基于建筑信息模型的電纜精細化管理在火電廠中的應用

吳利平 覃席彪 陳予倫 楊沛豪

1.華能秦煤瑞金發(fā)電有限責任公司 江西贛州 341113 2.杭州建普科技有限公司 杭州 310020 3.西安熱工研究院有限公司 西安 710054

1 應用背景

火電是我國目前電力行業(yè)的發(fā)電主體,新建火電工程電纜用量大,造價高昂,且一般由甲方供貨、乙方施工,若管理銜接不當,易導致投產(chǎn)后庫存存在較大的浪費現(xiàn)象。造成以上問題的原因有多種。在設(shè)計階段,電纜清冊數(shù)量較粗放,與工程實際需求存在一定量的余量或誤差,電纜選型保守。在施工階段,電纜敷設(shè)時預留接線長度過長,電纜型號混用或者錯用,電纜敷設(shè)路徑不合理,橋架通道擁堵,因工期、工序問題,橋架安裝與管道安裝出現(xiàn)碰撞,導致誤工、返工。傳統(tǒng)的電纜采購與安裝方法問題眾多,弊端明顯。通過電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)和SketchUp軟件搭建三維信息模型,能有效地實現(xiàn)電纜與橋架安裝前的策劃、安裝中的精細化管理。筆者介紹基于建筑信息模型的電纜精細化管理在火電廠中的應用。

2 基于建筑信息模型的電纜精細化管理

建筑信息模型這一概念從2002年由Autodesk公司提出至今,雖然沒有固定統(tǒng)一的定義,但現(xiàn)已被業(yè)內(nèi)廣泛認可。建筑信息模型利用開放的行業(yè)標準,將既定項目某個生命周期內(nèi)的各類信息,用圖像、視頻或者數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)出來,以便于項目管理者制定相關(guān)的決策,更好地使項目產(chǎn)生更多增值效益。建筑信息模型技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性及可出圖性等特點,常見的應用場景為民用建筑、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域,而在電力領(lǐng)域的應用案例較少。筆者將建筑信息模型技術(shù)應用在火力發(fā)電廠電纜精細化管理項目上,其核心是通過電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)搭建電纜通道信息模型,分級導入電纜清冊統(tǒng)計匯總電纜信息,結(jié)合圖紙與現(xiàn)場實際情況,完成設(shè)備接線點定位,利用計算機模擬電纜敷設(shè),完成電纜長度計算,輸出最優(yōu)的電纜采購與敷設(shè)方案,錄入電纜到貨入庫數(shù)據(jù)與現(xiàn)場敷設(shè)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)電纜庫存精細化管理。同時利用SketchUp軟件搭建橋架與管道模型,實現(xiàn)三維模型的可視化,指導橋架安裝前的碰撞檢查。針對電纜模擬敷設(shè)時暴露的橋架容積率不足或過剩的問題,制定橋架優(yōu)化方案,指導電纜敷設(shè)與橋架安裝,從電纜及橋架的采購與施工兩個方面實現(xiàn)電纜精細化管理。電纜精細化管理流程如圖1所示。

圖1 電纜精細化管理流程

3 最優(yōu)電纜長度算法研究

利用電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)電纜長度計算,輸出最優(yōu)敷設(shè)路徑的流程為:設(shè)置公共參數(shù),錄入節(jié)點一覽信息,搭建電纜通道信息模型,導入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)電纜清冊;通過引橋計算,實現(xiàn)設(shè)備接線點定位,進行電纜長度計算;進行橋架段容積率分析,調(diào)整電纜敷設(shè)方案,輸出最優(yōu)的電纜敷設(shè)路徑與下料長度。其中,公共參數(shù)的設(shè)置是為了給不同型號電纜附加橫截面積、電壓等級等物理信息,以及最后定盤允許的最大盤長,為不同型號橋架添加橫截面積,以便進行橋架容積率分析。實現(xiàn)最優(yōu)電纜長度計算的關(guān)鍵步驟是搭建電纜通道信息模型、設(shè)備點定位(引橋計算)、電纜長度計算,筆者就這三個部分的原理進行詳細介紹。電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊

3.1 電纜通道信息模型

收集整理主廠房、鍋爐、輔助廠房等各個區(qū)域電纜構(gòu)筑物圖及電纜敷設(shè)圖,在設(shè)計院編制的橋架節(jié)點基礎(chǔ)上,測量相鄰橋架節(jié)點距離,每兩相鄰節(jié)點連結(jié)生成主橋通道,在系統(tǒng)里定義橋架物理信息和功能信息。為了電纜在模擬敷設(shè)時按橋架功能分層,實現(xiàn)動力、控制電纜分開敷設(shè),在電纜模擬敷設(shè)完成后,對相應的橋架段容積率進行分析。匯總所有橋架節(jié)點間信息,生成節(jié)點一覽表,見表1。

從表1可知,3號機主廠房0 m層橋架中,與橋架節(jié)點30ZCF002相鄰的橋架節(jié)點有30ZCF001與30ZCF003,其中30ZCF002與30ZCF001之間為兩層600 mm×150 mm的橋架連通,一層橋架敷設(shè)動力電纜,一層橋架敷設(shè)控制電纜,兩個節(jié)點之間的距離為3.5 m。將節(jié)點一覽表導入系統(tǒng),搭建電纜通道信息模型,如圖3所示。

表1 節(jié)點一覽表

圖3 電纜通道信息模型

圖3中,L1～L5為各相鄰節(jié)點間的距離。將前述數(shù)據(jù)完善后,利用Java算法庫的迭代算法完成每一條主橋路徑長度計算,其基本思路為:以主橋的任意橋架節(jié)點為起點,尋找最近的橋架節(jié)點,計算路徑長度;依次尋找下一個節(jié)點,以上一次路徑長度計算結(jié)果為新的初始值進行該次計算,直到找到目標節(jié)點,完成所有主橋路徑計算。這一過程中將最近的節(jié)點序列和路徑長度保留,刪除非最近的節(jié)點序列與路徑長度,減少數(shù)據(jù)庫容量。迭代算法是用計算機解決問題的一種基本方法,利用計算機運算速度快、適合做重復性操作的特點,命令計算機對一組指令或一定步驟進行重復執(zhí)行,在每次執(zhí)行該組指令或該步驟時,都從變量的原始值推出新值。迭代算法的三個關(guān)鍵步驟為確定變量、建立關(guān)系式、過程控制。在主橋路徑的計算過程,變量是相鄰節(jié)點間的距離,因為橋架節(jié)點是有限的,所以在利用迭代算法計算時,不會無限循環(huán)進行計算,滿足過程控制的終止條件停止。

迭代算法為:

F(Ln)=F(Ln-1)+min(L)

(1)

式中:n為橋架節(jié)點號;Ln為節(jié)點n與節(jié)點n-1的橋架長度;F為橋架路徑,其長度從橋架起始節(jié)點開始計算;min(L)為橋架長度的無窮小量。

在搭建電纜通道模型過程中,完成了所有主橋最短路徑的計算。在實際應用過程中,出現(xiàn)某一節(jié)點因設(shè)計變更或其它原因?qū)е略撎師o法繼續(xù)敷設(shè)電纜時,可以通過設(shè)置必經(jīng)橋架節(jié)點的方式改變電纜敷設(shè)路徑,其電纜敷設(shè)路徑主橋部分長度為起點橋架節(jié)點至必經(jīng)橋架節(jié)點的距離加上必經(jīng)橋架節(jié)點至終點橋架節(jié)點的距離。

3.2 設(shè)備點定位

將電纜清冊匯總整理,導入電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)電纜清冊將每一根電纜的起點、終點設(shè)備生成一條待賦值的引橋,同一個設(shè)備生成的引橋合并為一條數(shù)據(jù)。該待賦值指錄入該設(shè)備接線點至電纜通道信息模型中最近的橋架節(jié)點的距離,稱引橋計算,圖3所示電纜通道信息模型中,設(shè)備1至主橋通道中最近的橋架節(jié)點1的引橋是需要賦值的對象,X1為引橋長度。完成所有引橋的賦值,生成引橋計算表,見表2。

3.3 電纜長度計算

在完成電纜通道信息模型搭建與引橋長度計算后,電纜長度計算轉(zhuǎn)換為起點設(shè)備至終點設(shè)備的橋架長度計算,即電纜長度為主橋長度與引橋長度之和。

4 橋架安裝量統(tǒng)計方法

通過SketchUp軟件建立橋架的三維模型,利用其組件功能,創(chuàng)建不同型號的橋架組件,例如2 m的1 000 mm×150 mm梯形橋架、(1 000 mm+1 000 mm)×150 mm梯級橋架彎通等,然后運用橋架組件完成橋架的預安裝,最后通過SketchUp軟件的組件信息統(tǒng)計功能獲取不同類型橋架的安裝數(shù)量。三維橋架模型如圖4所示,統(tǒng)計信息見表3。

表2 引橋計算表

圖4 三維橋架模型

表3 統(tǒng)計信息

5 電纜精細化管理實際應用

某電廠二期擴建工程是建設(shè)兩臺100萬kW超超臨界燃煤機組,總投資約70億元,其中電纜概算約8 200萬元,橋架概算約1 800萬元,電纜與橋架的工程造價高,電纜及橋架的精細化管理對節(jié)約項目成本,提高工程管理質(zhì)量具有重要意義。

在該工程中,按照上述電纜精細化管理流程與方法實現(xiàn)了電纜與橋架在采購與施工過程中的精細化管理。

5.1 電纜及橋架采購管理

在電纜橋架采購前,收集整理電纜敷設(shè)圖、電纜構(gòu)筑物圖、電纜清冊、各專業(yè)設(shè)備布置圖等設(shè)計圖,按照上述電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)流程和原理,完成電纜最優(yōu)長度計算,對部分選型保守的電纜進行截面優(yōu)化,然后輸出電纜定尺定盤采購表、電纜敷設(shè)路徑表,分別見表4、表5。

通過SketchUp軟件搭建該工程的三維橋架整體模型,利用組件功能完成全廠橋架的預安裝,準確統(tǒng)計橋架實際安裝需求量。三維橋架整體模型如圖5所示。

5.2 電纜及橋架施工管理

(1) 施工方案檢查與優(yōu)化。在橋架安裝前,通過橋架段容積率分析,發(fā)現(xiàn)主廠房與煤倉間連接處的橋架段容積率為120%,分析原因為主廠房兩列式的布置與側(cè)煤倉的結(jié)構(gòu)特點決定了從主廠房配電間至爐后的動力電纜都需經(jīng)過該處橋架,因此路徑無法調(diào)整,只能在原有橋架的基礎(chǔ)上增加一層1 000 mm×150 mm橋架,優(yōu)化后橋架的容積率降低為40%。優(yōu)化方案如圖6所示。類似的橋架擁堵問題在該工程中還存在六至八處,筆者不再枚舉。

表4 電纜定尺定盤采購表

表5 電纜敷設(shè)路徑表

圖5 三維橋架整體模型

圖6 主廠房與煤倉間連接處橋架段優(yōu)化方案

在施工過程中,還存在因工期跟不上出現(xiàn)橋架比管道提前安裝的情況。比如需要完成煤倉間的橋架安裝,才能打通主廠房至鍋爐及爐后區(qū)域的電纜通道,但送粉管道密集排布在橋架上方,導致出現(xiàn)橋架支吊架與送粉管道產(chǎn)生碰撞,通過三維橋架與管道模型,進行橋架支吊架的模擬安裝,從送粉管道的間隙穿插安裝橋架支吊架,避免出現(xiàn)碰撞問題,優(yōu)化方案如圖7所示。

(2) 現(xiàn)場監(jiān)督與庫存管理。現(xiàn)場不定期對施工隊伍的電纜敷設(shè)工作進行抽檢,檢查電纜是否是按照優(yōu)化路徑敷設(shè),電纜盤的使用是否遵循定尺定盤的要求,電纜敷設(shè)至盤柜或者就地設(shè)備時預留長度是否過長,將前述可能導致電纜浪費的因素提前發(fā)現(xiàn),及時解決。根據(jù)工程進度,整理電纜敷設(shè)記錄,導入電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng),通過對比電纜的到貨量與使用量,準確把握電纜庫存量,及時調(diào)整采購計劃。在該工程結(jié)束收尾時,橋架庫存基本為零,電纜庫存僅為23 km,庫存量占比采購量為1.2%。

圖7 送粉管道與橋架排布優(yōu)化方案

6 結(jié)束語

基于建筑信息模型技術(shù)的電纜精細化管理完成了電纜和橋架數(shù)量的準確統(tǒng)計、電纜敷設(shè)路徑的合理規(guī)劃以及橋架安裝前優(yōu)化設(shè)計,解決了傳統(tǒng)火電項目中電纜與橋架存在的采購超量、庫存量高,以及因工序、工期導致的誤工、返工等問題,為降低工程造價、打造精品工程做出了貢獻。