BIM在垃圾电厂全生命周期中的应用

文｜北京城建集团有限责任公司 陈凯琦 王建飞 韩达

近年来，随着生活垃圾的急剧增加，我国固废处理行业得到快速发展，已基本形成“焚烧为主，生化为辅，填埋兜底”的垃圾终端处理格局，垃圾焚烧电厂工程的建设正如火如荼。作为电力系统的重要组成部分，并结合其自身的属性特点，垃圾焚烧发电工程设计、施工、运营重难点突出。设计时需考虑电厂与周边环境的融合，以“邻避”变“邻利”；施工时存在超高超限模板支撑体系、深基坑、悬挑脚手架等危大工程和超长结构大体积混凝土防渗抗裂、垃圾仓防腐、高空钢架拼装吊装等复杂施工工艺；传统电厂管理效能低下，智慧化运维需求迫切，同时在施工与运维中表现出较多的安全隐患，如机械设备、用电以及消防系统等方面的安全隐患。此外，作为大型工业厂房，其建设还存在工期紧、任务重，专业交叉施工多、协调难度大，大型工业设备安装控制要求高，各专业管线错综复杂等特点。因此，对于垃圾焚烧电厂项目，在设计、施工、运营全过程及项目精细化、智慧化管理等方面都有较高要求。

BIM（Building Information Modeling）

技术是近些年建筑行业广泛应用的新技术，是对工程物理特征、功能特性的数字化展现，在建筑物全生命周期内为项目各利益方提供共享信息和辅助决策[1]。其通过计算机技术的工具优势与项目工程参数的有机整合，建立涵盖项目全部信息的三维工程数据模型[2]，具有降低成本、提高效率、缩短工期、提高安全性、减少返工、改进决策、可视化等显著优点[3,4]。因此，通过BIM 技术的介入，对推动垃圾焚烧电厂全生命周期建造向精细化、数字化、智慧化转型，具有重要意义。

1 项目概况

本工程为北京某特大类垃圾焚烧电厂，垃圾处理规模为5100t/d，采用6 台850t/d机械炉排炉和3 台45MW 汽轮发电机组，烟气净化系统采用“SNCR 炉内脱硝（尿素溶液）+半干法旋转喷雾脱酸（Ca(OH)2浆液）+活性炭喷射+干法脱酸（Ca(OH)2干粉）+布袋除尘器+烟气再加热+SCR 脱硝（尿素溶液）”组合工艺。垃圾焚烧主厂房分两列布置，按垃圾处理工艺流程由南向北依次为卸料间、垃圾仓、焚烧间、烟气净化间，主控厂房、汽机厂房、升压站、烟囱布置在两组主厂房之间。主厂房结构类型为钢筋混凝土框排架结构、钢排架结构，基础为后注浆钻孔灌注桩。

图1 垃圾焚烧电厂主厂房平面布置图

2 BIM 技术在垃圾电厂全生命周期中的应用

2.1 BIM 技术在垃圾电厂设计阶段的应用

2.1.1 协同设计

电厂工艺流程复杂，设计专业众多，包括建筑、结构、给排水、暖通空调、电气、热动、设备等多个专业，不同专业间信息的准确交互是电厂设计的关键。协同设计是BIM 最基础的应用，其最大优势便是能够实现各专业间的可视化沟通，使离散的分步设计转向基于同一模型的全过程整体设计。各专业设计人员在自己习惯的设计界面下，独立完成本专业主体文件的设计，然后将其模型链接到统一的三维协同设计平台。各专业在进行修改、优化设计方案时，会即时同步更新在平台模型上，保证信息的准确传递，破解传统设计各专业间的信息孤岛，减少潜在的错、漏、碰、缺等设计问题，提高出图质量。

2.1.2 三维可视化

“邻避”现象一直伴随着垃圾焚烧电厂的发展，电厂在规划设计之初越来越重视去工业化，需要创新的建筑设计使工厂和周边环境融为一体，使垃圾电厂展现出科技、生态和艺术的融合，减少城市环境的“视觉污染”。利用BIM 技术的三维可视化，对建筑的外立面进行建模，直观的表达出建筑物的几何特征，宏观上展现出建筑物与周边环境的融合，便于不同设计方案的比选。本工程基于“能量块”的设计理念，以简洁干练的几何形体勾勒出内部功能形态，通过大尺度建筑体块的巧妙穿插，组合成富有力量感和雕塑感的体量关系，表达出充满能量感的建筑特点，以及工业建筑特有的理性美学。

2.1.3 仿真模拟

在垃圾电厂厂房设计中，环境的变化对厂房本身的影响很大。本工程通过BIM及模拟分析软件，对建筑的热环境、噪声、日照、阴影遮挡等进行分析，并据此优化设计方案。基于BIM 技术，将绿色节能生态的理念融入建筑环境分析中，以实现如增强空气质量、减少噪声、降低能耗等方案的优化设计，为低碳可持续、健康舒适度高的建筑环境设计提供极大便利。

2.1.4 工艺流程模拟

基于BIM 技术，构建设备、管线等一系列模型及族库，真实模拟垃圾焚烧发电过程中焚烧、余热回收、发电、烟气净化等工艺流程，让业主身临其境感受工艺方案，直观评估方案特征，做出最佳决策，并方便后期施工和运维人员熟悉工艺流程。

2.2 BIM 技术在垃圾电厂施工阶段的应用

2.2.1 BIM+GIS 智慧工地管理平台

基于BlM+GIS 智慧工地管理平台，融合多源BIM、GIS 数据，以GIS 数据为宏观基础，以BIM 数据为应用核心，同时结合物联网、大数据、云计算、移动互联等技术，实现视频监控、人脸识别、环境监测、智能用电、物料管理、人员管理、车辆管理、机械设备管理等综合施工调度管理系统，提升生产组织效率，辅助项目对安全及环境的有效管控，提升项目的管理水平。

2.2.2 大体积混凝土实时温度检测、应力检测与预警

垃圾池是垃圾储存、发酵和渗滤液收集的主要构筑物，其所处的腐蚀环境较为恶劣，运行期间一旦发生泄漏，将带来严重的环境污染问题，因而要求其具有良好的防渗抗裂性能。本项目垃圾池尺寸为83.4m×32m（部分底板1500mm 厚），属于超长结构大体积混凝土施工。项目根据施工图纸建立BIM 模型并将大体积混凝土应有的参数指标进行录入（如混凝土强度，传热系数、热阻、热质量、吸收率等），通过BIM 二次开发建立一个可以集成存储BIM 数据与传感器监测数据的数据库，并通过可视化的形式实时展示混凝土温度、应力情况；可以将监控部署方案导入、设置预警阈值等；对现场采集的数据信息进行实时同步更新；可查询、调取温度、应力的历史数据。

图2 垃圾焚烧电厂建筑外立面三维效果图

2.2.3 基于BIM 结合人工智能技术的钢筋线性规划下料

通过人工智能工具对钢筋原料分割进行线性规划计算并应用于复杂节点的下料。首先写出初始形表；其次，进行第一判别定理检测，通过检测得到最优解，结束运算。未通过检测进行第二判别定理检测，以此类推。通过本项目地下基础施工中的承台、短柱等上百条数据作为学习样板，搭建钢筋线性规划的数学模型，并通过本项目后期复杂节点的钢筋下料作为验证样板，对前期规划好的数学模型进行校对。调整影响因子和权重，最终形成正式版的数学模型。通过BIM 技术进行数据归类与整理，人工智能计算部分通过TensorFlow 进行神经网络数学模型的搭建。通过此应用实践，实现对现场钢筋下料起到辅助计算的作用。

2.2.4 基于BIM 设备安装组装模拟

钢架是焚烧炉、余热炉主要的支撑结构，主要分布在锅炉本体安装范围内，本项目锅炉钢架施工采用现场设备地面组对拼接，集中吊装的方法。利用BIM 技术制作3D 动画，对钢结构组合及安装吊装顺序进行技术交底，并提前利用BIM 对组合钢架重量进行计算，保证现场吊装的安全性。

汽轮发电机组设备重量大、体积大、吊装难度大、零配件多、安装精度要求高。为了提高装配质量，减少预装配的次数，加快装配进程，针对该技术难点，利用BIM 技术对汽轮机的装配进行模拟演示，方便装配人员对汽轮机构造和装配精确了解，实现快速装配。同时模拟组装动画也为后续运行维护和检修提供了非常好的参考和指导。

图3 垃圾焚烧发电工艺流程模拟

2.2.5 管线综合与碰撞检测

主厂房内各专业管线及桥架众多，综合管线存在与钢构、设备的碰撞及厂区墙面、吊顶、门窗和通道的干涉，同时还需考虑美观和检修的便利性，故在模型优化和解决碰撞方面难度较大[5,6]。根据设计院提供的图纸，建立BIM 机电深化模型，通过 BIM 碰撞检测，提前发现管线冲突，从而优化管线布置，逐一消除碰撞，减少施工现场返工量。此外，在管综深化模型基础上，项目利用BIM 进行管线综合支吊架排布，优化综合支架方案，节约成本、加快施工进度、提高观感质量。

2.2.6 辅助方案论证

垃圾仓从23.3m 至46.3 米高度中间无楼板，框架结构四口五临边围护较多，且在池体靠近锅炉侧落地脚手架与后续设备安装施工存在交叉作业，需在垃圾池23.3m 层设置封闭悬挑式脚手架，悬挑高度19.8m。因此，架体搭设成为施工中的难点。通过BIM 建模辅助方案设计、计算，并配合现场放样，对施工方案模拟优化，提高方案的经济性、安全性。

图4 主控厂房管线综合排布

2.3 BIM 技术在垃圾电厂运营阶段的应用

在电厂运维阶段，以BIM 竣工模型为载体，整合各种机电设备参数，并集成物联网、云技术等数字化技术，构建电厂智慧运维云平台，为电厂的运维管理提供智慧化、精细化、可视化支撑，提高运维管理水平。

2.3.1 设备运行维护

锅炉、汽机、烟气净化设备、风机、水泵以及各种热工仪表的正常运行，是保证电厂安全生产、环保达标的关键。利用BIM 技术的三维可视化、空间定位和数据记录的优势，在设备故障时，可以快速定位和查看设备基本信息，快速获取设备维修、保养等表单信息，设备日常运维产生的各种业务数据会不断的记录在数据库中，运维人员可通过检索和学习来解决故障问题，提高效率。

2.3.2 能耗管理

基于BIM 结合物联网技术，通过在系统末端安装智能电表、多功能水表、远传气表等，实现对垃圾电厂内能耗数据的实时监测、采集、分析，并对异常能源使用情况进行警告或标识，及时发现运行中存在的能耗异常，减少用能的“跑、冒、滴、漏”。除此之外还可以实现厂内温度的远程监测，分析厂内的实时温湿度变化，配合节能运行管理。

2.3.3 灾害应急模拟

利用BIM 及相应灾害分析模拟软件对可能发生的场景进行预案设置，并进行BIM 模拟预演[7]。本工程主控厂房部分展厅和参观走廊设置湿式自动喷淋系统，当发生火灾时，通过火灾探测器感应着火信息，BIM 信息模型界面中即时发出火灾预警警报，并迅速定位着火区域，控制中心可及时查询相应周围环境和设备情况，以选择最佳逃生路线，最快组织人员疏散逃生。还可通过无线网络将现场信息实时传输至消防人员手中的BIM 移动设备，使其快速制定合理的救援方案，更好的开展救援工作。

2.3.4 隐蔽工程管理

运维人员可以通过BIM 模型直观地掌握垃圾电厂内隐蔽工程的情况，特别有利于地下管网的运维管理。垃圾电厂地下管线复杂，涉及生产用水、工业冷却水、循环冷却水、生活给水、市政自来水、雨污水、渗滤液、消防用水、除盐水、电缆、油管等管线及相关阀门、井室。通过对隐蔽工程的数据监测，一旦出现管网泄露，能迅速在模型上定位并查询相关管线信息，方便运维人员维修。另外，当项目需要扩改建时，也能准确地对施工范围内的管线进行合理避让。

3 结语

信息技术时代的来临为环保建设事业带来新的机遇，在垃圾焚烧发电工程的设计、施工、运营的全生命周期中应用BIM技术，极大地提高各利益相关方的工作效率，减少工程的建设周期，降低建设和运营成本，加快电厂的投产的步伐，为未来建成数字化的“智慧电厂”打下了坚实的基础。