BIM 技術在1000MW 大型火力發電工程中的應用

江兆堯 謝躍文

(1.中國建筑業協會；2.住房和城鄉建設部信息中心)

隨著我國電力建設技術的快速發展，目前百萬千瓦的火力發電機組越來越多被采用，1000MW 超超臨界機組工程成為了主流。火力發電廠涉及專業多，工藝工序復雜，動用人員、材料、機械設備等資源眾多，關乎國計民生和國家能源建設整體規劃。

電力建設行業屬于大的建筑業范疇，依然是勞動力密集型行業，但隨著國家經濟的持續發展，電廠建設的工期往往較緊，技術難度也與日俱增，對技術人員、施工人員的素質要求越來越高，雖然目前信息化在建筑業已推行多年，但普遍來看水平仍然不高。為了縮短對電力施工過程中的技術重難點認知、學習時間，提升知識傳遞效率，將技術集成化、顯性化、互動化就顯得尤為重要。

1.工程概況

本項目是1000MW 超超臨界機組，傳統的臥式高壓加熱器無法滿足工程需要，已逐漸被立式高壓加熱器所替代，立式高壓加熱器具有系統可集中布置、高可靠度、節省造價等突出優點，但同時也具有重量大、體積大、高度高、就位難等安裝難點，伴隨著主廠房緊湊化設計,傳統臥式高加的吊裝技術已不適用于立式高加[1-5]。

2.BIM 技術概述

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下簡稱BIM）技術是一種多維信息集成管理技術，能夠使項目數據在策劃、實施、運行和維護的全生命周期中進行共享和傳遞。BIM 是提高工程管理信息化和智能化水平、實現工程建設領域轉型升級的基礎性和革命性的技術。隨著數字中國、網絡強國、綠色低碳、建筑工業化等政策大力推進，BIM 也將進入新發展階段。

在電力建設領域引入BIM 技術，對提升項目的安全、技術、質量、經營管理水平有非常重要的促進作用。

3.BIM 應用內容

為解決火力發電建設項目中傳統技術交底方式不直觀、交底效率低、質量低的問題，將BIM 技術應用于火力發電項目建設過程，輔助進行方案交底，特別是解決重大技術方案不直觀、交底不透徹的問題，提升技術交底質量，從而減少返工和成本，產生良好的經濟效益。

本工程BIM 技術應用主要包括龍門吊安裝、鍋爐鋼架安裝、高壓加熱器安裝、發電機定子吊裝、除氧器吊裝、鍋爐水冷壁安裝、汽機房小管道安裝、儀表管敷設等重大、關鍵施工方案模擬或優化設計工作。

3.1 龍門吊安裝

龍門吊是電力工程中最常見的基礎機械設備之一，為物資的場內吊運起到非常關鍵的作用。利用BIM 技術，對龍門吊的軌道鋪設過程、行走裝置安裝、橋架組合安裝、地錨安裝、剛性腿組合安裝、纜風繩拉設、撓性腿安裝等重要過程進行動態演示，特別是對汽車吊起吊橋架的過程進行安裝模擬，結合技術要求、工藝要求的詳細描述，以形象直觀的方法用于施工前交底，保障龍門吊組合過程中的安全和質量。

3.2 鍋爐鋼架安裝

鍋爐鋼架是電廠中重要的結構之一，因其鋼結構重量大、建筑高度高，且是鍋爐等重要設備的荷載承擔建筑，其安裝順序和工藝質量對電力項目順利運行起到舉足輕重的作用。

建立整個鍋爐鋼架模型，對鍋爐鋼架的立柱、橫梁及斜撐進行逐層安裝模擬直至鋼架頂端，配合BIM 動畫詳細描述工藝要求。

為了承擔重物，鍋爐鋼架頂部通常設置鍋爐大板梁，其強度和穩定性對鍋爐的穩定運行也至關重要。大板梁一般由多層板梁組成，利用BIM 對大板梁吊裝進行詳細演示，一般是利用2 臺塔吊配合完成，將大板梁從地面吊至頂端就位，最后再安裝次梁和其他支撐，形成完整的鍋爐鋼架。

3.3 發電機定子吊裝

發電機是火力發電廠中的重要裝備之一，其中發電機定子是重量非常大的設備。發電機定子吊裝方案要保證安全性、合理性、科學性、經濟性，從而更好地保證發電機的安全運行。發電機定子的吊裝方案一般有履帶吊吊裝法、行車吊裝法、液壓提升吊裝法等。

建立定子、運輸機械、吊具的BIM 模型，通過BIM模擬定子進場路線及卸車位置、專用吊具設計、工器具準備、吊點選擇、行車小車安裝、試吊、吊裝速度、定子專向、下降就位等關鍵工序流程進行詳細模擬，用于方案模擬和指導施工，提前排除安全隱患。

3.4 除氧器吊裝

大型火力發電廠中的除氧器重量較重，安裝同樣需要大型吊裝設備，因此其施工方案的安全性、科學性和合理性也是非常重要。

根據除氧器重量和現場建筑布局，設計專用拖運軌道，根據設計施工圖建立除氧器、吊車吊具、拖運軌道的BIM模型，對除氧器進場路線及卸貨位置、吊車選擇、吊車站位、鋼絲繩要求、吊點選擇、試吊、吊裝速度、卸鉤、滑軌拖行、就位等關鍵工序流程進行詳細BIM 動畫模擬，用于方案模擬和指導施工，提前排除安全隱患，保證安裝一次成優。

3.5 鍋爐水冷壁安裝

鍋爐是火力發電廠中的3 大主機之一，是電廠機組中的重要設備。對大板梁下吊掛裝置安裝、爐頂無介質包覆管安裝、垂直段水冷壁分片吊裝、各級過熱器和再熱器安裝、省煤器安裝、管道連接、過渡段水冷壁安裝、螺旋段上中下部水冷壁安裝等關鍵工藝流程進行詳細BIM 動畫演示，發揮指導施工作用。

3.6 汽機房小管道安裝

小管道(DN80 以下)遍布火力發電廠主廠房的各個角落，特點是管線規格、型號種類多，工作狀態及工作環境各異。因各設計院對小管道一般只出具系統圖而不出布置圖，只給出起點和終點，在電廠建設過程中，各施工企業根據現場實際情況進行二次設計，自行決定小管道的位置和走向，施工隨意性較大。若二次設計不當，不僅會影響美現和功能，且極易造成專業內或專業間的碰撞，一旦返工將會導致工期、人力、材料和成本的浪費。

基于這些問題，將BIM 技術融入主廠房凝汽器疏水擴容器、高低壓側小管道二次設計中，利用三維可視化技術解決小管道碰撞及管道走向策劃等技術難題。

首先根據設計圖紙，建立電廠建筑結構及有關管道設備的三維模型，精確定位已有管道和設備模型，根據需要設計的小管道起點和終點位置，依據相關規范標準，初步確定小管道的位置、走向，并明確閥門站、疏水收集箱、集水漏斗的布置。在BIM 軟件中利用碰撞檢查功能提前查找并解決各類錯、漏、碰、缺問題，避免二次設計錯誤，實現設計成果的合理、美觀和科學性。

在完成的二次設計模型基礎上，可出具明細表用以統計工程量，為物資采購提供精確依據，達到減少返工和降低成本的目的，對電力建設的精細化管理具有重要意義。我們對二次設計成果采用輕量化三維模型、VR 和全景漫游等多種交付形式，結合二維碼技術，利用可視化方式進行施工技術交底。工程人員在模型中點擊單根管道或者批量選擇一類管道時，可輕松查看其空間位置、管徑、管道類型、管道系統等相關數據，工程信息盡在掌握。

3.7 儀表管敷設

通過BIM 詳細模擬了管路支架制作安裝要點，儀表管安裝前首先要先對材料進行光譜或其它方法的檢驗，同步要核對鋼種，防止出現誤用。施工前對儀表管路進行外觀質量檢查，管子內外表面應光滑，清潔，不應有針孔，裂紋，銹蝕等情況。儀表管在使用前應用清洗或吹掃的方法進行管內污物，雜質的清除并將管口臨時封堵。

管路支架應焊接牢固可靠、美觀、整齊，支架間距應用設置均勻，儀表管彎制宜采用冷彎法，彎曲后應無裂紋、凹坑。儀表管應按二次設計路線敷設，盡量減少交叉拐彎，保持整齊美觀，將導管逐一排入支架并按卡距調整，采用排卡隊成排導管進行固定。

4.重點BIM 應用詳解

以BIM 技術在本項目的高壓加熱器安裝中的應用為例，進行重點詳細介紹。

本工程高壓加熱器設置在汽機房的17 米平臺上，位置靠近汽機房B 軸，設計高加臺數為4 臺。其特點為重量重、長度長且體積大，具體參數見表1[7-8]。

表1 立式高加參數表

立式高壓加熱器立起后其高度較高，若采用常規吊裝臥式高壓加熱器的方法，即利用汽機房內行車直接吊裝，往往會受限于主廠房層高，使得無法滿足安裝的要求。為解決此安裝問題，在汽機房17m 平臺層設置“井字架”吊具進行吊點轉換，可以將立式高加的頂部進一步抬高，保證高加底部足夠高，可順利越過汽機房平臺樓面層，接著將高加水平吊至基礎坑內，之后再將吊點從吊具上轉到高加上，拆除吊具后，最后使高加正式就位。

本次施工方案屬于特別復雜的超危大方案，為確保施工方案科學、合理、方便施工，決定采用BIM 技術進行施工方案分析、模擬和技術交底。

5.施工模擬重點技術工藝分析

經分析，本次施工模擬方案中需要表現以下10 大重點技術工藝：（1）運輸卡車倒車進入主廠房的吊物孔位置；（2）2 臺行車協同配合將立式高加水平起吊并卸車；（3）立式高加翻身至豎直狀態；（4）豎直抬吊高加2 個臨時支座超過17 米平臺的一定高度處；（5）在主廠房17 米平臺層拼裝井字架吊具；（6）高加臨時支座落入井字架上；（7）吊點轉換到井字架4 個銷軸相連的拉板上；（8）繼續起吊立式高加并水平移動至基礎位置；（9）再次轉換吊點至高加上并拆除井字架；（10）立式高加落位于基礎上。

6.建立BIM 模型

6.1 建模內容分析

為了用施工模擬動畫表達出以上重點技術流程，進一步分析安裝施工重難點，推敲技術科學性、經濟性和合理性，經梳理，確定需要建立的主要模型有：立式高加、抬吊梁、井字架、主廠房、行車、運輸卡車。

6.2 建模軟件選擇

Revit 是當前最知名的建筑設計市場BIM 的領導者[9]，建筑類通常采用Revit 來建模，如主廠房等建筑，而機械加工類一般選擇SolidWorks 等軟件，如立式高加、抬吊梁等，考慮本次僅用于施工方案模擬，對機械設備模型不需要達到制造加工的精度，故都采用Revit 來建模，動畫流程在3Ds Max 中完成。立式高加、抬吊梁、井字架模型見圖8～10。

7.BIM 施工模擬及優化

以施工流程中第(2)、(3)、(7)步驟為例，說明施工方案模擬及優化的方法和實踐。

7.1 立式高加水平起吊卸車

先將立式高加卸車，利用2 臺主廠房行車和扁擔梁（470噸）卸至汽機房的中門位置，通過不斷調整2 臺行車位置，保證主鉤與扁擔梁銷軸的間距一致后，再通過設計的專用吊板，將扁擔梁和吊鉤連接。

通過施工模擬，優化了立式高加進入汽機房中門的具體位置，明確了高加設備上段靠近B 排、下端靠近A 排，以及立起高加的旋轉方向。

高加水平起吊卸車的施工模擬、現場施工照片詳見圖11～12。

圖1 龍門吊安裝BIM模擬

圖2 鍋爐鋼架安裝BIM模擬

圖3 發電機定子吊裝BIM模擬

圖4 除氧器吊裝BIM模擬

圖5 鍋爐水冷壁安裝BIM模擬

圖6 汽機房小管道安裝BIM模擬

圖7 儀表管敷設BIM模擬

圖8 立式高加模型

圖9 抬吊梁模型

圖10 井字架模型

圖11 立式高加起吊卸車施工模擬

圖12 立式高加起吊卸車現場施工

7.2 高加翻身至豎直狀態

通過2 臺行車、2 根抬吊梁的配合，對立式高加進行翻身操作。其中2 根抬吊梁稱重分別為470 噸和240 噸，通過吊板將470 噸抬吊梁與立式高加上部的吊耳相連接，而高加下部的吊耳通過鋼絲繩與240 噸扁擔梁連接起來。

對立式高加進行整體起吊前，必須確保吊索連接牢固可靠。接著控制2 臺行車的卷揚機小車緩慢接近并靠攏，讓立式高加緩慢下降，地面逐漸靠近0 米地面提前鋪設的木板和橡膠墊上，以保證接觸部位外觀不受損。接觸地面穩定后，摘除立式高加下部吊耳處的鋼絲繩，并指揮行車上升，利用470 噸抬吊梁將高加立起來，并運送到指定位置。

通過施工模擬，優化了立起立式高加時對4 個小車的靠近速率、位置、鋼絲繩伸長和收縮速度的同步控制要求，并測算了高加被吊起至豎直狀態后中門的空間足夠汽車吊進入吊起井字架至17 米汽機平臺。

立式高加翻身施工模擬、現場施工照片詳見圖13～14。

圖13 立式高加翻身施工模擬

圖14 立式高加翻身現場施工

7.3 吊點轉換至井字架

待井字架吊具組裝完成，并且高加臨時支座落于井字轉換架上后，須檢查井字架的變形情況，確保符合吊裝要求后，再統一控制2 臺行車所有4 個主鉤的起升速度，檢查完畢并符合起吊條件時，緩慢抬起4 個主鉤約200mm，再重復起升和下降井字架的操作2 次后，通過測試以保證行車吊鉤的剎車性能完好，然后可正式進行井字架和高加的整體抬升操作。

通過施工模擬開展井字架吊具轉換后凈高分析，直觀地明確了該施工方案均可保證4 個立式高加通過井字架吊具被起吊后，高加底部被抬升，以超過汽機房17m 平臺，而主廠房上部的凈高不至于不足。

轉換井字架吊點的施工模擬、現場施工照片詳見圖15～16。

圖15 轉換井字架吊點施工模擬

圖16 轉換井字架吊點現場施工

8.井字架受力計算

井字架作為本施工方案中多次吊點轉換的關鍵吊具，其在高加安裝靜載和移動的動載過程中的受力安全性是重中之重，利用三維有限元分析方法，對井字架的主梁、次梁、連接螺栓、拉板、銷軸進行補充受力分析計算，確保各部件在各工況下都處于彈性受力狀態，并有一定的富裕度，滿足安裝的安全要求。

9.效益分析

本文介紹的立式高加吊裝方案有非常好的經濟性和適用性。初步測試，大型履帶吊僅租用成本就約200 萬元，而本文采用方案，井字起吊架的制作成本為50 萬元左右，而其他的設備，如行車等為汽機房的固有設備，不增加額外費用，通過估算可知此案例中的立式高加吊裝方案可節省約150 萬元，因此其經濟效益顯著。其他BIM 方案模擬或設計優化，減少了錯漏碰缺和返工的風險，創造的經濟價值越80 萬元，總共創效約230 萬元。

大型火力發電項目裝配吊裝難度大，施工風險高，設備造價高，需要謹慎、仔細考慮方案的科學性、經濟性和可行性。而BIM 技術的三維化、可視化、協同性、優化性、模擬性等優點[10]，可將各類型施工方案中全過程細節全部展現，既方便推敲各重要施工工藝環節，又避免遺漏安裝中的細節，通過施工模擬進行預施工，將問題全部暴露、解決和優化在施工之前，為協同工作提供基礎和保障，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用，可為類似工程建設提供參考。