基于BIM的海洋工程建設數字化系統研究

王 屹

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

1 BIM技術介紹

在信息化技術發展的驅動下，建筑行業提出了建筑信息模型技術(Building Information Modeling，BIM)。BIM 技術是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具，通過建立參數模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。

美國已經制定了 BIM 國家標準——NBIMS。歐洲一些國家已經開始普及BIM技術，特別是芬蘭、挪威、德國等國家，基于BIM技術的應用軟件普及率已經達到 60%～70%。美國 NBIMS國家標準對 BIM的定義由3部分組成：

①BIM 是一個設施(建設項目)物理和功能特性的數字表達；

②BIM 是一個共享的知識資源，分享有關這個設施的信息；

③在項目的不同階段，不同利益相關方通過在BIM 中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協同作業。

我國也已經開展 BIM 技術的研究與應用，在國家重大項目中，牽頭并引導企業使用BIM技術，如北京奧運會國家游泳中心的建筑設計方案等。

2 海洋工程數字化現狀

海洋工程是集海洋石油、天然氣開發工程設計、陸地制造和海上安裝、調試、維修以及液化天然氣、煉化工程為一體的大型工程。由于海洋工程的特殊性，大多采用陸地分塊制造海上組裝調試，這就使得陸地的模塊化建造設計及制造設計要求遠遠大于其他行業，加之海上作業環境惡劣，設計本身的要求更加嚴格，考慮因素更加全面。因此，海洋工程設計、建造及施工的技術要求和管理要求相比傳統的地面工程建設更高。

為滿足海洋工程設計和管理的需求，工程各個業務板塊(如設計、采購、建造、安裝、維修和檢驗等)均配備了眾多國內外的專業設計軟件和管理系統，經過多年發展和推廣，應用和管理水平都有了很大的提高。其中，三維協同設計不僅成為工程設計數字化的主要設計方法，而且其設計成果三維模型作為工程信息全生命周期管理的核心，在為設計建造帶來飛躍性提升的同時，更給后續的油田運營維護帶來額外的價值。

盡管各個業務板塊以及與項目管理相關的系統軟件已初具規模，但是各系統間、各業務環節工程數據的關聯關系仍不明晰，缺乏統一的、標準的數據中心來管理所有與工程項目相關的數據，實現工程項目全生命周期數據管理的目標有待進一步強化。除此之外，如何整合工程項目的歷史數據、實現多維度工程項目數據分析和對工程項目數據預測，以此來把握和獲得更多市場機會，是國內海洋工程行業走向更加專業化和國際化亟需解決的問題。

3 海洋工程BIM數字化系統實施方案

為更好地協調各設計專業，最大程度避免施工階段的變更，提高海洋工程信息資源整合共享和高效利用，提升海洋工程作業的安全性和應對風險能力，借鑒建筑行業BIM理念，建立1套如圖1所示的貫穿于海洋工程規劃、設計、施工、運營、改造、廢棄全生命周期，以三維可視化協同設計的、數字化集成與海洋工程設計及作業仿真模擬為兩大技術核心的數字化系統。

圖1 基于BIM理念的油氣田工程建設數字化系統Fig.1 Oil and gas field engineering construction digital system based on BIM concept

3.1 三維可視化協同設計及數字化集成

以三維可視化數字技術為基礎，三維可視化協同設計軟件(如PDMS)為載體，依托BIM理念，使用國際行業內主流三維可視化協同設計平臺，實現多專業、異地間協同設計功能，其成果作為數字化系統的核心數據。

如圖2所示，三維可視化協同設計及數字化集成其根源是把不同來源、格式、特性的設計數據有效集中管理、重組及應用。其中，三維可視化協同設計的數據成果是數字化設計集成的重要核心部分。同時，三維可視化協同設計可提供完整的系統設計和布置設計，專業應用模塊滿足不同專業系統和布置設計的需要，并基于數據庫的系統和布置設計集成管理，實現多專業、多人員、多地點的集成化協同設計，以此為數字化設計集成提供有效的數據傳遞及管控手段。

圖2 三維數據數字化集成Fig.2 3D data digital integration

3.2 海洋工程設計與作業仿真模擬

面向海洋工程設計、建造、安裝、維修、生產、報廢等不同階段業務需求，海洋工程仿真系統以提升海洋產品設計、建造、研發能力，海洋裝備作業效率，作業安全水平為目標，以數據一體化環境為基礎，以數學仿真和可視化顯示為技術手段，采用開放式的分布交互體系結構、先進的高性能計算機系統、完善的軟件工具和支撐軟件環境、實時網絡、計算機成像顯示系統的集成綜合仿真平臺，主要具有虛擬設計(工程仿真)、虛擬制造(工程仿真)、虛擬作業(工程仿真)、虛擬培訓(訓練仿真)等功能。

3.2.1 虛擬設計

針對海洋工程開發的需求，通過虛擬樣機仿真，快速生成多種設計方案，并在虛擬環境中進行測試和評估，以優化設計方案，在產品或作業初期及時發現問題、解決問題，滿足高質量、低風險、低成本、周期短的要求，提高產品的更新換代速度和市場的競爭力，降低海上安裝風險。

3.2.2 虛擬制造

針對海洋工程建造過程中大型結構物吊裝、反造結構物翻身、裝船等典型作業，采用計算機仿真與虛擬技術，通過建立仿真模型，在計算機上對海工建造過程進行仿真，實現產品的工藝規程、加工制造、裝配和調試，對產品的功能、性能和可加工性等方面進行評估。

3.2.3 虛擬作業

主要針對海洋工程安裝、水下作業、應急維修等作業需求，對海上施工作業方案進行仿真預演和可行性/風險性評估，以達到優化作業方案、提高裝備作業效率、提前預報及避免風險的目的。

3.2.4 虛擬培訓

構建人在回路中的訓練仿真系統，模擬作業人員的硬件操作環境和海上施工作業場景，開展操作規程、特種工況和應急操作培訓，提高作業人員的專業技能水平和應急處置能力。

4 結 語

近年來，國際海洋總包工程項目管理信息化呈現集成化、標準化、全球化、可視化和交互化5大趨勢。本文將BIM理念引入到海洋工程項目全生命周期管理當中，設計 1套項目數字化管理系統，以提高海洋工程公司信息化支撐能力，通過信息化手段對工程項目管理的各方面進行有效管理和規范，并利用信息化手段提高生產效率、提升質量與安全管理水平、降低工程造價和運營成本。