基于BIM的核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理信息系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐

楊吉星，胡立新

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

鋼結(jié)構(gòu)工程是以鋼構(gòu)件的制作、安裝為主的工程，是目前我國(guó)主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一，因其具有較好的抗震性、抗風(fēng)性、耐久性、保溫性、隔音性、健康性、舒適性等優(yōu)點(diǎn)，且施工簡(jiǎn)便，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)核電項(xiàng)目中[1]。

核電廠主要由核島廠房、常規(guī)島廠房和BOP（Balance of Plant，電站配套設(shè)施）組成，各類鋼制品（如主鋼、次鋼、不銹鋼等）、鋼構(gòu)件廣泛應(yīng)用于其中，如鋼安全殼的底板、鋼襯里、穹頂，如鋼結(jié)構(gòu)天花覆面、檢漏管、不銹鋼水池、環(huán)吊牛腿等。

核電廠土建工程的建設(shè)周期約5～6 年，鋼結(jié)構(gòu)工程貫穿始終；1 個(gè)核電廠土建工程造價(jià)幾十億元，鋼結(jié)構(gòu)工程費(fèi)用占其比例約10%；鋼結(jié)構(gòu)工程在核電廠核安全管理（如限制污染氣體的泄漏，防止或減少放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放，預(yù)防或有效抵御飛機(jī)撞擊、龍卷風(fēng)等不可預(yù)見性外部事件對(duì)核電廠帶來的災(zāi)害性的影響等）中發(fā)揮著極其重要的作用；質(zhì)量是保證安全的重要措施，我們有必要對(duì)核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程全生命周期內(nèi)各項(xiàng)工作認(rèn)真梳理、明確標(biāo)準(zhǔn)、落實(shí)分工、嚴(yán)格執(zhí)行，以期保證各項(xiàng)工作的質(zhì)量。

因此，我們重新梳理核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理業(yè)務(wù)流程，進(jìn)行核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理信息系統(tǒng)建設(shè)。

1 管理現(xiàn)狀

廣西防城港核電站是中國(guó)在西部地區(qū)和少數(shù)民族地區(qū)開工建設(shè)的首個(gè)核電項(xiàng)目，項(xiàng)目共分為三期，一期的1、2 號(hào)機(jī)組已經(jīng)正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)；二期3、4 號(hào)機(jī)組正在建設(shè)中；三期的5、6 號(hào)機(jī)組還未開工。中建二局成立廣西防城港核電項(xiàng)目部，負(fù)責(zé)本項(xiàng)目的具體施工和管理工作。項(xiàng)目工程部下屬的鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)負(fù)責(zé)本項(xiàng)目全部鋼結(jié)構(gòu)工程相關(guān)工作的執(zhí)行。目前，存在如下問題。

1.1 管理流程粗放

鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)組織結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，目前只設(shè)置了生產(chǎn)管理組和現(xiàn)場(chǎng)施工組2 個(gè)部門（即項(xiàng)目部?jī)H將鋼結(jié)構(gòu)工程全部管理工作劃分為2 大類），生產(chǎn)管理組負(fù)責(zé)鋼構(gòu)件的車間預(yù)制工作，現(xiàn)場(chǎng)施工組負(fù)責(zé)將車間預(yù)制完成的鋼構(gòu)件安裝到工程實(shí)體中。組織結(jié)構(gòu)的設(shè)置可直接反應(yīng)組織的管理精細(xì)化程度，管理流程粗放。

1.2 管理手段落后

鋼結(jié)構(gòu)工程周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，涉及的工作環(huán)節(jié)多，目前鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)各項(xiàng)工作的交互仍依靠電子郵件或快遞信件；一些原材料及半成品的出庫(kù)、入庫(kù)等信息的記錄，仍依靠手工記錄或應(yīng)用簡(jiǎn)單的辦公軟件（如Excel等）進(jìn)行記錄，工作效率低、錯(cuò)誤率高；獲得設(shè)計(jì)單位發(fā)來的鋼結(jié)構(gòu)圖紙時(shí)，仍憑經(jīng)驗(yàn)繪制鋼構(gòu)件草圖（無法模擬現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景），鋼構(gòu)件加工完成并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)、進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，仍頻繁發(fā)生無法直接順利安裝的現(xiàn)象。

管理流程粗放、管理手段落后、工作質(zhì)量難以保證，直接影響到核電廠的安全，同時(shí)，也直接影響到了核電項(xiàng)目的進(jìn)度及成本。

2 建設(shè)目標(biāo)

2.1 引入BPR思想實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理

BPR（Business Process Reengineering）即業(yè)務(wù)流程重組，是一種先進(jìn)的管理思想，它強(qiáng)調(diào)以企業(yè)管理過程中某項(xiàng)需完善的業(yè)務(wù)為中心，將其指定為改造對(duì)象，以企業(yè)高層管理人員的需求和愿景為目標(biāo)，通過對(duì)該業(yè)務(wù)進(jìn)行梳理，找到可細(xì)化、優(yōu)化的方面，進(jìn)行深度思考和管理流程再造（流程再設(shè)計(jì)），同時(shí)，通過先進(jìn)信息技術(shù)的手段，呈現(xiàn)管理流程再造的結(jié)果[2]。

重新梳理核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程全部業(yè)務(wù)流程，查漏補(bǔ)缺；借助BPR 的管理思想，細(xì)化、優(yōu)化存在問題的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理，并探索實(shí)現(xiàn)核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理信息化。

2.2 引入BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化管理

BIM 是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理工具，BIM 擁有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)[3]。Tekla是芬蘭Tekla 公司開發(fā)、世界通用的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件，是BIM 技術(shù)應(yīng)用軟件之一。借助該軟件，用戶可進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)詳圖制作，生成鋼結(jié)構(gòu)三維信息模型（一種BIM 模型），使得鋼結(jié)構(gòu)工程全生命周期各環(huán)節(jié)工作人員能夠?qū)δ繕?biāo)建筑實(shí)體形成一致的理解，以便其正確的完成工作；鋼結(jié)構(gòu)三維信息模型生成的同時(shí)，軟件可同步生成各種鋼構(gòu)件詳圖及清單、零件詳圖及清單，以此指導(dǎo)采購(gòu)人員采購(gòu)、生產(chǎn)人員生產(chǎn)；將鋼構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際場(chǎng)景代入到三維模型中，便可在模型中進(jìn)行三維智能鋼結(jié)構(gòu)安裝模擬，同時(shí)生成可視動(dòng)畫，以此來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安裝人員工作，保證安裝工作一步到位，進(jìn)而保證工作質(zhì)量，節(jié)約工期及成本。

3 建設(shè)成果

3.1 業(yè)務(wù)流程細(xì)化及重組

從工程開工收到第一份鋼結(jié)構(gòu)工程訂單到最后一批鋼構(gòu)件在工程實(shí)體中安裝完成并通過驗(yàn)收為止，經(jīng)梳理，得出核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程全部管理事項(xiàng)如下：訂單接收、圖紙獲取、圖紙深化設(shè)計(jì)、生成BIM 三維模型、生成構(gòu)件清單、生成零件清單、生成原材需用計(jì)劃、原材采購(gòu)管理、原材庫(kù)存管理、編制工藝方案、原材套料管理、編制加工計(jì)劃、車間排產(chǎn)、生產(chǎn)加工、完工報(bào)驗(yàn)、構(gòu)件入庫(kù)、構(gòu)件配送出庫(kù)、構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝、訂單驗(yàn)收、原材質(zhì)檢、成品質(zhì)檢、實(shí)體質(zhì)檢、無損檢測(cè)、理化檢測(cè)等[4]。

3.2 組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分工

鑒于鋼結(jié)構(gòu)工程在核電廠土建工程中具有的重要性，項(xiàng)目部依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)各項(xiàng)業(yè)務(wù)（工作）流程的細(xì)化及重組結(jié)果，將鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從原來的2 個(gè)工作組細(xì)化為8 個(gè)工作組（圖2），以使各項(xiàng)工作能有序開展。同時(shí)，明確分工，使各崗位人員能各司其職，以保證各項(xiàng)工作的工作質(zhì)量。

圖2 廣西防城港核電項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)組織結(jié)構(gòu)圖(BPR后)

3.3 信息系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

依據(jù)核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程業(yè)務(wù)流程重組、組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工作分工的結(jié)果，建設(shè)核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理信息系統(tǒng)。將各項(xiàng)業(yè)務(wù)有機(jī)組合成8 個(gè)管理模塊，各管理模塊業(yè)務(wù)關(guān)系如圖3 所示。

鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)內(nèi)不同的工作組負(fù)責(zé)不同管理模塊功能的使用與維護(hù)，責(zé)任關(guān)系如表1 所示。

表1 核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理信息系統(tǒng)管理模塊及主責(zé)部門信息表

3.3.1 項(xiàng)目管理模塊

在項(xiàng)目管理模塊中，主要實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)工程訂單的接收，針對(duì)訂單制定進(jìn)度計(jì)劃，并進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)控，直至訂單中全部鋼構(gòu)件在工程實(shí)體中安裝完成并通過驗(yàn)收、訂單驗(yàn)收為止。

項(xiàng)目管理組的用戶接收到訂單后，及時(shí)將訂單傳遞到設(shè)計(jì)管理組，以便設(shè)計(jì)管理組用戶及時(shí)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)；同時(shí)，依據(jù)訂單中的“現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間”等信息，制定本訂單中的鋼構(gòu)件的5 個(gè)管理過程的進(jìn)度計(jì)劃，5 個(gè)管理過程分別是：圖紙深化、工藝方案、構(gòu)件入庫(kù)、構(gòu)件出庫(kù)、構(gòu)件安裝，系統(tǒng)為每個(gè)管理過程的工程實(shí)體圖形（鋼構(gòu)件）分配了不同的顏色，依據(jù)每個(gè)圖形中的顏色顯示，用戶可直觀地看到何種部位的何種構(gòu)件現(xiàn)在已經(jīng)完成何種工作、完成比例等，用戶可直接的掌握整個(gè)訂單的執(zhí)行進(jìn)度，進(jìn)而制定后續(xù)工作計(jì)劃（針對(duì)進(jìn)度超前、進(jìn)度滯后的工作采取相應(yīng)的措施等），實(shí)現(xiàn)基于BIM 三維信息模型的可視化管理，具體如圖4 所示。

圖4 BIM技術(shù)在進(jìn)度管理方面的應(yīng)用示例圖

3.3.2 設(shè)計(jì)管理模塊

設(shè)計(jì)管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是后續(xù)各項(xiàng)工作的源頭。設(shè)計(jì)管理組用戶從設(shè)計(jì)單位或業(yè)主單位接收到工程圖紙后，依據(jù)圖紙，在Tekla 軟件中對(duì)圖紙中描述的需求內(nèi)容，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，進(jìn)行圖紙深化設(shè)計(jì)。

1）生成BIM 三維信息模型，并將其展示到項(xiàng)目管理模塊的進(jìn)度監(jiān)控部分的“圖紙深化”模型中。

2）生成并導(dǎo)出鋼構(gòu)件清單，并為每一個(gè)鋼構(gòu)件分配唯一的編號(hào)（該編號(hào)將伴隨鋼構(gòu)件后續(xù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，直至鋼構(gòu)件安裝驗(yàn)收、移交維保），并將清單傳遞到工藝管理組。

3）生成零件清單、原材料需求計(jì)劃，并將其傳遞到物資管理組。

4）生成“現(xiàn)場(chǎng)安裝施工模擬動(dòng)畫”，傳遞到工藝管理組、生產(chǎn)管理組及現(xiàn)場(chǎng)施工組。

鋼結(jié)構(gòu)工程訂單圖紙深化設(shè)計(jì)工作完成后生成BIM 三維信息模型和零件清單。

通過Tekla 軟件的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員在三維信息模型中對(duì)欲加工的鋼構(gòu)件進(jìn)行多角度的分析，合理拆分構(gòu)件、實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)，提高了鋼構(gòu)件的加工質(zhì)量與工作效率；將“現(xiàn)場(chǎng)安裝施工模擬動(dòng)畫”傳遞到現(xiàn)場(chǎng)施工組，輔助現(xiàn)場(chǎng)安裝人員提前了解安裝流程、步驟、方法等，保證鋼構(gòu)件的安裝質(zhì)量及安裝工作的效率。

3.3.3 工藝管理模塊

鋼構(gòu)件生產(chǎn)加工的工藝通常包括套料、下料、拼裝、焊接、噴漆等，工藝管理組的用戶依據(jù)本模塊的功能對(duì)從設(shè)計(jì)管理組傳遞過來的鋼構(gòu)件清單中的鋼構(gòu)件進(jìn)行工藝路線的指定。同一鋼構(gòu)件訂單中的構(gòu)件信息傳遞到工藝管理組后，工藝管理組的用戶在工藝管理模塊中，先將所有構(gòu)件按照不同的工藝路線進(jìn)行分類，之后為每一類鋼構(gòu)件指定相應(yīng)的加工工藝。

如圖5（a）、圖5（b)所示，為某類鋼構(gòu)件的工藝方案、工藝方案詳解示意圖。同時(shí)為最大限度地合理應(yīng)用（節(jié)?。╀摻Y(jié)構(gòu)原材料，工藝管理組的用戶通過套料軟件進(jìn)行套料，如圖5（c)所示，為套料人員在某鋼材尾料中進(jìn)行套料工作的結(jié)果示意圖。將工作成果展示到項(xiàng)目管理模塊的進(jìn)度監(jiān)控部分的“工藝方案”模型中，并同步傳遞到生產(chǎn)管理組。

圖5 某構(gòu)件工藝管理工作示意圖

基于可視化的BIM 三維信息模型，工藝管理組的用戶可查看到任意鋼構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造，模擬現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際場(chǎng)景，制定合理的工藝方案。

3.3.4 生產(chǎn)管理模塊

生產(chǎn)管理是鋼構(gòu)件從圖紙、模型到實(shí)物的轉(zhuǎn)化過程。生產(chǎn)管理組的用戶在接收到已指定工藝方案的鋼構(gòu)件清單后，先制定生產(chǎn)計(jì)劃，后進(jìn)行車間排產(chǎn)。各個(gè)車間按生產(chǎn)計(jì)劃開展生產(chǎn)工作，生產(chǎn)完成后，向質(zhì)量管理組報(bào)驗(yàn)，經(jīng)質(zhì)量管理組的用戶進(jìn)行相應(yīng)質(zhì)檢工作且質(zhì)檢合格后，對(duì)相應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行入庫(kù)，將工作成果展示到項(xiàng)目管理模塊的進(jìn)度監(jiān)控部分的“構(gòu)件入庫(kù)”模型中，并同步傳遞到物流管理組。

生產(chǎn)計(jì)劃如圖6 所示，左側(cè)為某類鋼構(gòu)件的生產(chǎn)工藝（工序），右側(cè)為某道工序的執(zhí)行時(shí)間及執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)，以甘特圖的形式展示。

圖6 生產(chǎn)計(jì)劃示意圖

基于可視化的BIM 三維信息模型及Tekla軟件導(dǎo)出的鋼構(gòu)件清單，車間工人可直接照?qǐng)D生產(chǎn)，同時(shí)，輔以先進(jìn)的數(shù)字化生產(chǎn)加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件的批量化生產(chǎn)，大大提高了工作效率。

3.3.5 配送管理模塊

鋼構(gòu)件驗(yàn)收入庫(kù)后，物流管理組用戶依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，制定鋼構(gòu)件配送計(jì)劃、安排配送車輛及配送人員，并及時(shí)安排構(gòu)件出庫(kù)，構(gòu)件運(yùn)達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的清點(diǎn)、驗(yàn)收，完成配送工作。將工作成果展示到項(xiàng)目管理模塊的進(jìn)度監(jiān)控部分的“構(gòu)件出庫(kù)”模型中。

3.3.6 安裝管理模塊

鋼構(gòu)件運(yùn)達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)施工人員認(rèn)真學(xué)習(xí)“現(xiàn)場(chǎng)安裝施工模擬動(dòng)畫”后，施工人員開展安裝施工工作。安裝施工工作完成且驗(yàn)收合格后，將工作成果展示到項(xiàng)目管理模塊的進(jìn)度監(jiān)控部分的“構(gòu)件安裝”模型中。由項(xiàng)目管理組用戶組織完成訂單驗(yàn)收的工作，完成鋼構(gòu)件訂單的全過程管理。

3.3.7 原材管理模塊

原材管理模塊為物資管理組提供了從原材采購(gòu)計(jì)劃到原材采購(gòu)送貨清單，從原材驗(yàn)收入庫(kù)到原材領(lǐng)料出庫(kù)等功能。

3.3.8 質(zhì)量管理模塊

質(zhì)量管理模塊為質(zhì)量管理組用戶提供了各類質(zhì)量監(jiān)督、檢查、驗(yàn)收的功能。質(zhì)量管理工作貫穿于所有工作組的所有工作活動(dòng)中，如對(duì)采購(gòu)進(jìn)場(chǎng)的原材料進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，對(duì)生產(chǎn)管理組加工的鋼構(gòu)件、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工組施工的工程實(shí)體等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督、質(zhì)量檢查及質(zhì)量驗(yàn)收。

4 應(yīng)用效果

通過核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理信息系統(tǒng)的建設(shè)，細(xì)化并規(guī)范了核電鋼結(jié)構(gòu)工程管理流程，提高了核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目管理水平，同時(shí)提高了核電廠土建工程項(xiàng)目經(jīng)理部信息技術(shù)應(yīng)用水平，助力企業(yè)成功推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)語

核電廠鋼結(jié)構(gòu)工程管理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從鋼結(jié)構(gòu)訂單接收、圖紙深化設(shè)計(jì)，到現(xiàn)場(chǎng)安裝、訂單驗(yàn)收等一系列工作的信息化管理；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM 三維信息模型的進(jìn)度可視化管理。系統(tǒng)的上線、使用，大大提高了各級(jí)鋼結(jié)構(gòu)工程管理人員的工作效率、工作準(zhǔn)確率，大大減輕了各方、各級(jí)管理人員的工作負(fù)擔(dān)，節(jié)約成本、縮短工期，助力企業(yè)發(fā)展。