石油化工數字化工廠BIM應用探索

繆維

(中石化第四建設有限公司，天津 300270)

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石油化工數字化工廠BIM應用探索

繆維

(中石化第四建設有限公司，天津 300270)

針對石油化工廠朝著大型化、集約化、智能化的發(fā)展，介紹了石油化工數字化工廠的發(fā)展現狀及面臨問題，闡述了建筑信息模型(BIM)技術認知、BIM技術應用的價值，并從BIM技術的標準建設、組織體系、人才培育和資金投入等方面提出了數字化工廠BIM應用建議，為促進石化企業(yè)轉型升級進行有益探索。

建筑信息模型石油化工數字化工廠智慧建設

“中國制造2025”戰(zhàn)略是中國為進入世界“制造強國”行列而提出的一項行動綱領，為石油化工行業(yè)加快推動信息化與工業(yè)化的深度融合指明了方向。近年來，世界范圍內石油化工、新能源、替代能源技術不斷進步，特別是中國的石油化工工程建設朝著大型化、集約化、智能化的方向蓬勃發(fā)展。以建筑信息模型BIM(building information modeling)技術為載體的模塊化設計、數字化加工、裝配化施工的智慧建設模式將為建設石油化工數字化工廠提供有效的技術手段，創(chuàng)造性地將大數據、生產管控等軟件和制造技術的“硬件”結合起來，從根本上改善設計、建設和生命周期管理的石油化工產業(yè)過程，對促進企業(yè)轉型升級具有深遠意義。

1　石油化工數字化工廠發(fā)展現狀及面臨問題

“兩化”融合的不斷推進將有力促進石化行業(yè)的轉型升級，整個行業(yè)上、中、下游各業(yè)務領域及各產業(yè)價值鏈的關聯度將更加密切，大型石化企業(yè)更需要實現上、中、下游產業(yè)的一體化協(xié)同發(fā)展。目前，大型石化企業(yè)逐步開始數字化工廠項目應用，由于數字化工廠貫穿整個石化企業(yè)從設計、建設、生產到運營管理的全過程，它不是一個獨立的系統(tǒng)，而是多個產業(yè)鏈環(huán)節(jié)中不同應用系統(tǒng)的整合，需要打破各自獨立的信息化系統(tǒng)的隔離，在信息安全的基礎上實現最大范圍的互聯互通。然而，處于石化產業(yè)價值鏈前端的工程設計和建設企業(yè)雖然已逐漸引入并應用了BIM技術，但尚未達到構建以BIM技術為支撐的信息化、精細化和協(xié)同化的現代管理模式，工程項目的數字化集成交付遠未實現。深化石化行業(yè)智慧建設迫切需要以石化生產企業(yè)數字化工廠應用來拉動工程設計和建設企業(yè)的智慧建設能力和水平。

1.1工程設計和企業(yè)的智慧建設新模式進程

20世紀末到21世紀初，石化工程設計企業(yè)應用AutoCAD技術和Intergraph等公司的3D建模技術，精確設計能力得以大幅提高，模塊化設計成為必然。石化工程建設企業(yè)也紛紛引入Tekla Structures等3D建模軟件，在項目現場建立大型工廠化的混凝土構件、鋼結構和管道構件預制廠，積極推進裝配式施工新模式，有效解決了傳統(tǒng)施工模式產生大量工業(yè)垃圾、工程質量和安全管理難度大及鋼材與混凝土等建設材料浪費嚴重等諸多問題。然而，工程設計和施工環(huán)節(jié)的信息交流和傳遞效率低下，整個工程建設各環(huán)節(jié)的關聯性弱，物流、倉儲、安裝等配套發(fā)展不平衡，成為阻礙模塊化設計與裝配式施工相結合的智慧建設新模式的發(fā)展瓶頸，大型石化工程項目數字化集成交付目標遠未達成。

1.2多方參與管理的項目協(xié)同工作平臺亟需形成

隨著石化工程設計和建設企業(yè)越來越多地參與國際工程建設，項目參與方眾多，項目成員歸屬于不同的國家、組織和地域，傳統(tǒng)的項目管理信息化系統(tǒng)已無法滿足項目的跨組織協(xié)作需求，如跨境、跨企業(yè)的成員管理和授權、跨防火墻的外網訪問等，項目團隊不得不利用QQ、公共郵箱、FTP等工具來共享項目文件，這種離散的信息共享模式效率較低、安全隱患大，容易造成各方獲得的文件版本不一致以及項目文件易被非授權人獲取等問題。相對于工程建設的直接參與方，石化生產企業(yè)作為業(yè)主通常缺乏對設計和施工流程的洞察途徑和手段，不能實時了解在建項目的狀態(tài)，直到問題暴露時才進行干預和解決，為時已晚。支持石化工程業(yè)主、設計、施工和供應商之間的全球協(xié)同工作和共享信息的綜合協(xié)同工作平臺亟需形成。

1.3數字化工廠一體化設計施工缺乏統(tǒng)一標準

“數字化工廠”是集三維立體技術、模擬仿真、調度優(yōu)化和控制優(yōu)化于一身的綜合技術，它不是一個獨立的系統(tǒng)，而是多個應用系統(tǒng)的整合： 在系統(tǒng)集成過程中，大量信息和數據內容需要進行標準化，例如基本參考模型、術語、語義、服務架構、特性和結構描述；在管理復雜系統(tǒng)中的規(guī)劃模型、仿真模型、模型形式化描述、一致性、互操作性、接口等；在為工業(yè)建立寬頻基礎設施中的通信協(xié)議、時鐘同步、可靠性、可用性、實時性等；在安全保障中的安全標識、本質安全、功能安全、工業(yè)信息安全等；資源利用效率中的設備能效、系統(tǒng)能效、能效KPI(關鍵性能指標)、實時優(yōu)化、綠色標識等。

當前，國內石油化工數字化工廠的現狀還僅限于生產企業(yè)對工廠現有裝置的三維模擬和生產過程管理的協(xié)同優(yōu)化。現有裝置的三維模擬是數字化工廠實施的先決條件，目前只能由生產企業(yè)自行按照二維設計建設圖紙重新構建全廠裝置、設備的三維模型，僅有很少部分能夠從工程設計建設中產生的三維模型進行轉化。另外，工程設計文檔(電子PID圖，CAD圖)集成的數據量巨大、類型龐雜，需要投入大量的人力、物力和時間，極大制約了石化行業(yè)數字化工廠應用進程。將數字化工廠向前延伸至設計、建設階段，實現數字化工廠的一體化設計施工交付和上、中、下游產業(yè)的一體化協(xié)同發(fā)展，迫切需要統(tǒng)一的標準體系來協(xié)同多專業(yè)、多學科、多單位、多部門作業(yè)，方能實現一個完善的數字化工廠系統(tǒng)。

2　BIM技術

從國際BIM軟件領軍企業(yè)Autodesk，Bentley，RIB和國內的廣聯達、魯班等眾多軟件公司推出BIM產品線的趨同性可以看出，市場上公認的BIM技術是利用BIM特性改進工程項目設計、施工、運維等過程的技術，是一種基于模型的智能流程，通過提供模型優(yōu)化布置分析、碰撞檢測、施工過程模擬和協(xié)同管理平臺等價值增值的功能，為用戶優(yōu)化設計方案、減少施工圖錯漏、提高客戶參與度及增進項目了解等項目效益創(chuàng)造了條件。BIM技術有以下特性：

1) BIM是一個工程實體物理和功能特性的數字表達及其特性的完整描述。它以工程實體三維幾何數據模型為基礎，集成了工程實體的其他相關物理信息、功能和性能要求等參數化信息，通過開放式標準實現信息的互聯。

2) BIM是一個共享的知識資源庫，實現工程實體全生命周期信息共享。基于這個共享的數字模型，工程的規(guī)劃、設計、施工、運維等各個階段的相關人員都能從中獲得需要的數據，這些數據是連續(xù)、即時、可靠、一致的，能為工程實體從概念到拆除的全生命周期中所有工作和決策提供可靠依據。

3) BIM是一種應用于設計、建設、運營的數字化管理方法和協(xié)同工作過程。這種方法支持工程項目的集成管理環(huán)境，可使工程項目在整個過程中顯著提高效率和減少風險。在項目的不同階段，不同利益相關方通過BIM軟件在BIM模型中提取、應用、更新相關信息，并將修改后的信息賦予BIM模型，支持和反映各自職責的協(xié)同作業(yè)，以提高設計、建設和運營的效率和水平。

4) BIM也是一種信息化技術，它的應用需要信息化軟件支撐。

3　BIM應用價值

BIM模型是綜合建筑信息模型，充分利用BIM的直觀、可分析、可共享和可管理等特性，不僅可以提升石化工程設計和建設環(huán)節(jié)的綜合管理能力和管理效率，有效破除工程項目管理中的生產協(xié)同和數據協(xié)同制約效率提升的瓶頸，也可為石化生產企業(yè)的運行維護和生命周期管理提供全新過程和方法，進而提高石油化工數字化工廠精益管理效率。

1) 可促進工程設計和建設企業(yè)管理模式創(chuàng)新，推動項目精細化管理。采用BIM技術創(chuàng)建數字化模型，可有效形成業(yè)務數據產生、存儲、使用、再存儲的一個閉環(huán)，在縮短管理鏈條的同時能有效提高項目管理業(yè)務數據的準確性和利用率。工程項目的業(yè)主、監(jiān)理、設計、施工、供貨商等不同利益相關方采用BIM模型為信息溝通與傳遞載體，通過上下游之間的高效協(xié)同合作，可共享成果和共擔風險，貫通模塊化設計、數字化加工、大型物流運輸、裝配化施工產業(yè)鏈，最終實現工程設計和建設現代化產業(yè)模式及工程項目的集成數字交付。以BIM模型為核心，綜合集成各種信息技術，可系統(tǒng)地管控工程項目全生命周期的每一個環(huán)節(jié)，包括項目安全、質量、進度、成本和材料等不同業(yè)務，有效提升工程項目的精細化管理水平。

2) 可提升工程設計和建設企業(yè)的技術能力，實現石化工程智慧建設。例如，在設計階段應用BIM技術可以實現模塊化設計，并通過碰撞檢查，預先排除各模塊、各專業(yè)間的問題，避免今后的變更，降低成本；在工程項目準備階段，可以支持對施工方案、施工場地布置方案、吊裝方案、施工進度計劃等多方面的分析和模擬，實現以虛擬設計、虛擬施工、虛擬管理方式對工程項目全生命周期、全方位的預測和事前控制，有效提高工程的可實施性和可控性；在構件加工階段，可通過將模型信息直接傳遞到生產設備，進行工程構件的數字化生產與加工，極大地提高生產效率；在施工階段，可進行現場可視化技術交底，使工人充分理解設計及安裝要求，提高裝配式施工中安裝、連接的正確性及精度，實現石化工程智慧建設。

3) 是實現石油化工數字化工廠精細化管理的重要手段之一。對于工程項目而言，運維階段的價值遠大于設計與建設階段的價值。以BIM模型為載體，可將設計和建設過程中形成的設計數據、制造數據、供應商數據和生產設施的參數與功能特性等信息轉變?yōu)樯a企業(yè)的資產信息，通過管理信息從概念設計到工廠運行與維護的一致性來提高資本支出項目的效益?；贐IM模型的不同層級、部位等在運維期間進行多維度數據智能分析，幫助生產管理人員合理制訂生產設施檢維修計劃，降低生產消耗和生產經營成本，實現數字化工廠精細化管理。

4　石油化工數字化工廠BIM應用建議

目前，BIM技術已成為國際國內工程建設領域信息技術的代表，BIM技術能為石油化工行業(yè)轉型升級和全產業(yè)鏈的技術能力、生產方式和管理模式的轉變提供支撐。無論是石化設計和建設企業(yè)深度應用BIM技術實現智慧建設，還是生產企業(yè)基于BIM技術實現數字化工廠，應著重考慮以下四個方面。

4.1強化BIM技術應用的標準建設

實踐證明，建立BIM技術應用標準能為其應用和發(fā)展創(chuàng)造一個良好環(huán)境。BIM應用標準可分為數據標準、內容標準和協(xié)同工作標準。數據標準規(guī)定BIM數據的格式，內容標準規(guī)定BIM所應包含的內容，而協(xié)同標準規(guī)定BIM數據提交方式。國內BIM國家標準編制工作于2012年啟動，從統(tǒng)一標準、技術標準和應用標準三個層面為BIM技術應用提供了統(tǒng)一規(guī)范。統(tǒng)一標準包括《建筑工程信息模型應用統(tǒng)一標準》；技術標準包括《建筑工程信息模型存儲標準》和《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》；應用標準包括《建筑工程設計信息模型交付標準》和《制造工業(yè)工程設計信息模型應用標準》。同時，各省市針對BIM技術應用也出臺了相關標準。石油化工行業(yè)更需要制定與BIM相關的貫穿全產業(yè)鏈的行業(yè)標準和規(guī)范，并在生產、設計和施工企業(yè)內制定BIM技術實施導則，從而與國家和地方標準一同形成完整的BIM標準序列，為石化工程建設全生命周期的信息存儲、傳遞和應用，模型數據的存儲、交付、分類及編碼提供統(tǒng)一規(guī)范。

在石油化工數字化工廠應用標準體系中，BIM技術應用標準屬于最基本的標準，對整個石油化工數字化工廠應用進程具有舉足輕重的作用。

4.2建立BIM技術應用的組織體系

石化企業(yè)需要建立與BIM技術應用相配套的企業(yè)管理模式及組織體系，才能實現BIM技術的深層次價值。該組織體系的特征是扁平化，以BIM為核心貫穿全產業(yè)價值鏈，其基本格局包括行業(yè)級BIM領導機構、企業(yè)級BIM中心和項目級BIM組織，形成集團公司—子公司—項目部三級的BIM架構和職能定位。行業(yè)級BIM領導機構可以從各生產、設計、施工企業(yè)抽調業(yè)務專家，聘請研究單位、高等院校、BIM軟件企業(yè)和供應商專家共同組成，負責行業(yè)標準規(guī)范的制定和管理，協(xié)調一體化工程試點項目的業(yè)主、設計、施工、供應商等單位，保證BIM平臺的協(xié)同運行。企業(yè)級BIM中心可通過從信息中心抽調部分精干成員，與企業(yè)技術、經營部門和項目部抽調的部分骨干成員，聯合組成與信息中心平級的企業(yè)級部門，形成BIM支持團隊，負責平臺的建設與運維、企業(yè)BIM實施標準規(guī)范制定、BIM人才培養(yǎng)、BIM軟件選型和供應商管理，組織BIM項目的推動、支持、跟蹤和經驗推廣及項目信息向企業(yè)知識的轉化。項目級BIM小組是BIM應用團隊，負責以BIM為核心的一體化數字化工廠項目的工程設計、施工的集成數字交付和向數字化工廠轉化的落地實施。

4.3加快BIM技術應用的人才培育

當前，BIM人才缺乏是石油化工行業(yè)BIM技術應用進展緩慢的主要問題。任何類型人才的培養(yǎng)都不是一蹴而就的，需要經過以業(yè)務需求為導向的人才需求分析，人才梯隊建設規(guī)劃和培養(yǎng)、使用、提高的發(fā)展過程。鑒于現狀，一方面，企業(yè)可選擇與研究單位、高等院校和BIM軟件企業(yè)等聯合，采取“引進、送出、交流、合作、培育”的方式，開發(fā)適合企業(yè)發(fā)展的系統(tǒng)BIM技術培訓課程，形成良好的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，傾力培養(yǎng)包括BIM管理、業(yè)務操作和IT支持三個層面的BIM復合人才。另一方面，企業(yè)內部采取“導師帶徒”邊工作邊培養(yǎng)的崗位成長方式，拓寬人才發(fā)展通道，完善崗位激勵機制留住BIM人才。這樣，企業(yè)依據自身需要，持之以恒培育各類人才，就會逐步打造一支具有旺盛生命力的BIM團隊。

4.4加大BIM技術應用的資金投入

企業(yè)信息化的效益不易量化，不能按傳統(tǒng)投資效益方法去分析。BIM技術作為信息化技術的一種，其價值體現于企業(yè)管理水平持續(xù)提升的過程中。石化企業(yè)要突破常規(guī)思維，摒棄急功近利的思想，做好深度應用BIM技術必須面對巨大困難的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術準備，只有堅持不懈地在BIM標準建立、軟件系統(tǒng)集成、硬件環(huán)境建設升級、人才培育、項目應用等各方面投入充足的資金和資源，才可能發(fā)揮BIM技術更多的應用價值，為石油化工數字化工廠應用奠定堅實的基礎。

5　結束語

在全球新一輪產業(yè)與技術變革即將到來的今天，石油化工行業(yè)應主動搶抓機遇，大力推廣應用新技術，建立與行業(yè)發(fā)展相匹配的產業(yè)體系，以求在新一代互聯網、物聯網產業(yè)與技術、智能互聯物聯和生產制造系統(tǒng)研發(fā)應用方面占得先機，實現新的發(fā)展模式。隨著不斷推進BIM技術的應用實踐，石化企業(yè)必將加快向數字化工廠轉型升級的步伐，實現資源“高利用、低排放、減量化、低污染”，進而構建資源節(jié)約、環(huán)境友好的生產方式，增強石油化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。

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Research on Application of BIM in Petrochemical Digital Factory

Miao Wei

(SINOPEC Fourth Construction Co.， Ltd.， Tianjin， 300270)

Abstracts： Aiming at the large-scale， intensive and intelligentized development of petrochemical plant， development status and problems encountered of the petrochemical digital factory are introduced. The percept on the building information modeling (BIM) technology and the application value of BIM technology are expounded. Suggestions are put forward from aspects of standard construction， organization system， personnel training and funding for BIM technology application in digital factory， which actively explores the means of promoting transformation and upgrading of petrochemical enterprises.

building information modeling；petrochemical；digital factory；intelligence construction

繆維(1969—)，男，河北欒縣人，1991年畢業(yè)于內蒙古工學院電氣自動化專業(yè)，獲學士學位，現就職于中石化第四建設有限公司電氣儀表工程公司，從事生產經營管理工作，任經理，高級工程師。

TP273

B

1007-7324(2016)04-0043-04

稿件收到日期： 2016-06-15。