BIM技術(shù)在核電站施工全過程中的應(yīng)用

李亞坤 劉 軍 李光遠(yuǎn)

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 101100)

1 工程概況

1.1 項目簡介

華龍一號即HPR1000示范機組，是英國布拉德韋爾B項目的參考電站，防城港二期工程的開工將為華龍一號走向國際市場奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。防城港核電站3#、4#機組作為中廣核采用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的三代百萬千瓦級核電技術(shù)的首堆示范性工程，代表著“中國制造”在國際舞臺上的新名片。

核島施工工序交叉，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，配筋率增大，物項密集，施工難度增大，多種物項交叉，干涉性強，施工邏輯緊密。因核電項目及三代核電示范工程的特殊意義，給施工帶了更復(fù)雜的技術(shù)要求、高品質(zhì)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和超嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩芸亍，F(xiàn)場應(yīng)用重難點包括邏輯分析、方案模擬、深化設(shè)計、安質(zhì)管理、碰撞檢測、總平管理等。核電項目與民建項目的差異較大，民建項目采用BIM技術(shù)相對成熟，而對于核電項目來說，BIM技術(shù)的實施應(yīng)用是一項挑戰(zhàn)。

作為我國自主研發(fā)的三代核電技術(shù)，在復(fù)雜的核島施工技術(shù)中引入BIM技術(shù)，通過 BIM 技術(shù)在核電核島施工的應(yīng)用，建立BIM智慧核島建造管理規(guī)則，基于 BIM 模型的標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程和專項方案，采用 BIM 技術(shù)進(jìn)行施工協(xié)調(diào)管理、BIM 智慧核島建造技術(shù)信息化、BIM 智慧核島建造管理融合等，建設(shè)具有中建特色的項目管理能力，提升核電施工項目管理水平。項目首次將BIM技術(shù)在中國核電建造施工全過程使用，進(jìn)行創(chuàng)新研究，優(yōu)化工作流程，提升項目精細(xì)化管理，培養(yǎng)人才。

本工程沒有同機型的建設(shè)經(jīng)驗可供參考，首次在核電采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工全過程應(yīng)用，對于后續(xù)相同機組建設(shè)具有重要的參考意義。

1.2 工程重難點

(1)技術(shù)重難點

華龍一號采用新堆型、新結(jié)構(gòu)設(shè)計，安全設(shè)計基準(zhǔn)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求高，各項邏輯及工藝復(fù)雜。核島整體配筋率增大、物項密集、施工難度增大。

(2)安全重難點

項目的安全管理目標(biāo)為“四零雙八”，即：安全零重傷、行為零違規(guī)、安全零缺陷、程序質(zhì)量零缺陷，按照挪威船級社國際標(biāo)準(zhǔn)安全現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化及管理標(biāo)準(zhǔn)化，均要求達(dá)到8級，安全管理是本工程管理的重點。

(3)質(zhì)量重難點

作為示范工程，質(zhì)量管理始終遵循“四個凡事”，即“凡事有章可循、凡事有人負(fù)責(zé)、凡事有人監(jiān)督、凡事有據(jù)可查”的管理原則，通過三級QC制度、質(zhì)量計劃、ETF檔案跟蹤制度等，做好質(zhì)量管控。質(zhì)量管理采用2級QA、3級QC的管理體系，同時接受國家核安全局、核工業(yè)第八監(jiān)督站的監(jiān)督。

(4)物項重難點

核電物項標(biāo)準(zhǔn)高、種類多、采購周期長。采購周期以預(yù)應(yīng)力材料為例，需提前6個月以上采購，特種門采購需提前1年以上，部分材料需國外進(jìn)口。

(5)大型機械設(shè)備重難點

項目大型機械設(shè)備種類多、數(shù)量多、管控范圍廣。3.2萬m2核島施工場地共布置塔吊26臺，并配備激光自動切割機、不銹鋼自動焊機、不銹鋼平板拼縫自動焊機、大型噴砂機和折彎機等中大型設(shè)備500余臺。

2 工程中BIM軟件插件的應(yīng)用

2.1 BIM鋼筋建模插件

核電站核島廠房每層房間大小布置各異、層高不同、墻體位置布置變化多，核島廠房的特殊結(jié)構(gòu)帶來的異形結(jié)構(gòu)多、設(shè)備預(yù)留洞口多、邏輯性不強，異形不規(guī)則鋼筋數(shù)量多，預(yù)埋物項多且安裝精度高，使用傳統(tǒng)鋼筋放樣軟件和方法(如CAD、E筋、Revit速博插件)進(jìn)行配筋，無法解決復(fù)雜部位鋼筋構(gòu)造、排布、預(yù)埋物項精度定位及相關(guān)碰撞問題，在平面圖中很難理清鋼筋具體排布位置及鋼筋相互之間的關(guān)系、鋼筋與構(gòu)件之間的復(fù)雜邏輯關(guān)系、翻樣難度大等問題[1]。

通過二次開發(fā)Revit配筋插件“華龍一號核電站”，使插件具有特殊形狀的鋼筋快速繪制功能、鋼筋編輯功能、鋼筋檢查功能和鋼筋統(tǒng)計功能等，如圖1所示。采用Revit插件進(jìn)行鋼筋三維建模，可以解決核島復(fù)雜結(jié)構(gòu)及預(yù)埋預(yù)留洞口密集情況下鋼筋邏輯及碰撞問題。如在閘門區(qū)域，結(jié)構(gòu)為三維異形，且設(shè)置有預(yù)應(yīng)力管道及閘門加厚區(qū)域，通過三維建模減少或避免了CAD二維配筋時因邏輯考慮不清，漏配鋼筋或鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道沖突問題。通過三維建模的沖突碰撞檢查及調(diào)整，在很大程度上避免了現(xiàn)場施工人員對鋼筋的調(diào)整，保證了預(yù)埋物項的安裝精度，節(jié)約了施工工期，且輔助配筋人員進(jìn)行更優(yōu)化的鋼筋設(shè)計和加工，節(jié)約材料，如設(shè)備閘門鋼筋優(yōu)化節(jié)約了4.44萬元。

圖1 華龍一號核電站鋼筋建模插件界面

2.2 預(yù)埋件自動定位方法

核島廠房預(yù)埋安裝物項多，僅核島廠房一次預(yù)埋件有約十多萬塊。采用傳統(tǒng)手動放置，按照成熟的熟練度進(jìn)行埋件放置一塊一分鐘計算，大約需13萬分鐘，折合270天。通過研究有關(guān)處理數(shù)據(jù)及定位坐標(biāo)功能的軟件和插件，最后選擇出ABBYY軟件和BIM One插件將預(yù)埋件定位坐標(biāo)信息進(jìn)行處理。首先使用ABBYY軟件將預(yù)埋件信息表進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時調(diào)整格式； 然后通過BIM插件導(dǎo)入Revit軟件后進(jìn)行預(yù)埋件的放置工作。采用以上方法，只需要將埋件的定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入軟件，就能自動完成埋件的布置工作，大大節(jié)約了BIM人員的時間，解放了BIM人員的雙手。以核島安全B廠房為例，12 000塊埋件的布置工作時間從30天變成了24小時，提升了BIM建模技術(shù)人員的工作效率，進(jìn)一步滿足了現(xiàn)場工作需求。

3 土建施工中的BIM技術(shù)應(yīng)用

項目中后期的施工和運維問題可以在項目初期被發(fā)現(xiàn)并改正，降低施工難度，實現(xiàn)工程可控。BIM的豐富信息讓項目變得更為透明，不僅讓領(lǐng)導(dǎo)層和決策層更為直觀地看到了項目的進(jìn)度情況，同時還可以快速提取所需的概算數(shù)據(jù)，方便決策。有效的數(shù)據(jù)還可以為一線管理人員的項目過程管理提供非常有效的管理、分析和判斷的依據(jù)。所有的工程信息都加載在BIM模型上，降低了信息丟失率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可控。BIM技術(shù)可以實現(xiàn)對項目管理的全方位控制。

項目通過各種BIM模型及族庫的建立，基于最基礎(chǔ)的應(yīng)用點，提前發(fā)現(xiàn)圖紙問題并解決，輔助現(xiàn)場技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計變更?？梢暬瘧?yīng)用輔助方案三維交底、專家評審、方案模擬、施工模擬和商務(wù)索賠，更直觀地了解施工方法及工藝流程。通過三維放樣，直接導(dǎo)出埋件、套管加工單，提高工作效率，解放技術(shù)人員時間。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行機電管線綜合排布、碰撞檢測，確定最優(yōu)方案。利用5D進(jìn)行砌體排磚，節(jié)約砌塊用量和碎磚數(shù)量，同時減少二次搬運情況[2-6]。

3.1 BIM模型一模多用

BIM模型實現(xiàn)一模多用，商務(wù)部門將模型導(dǎo)入GCL和BIM5D軟件中，使用Revit軟件、GCL算量軟件和廣聯(lián)達(dá)5D軟件進(jìn)行工程量的計算與對比，提高算量效率。核電商務(wù)對量與民建區(qū)別極大，核電對量是一道墻一塊板分開計算、詳細(xì)核量，商務(wù)部門通過BIM技術(shù)人員從Revit中導(dǎo)出一道道墻體和一塊塊樓板的工程量，以便于同勞務(wù)分包和業(yè)主進(jìn)行對量工作，工程量有差別的地方便于商務(wù)人員方向追根溯源。模型導(dǎo)入GCL算量軟件中，方便商務(wù)人員自行操作。導(dǎo)入BIM5D軟件，技術(shù)人員在做方案時、商務(wù)人員做工程量概算、工程部人員做工程量工作安排計劃均可調(diào)動數(shù)據(jù)查閱和使用。

3.2 BIM在施工安全中的應(yīng)用

施工現(xiàn)場借助BIM三維視圖，將三維洞口圖和消防通道圖進(jìn)行立體展示，如圖2所示，分別標(biāo)出洞口位置和編號、套管位置和編號、埋件位置和編號、消防栓位置、當(dāng)前位置和安全通道。相比傳統(tǒng)方法更為直觀，且傳統(tǒng)方法中平面布置構(gòu)件較多，洞口位置及信息不明顯； 三維布置洞口突出，洞口信息直接在圖上顯示，方便查找，信息清晰?，F(xiàn)場使用三維方式布置消防安全通道，解決了使用傳統(tǒng)二維平面布置消防安全通道圖的弊端：不同標(biāo)高樓層通道均在一張平面圖中表示； 三維圖中，不同標(biāo)高可分開表示，路線清晰明了。BIM三維視圖更直觀地展現(xiàn)了整個工程實體及消防通道之間的關(guān)系，為人員安全增加一道“安全繩”，在緊急情況下?lián)寠Z生命時間。

圖2 洞口危險源圖及消防通道圖

3.3 施工方案模擬

在項目施工過程中，多次應(yīng)用BIM技術(shù)將施工專項方案通過動畫的形式進(jìn)行全過程模擬。利用BIM的可視化，幫助技術(shù)工員判斷方案的合理性，制定最佳方案決策，同時幫助現(xiàn)場施工人員更好地理解施工方案，提升施工水平與效率。

如穹頂?shù)跹b方案模擬。鋼穹頂其內(nèi)直徑45m，高13.46m，加上配重后重量高達(dá)260t，為保證一次性平穩(wěn)地將穹頂?shù)跹b到63m的高空中，并放置到正確的位置上。在穹頂?shù)跹b前，借助BIM三維模型進(jìn)行穹頂不規(guī)則重心確定、配重計算和鋼絲繩長度數(shù)據(jù)放樣等，保證穹頂?shù)跹b所需數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。通過穹頂?shù)跹b的BIM三維模擬，進(jìn)行穹頂內(nèi)部管道放樣、大型設(shè)備實體放樣、碰撞檢測和施工邏輯分析，發(fā)現(xiàn)履帶吊與3-2塔吊間的風(fēng)險，如圖3所示，穹頂下方物項與環(huán)吊之間的風(fēng)險等，通過風(fēng)險的發(fā)現(xiàn)，對方案進(jìn)行完善，對風(fēng)險進(jìn)行成功的規(guī)避，通過數(shù)據(jù)分析綜合考慮存在的各種情況，把不可預(yù)知的因素通過一次次動態(tài)模擬變得清清楚楚。

BIM動態(tài)模擬施工方案技術(shù)減少了傳統(tǒng)施工技術(shù)中的大量計算和數(shù)據(jù)處理工作，提高工作效率，同時有效地避免人因失誤，使人能夠直觀地觀測到方案具體施工過程中與周邊環(huán)境之間的動態(tài)關(guān)系。

圖3 穹頂?shù)跹b方案模擬

3.4 復(fù)雜物項碰撞檢查及施工邏輯分析

碰撞檢測在虛擬的三維環(huán)境下方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的碰撞沖突，在施工前快速、全面、準(zhǔn)確地檢查出設(shè)計圖紙中的錯誤、遺漏及各專業(yè)間的碰撞等問題，從而減少施工中的返工，控制成本。碰撞檢測是應(yīng)用的重點之一，鋼筋、預(yù)應(yīng)力管束、各閘門支架、套管和埋件等構(gòu)件在施工之前進(jìn)行了碰撞檢測。通過采用BIM技術(shù)解決了-5.24m底板RPE管與鋼筋施工邏輯問題、預(yù)應(yīng)力管施工精確定位、物項干涉、堆坑IVR回水管及RPN管道與土建施工的邏輯分析，完成人員閘門鋼筋放樣及預(yù)應(yīng)力管碰撞檢查、設(shè)備閘門鋼筋放樣及預(yù)應(yīng)力管碰撞檢查、應(yīng)急人員閘門鋼筋放樣及預(yù)應(yīng)力管碰撞檢查、堆芯鋼筋與預(yù)埋板碰撞檢查、埋件與套管及預(yù)埋物項間的碰撞檢查等。

3.5 BIM在群塔安全管理中的應(yīng)用

核島施工現(xiàn)場約12萬m2，共布置有26臺塔吊，塔吊林立。原有群塔防碰撞系統(tǒng)，只能做平面二維的監(jiān)測和預(yù)警。 引入BIM技術(shù)后，將塔吊的高度因素加入系統(tǒng)中，實現(xiàn)了從平面二維到立體三維的升級。

通過BIM三維模型，對核島布置的每臺塔吊做碰撞動畫模擬，輔助塔吊位置及高度調(diào)整，通過測量得出具體數(shù)據(jù)，如圖4所示，輔助塔吊運行管理。設(shè)置防碰撞系統(tǒng)，對塔吊的運行軌跡實時動態(tài)監(jiān)控，極大地減少和避免塔吊發(fā)生碰撞的風(fēng)險?，F(xiàn)場塔吊指揮通過BIM模擬數(shù)據(jù)對比塔吊運行危險區(qū)域，及時對塔吊工作區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)安全事故。

圖4 塔吊布置模擬及理論數(shù)據(jù)測算

通過三維動畫模擬與測算，從理論上計算出塔吊間的安全角度及安全距離，輔助管理人員與操作人員進(jìn)行安全管理與操作。同時，將根據(jù)三維模型模擬得出的理論數(shù)據(jù)制作成小卡片發(fā)放給操作人員，輔助操作人員進(jìn)行塔吊工作。在現(xiàn)場將系統(tǒng)與一線操作人員聯(lián)接起來，隨時傳遞預(yù)警信息，時刻保障塔吊處于安全狀態(tài)。

4 鋼結(jié)構(gòu)施工中的BIM技術(shù)應(yīng)用

核島施工中，不銹鋼用量和鋼襯里用量累計幾千噸，使用Takle軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)二次深化設(shè)計，輔助鋼結(jié)構(gòu)出二次加工圖，并將Takle建成的鋼結(jié)構(gòu)模型與土建Revit模型通過中間交互模型格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換合并，進(jìn)行碰撞檢查，梳理多專業(yè)交叉施工邏輯，避免因施工邏輯順序制約現(xiàn)場工期。

二次深化鋼結(jié)構(gòu)天花覆面、檢漏管、不銹鋼水池并導(dǎo)出結(jié)構(gòu)加工圖，如圖5所示，從BIM軟件中導(dǎo)出的加工圖直接輸入數(shù)控激光切割機加工系統(tǒng)進(jìn)行自動加工，保證加工精確度。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)二次深化

核島牛腿單個重5.3t，制作質(zhì)量要求嚴(yán)，精度要求高，通過BIM三維工藝模擬，優(yōu)化施工流程和預(yù)制方案，模擬加工流程，并應(yīng)用模擬動畫對操作人員進(jìn)行深入交底，讓操作人員能夠正確理解加工要點及方法，確保牛腿預(yù)制質(zhì)量。

通過應(yīng)用BIM技術(shù)，導(dǎo)出套管加工單及量表、埋件圖紙導(dǎo)出及量表，這些資料很大程度地提高了技術(shù)人員的工作效率。本項目有許多異形套管，例如在弧形墻體上帶有偏移角度的套管，同時穿過梁板的傾斜套管等。對于這些異形套管，只應(yīng)用二維圖紙是很難精確計算出加工數(shù)據(jù)的，利用專業(yè)的建模軟件對異形構(gòu)件進(jìn)行放樣，自動計算數(shù)據(jù)，并建立出三維模型，解決了異形構(gòu)件加工難的問題。

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計，可清晰地向各個部門及現(xiàn)場工人進(jìn)行展示，提高了設(shè)計信息傳遞的準(zhǔn)確率。在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計的過程中及多專業(yè)模型合并的過程中，可以提前發(fā)現(xiàn)或預(yù)測施工過程中可能出現(xiàn)的問題。

5 管理過程中的BIM技術(shù)應(yīng)用

5.1 項目信息化管理

BIM5D軟件涉及到“三端一云”，包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用、技術(shù)應(yīng)用、生產(chǎn)應(yīng)用、質(zhì)安應(yīng)用和商務(wù)應(yīng)用等。應(yīng)用BIM5D軟件進(jìn)行施工段的劃分，關(guān)聯(lián)進(jìn)度計劃，進(jìn)行進(jìn)度模擬與工期控制，提升管理效率。進(jìn)行安全、質(zhì)量問題的閉環(huán)管理，實現(xiàn)問題跟蹤提醒，減少問題漏項[7-9]。

現(xiàn)場生產(chǎn)進(jìn)度形象統(tǒng)計，上傳現(xiàn)場實際施工進(jìn)度照片，記錄施工過程中每一階段的實際進(jìn)度，方便管理層對現(xiàn)場施工進(jìn)度實時跟蹤。借助BIM5D功能進(jìn)行技術(shù)照片留存，便于后期做技術(shù)總結(jié)、竣工資料等技術(shù)性文件使用。

通過崗位級的BIM工具獲得初始模型和數(shù)據(jù)信息，再將模型集成到項目級BIM平臺上，通過虛擬建造和現(xiàn)場可視化管控結(jié)合，利用BIM技術(shù)提高工作效率，為各項管理決策提供數(shù)據(jù)支撐，為項目的進(jìn)度、成本、物料管控等提供精確模型與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而降低施工風(fēng)險及成本，幫助項目管理人員基于數(shù)據(jù)進(jìn)行有效決策。

BIM5D的開展應(yīng)用需要各個部門的共同參與、共同協(xié)作來完成，實現(xiàn)平臺的全項目應(yīng)用使企業(yè)各個部門之間的協(xié)作更加順暢，信息傳遞更加及時，提升精細(xì)化管理水平。

5.2 總平面管理

項目屬于二期核電工程，廠區(qū)內(nèi)場地規(guī)劃已完成，預(yù)留施工用地面積小，“雙核島”同時施工，總平管理困難。在進(jìn)行反應(yīng)堆廠房穹頂?shù)跹b時，周邊廠房均在進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，平面布置緊湊，需確定履帶吊占位及旋轉(zhuǎn)半徑和方向、塔吊大臂及小臂的固定位置及方向。廠房周邊塔吊間互相交錯，需管理好塔吊旋轉(zhuǎn)半徑及方向，避免塔吊隨履帶吊工作旋轉(zhuǎn)時發(fā)生碰撞。

利用BIM技術(shù)可視化與綜合協(xié)調(diào)性，將各分部分項交叉部署、各階段堆場、辦公區(qū)域和施工廠房合理布置、大型機械設(shè)備空間布置、平面綜合優(yōu)化布局進(jìn)行綜合合理規(guī)劃。提高總平面管理的科學(xué)性、有效性，為施工邏輯順利進(jìn)行提供條件，合理安排現(xiàn)場施工順序，優(yōu)化平面布置，節(jié)約工期，減少項目成本支出，如圖6所示。

圖6 總平面管理

6 結(jié)論

本項目首次把BIM技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用到核電建造中，納入到核島施工傳統(tǒng)管理各環(huán)節(jié)流程中，提升了核電施工的精細(xì)化管理能力，優(yōu)化了傳統(tǒng)的施工工作流程，提高了施工人員的工作效率，提升了項目及企業(yè)的科技創(chuàng)新能力和信息化能力，應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)了智慧建造。

本項目以數(shù)據(jù)和圖形應(yīng)用為核心、以效率提升、規(guī)避風(fēng)險為結(jié)果，建立了效益分析衡量模型，統(tǒng)計出應(yīng)用BIM技術(shù)節(jié)約的工期和工程成本，足以證明BIM技術(shù)在核電施工中具有極大的應(yīng)用價值。