BIM技术在化工项目全过程管理中的应用

张 蕾,刘志会

(1.湖北城市建设职业技术学院,湖北 武汉 430205;2.中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223)

化工行业是国民经济支柱产业之一,经济规模大、产业价值链条长、社会影响辐射面广。2020年中国化工品销售收入占据全球接近47%,预计在2030年达到50%,继续保持强劲增长态势。随着《石油和化学工业“十四五”发展指南》、《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》、《“十四五”环境影响评价与排污许可工作实施方案》等文件的相继发布,化工行业已改变过去的“粗放式布局、低盈利经营、小规模扩建”的建设困境,朝着“安全绿色、集约集聚、合理控制新增产能”新型道路发展,形成化工产业高附加值、多元化产品种类、绿色安全低碳化的高质量发展格局。

受化工产业结构优化升级的影响,化工项目在可行性研究、设计、施工、运营维护等全过程管理中将实现数字化、集成化、智能化。本文基于BIM技术,分析BIM技术在化工项目全过程管理中的应用,形成以业主为主导的BIM应用驱动模式,为业主方提供智能化的系统方案,协助设计单位发现设计错误、缺陷或遗漏,实现化工项目全生命周期成本最低。

1 BIM技术

BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)技术是指在建设工程及设施全生命周期内,对其物理和功能特性进行数字化表达,并依此开展设计、采购、施工、运营的全过程管理。

BIM技术作为一种数字化的工程建设管理手段,广泛应用于国内外建筑项目中。从2015年开始,住房和城乡建设部先后发布了关于推进BIM应用的指导意见、评价标准、制图标准和交付标准等;各级地方政府深化了BIM标准,形成了具有特色的地方标准,比如《上海市建筑信息模型应用标准》。国家和地方BIM标准的出台,促进了不同专业在工程建设各阶段数据的建立、储存、传递和沟通,加速了工程项目建设数据标准统一化,促进了不同厂商BIM软件数据格式的兼容性,显著提升了工程建设领域数据模型标准化水平。

2 化工项目BIM应用现状

在化工行业领域,化工工程设计公司以工艺管道专业为主导方,使用AutoPLANT Piping、CADWORX、PDS、PDMS、SP3D等BIM三维工厂设计软件,构建化工建设项目数字化模型,集中在化工项目管道的硬碰撞、工艺流程改进等方面应用。

伴随数字化技术的发展,目前BIM应用从化工工程设计逐渐延伸到化工工程的施工、运营阶段,落地的应用场景和方案包括数字化交付、智慧工地、数字化孪生工厂、智慧园区等,有效提高了化工工程全生命周期各阶段的安全性和管理水平。

3 BIM技术在化工项目管理中的应用

3.1 基于可视化BIM模型的可行性研究

化工项目业主应搭建面向多参与方、多阶段的BIM云平台,为项目全过程的各参与单位提供数据输入、传输、交换和储存的数字支撑平台。

可行性研究是化工项目技术经济深入论证阶段,为项目决策提供依据。不同于传统的设计方牵头的BIM应用驱动模式,打造以业主为主导的BIM应用驱动模式,将可视化BIM模型运用到技术经济分析中,对项目规划进行模拟分析,论证项目是否可行,可以提高决策的准确性和可靠性。

总图布置是项目可行性研究的关键环节,不仅包括化工项目各功能分区的划分,还具体到各个化工厂房、烟囱、水塔等的平面尺寸和场地面积[1]。合理布置场内外运输、项目内部消防道路、火车铁路或公路专用线走向,涉及投产后原材料、燃料供应的运输方式和运输成本,关联到产成品运输路线便捷性,最终影响到化工产品的市场竞争力和生产企业的盈利水平(见图1)。

对于结构复杂、体量大的化工项目,遵循布置合理、流程顺畅、经济高效、使用方便的原则,BIM可视化工厂模型包括工业厂房、化工装置、厂区道路、外部环境等,有助于向决策者提供直观的互动性、反馈性(见图2)。BIM模型可视化让业主、投资方深入漫游每个空间并浏览复杂构件,减少双方信息不对称带来的沟通障碍,加速决策进程,提高化工项目决策水平,保障固定资产投资效益。

图2 化工厂鸟瞰效果

3.2 多专业的协同设计

在业主已建立BIM数据管理平台的基础上,工程设计公司逐步开展基于数字化BIM的协同设计工作模式:在化工项目局域网的基础上,为每个专业设置一个工作集,各专业共享标高和轴网、工作集(见图3);当某个专业的设计参数发生变化时,参数变化同步传递给其他专业,其他专业根据实时变化及时修改本专业工作集;各个专业将完成的工作集上传到项目服务器的中心文件上,专业间共享模型数据、互相引用参照,实现专业内或专业间协同设计。

图3 基于工作集的协同设计

基于工作集的协同设计,需要积累和构建各专业元件库,比如土建、工艺管道、暖通空调、给排水、设备、照明、电气、仪表等。

利用以BIM技术为支撑的协同工作平台,开展化工项目多专业间的数据资源共享,推动各专业的设计协同工作,实现不同专业数据信息高质量、无损化的传输交换和有条件共享,改变了传统的管道硬碰撞检验模式,实时共享模型数据优化设计,实现综合管线布置方案优化。首先,在同一协作平台上,完成静止状态下建筑、结构、暖通、电气和管道之间的硬碰撞检测,确保实体与实体在空间上无交叉碰撞;其次,在硬碰撞合格的前提下,模拟项目实施动态过程,进行基于同一时间的软碰撞,比如阀门的安装方向是否影响到结构柱;最后,根据硬碰撞和软碰撞检测报告,完善综合管线布置方案,降低错、漏、碰、缺等设计通病,减少各专业数据冲突、边界不清等带来的后期设计变更、施工索赔,有利于全过程造价控制(见图4)。

图4 优化后综合管线和装备

3.3 数字化造价管理

2021年10月,《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰、碳中和工作的意见》和《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》相继发布,宣告了碳达峰、碳中和“1+N”政策体系的正式建立,化工行业迎来了风口发展期:产能规模与集中度不断优化,投资规模显著扩大,单个突破百亿元的化工项目数量明显增加。在造价管理工作范围内,全过程作为重要的战略思想所发挥的支撑作用尤为显著[2]。为了保障投资安全性,化工项目应从可行性研究投资估算、设计概算、施工图预算、工程结算、竣工决算等全过程进行数字化造价管理。

数字化造价管理利用BIM、云计算、物联网、人工智能和区块链等数字技术,引领建设领域造价管理转型升级,实现造价管理价值链的全要素、全员、全过程的智能化和系统化,做到工程造价全业务流程数字化。数字化造价管理模型见图5。

图5 数字化造价管理模型

当编制招标控制价时,首先,造价工程师在云平台数据库上,广泛收集以往类似完工的化工项目造价数据和最新人材机市场价格;其次,建立BIM计量计价模型,结合工程进度对工程成本进行实时、动态地跟踪,实现精细化管理控制;最后,通过项目造价数据平台,实现线上各单位工程计量计价协同,沉淀造价成果,完成造价工程师由造价编制为主向造价控制为主的角色转变,完成造价管理提质增效的目标。

3.4 BIM5D施工管理

在BIM三维模型基础上,结合项目时间和费用,形成了BIM5D管理系统。由于BIM5D能实时地跟踪项目进度和成本,为施工管理提供信息服务保障,强化现场流程管理、成本管控和优化工期,有效缓解施工管理的风险。在BIM协同设计和计量计价模型的基础上,创建BIM5D施工管理平台(见图6)。

图6 施工管理平台

对于传统化工项目施工管理,技术交底是效率比较低的环节。化工项目技术交底以口头讲授为主,文字描述为辅。一旦沟通错误,就存在施工质量和安全隐患,增加工程建设成本。通过BIM5D技术,对复杂化工项目施工进行动画模拟,实现三维可视化技术交底,减少施工质量隐患和返工、节约成本、保证工期。比如,化工项目的大型设备安装、管道的高空架设、复杂结构构件施工,BIM平台结合AR技术对复杂工艺装置进行吊装模拟,并指导现场操作,减少安全事故和质量隐患。

物资管理是施工项目管理的重要组成部分,关联到项目成本、质量和进度三大目标的实现。BIM5D既实现施工装置分区管理,又集成工程项目的所有构件编号、尺寸、材质和位置信息等实例参数。根据施工装置分区、进度计划图、楼层和构件实例参数,施工企业能够制定精准化的物资需求计划表和采购计划表,具体到单项工程、单位工程和分部分项工程。结合工程实际进度和需求计划,采购适当的物质,减少物资采购不足、过度或不及时造成的质量和安全问题。参照限额领料单,发放物资,做到不超发,节约施工成本。同时,BIM5D技术能节省物资二次搬运成本,减少因保存不当增加材料的损耗率,比如钢材氧化而变质、水泥受潮而降效。

3.5 运营维护管理

深度融合BIM、物联网和GIS技术,构建综合型工厂运营维护管理平台,将工厂建筑、基础设施、市政管网、工艺设备和自动控制系统相结合,实现工艺设备运行和碳排放的动态数据监测、成本分析和指标控制,支持设备设施运行的动态信息查询和生产经营异常情况快速定位,实现事前预警、事中告警、事后统计的闭环管理理念。

可视化、智慧化、集成化的运营维护管理平台应包含综合监控系统、日常巡逻系统、安防管理系统、设备运行管理系统和能源管理系统。其中,设备运行管理系统细分为运行监控、设备维护、设备巡检和设备台账等若干个子系统;能源管理系统划分成空调系统、照明系统、电梯系统和变配电系统等若干个子系统。完善的运营维护管理平台有利于化工项目运营管理数字化转型升级,从而提高化工产品竞争力,赋能企业高质量发展。

4 结语

BIM技术在化工项目全过程的应用,保证了项目质量,加快了实施进度,实现了早投产、早受益,保障了固定资产投资收益,有利于工程项目参与方管理水平的提高。除了质量、进度、造价等外,BIM技术还可以在应急管理方面有所深入应用,实现各种可预见灾害的模拟和应急处置,减少灾害实际发生时的人员和财产损失。