BIM技術(shù)在天然氣處理裝置建設(shè)中的應(yīng)用探索

摘" " 要：以某大型天然氣處理裝置建設(shè)應(yīng)用為依托，將建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用于大型天然氣處理裝置全生命周期管理。研究了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)，探討了基于BIM技術(shù)的工廠化預(yù)制技術(shù)、施工過程4D模擬、施工方案推演優(yōu)化，以及BIM技術(shù)在安全管理方面的應(yīng)用。BIM技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用效果顯示，該技術(shù)能夠提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、工廠預(yù)制效率，并可實(shí)現(xiàn)可視化施工管理；該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的工程建設(shè)管理方式，能夠從建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面全面提升項(xiàng)目管控水平，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；天然氣處理；工廠化預(yù)制；施工應(yīng)用

Exploration of the application of BIM technology in natural gas treatment plants

JI Junyi， HU Yanhe， DU Ximing

Sinopec Petroleum Engineering Zhongyuan Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China

Abstract：Based on the construction and application of a large-scale natural gas treatment plant， Building Information Modeling （BIM） technology is applied to the full lifecycle management of large-scale natural gas treatment plan. This study investigated the application and advantages of BIM technology in the design process， and explored the factory prefabrication technology based on BIM technology， 4D simulation of construction process， optimization of construction plan deduction， and the application of BIM technology in safety management. The application scenarios and effects of BIM technology in actual projects show that this technology improves design quality， factory prefabrication efficiency， and achieves visual construction management. It has remodeled the traditional engineering construction management and comprehensively improved the project control in terms of construction progress， quality， safety， etc.， thus enabling its good prospects for application.

Keywords：BIM; gas treatment; factory prefabrication; construction application

隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)應(yīng)用的深化，BIM在工程行業(yè)已有很多應(yīng)用探索。在建筑行業(yè)中，其主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)建造、工程造價(jià)、運(yùn)維管理等方面[1]；在城市橋梁建設(shè)中，其主要應(yīng)用于三維設(shè)計(jì)與施工[2]。近年來在石油化工行業(yè)工程建設(shè)中推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，有效提高了該行業(yè)工程建設(shè)的水平。王傳寶等[3]介紹了BIM技術(shù)在油氣站場(chǎng)施工中的應(yīng)用。本文以某天然氣處理項(xiàng)目乙烷回收建設(shè)為例，對(duì)BIM技術(shù)在工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期管理中的應(yīng)用進(jìn)行探索與分析。

乙烷回收工程新增1座600 × 104 m3/d的乙烷回收裝置和1座100 × 104 m3/d的液化天然氣（LNG）裝置，共分11個(gè)區(qū)域，包括主工藝裝置區(qū)、低溫產(chǎn)品罐區(qū)、LPG產(chǎn)品罐區(qū)、裝卸車區(qū)、110 kV變電站、輔助生產(chǎn)區(qū)、冷劑儲(chǔ)配區(qū)、熱媒系統(tǒng)區(qū)、放空火炬區(qū)、站控用房、消防站等。該工程裝置工藝復(fù)雜，涉及專業(yè)多，在項(xiàng)目建設(shè)中存在較多不可控的因素，利用BIM技術(shù)開展數(shù)字化設(shè)計(jì)、采購、施工，能夠有效地提升工作效率和質(zhì)量。在設(shè)計(jì)階段，利用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、逆向恢復(fù)建模技術(shù)構(gòu)建大型處理裝置的BIM三維模型；在采辦及施工階段，充分發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開展基于BIM技術(shù)的4D進(jìn)度展示及施工方案推演，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)設(shè)計(jì)與施工的深度融合，充分利用信息技術(shù)節(jié)約成本、合理制定進(jìn)度計(jì)劃、優(yōu)化物料配置及施工方案。

1" " BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

1.1" " 逆向三級(jí)模型恢復(fù)技術(shù)

乙烷回收項(xiàng)目涉及已建站場(chǎng)的改造，針對(duì)已建裝置，利用三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)已建裝置進(jìn)行激光點(diǎn)云掃描，獲得已建站場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)校驗(yàn)與數(shù)據(jù)對(duì)齊，對(duì)在役站場(chǎng)實(shí)現(xiàn)逆向三維模型恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)已建站場(chǎng)的數(shù)字化管理，滿足項(xiàng)目改建及運(yùn)營(yíng)期間智能化應(yīng)用需求。已建站場(chǎng)逆向建模見圖1。

1.2" " 數(shù)字化BIM設(shè)計(jì)技術(shù)

通過搭建數(shù)字化BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)，基于Smart 3D軟件形成全專業(yè)三維模型。模型涵蓋總圖、工藝、配管、材料和應(yīng)力、結(jié)構(gòu)、機(jī)制、電氣、儀表、消防、熱工、暖通等多個(gè)專業(yè)。集成設(shè)計(jì)過程通過集成平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在Smart 3D中接收SPamp;ID發(fā)布的工藝數(shù)據(jù)、PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)等，然后開展全專業(yè)三維模型建模，最終實(shí)現(xiàn)二維計(jì)算模型、多軟件設(shè)計(jì)模型的融合與集成，提升了設(shè)計(jì)深度與設(shè)計(jì)質(zhì)量[3]。

1.3" " BIM設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1）提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。BIM數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過二、三維校驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)來源唯一、準(zhǔn)確，保證了三維模型與工藝流程的一致性。

2）減少設(shè)計(jì)變更。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，對(duì)乙烷回收裝置通過開展碰撞檢查工作，尤其針對(duì)地下管網(wǎng)部分，包含7個(gè)專業(yè)、11類管道，涉及消防、給水、生產(chǎn)污水、生活污水、雨水、初期含油雨水、供熱、通信、電氣、儀控、工藝、已建地下管道等開展專業(yè)間模型碰撞檢查，實(shí)現(xiàn)各類管道及附屬構(gòu)筑物無碰撞；管道及附屬構(gòu)筑物與其他建、構(gòu)筑物基礎(chǔ)無碰撞，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工問題，減少施工過程中的設(shè)計(jì)變更。

3）優(yōu)化模塊化設(shè)計(jì)。利用BIM全專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化模塊化設(shè)計(jì)，利用虛擬人物檢查逃生通道、閥門安裝高度等設(shè)計(jì)內(nèi)容，確保橇塊內(nèi)空間足夠，滿足安裝、運(yùn)營(yíng)需求。

4）開展模型分析與優(yōu)化。針對(duì)已建部分，通過逆向建模進(jìn)行恢復(fù)，通過顏色區(qū)分已建裝置與新建裝置，能夠在模型中可視化識(shí)別、標(biāo)注動(dòng)火點(diǎn)，并通過模型分析與優(yōu)化，將動(dòng)火點(diǎn)數(shù)量從90多個(gè)優(yōu)化至70多個(gè)，有效減少施工費(fèi)用。

2" " 基于BIM技術(shù)的工廠化預(yù)制

以設(shè)計(jì)階段工藝管道BIM模型為數(shù)據(jù)來源，施工單位利用EP3D軟件對(duì)設(shè)計(jì)階段的PCF格式管道模型數(shù)據(jù)進(jìn)行加工設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)到工廠化預(yù)制加工的數(shù)據(jù)對(duì)接，包括：管道規(guī)格尺寸、焊接數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)等，以及基于數(shù)據(jù)的進(jìn)度管理和質(zhì)量管理，充分發(fā)揮BIM模型、數(shù)字技術(shù)的傳遞性，改變傳統(tǒng)的工作方式，使施工管理、工廠化預(yù)制的管理效率更高。

對(duì)比分析采用紙版圖紙進(jìn)行加工設(shè)計(jì)和采用BIM模型進(jìn)行加工設(shè)計(jì)的工作效率，后者大大節(jié)約了工作時(shí)間，效率提升87%。同時(shí)，施工單位基于BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重現(xiàn)，從而便于施工人員形象地了解管道信息，可以達(dá)到所見即所得的效果。

在工藝管道施工過程中，由于工藝優(yōu)化或者專業(yè)間的調(diào)整會(huì)出現(xiàn)一定數(shù)量的圖紙升級(jí)。施工單位可基于BIM模型及數(shù)據(jù)，對(duì)比新版和舊版的設(shè)計(jì)模型文件，快速定位變更的位置，并且確定該位置的施工狀態(tài)，以便降低設(shè)計(jì)變更對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的影響，同時(shí)繼承舊版模型的焊接數(shù)據(jù)，針對(duì)變更位置迅速開展相關(guān)工作。

3" " BIM技術(shù)在施工期的管理實(shí)踐

3.1" " 4D進(jìn)度管控

基于BIM的4-Dmention（4D）信息化技術(shù)，將全專業(yè)的BIM信息模型與施工進(jìn)度相鏈接，并與施工資源、場(chǎng)地布置信息集成一體，構(gòu)建可視化4D施工信息模型，實(shí)時(shí)跟蹤施工進(jìn)度[4]。吳濤等[5]重點(diǎn)針對(duì)管道狀態(tài)進(jìn)行了4D可視化研究。在乙烷回收項(xiàng)目中，考慮全廠設(shè)備、管道、基礎(chǔ)、建筑等建立全廠三維模型，使之與P6進(jìn)度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，形成4D計(jì)劃推演模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的采購、施工進(jìn)度進(jìn)行可視化模擬，模擬狀態(tài)涵蓋設(shè)備采購到貨、施工完成情況等。通過計(jì)劃推演模型可優(yōu)化進(jìn)度安排，將實(shí)際進(jìn)度一鍵更新至4D模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度可視化，為管理者提供項(xiàng)目進(jìn)度控制的決策依據(jù)。4D進(jìn)度管控模型見圖2。

3.2" " 施工方案推演

針對(duì)建設(shè)過程中技術(shù)難度大、施工工藝復(fù)雜、危險(xiǎn)性大的項(xiàng)目，利用BIM技術(shù)開展施工方案推演，確定專項(xiàng)施工方案可行性。

項(xiàng)目中某裝置的脫甲烷塔高約53.432 m，容器凈質(zhì)量114 t，施工復(fù)雜，屬于核心設(shè)備，也是全場(chǎng)最高、最重的設(shè)備，距離已建工程部分較近，吊裝施工空間受限。利用BIM技術(shù)，針對(duì)該塔吊裝過程進(jìn)行施工模擬分析，以驗(yàn)證塔吊裝方案的可行性與可操作性。塔施工過程示意見圖3。

以塔吊裝時(shí)最為復(fù)雜的情況進(jìn)行分析，假設(shè)右側(cè)塔已完成安裝，東側(cè)管廊已安裝，南側(cè)為已建裝置部分。由于塔較高，因此現(xiàn)場(chǎng)可采用整體吊裝或分體吊裝空中組焊兩種吊裝方式。對(duì)兩種方案分別從技術(shù)可行性、施工進(jìn)度、安全、質(zhì)量、成本、施工場(chǎng)地等方面進(jìn)行比對(duì)，采取最優(yōu)方案對(duì)塔進(jìn)行吊裝，以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。吊裝前狀態(tài)分析見圖4。

整體吊裝方案：吊裝載荷為1 273.9 kN，最小的起吊高度為71.51 m，吊車選用1臺(tái)650 t履帶吊作為主吊車，1臺(tái)300 t履帶吊作為溜尾吊車。

分段吊裝（分體吊裝、空中組焊）方案：第一段吊裝載荷772.3 kN，第二段吊裝載荷441.6 kN。最大起吊高度為64.5 m。第一段吊裝采用1臺(tái)400 t汽車吊作為主吊車，1臺(tái)100 t汽車吊作為溜尾吊車。第二段采用300 t汽車吊可滿足要求。

利用已建BIM模型，對(duì)施工機(jī)具進(jìn)行建模，開展整體吊裝施工推演，模擬了吊車位置、脫甲烷塔設(shè)備擺放位置等不同方案，確認(rèn)吊裝施工空間是否足夠。整體吊裝模擬推演見圖5、圖6。分段吊裝模擬推演見圖7，方案對(duì)比見表1。

通過以上方案推演模擬，從6個(gè)方面分析施工方案的可行性（見表1）。通過對(duì)比，建議采用分段吊裝方式，該方案費(fèi)用低、作業(yè)面小、對(duì)已建裝置以及附近施工作業(yè)影響小。

3.3" " 施工安全管理

在建筑行業(yè)利用BIM技術(shù)精細(xì)化建立現(xiàn)場(chǎng)安全管理設(shè)施已有實(shí)際應(yīng)用[6-7]。通過研究該技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用，在乙烷回收項(xiàng)目中針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全管理，構(gòu)建三維模型，可視化地指示現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施的布置、注意事項(xiàng)等問題。

對(duì)吊裝現(xiàn)場(chǎng)的圍欄布置進(jìn)行模擬，通過建立安全警示標(biāo)語，明確現(xiàn)場(chǎng)安全標(biāo)語布置，見圖8。

脫甲烷塔吊裝完成后，利用經(jīng)緯儀采用十字線法進(jìn)行垂直度測(cè)量，利用設(shè)備基礎(chǔ)地腳螺栓和吊車輔助的方式進(jìn)行設(shè)備垂直度調(diào)整。利用BIM技術(shù)，模擬施工人員的具體位置、設(shè)備位置等，方便施工人員了解現(xiàn)場(chǎng)情況與操作程序。垂直度測(cè)量模擬見圖9。

4" " 應(yīng)用效果分析

BIM技術(shù)在乙烷回收項(xiàng)目中的應(yīng)用有利于設(shè)計(jì)和施工的深度融合，是以數(shù)字化技術(shù)促進(jìn)能源化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

在設(shè)計(jì)階段采用全專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提前開展專業(yè)間碰撞檢查，減少施工過程中的變更。利用逆向恢復(fù)技術(shù)，優(yōu)化改造方案，減少動(dòng)火連頭數(shù)量。

充分利用設(shè)計(jì)階段BIM模型，施工單位基于BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行焊口加工設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的遞延與應(yīng)用，提升施工焊縫二次加工效率。設(shè)計(jì)將BIM模型移交給施工單位，便于快速進(jìn)行工廠化預(yù)制，二次設(shè)計(jì)加工效率可提高約85%；利用BIM技術(shù)，深化工廠化預(yù)制程度，減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量。

在項(xiàng)目中，利用BIM信息化技術(shù)，開展了項(xiàng)目4D施工計(jì)劃推演，通過對(duì)施工機(jī)具建模開展施工方案比選推演，真正讓BIM技術(shù)指導(dǎo)施工。項(xiàng)目進(jìn)度控制部門結(jié)合BIM模型與進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)4D模型構(gòu)建，可以在項(xiàng)目建設(shè)過程中合理制訂施工計(jì)劃，以動(dòng)態(tài)的形式精確掌握施工進(jìn)度，優(yōu)化使用施工資源以及科學(xué)地進(jìn)行場(chǎng)地布置，對(duì)整個(gè)工程的施工進(jìn)度、資源和質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，達(dá)到縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量的目的[8]。

在施工管理方面，利用BIM技術(shù)模擬分析施工方案，能夠直觀分析施工方案的合理性，指導(dǎo)重大項(xiàng)目的施工方案制訂，提前預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，減少施工過程的人力、物力投入。將施工安全管理與BIM模型結(jié)合，將安全措施通過三維模型進(jìn)行展示，提高現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平。

5" " 結(jié)束語

隨著信息化技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)建設(shè)工程行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。建設(shè)項(xiàng)目的施工模式正向“綠色、智能、精益和集約化”方向發(fā)展。BIM技術(shù)作為一種新的現(xiàn)代工程管理方法，在項(xiàng)目實(shí)施過程中具有廣闊的市場(chǎng)前景。本文從設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、施工管理等三個(gè)方面分析了BIM技術(shù)在大型天然氣處理裝置建設(shè)中的應(yīng)用，并在實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果。下一步，需要繼續(xù)挖掘與分析該技術(shù)在工藝裝置區(qū)設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用，進(jìn)一步利用BIM技術(shù)分析EPC聯(lián)合體項(xiàng)目中施工計(jì)劃、機(jī)具、人員的統(tǒng)籌安排，以提高EPC項(xiàng)目的創(chuàng)效能力；加大基于規(guī)則驅(qū)動(dòng)的高效設(shè)計(jì)技術(shù)的研發(fā)，以及BIM技術(shù)國產(chǎn)化應(yīng)用的研究；利用BIM技術(shù)，從進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面全面提升項(xiàng)目管控水平；在施工工序模擬中，充分利用BIM設(shè)計(jì)成果，研究更加便捷、可行的施工推演方法，以便對(duì)更多的重點(diǎn)施工方案進(jìn)行全方位的比選模擬。

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作者簡(jiǎn)介：

吉俊毅（1991—），女，河南焦作人，工程師，2016年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事油氣田地面工程數(shù)字化設(shè)計(jì)工作。Email：jjy1688997@163.com

收稿日期：2024-03-20