BIM技术在电厂建设与管理中的应用

苏玲

（中车信息技术有限公司，北京市 100084）

BIM技术在电厂建设与管理中的应用

苏玲

（中车信息技术有限公司，北京市 100084）

随着互联网、大数据、云计算等技术的不断进步，智慧电厂建设已经是未来发展的大趋势。作为智慧电厂基础的电厂数字化、信息化建设，在局部、点状的应用上都取得了良好的成效。根据国内外相关行业研究成果，结合电力行业特点和电厂设备结构特点，把运用到建筑行业的BIM理念和技术运用到新型数字化/智能电厂的建设中。基于BIM的理解对数字化电厂进行研究，以数字信息为主线，重点研究电厂设备的数字化建模与信息建立，研究如何开展数字化电厂建设过程中的设备信息采集和管理。建立发电设备的BIM模型，把厂房的建筑模型和设备的模型结合到一起，结合BIM空间定位、设备管理等功能对设备进行管理。

BIM技术；可视化运维；数字电厂；智慧电厂

0　引言

当前，我国发电厂装机容量和发电量已经居于世界第一。随着发电技术的进步和电力信息技术的支撑，我国发电厂正在由集中控制与信息化管理向智能、环保、高效的方向迈进。

“数字化电厂”作为术语，可认为其源于Shimon Awerbuch博士在1997年的著作《数字公共设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》一书中对数字公共设施的定义：数字公共设施是独立且以市场为驱动的实体之间的一种灵活合作，这些实体不必拥有相应的资产而能够为消费者提供其所需要的高效服务［1］。

BIM技术是从美国发展起来，并逐渐扩展到欧洲、日韩等发达国家，当前BIM技术在欧洲和美国、日本和韩国等国家在后续发展趋势中的应用已经达到了一定的高度，其中，在美国的深入应用最广泛［2］。

电力设计行业三百强企业中八成以上都应用了BIM技术。美国威斯康辛州是第一个要求新建项目使用BIM的州，要求从2009年7月开始使用，所有预算在500万美元以上的项目和预算在250万美元以上的施工项目，从项目设计开始就必须应用BIM技术。

近年来，国内关于数字化电厂的研究和探索不断深入，关于数字化电厂的内涵也在不断深化，在一些电厂项目中开始取得实践成果。国内科研机构发表文章预计现场总线技术（FCS）将成为数字化电厂的关键技术［3］。

在现场总线应用方面，自2006年以来，华电莱城电厂、国华宁海电厂都局部应用了现场总线技术，华能九台电厂、华能金陵电厂等在应用现场总线技术方面取得了更多的实践。近两年新投产的京能高安屯燃气电厂，其总线设备应用率更是取得了新高，成为数字化电厂新的楷模。

在DCS一体化方面，自2006年华电齐齐哈尔电厂利用一体化技术实现了电气、汽机、锅炉一体化控制，DCS已经从主机控制涵盖到辅控集中控制，并得到了普遍应用。并且，新型的ECS与DCS融合设计应用，使我们看到DCS对全电厂全面一体化控制的能力不断提高。

在数字化电厂总体建设方面，自2008年山西平朔煤肝石电厂初步数字化的应用，到近两年新建的山东莱州电厂、京能高安屯电厂等的数字化建设，数字化电厂的建设已经勾勒出了清晰的面孔。

当前，我国数字化电厂需要统一思想，形成共识，加大投入，加快推进。随着现代三维技术、DCS一体化技术、精确测量技术、APS技术、物联网理等技术的进一步发展，数字化电厂必将实现智能化运行，低能耗、低排放、高效益的目标。

1　研究内容与拟解决的关键问题

基于BIM的数字化电厂信息模型建模实践，包括厂房模型建模标准和建模实践、设备模型建模标准和建模实践、几何尺寸参数、建造过程参数、设备厂商参数、设备运行管理参数等各种信息在模型上的附加。

基于BIM的建筑模型构建，已经有较为成熟的经验和方法，但是基于BIM的数字化电厂模型建立，尚没有成形的方法和经验，具有创新性，因而需要从电厂规划、设计、施工、移交、运行、管理等环节，以项目管理方法统筹研究［4］。考虑本课题研究的侧重点在于以BIM方法建模，以建筑工程领域较为成熟的方法，研究其在发电厂这一设备、资产、技术密集型领域应用的方法。

2　BIM技术应用情况

BIM技术对于建筑行业而言，是一种新的理念和技术，不同类型的建筑工程项目都可以与BIM技术进行契合，以解决相应的问题。在国外的工程项目实践中，使用BIM技术的在建项目已占据了一半以上。国内许多在建项目也开始在一些价值点上对BIM技术应用进行了实践［5］。近几年国内BIM实施应用的电厂类工程项目管理典型案例见表1。在规划、设计、建造、运维方面运用BIM技术的电力基础设施建设项目，见表2。

表1　运用BIM技术的电厂类工程项目

3　面向电厂全生命周期管理的三维建模应用研究案例

本文以国内某抽水蓄能电站为工程实例，研究了面向抽水蓄能电站厂房、设备全生命周期的建模应用。全面考虑建模的成本，建模的应用及数据管理的需要。最后项目按照预期的设计，经济高效地完成了全景电厂，并在未来的运维管理中不断检验。数字化电厂全生命周期的三维建模应用围绕着建模、模型应用和数据管理三个部分来进行。

建模首先要确定建模的对象，抽水蓄能电厂三维建模的对象一般包括球阀，水泵水轮机组，发电系统，油、水、气系统，起重和金属结构系统，大坝，厂房及构筑物（见表2）。确定了建模对象后，依照以下步骤建模。

表2　系统与电厂三维建模对象表

（1）建模工具

市场上用于建模的工具很多，各有各的优缺点，常用的工具有：用于精确建模的欧特克公司的Inventor、3D-MAX，PTC公司的 PRO-E，达索的Solidworks，西门子的UGNX。用于布置设计和外观建模工具有：Autodesk的 Revit，AVEVA公司的pdms，Intergraph公司的pds，还有Bentley奔特力公司的microstation［3］。

因为电站建设周期长，厂商多，前期也处于摸索阶段，涉及的专业多，各工具各有所长，采用的建模工具也不好统一。

解决方法：各专业模型建立好后，在统一的空间坐标系中进行配准；统一转换为FLT格式的三维数据，导入统一的云端渲染平台（后文说明）。

（2）建模原则

根据实际的管理需要，以不同阶段的管理需求为导向，确定模型应该按照什么原则来建模，应该按照什么细度来建模，充分考虑建模效果和花费的成本，在兼顾经济合理性的原则下，按照适当的方式建模，全面覆盖电厂所有的机械设备和构筑物。对于核心的设备，采用模型与实物1:1建模的方式准确反映实物的状态和细节。

（3）精确建模部分

复杂的机械结构类需要精确建模，并且具备内部分解拆装的能力，表达设备设施工艺及油气水管道走向。在培训教学中，利用精细化模型，在运维系统中，利用外观模型。

主厂房（集水廊道层、管道廊道层、蜗壳层、水泵水轮机层、中间层、发电电动机层、桥机轨道层、吊顶层等）、副厂房（透平油层、冷水机/空压机层等）、中控楼、开关站、大坝及坝顶建筑、尾水支洞、上下库闸门室、排风排水洞等各建构筑物的结构及其中的设备布置。

在施工过程中，拌合系统、运输路线、营地布置等采用示意建模的原则进行布局。

全部精细化建模方案如图1所示。

图1　水泵水轮机建模方案（1：1建模）

局部精细建模方案如图2所示，主要部分进行拆解细分，不关注非主要部件及部件的细节，如部件上的螺纹、图案等。

图2　高压气机建模方案举例图——局部精确建模举例

完全示意性建模方案如图3所示。

图3　检修车间天车——完全示意建模方案举例图

（4）建模的方法。

设计在招标的时候，要求出具三维设计模型，对模型的精细程度有详细的要求，设计单位必须交付相应的模型和设计图纸，并在合同中保证图纸和模型的一致性。经过专业BIM咨询单位审查后，方能符合合同要求，如图4所示。

图4　大坝及电厂内部洞室三维图

大坝厂房施工在招标的时候要求出具施工三维模型，确保建筑过程中的变更及时反馈到模型中，能够从模型中查询到进度、质量、合同、安全等信息［4］，确保建立竣工模型，形成数字资产，如图5所示。

图5　水电站施工模型及管理参数融合

机电要求厂家提供设计图纸，根据设计图纸，加上逆向测量的方法，建立安装后的机电模型。

通过对电厂中的管理对象进行梳理和分析，根据不同的管理目标建立相应的模型，确保建模工作的经济性，又能有效地为生产管理提供服务。

（5）建模研究结论

建模过程中，要利用整体思路去思考整个建模过程，从建模目的、建模对象、建模原则、建模方法整体上去思考模型建立。与通常的BIM建模原则不同的是，我们是从建模对象的角度上思考建模的精度，而且考虑了模型不同的来源，模型在时间维度上的变化，模型的版本管理等［6］，确保建立的模型能够在一个统一的平台上进行整合，形成数字电厂的三维场景基础。

4　模型的管理实施和管理

对于不同来源的模型，需要统一平台来显示和应用模型。通常的技术路线有两种：一种是基于C/S架构的本地端的渲染服务模型，这种模式对客户端计算机能力要求比较高；一种是基于B/S架构的云端渲染模式，它采用大规模计算能力的服务器，将模型的渲染能力放在云端，实时渲染模型，以图片的方式分割压缩，利用网络传输图片，在客户端进行还原。这种模式对客户端电脑的配置要求较低，在任何能够上网的地方都能够通过网络来查看模型，进行管理工作。本次实践采用B/S的模式进行模型的渲染，展示平台，效果如图6所示。

图6　水电站电厂全景

基于云端渲染在技术的实现上有较大难度，服务器的渲染需要考虑大量的并发计算、优化模型的计算能力，需要考虑通过网络传输的优化，技术难度非常大。其中核心是模型的轻量化技术［7］。团队通过分离模型的几何信息与非几何信息，建立轻量化模型。通过自动LOD的细节控制，减少三角面数量，如图7所示。

图7　基于云端渲染的三维异源数据整合与展示

5　结论与展望

随着数字化、信息化技术的提高，数字化电厂的概念变得越发具有可实施性，但数字化电厂涉及的众多专业和海量数据，使得其全生命周期内信息管理范围和深度更加重要。BIM技术的出现，为数字化电厂全生命周期信息管理提供了良好的技术支撑和实现条件，极大提高了数字化电厂项目全生命周期内信息管理的水平和深度。基于此，本文选择了由BIM技术为实现手段的数字化电厂全生命周期信息管理研究，希望能够对数字化电厂项目的信息管理提供一个发展思路。

本研究论文通过收集提取国内外建设行业已取得的成果，结合电力行业特点和电厂厂房和设备结构特点，以及结合本人参与项目管理的水电厂建模研究的具体实例，以三维数字信息为主线，并将方法推理延伸到火电厂，重点研究电厂设备的数字化建模，以电厂全生命周期为目标，综合应用BIM技术、RFID技术（物联网技术）等，并将二者相结合，提出了基于 BIM的数字化电厂数据标准，并探讨了数字化电厂后期运维模式等。

以数字化电厂三维信息模型为基础，可实现基于位置和状态的电厂可视化运维保障系统，包括运行维护中设备智能互联、设备信息采集的智能感知，设备状态智能评价与分析等，从而进一步实现数字化电厂、智慧型电厂的目的。

［1］刘照球，李云贵，吕西林，等.基于BIM建筑结构设计模型集成框架应用开发［J］.同济大学学报：自然科学版，2010（7）：984-953.

［2］Redmond A，Hore A，Alshawi M，et al.Exploring How Information Exchanges Can be Enhanced Through Cloud BIM［J］.Automation in Construction，2012（24）:175-183.

［3］Lipman，Robert R.Details of the mapping between the CIS/2 and IFC product data models for structural steel［J］.Electronic Journal of Information Technology in Construction，2009（14）:1-13.

［4］J.Infrastruct.Syst.Life-Cycle Costing in Municipal Construction Projects［J］.Journal of Infrastucture Systems，1996，2（1）:125-128.

［5］McClellandD.M.，BowlesDS.Towardsimprovedlifeloss estimationmethods:lessonsfromcasehistories［M］.Seinajoki: Rescdam Seminar，2000.

［6］CARMEN Constantinescu，CHRISTOPHR unde，JOHANNESV-olkmann，el al.D1 definition of a VR based collaborative digital manufacturing environment［R］.［S.L］:Information society Techologies，2007.

［7］Dones R，Gantner U，Hirschberg S.Environmental inventories for future electricity supply Systems for Switzerland［R］.Switzerland: Paul Scherrer Institute，1996.

TU271.1

B

1009-7716（2016）07-0350-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.103

2016-03-16

苏玲（1981-），女，河南驻马店人，硕士，市场部经理，从事项目管理工作。