BIM技術在電廠建設與管理中的應用

蘇玲

（中車信息技術有限公司，北京市 100084）

BIM技術在電廠建設與管理中的應用

蘇玲

（中車信息技術有限公司，北京市 100084）

隨著互聯網、大數據、云計算等技術的不斷進步，智慧電廠建設已經是未來發展的大趨勢。作為智慧電廠基礎的電廠數字化、信息化建設，在局部、點狀的應用上都取得了良好的成效。根據國內外相關行業研究成果，結合電力行業特點和電廠設備結構特點，把運用到建筑行業的BIM理念和技術運用到新型數字化/智能電廠的建設中?；贐IM的理解對數字化電廠進行研究，以數字信息為主線，重點研究電廠設備的數字化建模與信息建立，研究如何開展數字化電廠建設過程中的設備信息采集和管理。建立發電設備的BIM模型，把廠房的建筑模型和設備的模型結合到一起，結合BIM空間定位、設備管理等功能對設備進行管理。

BIM技術；可視化運維；數字電廠；智慧電廠

0　引言

當前，我國發電廠裝機容量和發電量已經居于世界第一。隨著發電技術的進步和電力信息技術的支撐，我國發電廠正在由集中控制與信息化管理向智能、環保、高效的方向邁進。

“數字化電廠”作為術語，可認為其源于Shimon Awerbuch博士在1997年的著作《數字公共設施：新興產業的描述、技術及競爭力》一書中對數字公共設施的定義：數字公共設施是獨立且以市場為驅動的實體之間的一種靈活合作，這些實體不必擁有相應的資產而能夠為消費者提供其所需要的高效服務［1］。

BIM技術是從美國發展起來，并逐漸擴展到歐洲、日韓等發達國家，當前BIM技術在歐洲和美國、日本和韓國等國家在后續發展趨勢中的應用已經達到了一定的高度，其中，在美國的深入應用最廣泛［2］。

電力設計行業三百強企業中八成以上都應用了BIM技術。美國威斯康辛州是第一個要求新建項目使用BIM的州，要求從2009年7月開始使用，所有預算在500萬美元以上的項目和預算在250萬美元以上的施工項目，從項目設計開始就必須應用BIM技術。

近年來，國內關于數字化電廠的研究和探索不斷深入，關于數字化電廠的內涵也在不斷深化，在一些電廠項目中開始取得實踐成果。國內科研機構發表文章預計現場總線技術（FCS）將成為數字化電廠的關鍵技術［3］。

在現場總線應用方面，自2006年以來，華電萊城電廠、國華寧海電廠都局部應用了現場總線技術，華能九臺電廠、華能金陵電廠等在應用現場總線技術方面取得了更多的實踐。近兩年新投產的京能高安屯燃氣電廠，其總線設備應用率更是取得了新高，成為數字化電廠新的楷模。

在DCS一體化方面，自2006年華電齊齊哈爾電廠利用一體化技術實現了電氣、汽機、鍋爐一體化控制，DCS已經從主機控制涵蓋到輔控集中控制，并得到了普遍應用。并且，新型的ECS與DCS融合設計應用，使我們看到DCS對全電廠全面一體化控制的能力不斷提高。

在數字化電廠總體建設方面，自2008年山西平朔煤肝石電廠初步數字化的應用，到近兩年新建的山東萊州電廠、京能高安屯電廠等的數字化建設，數字化電廠的建設已經勾勒出了清晰的面孔。

當前，我國數字化電廠需要統一思想，形成共識，加大投入，加快推進。隨著現代三維技術、DCS一體化技術、精確測量技術、APS技術、物聯網理等技術的進一步發展，數字化電廠必將實現智能化運行，低能耗、低排放、高效益的目標。

1　研究內容與擬解決的關鍵問題

基于BIM的數字化電廠信息模型建模實踐，包括廠房模型建模標準和建模實踐、設備模型建模標準和建模實踐、幾何尺寸參數、建造過程參數、設備廠商參數、設備運行管理參數等各種信息在模型上的附加。

基于BIM的建筑模型構建，已經有較為成熟的經驗和方法，但是基于BIM的數字化電廠模型建立，尚沒有成形的方法和經驗，具有創新性，因而需要從電廠規劃、設計、施工、移交、運行、管理等環節，以項目管理方法統籌研究［4］。考慮本課題研究的側重點在于以BIM方法建模，以建筑工程領域較為成熟的方法，研究其在發電廠這一設備、資產、技術密集型領域應用的方法。

2　BIM技術應用情況

BIM技術對于建筑行業而言，是一種新的理念和技術，不同類型的建筑工程項目都可以與BIM技術進行契合，以解決相應的問題。在國外的工程項目實踐中，使用BIM技術的在建項目已占據了一半以上。國內許多在建項目也開始在一些價值點上對BIM技術應用進行了實踐［5］。近幾年國內BIM實施應用的電廠類工程項目管理典型案例見表1。在規劃、設計、建造、運維方面運用BIM技術的電力基礎設施建設項目，見表2。

表1　運用BIM技術的電廠類工程項目

3　面向電廠全生命周期管理的三維建模應用研究案例

本文以國內某抽水蓄能電站為工程實例，研究了面向抽水蓄能電站廠房、設備全生命周期的建模應用。全面考慮建模的成本，建模的應用及數據管理的需要。最后項目按照預期的設計，經濟高效地完成了全景電廠，并在未來的運維管理中不斷檢驗。數字化電廠全生命周期的三維建模應用圍繞著建模、模型應用和數據管理三個部分來進行。

建模首先要確定建模的對象，抽水蓄能電廠三維建模的對象一般包括球閥，水泵水輪機組，發電系統，油、水、氣系統，起重和金屬結構系統，大壩，廠房及構筑物（見表2）。確定了建模對象后，依照以下步驟建模。

表2　系統與電廠三維建模對象表

（1）建模工具

市場上用于建模的工具很多，各有各的優缺點，常用的工具有：用于精確建模的歐特克公司的Inventor、3D-MAX，PTC公司的 PRO-E，達索的Solidworks，西門子的UGNX。用于布置設計和外觀建模工具有：Autodesk的 Revit，AVEVA公司的pdms，Intergraph公司的pds，還有Bentley奔特力公司的microstation［3］。

因為電站建設周期長，廠商多，前期也處于摸索階段，涉及的專業多，各工具各有所長，采用的建模工具也不好統一。

解決方法：各專業模型建立好后，在統一的空間坐標系中進行配準；統一轉換為FLT格式的三維數據，導入統一的云端渲染平臺（后文說明）。

（2）建模原則

根據實際的管理需要，以不同階段的管理需求為導向，確定模型應該按照什么原則來建模，應該按照什么細度來建模，充分考慮建模效果和花費的成本，在兼顧經濟合理性的原則下，按照適當的方式建模，全面覆蓋電廠所有的機械設備和構筑物。對于核心的設備，采用模型與實物1:1建模的方式準確反映實物的狀態和細節。

（3）精確建模部分

復雜的機械結構類需要精確建模，并且具備內部分解拆裝的能力，表達設備設施工藝及油氣水管道走向。在培訓教學中，利用精細化模型，在運維系統中，利用外觀模型。

主廠房（集水廊道層、管道廊道層、蝸殼層、水泵水輪機層、中間層、發電電動機層、橋機軌道層、吊頂層等）、副廠房（透平油層、冷水機/空壓機層等）、中控樓、開關站、大壩及壩頂建筑、尾水支洞、上下庫閘門室、排風排水洞等各建構筑物的結構及其中的設備布置。

在施工過程中，拌合系統、運輸路線、營地布置等采用示意建模的原則進行布局。

全部精細化建模方案如圖1所示。

圖1　水泵水輪機建模方案（1：1建模）

局部精細建模方案如圖2所示，主要部分進行拆解細分，不關注非主要部件及部件的細節，如部件上的螺紋、圖案等。

圖2　高壓氣機建模方案舉例圖——局部精確建模舉例

完全示意性建模方案如圖3所示。

圖3　檢修車間天車——完全示意建模方案舉例圖

（4）建模的方法。

設計在招標的時候，要求出具三維設計模型，對模型的精細程度有詳細的要求，設計單位必須交付相應的模型和設計圖紙，并在合同中保證圖紙和模型的一致性。經過專業BIM咨詢單位審查后，方能符合合同要求，如圖4所示。

圖4　大壩及電廠內部洞室三維圖

大壩廠房施工在招標的時候要求出具施工三維模型，確保建筑過程中的變更及時反饋到模型中，能夠從模型中查詢到進度、質量、合同、安全等信息［4］，確保建立竣工模型，形成數字資產，如圖5所示。

圖5　水電站施工模型及管理參數融合

機電要求廠家提供設計圖紙，根據設計圖紙，加上逆向測量的方法，建立安裝后的機電模型。

通過對電廠中的管理對象進行梳理和分析，根據不同的管理目標建立相應的模型，確保建模工作的經濟性，又能有效地為生產管理提供服務。

（5）建模研究結論

建模過程中，要利用整體思路去思考整個建模過程，從建模目的、建模對象、建模原則、建模方法整體上去思考模型建立。與通常的BIM建模原則不同的是，我們是從建模對象的角度上思考建模的精度，而且考慮了模型不同的來源，模型在時間維度上的變化，模型的版本管理等［6］，確保建立的模型能夠在一個統一的平臺上進行整合，形成數字電廠的三維場景基礎。

4　模型的管理實施和管理

對于不同來源的模型，需要統一平臺來顯示和應用模型。通常的技術路線有兩種：一種是基于C/S架構的本地端的渲染服務模型，這種模式對客戶端計算機能力要求比較高；一種是基于B/S架構的云端渲染模式，它采用大規模計算能力的服務器，將模型的渲染能力放在云端，實時渲染模型，以圖片的方式分割壓縮，利用網絡傳輸圖片，在客戶端進行還原。這種模式對客戶端電腦的配置要求較低，在任何能夠上網的地方都能夠通過網絡來查看模型，進行管理工作。本次實踐采用B/S的模式進行模型的渲染，展示平臺，效果如圖6所示。

圖6　水電站電廠全景

基于云端渲染在技術的實現上有較大難度，服務器的渲染需要考慮大量的并發計算、優化模型的計算能力，需要考慮通過網絡傳輸的優化，技術難度非常大。其中核心是模型的輕量化技術［7］。團隊通過分離模型的幾何信息與非幾何信息，建立輕量化模型。通過自動LOD的細節控制，減少三角面數量，如圖7所示。

圖7　基于云端渲染的三維異源數據整合與展示

5　結論與展望

隨著數字化、信息化技術的提高，數字化電廠的概念變得越發具有可實施性，但數字化電廠涉及的眾多專業和海量數據，使得其全生命周期內信息管理范圍和深度更加重要。BIM技術的出現，為數字化電廠全生命周期信息管理提供了良好的技術支撐和實現條件，極大提高了數字化電廠項目全生命周期內信息管理的水平和深度?；诖耍疚倪x擇了由BIM技術為實現手段的數字化電廠全生命周期信息管理研究，希望能夠對數字化電廠項目的信息管理提供一個發展思路。

本研究論文通過收集提取國內外建設行業已取得的成果，結合電力行業特點和電廠廠房和設備結構特點，以及結合本人參與項目管理的水電廠建模研究的具體實例，以三維數字信息為主線，并將方法推理延伸到火電廠，重點研究電廠設備的數字化建模，以電廠全生命周期為目標，綜合應用BIM技術、RFID技術（物聯網技術）等，并將二者相結合，提出了基于 BIM的數字化電廠數據標準，并探討了數字化電廠后期運維模式等。

以數字化電廠三維信息模型為基礎，可實現基于位置和狀態的電廠可視化運維保障系統，包括運行維護中設備智能互聯、設備信息采集的智能感知，設備狀態智能評價與分析等，從而進一步實現數字化電廠、智慧型電廠的目的。

［1］劉照球，李云貴，呂西林，等.基于BIM建筑結構設計模型集成框架應用開發［J］.同濟大學學報：自然科學版，2010（7）：984-953.

［2］Redmond A，Hore A，Alshawi M，et al.Exploring How Information Exchanges Can be Enhanced Through Cloud BIM［J］.Automation in Construction，2012（24）:175-183.

［3］Lipman，Robert R.Details of the mapping between the CIS/2 and IFC product data models for structural steel［J］.Electronic Journal of Information Technology in Construction，2009（14）:1-13.

［4］J.Infrastruct.Syst.Life-Cycle Costing in Municipal Construction Projects［J］.Journal of Infrastucture Systems，1996，2（1）:125-128.

［5］McClellandD.M.，BowlesDS.Towardsimprovedlifeloss estimationmethods:lessonsfromcasehistories［M］.Seinajoki: Rescdam Seminar，2000.

［6］CARMEN Constantinescu，CHRISTOPHR unde，JOHANNESV-olkmann，el al.D1 definition of a VR based collaborative digital manufacturing environment［R］.［S.L］:Information society Techologies，2007.

［7］Dones R，Gantner U，Hirschberg S.Environmental inventories for future electricity supply Systems for Switzerland［R］.Switzerland: Paul Scherrer Institute，1996.

TU271.1

B

1009-7716（2016）07-0350-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.103

2016-03-16

蘇玲（1981-），女，河南駐馬店人，碩士，市場部經理，從事項目管理工作。