核电建设工程提升安全性能的数字设计和关键场景应用分析——以太平岭核电建设工程为例

■ 住房和城乡建设部科技与产业化发展中心 刘美霞 陈伟

中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室 赵振东 王勇

北京和创云筑科技有限公司 张中 张素敏

核能作为重要的非化石能源形式，在我国能源绿色低碳发展和能源结构转型中占据重要地位，发展核电是构建多元化清洁能源体系、保障国家能源安全和应对气候变化的重要举措，有助于实现我国碳达峰、碳中和目标。核电建设工程的数字化，有助于提升核电生产和运营的安全性，促进核电发展。

核电厂由核岛、常规岛和电厂辅助设施组成。其中，核岛主要由反应堆厂房、安全厂房A、安全厂房B、安全厂房C、燃料厂房、核辅助厂房、进出厂房组成；常规岛主要由汽轮机主厂房、汽机房辅助间组成；电厂辅助设施主要是除核岛、常规岛建筑以外的厂房、水工和海工建筑物及构筑物。

太平岭核电建设工程项目规划容量为六台百万千瓦级核电机组，采用华龙一号压水堆技术方案，分期建设，一期建设两台。一期工程于2015年底厂平工程开工，首台机组于2017年12月浇筑第一罐混凝土，预计单台机组建设周期为62个月，两台机组间隔10个月，两台机组计划于2025年6月建成投产。项目预估总投资400亿元。

核电建设工程设计的特点分析和数字设计的必要性

核电工程在设计和建设中有一些需要特别注意之处，构成了核电建设工程的特点：

一是高安全性。要统筹考虑建设期和运行期的高安全性要求，核电工程设计和建设直接影响核电长期运营的安全性，由于核电厂的放射性，核电工程质量是保证核电运行期安全的物质基础，核电厂安全相关工程和设备需要非常严格的工业标准、规范和质量要求，建设期的质量直接影响核电运行期的核安全。

二是复杂性。由于核电厂建设需采用常规工程中罕见的安全措施，因此核电建设工程的各种系统极为纷繁复杂。

三是零缺陷。核电建设工程必须有严格的管理，确保核电厂在设计、设备和施工质量上达到零缺陷。

四是多环节、多场景协同困难。核电厂建设难以复制，常规岛建设也不例外，由于选址条件的差异、承建单位的不同以及技术的快速发展，任何两个项目都不一样，实施过程中出现的问题也因项目而异，可复制、可标准化和通用化的程度相对较低。

五是多专业协同带来的管理问题。在建设中，成本、周期和质量同等重要，由于投资大、周期长，对周期的严格管控就意味着成本的节约。核电建设工程的项目管理比起其他工程而言更加复杂，难度也更大，其处理无成规可循，需要运用过去的经验并按照当时、当地的具体情况妥善解决，项目管理经验积累和继承困难。

基于核电工程设计和建设的特点，核电建设工程作为国家核能源安全的重要屏障，亟须尽快研发我国自主知识产权的核电工程数字设计软件，将先进的信息技术与核电工程建设深度融合；深入研究推广数字化、智能化、大数据等新技术在核电工程建设管理中的应用，以提高核电工程设计和建设的数字化、智能化水平，完成更为精准、可控的核电厂建设工程，更好地保障核电工程质量。

在安全方面，随着核电站数字化和联网化的发展，在带来方便操作维护的同时，也带来了新的安全风险。特别是通用的协议、软件和设备，正在逐步取代原有的专用系统，这使得一旦系统信息安全漏洞被利用，会使得数个核电机组遭到破坏，将严重威胁到人身、坏境和国家财产安全，使用自主知识产权的核电工程数字软件十分必要。

构建核电建设工程的部品部件BIM模型库

在设计环节，太平岭项目结合核电工程设计和建设的特点，研发以BIM轻量化模型为载体的标准化部品部件库，提升核电工程项目设计的标准化程度。结合住房和城乡建设部科技与产业化发展中心牵头研发的标准化部品部件库，依据入库标准对其基于Bentley建设的BIM模型进行整理入库，提升核电建设工程的标准化水平，并为进一步实现数字核电奠定基础。具体实施步骤包括：

一是对核电建设工程部品部件进行分类，重点对常规岛中已经具备标准化可能性的部品部件进行分类，如抗震性能关键部件、防甩击结构构件等。

二是按照住房和城乡建设部科技与产业化发展中心主编的《装配式建筑部品部件分类和编码标准》（T/CCES 14-2020）的编码规则，对核电建设工程部品部件进行编码，部品部件编码如同核电建设工程部品部件的身份证和通行证。对于已经赋码的核电建设工程部品部件，可方便地进行数字化管理和运维，有利于常规岛部品部件标准化通用化发展。

三是按照部品部件库入库要求完成入库。核电建设工程部品部件入库有利于促进核电常规岛建设的共建共享，对于复用率高的核电建设工程部品部件，未来可以在解决核电行业的标准接口中发挥重要作用。

四是部品部件库BIM轻量化模型应用于太平岭核电建设工程等实际项目。基于部品部件库BIM轻量化模型为载体，与太平岭核电建设工程的项目级建筑产业互联网进行匹配，结合太平岭核电建设工程项目中的设计要求，进行以核电建设工程构件和部品为最小单元的项目管理，形成“构件-建筑-核电建设工程”的全系统数据组合，完成建造过程的数字化管理。

由于核电系统的复杂性，涉及的专业多、工艺多，数据流转和移交内容多且杂，任务重。构建适用于核电工程的部品部件BIM模型库，是完成数字化核电标准体系的助推力。而数字化核电标准体系的建立，是实现数字核电的基础，涉及核电科研、设计、采购、施工、调试、运维、退役及各阶段间数据的移交等。

数字化设计推进核电建设工程多主体多专业协同

核电建设工程项目通常要按不同工艺或专业划分为许多子系统、部分或单元，委托给若干适当的分包单位承担。从全生命周期来看，核电常规岛建设工程包括规划设计、部品部件生产、施工建造、运营维护等阶段，包含可行性研究、概念设计、系统设计、初步设计、采购安装等10多个环节。核电站的设计异常复杂，涉及近70个专业。专业间的数据交互数以万计，同时，还要兼顾采购、施工、调试、运行、维护等。设计数据是核电厂建设、运行的源头，占据核电建设工程数据的60%。以常规岛运用数字化设计为例，数字设计的关键实施场景包括以下几部分。

太平岭核电建设工程3D模型

一是对建筑、结构、机电和给排水等各专业进行协同建模，提高建筑基本单元、构件、部品等标准化水平，可直观地对管线综合排布质量与效果进行可视化审查，提高管线综合图审查效率和图纸审批效率。

二是全过程模拟预演。在设计阶段实现生产、施工、运维各参与方的需求与要求前置，进行全过程的模拟预演，生产、施工、运维阶段通过BIM信息化模型实现信息交互。实现“全员、全体系、全过程”BIM信息化应用。

三是基于全过程、全专业进行基于BIM模型的造价分析，清晰地进行项目整体的可行性分析。根据各专业高效协同完成的全专业BIM模型，对BIM轻量化模型进行数据提取和数据加工，通过BIM正向设计，自动生成工程量及造价清单，有效节约人工成本，提高工作效率。

四是强化设计接口管理。核电厂建设项目各参与方之间容易产生时间、空间和技术参数上大量的相互衔接问题——接口问题，特别是核电厂内许多子系统在空间上并非截然分界（如一些公用系统），土建、安装和调试阶段的工作有许多在时间上又相互交错，更使接口问题变得复杂。数字化设计有利于严格按照法规标准开展工程设计，多专业协同，强化设计接口管理。

建造过程的可视化管理

核电工程数字化，有助于核电建设工程参与建设的各方对成本管控更为精细，有助于项目经营决策者进行多维度的精细化管理。在太平岭核电建设工程中，系统采用了涵盖工程项目人、机、料、法、环的项目管理系统，以流程化、标准化的方法实现核电BIM模型与数据库信息交互，系统通过将BIM模型与施工计划、实施进度、质量管理等相连接，实现全过程可视化管理，突破项目管理瓶颈，减少实施中的不确定性和不可控性，提高信息传递效率，降低出错概率，实现项目上下游参与方全过程BIM应用、信息共享互通，实现数字化、可视化项目管理，为企业项目管控提质增效。

建立基于部品部件的核电工程项目全生命期数字化溯源管理体系

2020年12月25日，国家能源局和生态环境部联合发布《关于加强核电工程建设质量管理的通知》，明确指出“工程质量是保证核电安全的物质基础，建设期的质量就是运行期的核安全”，核电厂控股企业集团、核电厂营运单位、核电工程总承包单位、设计单位、设备制造单位、施工单位、监理单位等按照各自职责对所承担的核电工程质量负有终身责任。建立基于部品部件的核电工程项目全生命周期数字化溯源管理体系,可有效加强重要环节和重点部位监控，明晰各方责任边界，确保责任落实到位，系统性地提高工程管理信息化水平和质量水平。一是进行图纸设计、操作规程、施工方案、质量计划等标准化、电子化开发，确保现场作业人员高效便利获得和掌握设计信息、施工方法和质量要求。二是建立关键设备和重要物资编码管理体系，探索采用射频识别、物联网、无线通信等技术，实现物项质量状态、存放位置、数量等的动态管理。三是探索区块链等技术在质量管理中的应用，加强质量信息管理，防止质量信息篡改。

在太平岭核电工程建设项目中，以设计阶段形成以BIM轻量化模型为数据载体，在后续生产、运输、安装及运维过程，可利用移动端APP对构件的不同阶段进行扫码，记录构件从设计、生产、验收、吊装的建筑全生命周期的信息，实现对构件的全生命周期追溯。基于构件全生命周期追溯数据，在云端建立以实际建造数据为基础的数字孪生建筑，保障核电工程的质量安全可追溯。

构建核电建设工程设计、施工、运维数字化安全体系

中广核围绕核电的精益研发、协同设计、智能建造、智能调试、智慧运营、智慧工地等核心需求，构建了具有开放、共享和协同的核电全生命周期可视化和数字化平台及体系。聚焦三维协同设计，集成开发了多专业三维实时协同平台。

在设计阶段，公司将三维设计软件Bentley软件使用机器进行物理网络隔离，切断信息向外传输的可能，在基于模型的使用阶段，应用国内自主研发的轻量化引擎，对Bentley的模型进行轻量化处理，在轻量化过程中，采用数模分离的方式，达到数据与工程项目模型分离，数据严格按照权限进行管控的目的。同时做到模型的按需加载，使设计模型数据在设计、施工、运维阶段共享，做到数据层面的“一模到底”。

建立数字化运维系统

以建造管理全过程的核心数据为基础，结合数字化竣工模型，提升运维管理的数字化水平。基于包含建筑多维度的智造体系BIM数据模型，将核电项目整体机电管线、强弱电设备等隐蔽工程的布置信息可视化，对因核电设备运行而存在安全隐患的核电工程环节纳入运维阶段重点跟踪监控，提供核电建设工程运维使用电子说明书。

结语

综上所述，太平岭建设工程数字化解决方案具有以下显著优势：一方面，数字化设计有利于保障项目顺利实施、降低全流程风险，为核电站数字化运行提供主要数据来源，以实现核电建造项目全生命周期内的数字化管理。数字化设计是从核电设计源头推进供给侧改革，通过资源整合、流程优化，整体提高设计资源效率，提高供给结构对需求变化的适应性和灵活性，提供更优质的设计服务和支持；另一方面，数字化设计也是核电产品核心竞争力提升的主要手段。数字化设计通过效率提升，能够提高核电的经济性，更重要的是通过实施数字化设计，解放生产力，带来以安全性、先进性为主要特征的核电产品竞争力提升，并开拓附加增值服务。