BIM技術(shù)在化工項目全過程管理中的應(yīng)用

張 蕾,劉志會

(1.湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院,湖北 武漢 430205;2.中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

化工行業(yè)是國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一,經(jīng)濟規(guī)模大、產(chǎn)業(yè)價值鏈條長、社會影響輻射面廣。2020年中國化工品銷售收入占據(jù)全球接近47%,預(yù)計在2030年達到50%,繼續(xù)保持強勁增長態(tài)勢。隨著《石油和化學工業(yè)“十四五”發(fā)展指南》、《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》、《“十四五”環(huán)境影響評價與排污許可工作實施方案》等文件的相繼發(fā)布,化工行業(yè)已改變過去的“粗放式布局、低盈利經(jīng)營、小規(guī)模擴建”的建設(shè)困境,朝著“安全綠色、集約集聚、合理控制新增產(chǎn)能”新型道路發(fā)展,形成化工產(chǎn)業(yè)高附加值、多元化產(chǎn)品種類、綠色安全低碳化的高質(zhì)量發(fā)展格局。

受化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的影響,化工項目在可行性研究、設(shè)計、施工、運營維護等全過程管理中將實現(xiàn)數(shù)字化、集成化、智能化。本文基于BIM技術(shù),分析BIM技術(shù)在化工項目全過程管理中的應(yīng)用,形成以業(yè)主為主導(dǎo)的BIM應(yīng)用驅(qū)動模式,為業(yè)主方提供智能化的系統(tǒng)方案,協(xié)助設(shè)計單位發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤、缺陷或遺漏,實現(xiàn)化工項目全生命周期成本最低。

1 BIM技術(shù)

BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)技術(shù)是指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命周期內(nèi),對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達,并依此開展設(shè)計、采購、施工、運營的全過程管理。

BIM技術(shù)作為一種數(shù)字化的工程建設(shè)管理手段,廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外建筑項目中。從2015年開始,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部先后發(fā)布了關(guān)于推進BIM應(yīng)用的指導(dǎo)意見、評價標準、制圖標準和交付標準等;各級地方政府深化了BIM標準,形成了具有特色的地方標準,比如《上海市建筑信息模型應(yīng)用標準》。國家和地方BIM標準的出臺,促進了不同專業(yè)在工程建設(shè)各階段數(shù)據(jù)的建立、儲存、傳遞和溝通,加速了工程項目建設(shè)數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一化,促進了不同廠商BIM軟件數(shù)據(jù)格式的兼容性,顯著提升了工程建設(shè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)模型標準化水平。

2 化工項目BIM應(yīng)用現(xiàn)狀

在化工行業(yè)領(lǐng)域,化工工程設(shè)計公司以工藝管道專業(yè)為主導(dǎo)方,使用AutoPLANT Piping、CADWORX、PDS、PDMS、SP3D等BIM三維工廠設(shè)計軟件,構(gòu)建化工建設(shè)項目數(shù)字化模型,集中在化工項目管道的硬碰撞、工藝流程改進等方面應(yīng)用。

伴隨數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,目前BIM應(yīng)用從化工工程設(shè)計逐漸延伸到化工工程的施工、運營階段,落地的應(yīng)用場景和方案包括數(shù)字化交付、智慧工地、數(shù)字化孿生工廠、智慧園區(qū)等,有效提高了化工工程全生命周期各階段的安全性和管理水平。

3 BIM技術(shù)在化工項目管理中的應(yīng)用

3.1 基于可視化BIM模型的可行性研究

化工項目業(yè)主應(yīng)搭建面向多參與方、多階段的BIM云平臺,為項目全過程的各參與單位提供數(shù)據(jù)輸入、傳輸、交換和儲存的數(shù)字支撐平臺。

可行性研究是化工項目技術(shù)經(jīng)濟深入論證階段,為項目決策提供依據(jù)。不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方牽頭的BIM應(yīng)用驅(qū)動模式,打造以業(yè)主為主導(dǎo)的BIM應(yīng)用驅(qū)動模式,將可視化BIM模型運用到技術(shù)經(jīng)濟分析中,對項目規(guī)劃進行模擬分析,論證項目是否可行,可以提高決策的準確性和可靠性。

總圖布置是項目可行性研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié),不僅包括化工項目各功能分區(qū)的劃分,還具體到各個化工廠房、煙囪、水塔等的平面尺寸和場地面積[1]。合理布置場內(nèi)外運輸、項目內(nèi)部消防道路、火車鐵路或公路專用線走向,涉及投產(chǎn)后原材料、燃料供應(yīng)的運輸方式和運輸成本,關(guān)聯(lián)到產(chǎn)成品運輸路線便捷性,最終影響到化工產(chǎn)品的市場競爭力和生產(chǎn)企業(yè)的盈利水平(見圖1)。

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量大的化工項目,遵循布置合理、流程順暢、經(jīng)濟高效、使用方便的原則,BIM可視化工廠模型包括工業(yè)廠房、化工裝置、廠區(qū)道路、外部環(huán)境等,有助于向決策者提供直觀的互動性、反饋性(見圖2)。BIM模型可視化讓業(yè)主、投資方深入漫游每個空間并瀏覽復(fù)雜構(gòu)件,減少雙方信息不對稱帶來的溝通障礙,加速決策進程,提高化工項目決策水平,保障固定資產(chǎn)投資效益。

圖2 化工廠鳥瞰效果

3.2 多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計

在業(yè)主已建立BIM數(shù)據(jù)管理平臺的基礎(chǔ)上,工程設(shè)計公司逐步開展基于數(shù)字化BIM的協(xié)同設(shè)計工作模式:在化工項目局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上,為每個專業(yè)設(shè)置一個工作集,各專業(yè)共享標高和軸網(wǎng)、工作集(見圖3);當某個專業(yè)的設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化時,參數(shù)變化同步傳遞給其他專業(yè),其他專業(yè)根據(jù)實時變化及時修改本專業(yè)工作集;各個專業(yè)將完成的工作集上傳到項目服務(wù)器的中心文件上,專業(yè)間共享模型數(shù)據(jù)、互相引用參照,實現(xiàn)專業(yè)內(nèi)或?qū)I(yè)間協(xié)同設(shè)計。

圖3 基于工作集的協(xié)同設(shè)計

基于工作集的協(xié)同設(shè)計,需要積累和構(gòu)建各專業(yè)元件庫,比如土建、工藝管道、暖通空調(diào)、給排水、設(shè)備、照明、電氣、儀表等。

利用以BIM技術(shù)為支撐的協(xié)同工作平臺,開展化工項目多專業(yè)間的數(shù)據(jù)資源共享,推動各專業(yè)的設(shè)計協(xié)同工作,實現(xiàn)不同專業(yè)數(shù)據(jù)信息高質(zhì)量、無損化的傳輸交換和有條件共享,改變了傳統(tǒng)的管道硬碰撞檢驗?zāi)Ｊ?實時共享模型數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)綜合管線布置方案優(yōu)化。首先,在同一協(xié)作平臺上,完成靜止狀態(tài)下建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、電氣和管道之間的硬碰撞檢測,確保實體與實體在空間上無交叉碰撞;其次,在硬碰撞合格的前提下,模擬項目實施動態(tài)過程,進行基于同一時間的軟碰撞,比如閥門的安裝方向是否影響到結(jié)構(gòu)柱;最后,根據(jù)硬碰撞和軟碰撞檢測報告,完善綜合管線布置方案,降低錯、漏、碰、缺等設(shè)計通病,減少各專業(yè)數(shù)據(jù)沖突、邊界不清等帶來的后期設(shè)計變更、施工索賠,有利于全過程造價控制(見圖4)。

圖4 優(yōu)化后綜合管線和裝備

3.3 數(shù)字化造價管理

2021年10月,《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰、碳中和工作的意見》和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達峰行動方案的通知》相繼發(fā)布,宣告了碳達峰、碳中和“1+N”政策體系的正式建立,化工行業(yè)迎來了風口發(fā)展期:產(chǎn)能規(guī)模與集中度不斷優(yōu)化,投資規(guī)模顯著擴大,單個突破百億元的化工項目數(shù)量明顯增加。在造價管理工作范圍內(nèi),全過程作為重要的戰(zhàn)略思想所發(fā)揮的支撐作用尤為顯著[2]。為了保障投資安全性,化工項目應(yīng)從可行性研究投資估算、設(shè)計概算、施工圖預(yù)算、工程結(jié)算、竣工決算等全過程進行數(shù)字化造價管理。

數(shù)字化造價管理利用BIM、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等數(shù)字技術(shù),引領(lǐng)建設(shè)領(lǐng)域造價管理轉(zhuǎn)型升級,實現(xiàn)造價管理價值鏈的全要素、全員、全過程的智能化和系統(tǒng)化,做到工程造價全業(yè)務(wù)流程數(shù)字化。數(shù)字化造價管理模型見圖5。

圖5 數(shù)字化造價管理模型

當編制招標控制價時,首先,造價工程師在云平臺數(shù)據(jù)庫上,廣泛收集以往類似完工的化工項目造價數(shù)據(jù)和最新人材機市場價格;其次,建立BIM計量計價模型,結(jié)合工程進度對工程成本進行實時、動態(tài)地跟蹤,實現(xiàn)精細化管理控制;最后,通過項目造價數(shù)據(jù)平臺,實現(xiàn)線上各單位工程計量計價協(xié)同,沉淀造價成果,完成造價工程師由造價編制為主向造價控制為主的角色轉(zhuǎn)變,完成造價管理提質(zhì)增效的目標。

3.4 BIM5D施工管理

在BIM三維模型基礎(chǔ)上,結(jié)合項目時間和費用,形成了BIM5D管理系統(tǒng)。由于BIM5D能實時地跟蹤項目進度和成本,為施工管理提供信息服務(wù)保障,強化現(xiàn)場流程管理、成本管控和優(yōu)化工期,有效緩解施工管理的風險。在BIM協(xié)同設(shè)計和計量計價模型的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建BIM5D施工管理平臺(見圖6)。

圖6 施工管理平臺

對于傳統(tǒng)化工項目施工管理,技術(shù)交底是效率比較低的環(huán)節(jié)。化工項目技術(shù)交底以口頭講授為主,文字描述為輔。一旦溝通錯誤,就存在施工質(zhì)量和安全隱患,增加工程建設(shè)成本。通過BIM5D技術(shù),對復(fù)雜化工項目施工進行動畫模擬,實現(xiàn)三維可視化技術(shù)交底,減少施工質(zhì)量隱患和返工、節(jié)約成本、保證工期。比如,化工項目的大型設(shè)備安裝、管道的高空架設(shè)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工,BIM平臺結(jié)合AR技術(shù)對復(fù)雜工藝裝置進行吊裝模擬,并指導(dǎo)現(xiàn)場操作,減少安全事故和質(zhì)量隱患。

物資管理是施工項目管理的重要組成部分,關(guān)聯(lián)到項目成本、質(zhì)量和進度三大目標的實現(xiàn)。BIM5D既實現(xiàn)施工裝置分區(qū)管理,又集成工程項目的所有構(gòu)件編號、尺寸、材質(zhì)和位置信息等實例參數(shù)。根據(jù)施工裝置分區(qū)、進度計劃圖、樓層和構(gòu)件實例參數(shù),施工企業(yè)能夠制定精準化的物資需求計劃表和采購計劃表,具體到單項工程、單位工程和分部分項工程。結(jié)合工程實際進度和需求計劃,采購適當?shù)奈镔|(zhì),減少物資采購不足、過度或不及時造成的質(zhì)量和安全問題。參照限額領(lǐng)料單,發(fā)放物資,做到不超發(fā),節(jié)約施工成本。同時,BIM5D技術(shù)能節(jié)省物資二次搬運成本,減少因保存不當增加材料的損耗率,比如鋼材氧化而變質(zhì)、水泥受潮而降效。

3.5 運營維護管理

深度融合BIM、物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù),構(gòu)建綜合型工廠運營維護管理平臺,將工廠建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、市政管網(wǎng)、工藝設(shè)備和自動控制系統(tǒng)相結(jié)合,實現(xiàn)工藝設(shè)備運行和碳排放的動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、成本分析和指標控制,支持設(shè)備設(shè)施運行的動態(tài)信息查詢和生產(chǎn)經(jīng)營異常情況快速定位,實現(xiàn)事前預(yù)警、事中告警、事后統(tǒng)計的閉環(huán)管理理念。

可視化、智慧化、集成化的運營維護管理平臺應(yīng)包含綜合監(jiān)控系統(tǒng)、日常巡邏系統(tǒng)、安防管理系統(tǒng)、設(shè)備運行管理系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)。其中,設(shè)備運行管理系統(tǒng)細分為運行監(jiān)控、設(shè)備維護、設(shè)備巡檢和設(shè)備臺賬等若干個子系統(tǒng);能源管理系統(tǒng)劃分成空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)和變配電系統(tǒng)等若干個子系統(tǒng)。完善的運營維護管理平臺有利于化工項目運營管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級,從而提高化工產(chǎn)品競爭力,賦能企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)在化工項目全過程的應(yīng)用,保證了項目質(zhì)量,加快了實施進度,實現(xiàn)了早投產(chǎn)、早受益,保障了固定資產(chǎn)投資收益,有利于工程項目參與方管理水平的提高。除了質(zhì)量、進度、造價等外,BIM技術(shù)還可以在應(yīng)急管理方面有所深入應(yīng)用,實現(xiàn)各種可預(yù)見災(zāi)害的模擬和應(yīng)急處置,減少災(zāi)害實際發(fā)生時的人員和財產(chǎn)損失。