“華龍一號”土建工程數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用

李 兵,范桂斌,邵克軍,王紅勝,王旋旋,楊 霞

(中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司,北京 101601)

1 項目概況

“華龍一號”為我國具有完全知識產(chǎn)權(quán)的三代核電堆型,設(shè)計采用能動＋非能動系統(tǒng)雙層安全殼,最大電功率能達(dá)115萬千瓦時。與同等規(guī)模的煤電站相比,可減少標(biāo)煤消耗約250萬噸,減少二氧化碳排放約600萬噸。

福清核電站5、6號機組為 “華龍一號”示范工程,位于福清市三山鎮(zhèn)西南前薛村的岐尾山前沿,東、南、西三面環(huán)海,東北與福清陸地連接。建設(shè)有2臺百萬千瓦級壓水堆型核電機組,廠區(qū)一次規(guī)劃,連續(xù)建設(shè),正式工程占地面積近25萬平方米,包含了反應(yīng)堆廠房、汽輪機發(fā)電廠房、循環(huán)冷卻水泵房等數(shù)十座廠房,其核島混凝土澆筑量是二代改進(jìn)堆型的3.0倍,鋼筋量是4.0倍,預(yù)埋件是2.7倍,建筑面積是2.5倍。建設(shè)用生產(chǎn)臨建區(qū)地面積達(dá)到19萬平方米,生活臨建占地8.8萬平方米,現(xiàn)場布置塔吊30余臺,參與建設(shè)的人員有上萬人。其中5號機組為“華龍一號”全球首堆,于2015年5月7日正式開工建設(shè),總工期62個月。

2 數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及布局

2.1 “華龍一號”數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

福清核電 “華龍一號”5、6號機組建設(shè)籌備建設(shè)階段,數(shù)字化建造技術(shù)已開始在 “華龍一號”有了初步的應(yīng)用,隨著項目建設(shè)的正式啟動,數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用趨于成熟,成為 “華龍一號”建設(shè)的助力,在應(yīng)用的過程中技術(shù)人員需結(jié)合項目建設(shè)需求對所引進(jìn)的數(shù)字化建造技術(shù)有針對性的進(jìn)行二次開發(fā)或優(yōu)化,經(jīng)過試驗或試點應(yīng)用后,開始大面積推廣,目前福清核電 “華龍一號”已應(yīng)用成熟的數(shù)字化技術(shù)包括多項目信息系統(tǒng) (ENpower)的應(yīng)用、BI M技術(shù)、現(xiàn)場塔吊防碰撞技術(shù)、數(shù)據(jù)加密保護(hù)管理系統(tǒng)、在線考試系統(tǒng)、現(xiàn)場人員定位管理系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)、鋼板數(shù)字化切割、鋼筋聯(lián)動設(shè)備、鋼襯里模塊化技術(shù)等十余項,涵蓋了項目建造階段技術(shù)、質(zhì)量、安全、進(jìn)度、勞動力、機械設(shè)備管理等各方面。

2.2 “華龍一號”數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用布局

考慮 “華龍一號”土建施工建造階段整體布局,從項目管理的各方面對數(shù)字化建造技術(shù)進(jìn)行全面布局,以 “先整體后局部,先研究后應(yīng)用,先試點后實施”為原則,結(jié)合項目發(fā)展需求,和行業(yè)前沿技術(shù),完成總體布局計劃和技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化,首先解決當(dāng)前急需問題,而后對細(xì)節(jié)和提升問題進(jìn)行深入研究,不斷優(yōu)化提升數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用的效率和效益。“華龍一號”土建施工項目管理數(shù)字化建造分階段布局,具體如下。

第一階段:在土建施工準(zhǔn)備階段,研究及應(yīng)用多項目信息系統(tǒng) (ENpower)、BI M技術(shù)、在線考試系統(tǒng),對項目管理過程進(jìn)行把控,對項目管理人員進(jìn)行業(yè)務(wù)能力培訓(xùn)、考核、提升。同時,對數(shù)字化建造技術(shù)中其他技術(shù)開展調(diào)研分析和應(yīng)用研究,啟動有關(guān)項目的內(nèi)外部科研項目立項和研究工作,部署數(shù)據(jù)加密保護(hù)系統(tǒng),加強知識產(chǎn)權(quán)、數(shù)據(jù)保密管理。

第二階段:基礎(chǔ)施工階段,采購鋼筋聯(lián)動設(shè)備、鋼板數(shù)字化切割設(shè)備,布置塔吊防碰撞系統(tǒng),完成鋼襯里模塊化技術(shù)策劃。布置人臉識別系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場人員定位系統(tǒng),對現(xiàn)場勞務(wù)人員進(jìn)行考勤管理,對施工過程進(jìn)行記錄和管理。部署塔吊防碰撞系統(tǒng),以保證密集塔吊群的運行安全。

第三階段:主體結(jié)構(gòu)及后續(xù)施工階段,結(jié)合數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用過程中的問題和項目使用人員提出的需求,對已應(yīng)用的數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)或二次開發(fā),不斷提升數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用水平。

3 數(shù)字化建造技術(shù)研究及應(yīng)用

3.1 數(shù)字化建造多項目信息化管理系統(tǒng)ENPower的研究及應(yīng)用

目前,核電項目中一些成熟有效的管理模式或者管理方法,往往受制于核心人才流失的制約,無法進(jìn)行有效的保留和推廣,如能實現(xiàn)一套標(biāo)準(zhǔn)化的管理流程,實現(xiàn)可復(fù)制的標(biāo)準(zhǔn)化管理模式,支持企業(yè)整體管理能力的提升,將大大降低對核心人才的依賴。而通過ENPower系統(tǒng)的應(yīng)用實施,實現(xiàn)了可復(fù)制的標(biāo)準(zhǔn)化管理模式,支持“華龍一號”建設(shè)項目整體管理能力的提升,其中文件管理、物項管理、計量管理、加工計劃管理、進(jìn)度管理、混凝土管理、質(zhì)量管理、安全管理等模塊的應(yīng)用更加規(guī)范了 “華龍一號”土建施工管理信息化管理模式,為 “華龍一號”建造積累施工數(shù)據(jù)和知識經(jīng)驗。

在福清核電 “華龍一號”土建施工中,多項目信息管理ENpower系統(tǒng)覆蓋了 “華龍一號”施工管理的各個方面,包括安全、質(zhì)量、進(jìn)度、技術(shù)、商務(wù)等,項目管理文件審批流程均在系統(tǒng)中完成,在每個板塊的應(yīng)用過程中,均可結(jié)合實際需求不斷進(jìn)行優(yōu)化,簡化軟件操作方法,不斷提高項目管理效率。同時,ENpower系統(tǒng)的可持續(xù)優(yōu)化性,為項目管理模式的不斷優(yōu)化提供了良好的發(fā)展平臺,解決項目管理基本問題后,可結(jié)合項目管理實際需求對該系統(tǒng)進(jìn)行合理的二次開發(fā),如增加裝飾管理、鋼結(jié)構(gòu)管理、焊接管理、工程檢測管理等。

ENPower系統(tǒng)開發(fā)過程需遵循PDCA原則,以 “事前有計劃,事中有控制,事后有考核”為切入點,實現(xiàn)了企業(yè)精細(xì)化的閉環(huán)管理。開發(fā)的鋼筋下料板塊,能夠?qū)崿F(xiàn)智能打印鋼筋料牌、自動計算鋼筋工程量功能;開發(fā)的物項管理板塊,能夠?qū)ξ镯椓鬓D(zhuǎn)的全過程進(jìn)行實時跟蹤,對物項成本進(jìn)行智能分析。

ENPower系統(tǒng)開發(fā)在把握全局的前提下,尚需從細(xì)處著手,如實現(xiàn)的計量器具、工機具異常狀態(tài)預(yù)警功能等一系列自動化管理功能,極大程度地優(yōu)化了 “華龍一號”土建施工管理模式。其界面如圖1所示。

圖1 ENPower系統(tǒng)工作界面Fig.1 ENPower systeminterface

3.2 數(shù)字化建造技術(shù)在人力資源和安全方面管理的研究及應(yīng)用

3.2.1 人力資源管理方面

在勞務(wù)人員進(jìn)場入口處設(shè)置人臉識別系統(tǒng)進(jìn)行考勤管理和記錄,將現(xiàn)場勞務(wù)人員信息錄入系統(tǒng),每日對入場人員通過人臉識別進(jìn)行記錄,相比較指紋打卡,入場效率更高,形成的人員信息記錄更全面。在建設(shè)初期,采用在線考試系統(tǒng)提升項目管理人員業(yè)務(wù)能力,首先由項目各職系人員結(jié)合業(yè)務(wù)管理需求,制作題庫后,由信息系統(tǒng)管理員錄入系統(tǒng),參與項目管理人員經(jīng)授權(quán)后可進(jìn)入系統(tǒng),可在線練習(xí)、考試、查詢等,經(jīng)過培訓(xùn)后的考試或日常業(yè)務(wù)能力考試均可利用在線系統(tǒng)進(jìn)行,系統(tǒng)可自動打分,統(tǒng)計考試分?jǐn)?shù),相較傳統(tǒng)的紙質(zhì)試卷考試,工作效率和準(zhǔn)確率均較高。如圖2所示。

圖2 在線考試系統(tǒng)Fig.2 On-line exa mination system

采用人員定位系統(tǒng)對勞務(wù)人員和現(xiàn)場管理人員的活動軌跡進(jìn)行跟蹤,通過人員定位系統(tǒng),按子項、廠房精確測算各區(qū)域真實的勞動力投入,實現(xiàn)核電建造的全過程、全工種的精確數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計。通過人員安全監(jiān)控系統(tǒng)客戶端實時查詢各區(qū)域工種的班組信息、持證情況、血型信息、緊急情況聯(lián)系人、違章記錄等。安全管理人員可通過定位系統(tǒng)實施查看、掌握所有主體作業(yè)人員的運動軌跡,實現(xiàn)作業(yè)人員行為的跟蹤分析;在高風(fēng)險區(qū)域設(shè)置電子圍欄對接近該區(qū)域人員實現(xiàn)自動報警。如圖3所示。

圖3 人員定位系統(tǒng)Fig.3 Personnel positioning syste m

3.2.2 安全管理方面

“華龍一號”核電土建施工中應(yīng)用的塔吊防碰撞系統(tǒng)裝置由數(shù)據(jù)采取板塊、數(shù)據(jù)分析板塊、報警處理板塊以及軟件界面顯示板塊組成,通過電氣系統(tǒng)拼接、多次調(diào)試,將防碰撞系統(tǒng)與塔機自身的電氣系統(tǒng)組裝到一起。以前的防碰撞系統(tǒng)與塔機電氣系統(tǒng)是兩個獨立體,互不影響,防碰撞系統(tǒng)只能提醒,當(dāng)塔吊轉(zhuǎn)到危險區(qū)域時還是可以一直繼續(xù)向危險方向前進(jìn),繼而發(fā)生事件。而“華龍一號”項目建造中,研究開發(fā)的防碰撞系統(tǒng),已經(jīng)與塔機自身的電氣系統(tǒng)相連,先是提醒,如果再向危險方向靠近,防碰撞系統(tǒng)會直接強行停止危險方向操作,這樣能夠有效避免解決塔機碰撞事故,并可提高施工現(xiàn)場的工作效率。如圖4所示。

圖4 塔吊防碰撞系統(tǒng)實時監(jiān)控界面Fig.4 Real-ti me monitoring interface f or tower crane anti-collision system

為保證 “華龍一號”核電建設(shè)資料的安全,采用了軟件加密技術(shù)。通過數(shù)據(jù)防泄漏系統(tǒng),可以對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加密,并且加密的文件只能在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中打開,并且可以對文件的操作權(quán)限和傳播途徑進(jìn)行控制,有效地保證數(shù)據(jù)的安全性。數(shù)據(jù)防泄漏系統(tǒng)的使用需要在電腦上安裝終端,通過服務(wù)器端的控制臺實現(xiàn)加密策略的設(shè)置,就可以對電腦上的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加密。如果加密的文件需要解密必須通過解密流程,對數(shù)據(jù)文件的傳播進(jìn)行控制。

3.3 數(shù)字化建造BI M技術(shù)應(yīng)用

在 “華龍一號”核電土建施工中,結(jié)合項目建造實際需求,對BI M技術(shù)開展有針對性的技術(shù)開發(fā),建立基于BI M的建筑工程多維管理體系,開展工程施工階段BI M的5D(三維＋進(jìn)度＋資金)應(yīng)用,同時對所應(yīng)用的BI M軟件進(jìn)行二次開發(fā),建立 “華龍一號”核電土建施工數(shù)據(jù)庫,包括鋼筋、套筒、埋件、型鋼數(shù)據(jù)庫等,數(shù)據(jù)庫的建立可為三維建模提供便利,建模過程中標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件只需要加載數(shù)據(jù)庫文件后點選即可,無需重新繪制模型,方便、快捷,建模效率更高。同時,可根據(jù)工程建設(shè)需求自行開發(fā)制作各種材料表模板,在工程量或構(gòu)件加工計劃導(dǎo)出時,可根據(jù)實際情況加載后點選使用。

為了解決核電建設(shè)中鋼筋構(gòu)造復(fù)雜,需要耗費大量時間進(jìn)行鋼筋下料的問題,通過對BIM軟件進(jìn)行二次開發(fā),實現(xiàn)運用BIM軟件建模、制定相應(yīng)下料規(guī)則來進(jìn)行鋼筋深化下料設(shè)計,再將鋼筋翻樣數(shù)據(jù)的自動錄入ENpower信息化管理系統(tǒng),鋼筋斷料自動計算,既縮短技術(shù)人員鋼筋翻樣、斷料計算、數(shù)據(jù)錄入的時間,又提高了鋼筋下料的準(zhǔn)確性。其次在后續(xù)鋼筋加工、料牌制作等鋼筋下料管理過程,運用掃碼器、鋼筋聯(lián)動設(shè)備、鋼筋料打印機等信息化設(shè)備,使鋼筋加工過程自動化。經(jīng)過這一系列的探索與改革,運用“BIM＋信息化＋智慧”使鋼筋下料及加工的全過程實現(xiàn)了智能化、信息化的變革。如圖5所示。

圖5 BI M料表導(dǎo)入ENpower系統(tǒng)流轉(zhuǎn)Fig.5 BI Mlist of materials trans mitted and circulated in the ENpower system

在福清核電 “華龍一號”建設(shè)現(xiàn)場,鋼板數(shù)字化切割設(shè)備有效的提高了鋼材加工的效率。將用BIM軟件完成的鋼結(jié)構(gòu)模型,導(dǎo)出成Sigma NEST專業(yè)軟件能夠識別的CAD下料圖,采用Sigma NEST合理配置下料,與數(shù)字化設(shè)備連接,車間自動切割鋼板下料,最大限度地提高材料利用率,相同的產(chǎn)出,消耗更少的原材料合理利用了鋼材,效率更高,使用更安全。如圖6所示。

圖6 鋼板數(shù)字化切割設(shè)備Fig.6 Digital steel-sheet cutting equip ment

3.4 數(shù)字化建造設(shè)備應(yīng)用

運用鋼筋剪切線聯(lián)動設(shè)備自動加工鋼筋,在軟件中批量輸入鋼筋,系統(tǒng)對鋼筋進(jìn)行自動優(yōu)化后配料,自動斷料,提高鋼筋的利用率。利用鋼筋彎箍機可自動加工箍筋,自動優(yōu)化配料,批量加工生產(chǎn),效率更高,如圖7所示。

4 結(jié)束語

隨著當(dāng)今社會,人工成本的不斷提升,以數(shù)字化、智能化替代傳統(tǒng)手工業(yè)的智能建筑、數(shù)字化建造將迎來一股熱潮,如何在這場前所未有的變革中立足,在未來建筑業(yè)亦或是核電行業(yè)中迎來長足的發(fā)展,是我們值得深思的問題。

圖7 鋼筋聯(lián)動設(shè)備輸入界面Fig.7 The input interface of reinf orced bar linkage equip ment

福建福清 “華龍一號”核電土建工程建造過程,正引領(lǐng)核電建造走向一個全新的時代,將數(shù)字化建造貫穿始終,將技術(shù)革新和現(xiàn)場施工相結(jié)合,優(yōu)化施工管理模式,運用新技術(shù)解決施工難題,保證項目建設(shè)有序進(jìn)行;運用數(shù)字化建造技術(shù)優(yōu)化項目管理模式,解決了管理和技術(shù)難題,提高了項目管理效率,為 “華龍一號”標(biāo)準(zhǔn)化建造奠定了基礎(chǔ),對于核電建造的發(fā)展具有重要的意義,對我國核電的發(fā)展具有不可估量的價值。