BIM在垃圾電廠全生命周期中的應(yīng)用

文｜北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司 陳凱琦 王建飛 韓達(dá)

近年來，隨著生活垃圾的急劇增加，我國固廢處理行業(yè)得到快速發(fā)展，已基本形成“焚燒為主，生化為輔，填埋兜底”的垃圾終端處理格局，垃圾焚燒電廠工程的建設(shè)正如火如荼。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，并結(jié)合其自身的屬性特點，垃圾焚燒發(fā)電工程設(shè)計、施工、運營重難點突出。設(shè)計時需考慮電廠與周邊環(huán)境的融合，以“鄰避”變“鄰利”；施工時存在超高超限模板支撐體系、深基坑、懸挑腳手架等危大工程和超長結(jié)構(gòu)大體積混凝土防滲抗裂、垃圾倉防腐、高空鋼架拼裝吊裝等復(fù)雜施工工藝；傳統(tǒng)電廠管理效能低下，智慧化運維需求迫切，同時在施工與運維中表現(xiàn)出較多的安全隱患，如機(jī)械設(shè)備、用電以及消防系統(tǒng)等方面的安全隱患。此外，作為大型工業(yè)廠房，其建設(shè)還存在工期緊、任務(wù)重，專業(yè)交叉施工多、協(xié)調(diào)難度大，大型工業(yè)設(shè)備安裝控制要求高，各專業(yè)管線錯綜復(fù)雜等特點。因此，對于垃圾焚燒電廠項目，在設(shè)計、施工、運營全過程及項目精細(xì)化、智慧化管理等方面都有較高要求。

BIM（Building Information Modeling）

技術(shù)是近些年建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用的新技術(shù)，是對工程物理特征、功能特性的數(shù)字化展現(xiàn)，在建筑物全生命周期內(nèi)為項目各利益方提供共享信息和輔助決策[1]。其通過計算機(jī)技術(shù)的工具優(yōu)勢與項目工程參數(shù)的有機(jī)整合，建立涵蓋項目全部信息的三維工程數(shù)據(jù)模型[2]，具有降低成本、提高效率、縮短工期、提高安全性、減少返工、改進(jìn)決策、可視化等顯著優(yōu)點[3,4]。因此，通過BIM 技術(shù)的介入，對推動垃圾焚燒電廠全生命周期建造向精細(xì)化、數(shù)字化、智慧化轉(zhuǎn)型，具有重要意義。

1 項目概況

本工程為北京某特大類垃圾焚燒電廠，垃圾處理規(guī)模為5100t/d，采用6 臺850t/d機(jī)械爐排爐和3 臺45MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，煙氣凈化系統(tǒng)采用“SNCR 爐內(nèi)脫硝（尿素溶液）+半干法旋轉(zhuǎn)噴霧脫酸（Ca(OH)2漿液）+活性炭噴射+干法脫酸（Ca(OH)2干粉）+布袋除塵器+煙氣再加熱+SCR 脫硝（尿素溶液）”組合工藝。垃圾焚燒主廠房分兩列布置，按垃圾處理工藝流程由南向北依次為卸料間、垃圾倉、焚燒間、煙氣凈化間，主控廠房、汽機(jī)廠房、升壓站、煙囪布置在兩組主廠房之間。主廠房結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)、鋼排架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為后注漿鉆孔灌注樁。

圖1 垃圾焚燒電廠主廠房平面布置圖

2 BIM 技術(shù)在垃圾電廠全生命周期中的應(yīng)用

2.1 BIM 技術(shù)在垃圾電廠設(shè)計階段的應(yīng)用

2.1.1 協(xié)同設(shè)計

電廠工藝流程復(fù)雜，設(shè)計專業(yè)眾多，包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通空調(diào)、電氣、熱動、設(shè)備等多個專業(yè)，不同專業(yè)間信息的準(zhǔn)確交互是電廠設(shè)計的關(guān)鍵。協(xié)同設(shè)計是BIM 最基礎(chǔ)的應(yīng)用，其最大優(yōu)勢便是能夠?qū)崿F(xiàn)各專業(yè)間的可視化溝通，使離散的分步設(shè)計轉(zhuǎn)向基于同一模型的全過程整體設(shè)計。各專業(yè)設(shè)計人員在自己習(xí)慣的設(shè)計界面下，獨立完成本專業(yè)主體文件的設(shè)計，然后將其模型鏈接到統(tǒng)一的三維協(xié)同設(shè)計平臺。各專業(yè)在進(jìn)行修改、優(yōu)化設(shè)計方案時，會即時同步更新在平臺模型上，保證信息的準(zhǔn)確傳遞，破解傳統(tǒng)設(shè)計各專業(yè)間的信息孤島，減少潛在的錯、漏、碰、缺等設(shè)計問題，提高出圖質(zhì)量。

2.1.2 三維可視化

“鄰避”現(xiàn)象一直伴隨著垃圾焚燒電廠的發(fā)展，電廠在規(guī)劃設(shè)計之初越來越重視去工業(yè)化，需要創(chuàng)新的建筑設(shè)計使工廠和周邊環(huán)境融為一體，使垃圾電廠展現(xiàn)出科技、生態(tài)和藝術(shù)的融合，減少城市環(huán)境的“視覺污染”。利用BIM 技術(shù)的三維可視化，對建筑的外立面進(jìn)行建模，直觀的表達(dá)出建筑物的幾何特征，宏觀上展現(xiàn)出建筑物與周邊環(huán)境的融合，便于不同設(shè)計方案的比選。本工程基于“能量塊”的設(shè)計理念，以簡潔干練的幾何形體勾勒出內(nèi)部功能形態(tài)，通過大尺度建筑體塊的巧妙穿插，組合成富有力量感和雕塑感的體量關(guān)系，表達(dá)出充滿能量感的建筑特點，以及工業(yè)建筑特有的理性美學(xué)。

2.1.3 仿真模擬

在垃圾電廠廠房設(shè)計中，環(huán)境的變化對廠房本身的影響很大。本工程通過BIM及模擬分析軟件，對建筑的熱環(huán)境、噪聲、日照、陰影遮擋等進(jìn)行分析，并據(jù)此優(yōu)化設(shè)計方案。基于BIM 技術(shù)，將綠色節(jié)能生態(tài)的理念融入建筑環(huán)境分析中，以實現(xiàn)如增強空氣質(zhì)量、減少噪聲、降低能耗等方案的優(yōu)化設(shè)計，為低碳可持續(xù)、健康舒適度高的建筑環(huán)境設(shè)計提供極大便利。

2.1.4 工藝流程模擬

基于BIM 技術(shù)，構(gòu)建設(shè)備、管線等一系列模型及族庫，真實模擬垃圾焚燒發(fā)電過程中焚燒、余熱回收、發(fā)電、煙氣凈化等工藝流程，讓業(yè)主身臨其境感受工藝方案，直觀評估方案特征，做出最佳決策，并方便后期施工和運維人員熟悉工藝流程。

2.2 BIM 技術(shù)在垃圾電廠施工階段的應(yīng)用

2.2.1 BIM+GIS 智慧工地管理平臺

基于BlM+GIS 智慧工地管理平臺，融合多源BIM、GIS 數(shù)據(jù)，以GIS 數(shù)據(jù)為宏觀基礎(chǔ)，以BIM 數(shù)據(jù)為應(yīng)用核心，同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)等技術(shù)，實現(xiàn)視頻監(jiān)控、人臉識別、環(huán)境監(jiān)測、智能用電、物料管理、人員管理、車輛管理、機(jī)械設(shè)備管理等綜合施工調(diào)度管理系統(tǒng)，提升生產(chǎn)組織效率，輔助項目對安全及環(huán)境的有效管控，提升項目的管理水平。

2.2.2 大體積混凝土實時溫度檢測、應(yīng)力檢測與預(yù)警

垃圾池是垃圾儲存、發(fā)酵和滲濾液收集的主要構(gòu)筑物，其所處的腐蝕環(huán)境較為惡劣，運行期間一旦發(fā)生泄漏，將帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，因而要求其具有良好的防滲抗裂性能。本項目垃圾池尺寸為83.4m×32m（部分底板1500mm 厚），屬于超長結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工。項目根據(jù)施工圖紙建立BIM 模型并將大體積混凝土應(yīng)有的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行錄入（如混凝土強度，傳熱系數(shù)、熱阻、熱質(zhì)量、吸收率等），通過BIM 二次開發(fā)建立一個可以集成存儲BIM 數(shù)據(jù)與傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，并通過可視化的形式實時展示混凝土溫度、應(yīng)力情況；可以將監(jiān)控部署方案導(dǎo)入、設(shè)置預(yù)警閾值等；對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時同步更新；可查詢、調(diào)取溫度、應(yīng)力的歷史數(shù)據(jù)。

圖2 垃圾焚燒電廠建筑外立面三維效果圖

2.2.3 基于BIM 結(jié)合人工智能技術(shù)的鋼筋線性規(guī)劃下料

通過人工智能工具對鋼筋原料分割進(jìn)行線性規(guī)劃計算并應(yīng)用于復(fù)雜節(jié)點的下料。首先寫出初始形表；其次，進(jìn)行第一判別定理檢測，通過檢測得到最優(yōu)解，結(jié)束運算。未通過檢測進(jìn)行第二判別定理檢測，以此類推。通過本項目地下基礎(chǔ)施工中的承臺、短柱等上百條數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣板，搭建鋼筋線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，并通過本項目后期復(fù)雜節(jié)點的鋼筋下料作為驗證樣板，對前期規(guī)劃好的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校對。調(diào)整影響因子和權(quán)重，最終形成正式版的數(shù)學(xué)模型。通過BIM 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類與整理，人工智能計算部分通過TensorFlow 進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型的搭建。通過此應(yīng)用實踐，實現(xiàn)對現(xiàn)場鋼筋下料起到輔助計算的作用。

2.2.4 基于BIM 設(shè)備安裝組裝模擬

鋼架是焚燒爐、余熱爐主要的支撐結(jié)構(gòu)，主要分布在鍋爐本體安裝范圍內(nèi)，本項目鍋爐鋼架施工采用現(xiàn)場設(shè)備地面組對拼接，集中吊裝的方法。利用BIM 技術(shù)制作3D 動畫，對鋼結(jié)構(gòu)組合及安裝吊裝順序進(jìn)行技術(shù)交底，并提前利用BIM 對組合鋼架重量進(jìn)行計算，保證現(xiàn)場吊裝的安全性。

汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備重量大、體積大、吊裝難度大、零配件多、安裝精度要求高。為了提高裝配質(zhì)量，減少預(yù)裝配的次數(shù)，加快裝配進(jìn)程，針對該技術(shù)難點，利用BIM 技術(shù)對汽輪機(jī)的裝配進(jìn)行模擬演示，方便裝配人員對汽輪機(jī)構(gòu)造和裝配精確了解，實現(xiàn)快速裝配。同時模擬組裝動畫也為后續(xù)運行維護(hù)和檢修提供了非常好的參考和指導(dǎo)。

圖3 垃圾焚燒發(fā)電工藝流程模擬

2.2.5 管線綜合與碰撞檢測

主廠房內(nèi)各專業(yè)管線及橋架眾多，綜合管線存在與鋼構(gòu)、設(shè)備的碰撞及廠區(qū)墻面、吊頂、門窗和通道的干涉，同時還需考慮美觀和檢修的便利性，故在模型優(yōu)化和解決碰撞方面難度較大[5,6]。根據(jù)設(shè)計院提供的圖紙，建立BIM 機(jī)電深化模型，通過 BIM 碰撞檢測，提前發(fā)現(xiàn)管線沖突，從而優(yōu)化管線布置，逐一消除碰撞，減少施工現(xiàn)場返工量。此外，在管綜深化模型基礎(chǔ)上，項目利用BIM 進(jìn)行管線綜合支吊架排布，優(yōu)化綜合支架方案，節(jié)約成本、加快施工進(jìn)度、提高觀感質(zhì)量。

2.2.6 輔助方案論證

垃圾倉從23.3m 至46.3 米高度中間無樓板，框架結(jié)構(gòu)四口五臨邊圍護(hù)較多，且在池體靠近鍋爐側(cè)落地腳手架與后續(xù)設(shè)備安裝施工存在交叉作業(yè)，需在垃圾池23.3m 層設(shè)置封閉懸挑式腳手架，懸挑高度19.8m。因此，架體搭設(shè)成為施工中的難點。通過BIM 建模輔助方案設(shè)計、計算，并配合現(xiàn)場放樣，對施工方案模擬優(yōu)化，提高方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性。

圖4 主控廠房管線綜合排布

2.3 BIM 技術(shù)在垃圾電廠運營階段的應(yīng)用

在電廠運維階段，以BIM 竣工模型為載體，整合各種機(jī)電設(shè)備參數(shù)，并集成物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)，構(gòu)建電廠智慧運維云平臺，為電廠的運維管理提供智慧化、精細(xì)化、可視化支撐，提高運維管理水平。

2.3.1 設(shè)備運行維護(hù)

鍋爐、汽機(jī)、煙氣凈化設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵以及各種熱工儀表的正常運行，是保證電廠安全生產(chǎn)、環(huán)保達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。利用BIM 技術(shù)的三維可視化、空間定位和數(shù)據(jù)記錄的優(yōu)勢，在設(shè)備故障時，可以快速定位和查看設(shè)備基本信息，快速獲取設(shè)備維修、保養(yǎng)等表單信息，設(shè)備日常運維產(chǎn)生的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)會不斷的記錄在數(shù)據(jù)庫中，運維人員可通過檢索和學(xué)習(xí)來解決故障問題，提高效率。

2.3.2 能耗管理

基于BIM 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在系統(tǒng)末端安裝智能電表、多功能水表、遠(yuǎn)傳氣表等，實現(xiàn)對垃圾電廠內(nèi)能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、采集、分析，并對異常能源使用情況進(jìn)行警告或標(biāo)識，及時發(fā)現(xiàn)運行中存在的能耗異常，減少用能的“跑、冒、滴、漏”。除此之外還可以實現(xiàn)廠內(nèi)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測，分析廠內(nèi)的實時溫濕度變化，配合節(jié)能運行管理。

2.3.3 災(zāi)害應(yīng)急模擬

利用BIM 及相應(yīng)災(zāi)害分析模擬軟件對可能發(fā)生的場景進(jìn)行預(yù)案設(shè)置，并進(jìn)行BIM 模擬預(yù)演[7]。本工程主控廠房部分展廳和參觀走廊設(shè)置濕式自動噴淋系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，通過火災(zāi)探測器感應(yīng)著火信息，BIM 信息模型界面中即時發(fā)出火災(zāi)預(yù)警警報，并迅速定位著火區(qū)域，控制中心可及時查詢相應(yīng)周圍環(huán)境和設(shè)備情況，以選擇最佳逃生路線，最快組織人員疏散逃生。還可通過無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場信息實時傳輸至消防人員手中的BIM 移動設(shè)備，使其快速制定合理的救援方案，更好的開展救援工作。

2.3.4 隱蔽工程管理

運維人員可以通過BIM 模型直觀地掌握垃圾電廠內(nèi)隱蔽工程的情況，特別有利于地下管網(wǎng)的運維管理。垃圾電廠地下管線復(fù)雜，涉及生產(chǎn)用水、工業(yè)冷卻水、循環(huán)冷卻水、生活給水、市政自來水、雨污水、滲濾液、消防用水、除鹽水、電纜、油管等管線及相關(guān)閥門、井室。通過對隱蔽工程的數(shù)據(jù)監(jiān)測，一旦出現(xiàn)管網(wǎng)泄露，能迅速在模型上定位并查詢相關(guān)管線信息，方便運維人員維修。另外，當(dāng)項目需要擴(kuò)改建時，也能準(zhǔn)確地對施工范圍內(nèi)的管線進(jìn)行合理避讓。

3 結(jié)語

信息技術(shù)時代的來臨為環(huán)保建設(shè)事業(yè)帶來新的機(jī)遇，在垃圾焚燒發(fā)電工程的設(shè)計、施工、運營的全生命周期中應(yīng)用BIM技術(shù)，極大地提高各利益相關(guān)方的工作效率，減少工程的建設(shè)周期，降低建設(shè)和運營成本，加快電廠的投產(chǎn)的步伐，為未來建成數(shù)字化的“智慧電廠”打下了堅實的基礎(chǔ)。