窘ㄔO(shè)周期長，廠商多，前期也處于摸索階段，涉及的專業(yè)多，各工具各有所長，采用的建模工具也不好統(tǒng)一。

解決方法：各專業(yè)模型建立好后，在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系中進(jìn)行配準(zhǔn)；統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為FLT格式的三維數(shù)據(jù)，導(dǎo)入統(tǒng)一的云端渲染平臺（后文說明）。

（2）建模原則

根據(jù)實(shí)際的管理需要，以不同階段的管理需求為導(dǎo)向，確定模型應(yīng)該按照什么原則來建模，應(yīng)該按照什么細(xì)度來建模，充分考慮建模效果和花費(fèi)的成本，在兼顧經(jīng)濟(jì)合理性的原則下，按照適當(dāng)?shù)姆绞浇＃娓采w電廠所有的機(jī)械設(shè)備和構(gòu)筑物。對于核心的設(shè)備，采用模型與實(shí)物1:1建模的方式準(zhǔn)確反映實(shí)物的狀態(tài)和細(xì)節(jié)。

（3）精確建模部分

復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)類需要精確建模，并且具備內(nèi)部分解拆裝的能力，表達(dá)設(shè)備設(shè)施工藝及油氣水管道走向。在培訓(xùn)教學(xué)中，利用精細(xì)化模型，在運(yùn)維系統(tǒng)中，利用外觀模型。

主廠房（集水廊道層、管道廊道層、蝸殼層、水泵水輪機(jī)層、中間層、發(fā)電電動機(jī)層、橋機(jī)軌道層、吊頂層等）、副廠房（透平油層、冷水機(jī)/空壓機(jī)層等）、中控樓、開關(guān)站、大壩及壩頂建筑、尾水支洞、上下庫閘門室、排風(fēng)排水洞等各建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)及其中的設(shè)備布置。

在施工過程中，拌合系統(tǒng)、運(yùn)輸路線、營地布置等采用示意建模的原則進(jìn)行布局。

全部精細(xì)化建模方案如圖1所示。

圖1　水泵水輪機(jī)建模方案（1：1建模）

局部精細(xì)建模方案如圖2所示，主要部分進(jìn)行拆解細(xì)分，不關(guān)注非主要部件及部件的細(xì)節(jié)，如部件上的螺紋、圖案等。

圖2　高壓氣機(jī)建模方案舉例圖——局部精確建模舉例

完全示意性建模方案如圖3所示。

圖3　檢修車間天車——完全示意建模方案舉例圖

（4）建模的方法。

設(shè)計(jì)在招標(biāo)的時(shí)候，要求出具三維設(shè)計(jì)模型，對模型的精細(xì)程度有詳細(xì)的要求，設(shè)計(jì)單位必須交付相應(yīng)的模型和設(shè)計(jì)圖紙，并在合同中保證圖紙和模型的一致性。經(jīng)過專業(yè)BIM咨詢單位審查后，方能符合合同要求，如圖4所示。

圖4　大壩及電廠內(nèi)部洞室三維圖

大壩廠房施工在招標(biāo)的時(shí)候要求出具施工三維模型，確保建筑過程中的變更及時(shí)反饋到模型中，能夠從模型中查詢到進(jìn)度、質(zhì)量、合同、安全等信息［4］，確保建立竣工模型，形成數(shù)字資產(chǎn)，如圖5所示。

圖5　水電站施工模型及管理參數(shù)融合

機(jī)電要求廠家提供設(shè)計(jì)圖紙，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，加上逆向測量的方法，建立安裝后的機(jī)電模型。

通過對電廠中的管理對象進(jìn)行梳理和分析，根據(jù)不同的管理目標(biāo)建立相應(yīng)的模型，確保建模工作的經(jīng)濟(jì)性，又能有效地為生產(chǎn)管理提供服務(wù)。

（5）建模研究結(jié)論

建模過程中，要利用整體思路去思考整個(gè)建模過程，從建模目的、建模對象、建模原則、建模方法整體上去思考模型建立。與通常的BIM建模原則不同的是，我們是從建模對象的角度上思考建模的精度，而且考慮了模型不同的來源，模型在時(shí)間維度上的變化，模型的版本管理等［6］，確保建立的模型能夠在一個(gè)統(tǒng)一的平臺上進(jìn)行整合，形成數(shù)字電廠的三維場景基礎(chǔ)。

4　模型的管理實(shí)施和管理

對于不同來源的模型，需要統(tǒng)一平臺來顯示和應(yīng)用模型。通常的技術(shù)路線有兩種：一種是基于C/S架構(gòu)的本地端的渲染服務(wù)模型，這種模式對客戶端計(jì)算機(jī)能力要求比較高；一種是基于B/S架構(gòu)的云端渲染模式，它采用大規(guī)模計(jì)算能力的服務(wù)器，將模型的渲染能力放在云端，實(shí)時(shí)渲染模型，以圖片的方式分割壓縮，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸圖片，在客戶端進(jìn)行還原。這種模式對客戶端電腦的配置要求較低，在任何能夠上網(wǎng)的地方都能夠通過網(wǎng)絡(luò)來查看模型，進(jìn)行管理工作。本次實(shí)踐采用B/S的模式進(jìn)行模型的渲染，展示平臺，效果如圖6所示。

圖6　水電站電廠全景

基于云端渲染在技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上有較大難度，服務(wù)器的渲染需要考慮大量的并發(fā)計(jì)算、優(yōu)化模型的計(jì)算能力，需要考慮通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)化，技術(shù)難度非常大。其中核心是模型的輕量化技術(shù)［7］。團(tuán)隊(duì)通過分離模型的幾何信息與非幾何信息，建立輕量化模型。通過自動LOD的細(xì)節(jié)控制，減少三角面數(shù)量，如圖7所示。

圖7　基于云端渲染的三維異源數(shù)據(jù)整合與展示

5　結(jié)論與展望

隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)的提高，數(shù)字化電廠的概念變得越發(fā)具有可實(shí)施性，但數(shù)字化電廠涉及的眾多專業(yè)和海量數(shù)據(jù)，使得其全生命周期內(nèi)信息管理范圍和深度更加重要。BIM技術(shù)的出現(xiàn)，為數(shù)字化電廠全生命周期信息管理提供了良好的技術(shù)支撐和實(shí)現(xiàn)條件，極大提高了數(shù)字化電廠項(xiàng)目全生命周期內(nèi)信息管理的水平和深度。基于此，本文選擇了由BIM技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段的數(shù)字化電廠全生命周期信息管理研究，希望能夠?qū)?shù)字化電廠項(xiàng)目的信息管理提供一個(gè)發(fā)展思路。

本研究論文通過收集提取國內(nèi)外建設(shè)行業(yè)已取得的成果，結(jié)合電力行業(yè)特點(diǎn)和電廠廠房和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及結(jié)合本人參與項(xiàng)目管理的水電廠建模研究的具體實(shí)例，以三維數(shù)字信息為主線，并將方法推理延伸到火電廠，重點(diǎn)研究電廠設(shè)備的數(shù)字化建模，以電廠全生命周期為目標(biāo)，綜合應(yīng)用BIM技術(shù)、RFID技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）等，并將二者相結(jié)合，提出了基于 BIM的數(shù)字化電廠數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并探討了數(shù)字化電廠后期運(yùn)維模式等。

以數(shù)字化電廠三維信息模型為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)基于位置和狀態(tài)的電廠可視化運(yùn)維保障系統(tǒng)，包括運(yùn)行維護(hù)中設(shè)備智能互聯(lián)、設(shè)備信息采集的智能感知，設(shè)備狀態(tài)智能評價(jià)與分析等，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電廠、智慧型電廠的目的。

［1］劉照球，李云貴，呂西林，等.基于BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型集成框架應(yīng)用開發(fā)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（7）：984-953.

［2］Redmond A，Hore A，Alshawi M，et al.Exploring How Information Exchanges Can be Enhanced Through Cloud BIM［J］.Automation in Construction，2012（24）:175-183.

［3］Lipman，Robert R.Details of the mapping between the CIS/2 and IFC product data models for structural steel［J］.Electronic Journal of Information Technology in Construction，2009（14）:1-13.

［4］J.Infrastruct.Syst.Life-Cycle Costing in Municipal Construction Projects［J］.Journal of Infrastucture Systems，1996，2（1）:125-128.

［5］McClellandD.M.，BowlesDS.Towardsimprovedlifeloss estimationmethods:lessonsfromcasehistories［M］.Seinajoki: Rescdam Seminar，2000.

［6］CARMEN Constantinescu，CHRISTOPHR unde，JOHANNESV-olkmann，el al.D1 definition of a VR based collaborative digital manufacturing environment［R］.［S.L］:Information society Techologies，2007.

［7］Dones R，Gantner U，Hirschberg S.Environmental inventories for future electricity supply Systems for Switzerland［R］.Switzerland: Paul Scherrer Institute，1996.

TU271.1

B

1009-7716（2016）07-0350-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.103

2016-03-16

蘇玲（1981-），女，河南駐馬店人，碩士，市場部經(jīng)理，從事項(xiàng)目管理工作。