“華龍一號”土建工程數(shù)字化建造技術應用

李 兵,范桂斌,邵克軍,王紅勝,王旋旋,楊 霞

(中國核工業(yè)二四建設有限公司,北京 101601)

1 項目概況

“華龍一號”為我國具有完全知識產權的三代核電堆型,設計采用能動＋非能動系統(tǒng)雙層安全殼,最大電功率能達115萬千瓦時。與同等規(guī)模的煤電站相比,可減少標煤消耗約250萬噸,減少二氧化碳排放約600萬噸。

福清核電站5、6號機組為 “華龍一號”示范工程,位于福清市三山鎮(zhèn)西南前薛村的岐尾山前沿,東、南、西三面環(huán)海,東北與福清陸地連接。建設有2臺百萬千瓦級壓水堆型核電機組,廠區(qū)一次規(guī)劃,連續(xù)建設,正式工程占地面積近25萬平方米,包含了反應堆廠房、汽輪機發(fā)電廠房、循環(huán)冷卻水泵房等數(shù)十座廠房,其核島混凝土澆筑量是二代改進堆型的3.0倍,鋼筋量是4.0倍,預埋件是2.7倍,建筑面積是2.5倍。建設用生產臨建區(qū)地面積達到19萬平方米,生活臨建占地8.8萬平方米,現(xiàn)場布置塔吊30余臺,參與建設的人員有上萬人。其中5號機組為“華龍一號”全球首堆,于2015年5月7日正式開工建設,總工期62個月。

2 數(shù)字化建造技術應用現(xiàn)狀及布局

2.1 “華龍一號”數(shù)字化建造技術應用現(xiàn)狀

福清核電 “華龍一號”5、6號機組建設籌備建設階段,數(shù)字化建造技術已開始在 “華龍一號”有了初步的應用,隨著項目建設的正式啟動,數(shù)字化建造技術應用趨于成熟,成為 “華龍一號”建設的助力,在應用的過程中技術人員需結合項目建設需求對所引進的數(shù)字化建造技術有針對性的進行二次開發(fā)或優(yōu)化,經過試驗或試點應用后,開始大面積推廣,目前福清核電 “華龍一號”已應用成熟的數(shù)字化技術包括多項目信息系統(tǒng) (ENpower)的應用、BI M技術、現(xiàn)場塔吊防碰撞技術、數(shù)據(jù)加密保護管理系統(tǒng)、在線考試系統(tǒng)、現(xiàn)場人員定位管理系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)、鋼板數(shù)字化切割、鋼筋聯(lián)動設備、鋼襯里模塊化技術等十余項,涵蓋了項目建造階段技術、質量、安全、進度、勞動力、機械設備管理等各方面。

2.2 “華龍一號”數(shù)字化建造技術應用布局

考慮 “華龍一號”土建施工建造階段整體布局,從項目管理的各方面對數(shù)字化建造技術進行全面布局,以 “先整體后局部,先研究后應用,先試點后實施”為原則,結合項目發(fā)展需求,和行業(yè)前沿技術,完成總體布局計劃和技術應用優(yōu)化,首先解決當前急需問題,而后對細節(jié)和提升問題進行深入研究,不斷優(yōu)化提升數(shù)字化建造技術應用的效率和效益?！叭A龍一號”土建施工項目管理數(shù)字化建造分階段布局,具體如下。

第一階段:在土建施工準備階段,研究及應用多項目信息系統(tǒng) (ENpower)、BI M技術、在線考試系統(tǒng),對項目管理過程進行把控,對項目管理人員進行業(yè)務能力培訓、考核、提升。同時,對數(shù)字化建造技術中其他技術開展調研分析和應用研究,啟動有關項目的內外部科研項目立項和研究工作,部署數(shù)據(jù)加密保護系統(tǒng),加強知識產權、數(shù)據(jù)保密管理。

第二階段:基礎施工階段,采購鋼筋聯(lián)動設備、鋼板數(shù)字化切割設備,布置塔吊防碰撞系統(tǒng),完成鋼襯里模塊化技術策劃。布置人臉識別系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場人員定位系統(tǒng),對現(xiàn)場勞務人員進行考勤管理,對施工過程進行記錄和管理。部署塔吊防碰撞系統(tǒng),以保證密集塔吊群的運行安全。

第三階段:主體結構及后續(xù)施工階段,結合數(shù)字化建造技術應用過程中的問題和項目使用人員提出的需求,對已應用的數(shù)字化技術進行優(yōu)化改進或二次開發(fā),不斷提升數(shù)字化建造技術應用水平。

3 數(shù)字化建造技術研究及應用

3.1 數(shù)字化建造多項目信息化管理系統(tǒng)ENPower的研究及應用

目前,核電項目中一些成熟有效的管理模式或者管理方法,往往受制于核心人才流失的制約,無法進行有效的保留和推廣,如能實現(xiàn)一套標準化的管理流程,實現(xiàn)可復制的標準化管理模式,支持企業(yè)整體管理能力的提升,將大大降低對核心人才的依賴。而通過ENPower系統(tǒng)的應用實施,實現(xiàn)了可復制的標準化管理模式,支持“華龍一號”建設項目整體管理能力的提升,其中文件管理、物項管理、計量管理、加工計劃管理、進度管理、混凝土管理、質量管理、安全管理等模塊的應用更加規(guī)范了 “華龍一號”土建施工管理信息化管理模式,為 “華龍一號”建造積累施工數(shù)據(jù)和知識經驗。

在福清核電 “華龍一號”土建施工中,多項目信息管理ENpower系統(tǒng)覆蓋了 “華龍一號”施工管理的各個方面,包括安全、質量、進度、技術、商務等,項目管理文件審批流程均在系統(tǒng)中完成,在每個板塊的應用過程中,均可結合實際需求不斷進行優(yōu)化,簡化軟件操作方法,不斷提高項目管理效率。同時,ENpower系統(tǒng)的可持續(xù)優(yōu)化性,為項目管理模式的不斷優(yōu)化提供了良好的發(fā)展平臺,解決項目管理基本問題后,可結合項目管理實際需求對該系統(tǒng)進行合理的二次開發(fā),如增加裝飾管理、鋼結構管理、焊接管理、工程檢測管理等。

ENPower系統(tǒng)開發(fā)過程需遵循PDCA原則,以 “事前有計劃,事中有控制,事后有考核”為切入點,實現(xiàn)了企業(yè)精細化的閉環(huán)管理。開發(fā)的鋼筋下料板塊,能夠實現(xiàn)智能打印鋼筋料牌、自動計算鋼筋工程量功能;開發(fā)的物項管理板塊,能夠對物項流轉的全過程進行實時跟蹤,對物項成本進行智能分析。

ENPower系統(tǒng)開發(fā)在把握全局的前提下,尚需從細處著手,如實現(xiàn)的計量器具、工機具異常狀態(tài)預警功能等一系列自動化管理功能,極大程度地優(yōu)化了 “華龍一號”土建施工管理模式。其界面如圖1所示。

圖1 ENPower系統(tǒng)工作界面Fig.1 ENPower systeminterface

3.2 數(shù)字化建造技術在人力資源和安全方面管理的研究及應用

3.2.1 人力資源管理方面

在勞務人員進場入口處設置人臉識別系統(tǒng)進行考勤管理和記錄,將現(xiàn)場勞務人員信息錄入系統(tǒng),每日對入場人員通過人臉識別進行記錄,相比較指紋打卡,入場效率更高,形成的人員信息記錄更全面。在建設初期,采用在線考試系統(tǒng)提升項目管理人員業(yè)務能力,首先由項目各職系人員結合業(yè)務管理需求,制作題庫后,由信息系統(tǒng)管理員錄入系統(tǒng),參與項目管理人員經授權后可進入系統(tǒng),可在線練習、考試、查詢等,經過培訓后的考試或日常業(yè)務能力考試均可利用在線系統(tǒng)進行,系統(tǒng)可自動打分,統(tǒng)計考試分數(shù),相較傳統(tǒng)的紙質試卷考試,工作效率和準確率均較高。如圖2所示。

圖2 在線考試系統(tǒng)Fig.2 On-line exa mination system

采用人員定位系統(tǒng)對勞務人員和現(xiàn)場管理人員的活動軌跡進行跟蹤,通過人員定位系統(tǒng),按子項、廠房精確測算各區(qū)域真實的勞動力投入,實現(xiàn)核電建造的全過程、全工種的精確數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計。通過人員安全監(jiān)控系統(tǒng)客戶端實時查詢各區(qū)域工種的班組信息、持證情況、血型信息、緊急情況聯(lián)系人、違章記錄等。安全管理人員可通過定位系統(tǒng)實施查看、掌握所有主體作業(yè)人員的運動軌跡,實現(xiàn)作業(yè)人員行為的跟蹤分析;在高風險區(qū)域設置電子圍欄對接近該區(qū)域人員實現(xiàn)自動報警。如圖3所示。

圖3 人員定位系統(tǒng)Fig.3 Personnel positioning syste m

3.2.2 安全管理方面

“華龍一號”核電土建施工中應用的塔吊防碰撞系統(tǒng)裝置由數(shù)據(jù)采取板塊、數(shù)據(jù)分析板塊、報警處理板塊以及軟件界面顯示板塊組成,通過電氣系統(tǒng)拼接、多次調試,將防碰撞系統(tǒng)與塔機自身的電氣系統(tǒng)組裝到一起。以前的防碰撞系統(tǒng)與塔機電氣系統(tǒng)是兩個獨立體,互不影響,防碰撞系統(tǒng)只能提醒,當塔吊轉到危險區(qū)域時還是可以一直繼續(xù)向危險方向前進,繼而發(fā)生事件。而“華龍一號”項目建造中,研究開發(fā)的防碰撞系統(tǒng),已經與塔機自身的電氣系統(tǒng)相連,先是提醒,如果再向危險方向靠近,防碰撞系統(tǒng)會直接強行停止危險方向操作,這樣能夠有效避免解決塔機碰撞事故,并可提高施工現(xiàn)場的工作效率。如圖4所示。

圖4 塔吊防碰撞系統(tǒng)實時監(jiān)控界面Fig.4 Real-ti me monitoring interface f or tower crane anti-collision system

為保證 “華龍一號”核電建設資料的安全,采用了軟件加密技術。通過數(shù)據(jù)防泄漏系統(tǒng),可以對數(shù)據(jù)文件進行加密,并且加密的文件只能在內部網絡環(huán)境中打開,并且可以對文件的操作權限和傳播途徑進行控制,有效地保證數(shù)據(jù)的安全性。數(shù)據(jù)防泄漏系統(tǒng)的使用需要在電腦上安裝終端,通過服務器端的控制臺實現(xiàn)加密策略的設置,就可以對電腦上的數(shù)據(jù)文件進行加密。如果加密的文件需要解密必須通過解密流程,對數(shù)據(jù)文件的傳播進行控制。

3.3 數(shù)字化建造BI M技術應用

在 “華龍一號”核電土建施工中,結合項目建造實際需求,對BI M技術開展有針對性的技術開發(fā),建立基于BI M的建筑工程多維管理體系,開展工程施工階段BI M的5D(三維＋進度＋資金)應用,同時對所應用的BI M軟件進行二次開發(fā),建立 “華龍一號”核電土建施工數(shù)據(jù)庫,包括鋼筋、套筒、埋件、型鋼數(shù)據(jù)庫等,數(shù)據(jù)庫的建立可為三維建模提供便利,建模過程中標準構件只需要加載數(shù)據(jù)庫文件后點選即可,無需重新繪制模型,方便、快捷,建模效率更高。同時,可根據(jù)工程建設需求自行開發(fā)制作各種材料表模板,在工程量或構件加工計劃導出時,可根據(jù)實際情況加載后點選使用。

為了解決核電建設中鋼筋構造復雜,需要耗費大量時間進行鋼筋下料的問題,通過對BIM軟件進行二次開發(fā),實現(xiàn)運用BIM軟件建模、制定相應下料規(guī)則來進行鋼筋深化下料設計,再將鋼筋翻樣數(shù)據(jù)的自動錄入ENpower信息化管理系統(tǒng),鋼筋斷料自動計算,既縮短技術人員鋼筋翻樣、斷料計算、數(shù)據(jù)錄入的時間,又提高了鋼筋下料的準確性。其次在后續(xù)鋼筋加工、料牌制作等鋼筋下料管理過程,運用掃碼器、鋼筋聯(lián)動設備、鋼筋料打印機等信息化設備,使鋼筋加工過程自動化。經過這一系列的探索與改革,運用“BIM＋信息化＋智慧”使鋼筋下料及加工的全過程實現(xiàn)了智能化、信息化的變革。如圖5所示。

圖5 BI M料表導入ENpower系統(tǒng)流轉Fig.5 BI Mlist of materials trans mitted and circulated in the ENpower system

在福清核電 “華龍一號”建設現(xiàn)場,鋼板數(shù)字化切割設備有效的提高了鋼材加工的效率。將用BIM軟件完成的鋼結構模型,導出成Sigma NEST專業(yè)軟件能夠識別的CAD下料圖,采用Sigma NEST合理配置下料,與數(shù)字化設備連接,車間自動切割鋼板下料,最大限度地提高材料利用率,相同的產出,消耗更少的原材料合理利用了鋼材,效率更高,使用更安全。如圖6所示。

圖6 鋼板數(shù)字化切割設備Fig.6 Digital steel-sheet cutting equip ment

3.4 數(shù)字化建造設備應用

運用鋼筋剪切線聯(lián)動設備自動加工鋼筋,在軟件中批量輸入鋼筋,系統(tǒng)對鋼筋進行自動優(yōu)化后配料,自動斷料,提高鋼筋的利用率。利用鋼筋彎箍機可自動加工箍筋,自動優(yōu)化配料,批量加工生產,效率更高,如圖7所示。

4 結束語

隨著當今社會,人工成本的不斷提升,以數(shù)字化、智能化替代傳統(tǒng)手工業(yè)的智能建筑、數(shù)字化建造將迎來一股熱潮,如何在這場前所未有的變革中立足,在未來建筑業(yè)亦或是核電行業(yè)中迎來長足的發(fā)展,是我們值得深思的問題。

圖7 鋼筋聯(lián)動設備輸入界面Fig.7 The input interface of reinf orced bar linkage equip ment

福建福清 “華龍一號”核電土建工程建造過程,正引領核電建造走向一個全新的時代,將數(shù)字化建造貫穿始終,將技術革新和現(xiàn)場施工相結合,優(yōu)化施工管理模式,運用新技術解決施工難題,保證項目建設有序進行;運用數(shù)字化建造技術優(yōu)化項目管理模式,解決了管理和技術難題,提高了項目管理效率,為 “華龍一號”標準化建造奠定了基礎,對于核電建造的發(fā)展具有重要的意義,對我國核電的發(fā)展具有不可估量的價值。