基于BIM的海洋工程建设数字化系统研究

王 屹

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

1 BIM技术介绍

在信息化技术发展的驱动下，建筑行业提出了建筑信息模型技术(Building Information Modeling，BIM)。BIM 技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过建立参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

美国已经制定了 BIM 国家标准——NBIMS。欧洲一些国家已经开始普及BIM技术，特别是芬兰、挪威、德国等国家，基于BIM技术的应用软件普及率已经达到 60%～70%。美国 NBIMS国家标准对 BIM的定义由3部分组成：

①BIM 是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达；

②BIM 是一个共享的知识资源，分享有关这个设施的信息；

③在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM 中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

我国也已经开展 BIM 技术的研究与应用，在国家重大项目中，牵头并引导企业使用BIM技术，如北京奥运会国家游泳中心的建筑设计方案等。

2 海洋工程数字化现状

海洋工程是集海洋石油、天然气开发工程设计、陆地制造和海上安装、调试、维修以及液化天然气、炼化工程为一体的大型工程。由于海洋工程的特殊性，大多采用陆地分块制造海上组装调试，这就使得陆地的模块化建造设计及制造设计要求远远大于其他行业，加之海上作业环境恶劣，设计本身的要求更加严格，考虑因素更加全面。因此，海洋工程设计、建造及施工的技术要求和管理要求相比传统的地面工程建设更高。

为满足海洋工程设计和管理的需求，工程各个业务板块(如设计、采购、建造、安装、维修和检验等)均配备了众多国内外的专业设计软件和管理系统，经过多年发展和推广，应用和管理水平都有了很大的提高。其中，三维协同设计不仅成为工程设计数字化的主要设计方法，而且其设计成果三维模型作为工程信息全生命周期管理的核心，在为设计建造带来飞跃性提升的同时，更给后续的油田运营维护带来额外的价值。

尽管各个业务板块以及与项目管理相关的系统软件已初具规模，但是各系统间、各业务环节工程数据的关联关系仍不明晰，缺乏统一的、标准的数据中心来管理所有与工程项目相关的数据，实现工程项目全生命周期数据管理的目标有待进一步强化。除此之外，如何整合工程项目的历史数据、实现多维度工程项目数据分析和对工程项目数据预测，以此来把握和获得更多市场机会，是国内海洋工程行业走向更加专业化和国际化亟需解决的问题。

3 海洋工程BIM数字化系统实施方案

为更好地协调各设计专业，最大程度避免施工阶段的变更，提高海洋工程信息资源整合共享和高效利用，提升海洋工程作业的安全性和应对风险能力，借鉴建筑行业BIM理念，建立1套如图1所示的贯穿于海洋工程规划、设计、施工、运营、改造、废弃全生命周期，以三维可视化协同设计的、数字化集成与海洋工程设计及作业仿真模拟为两大技术核心的数字化系统。

图1 基于BIM理念的油气田工程建设数字化系统Fig.1 Oil and gas field engineering construction digital system based on BIM concept

3.1 三维可视化协同设计及数字化集成

以三维可视化数字技术为基础，三维可视化协同设计软件(如PDMS)为载体，依托BIM理念，使用国际行业内主流三维可视化协同设计平台，实现多专业、异地间协同设计功能，其成果作为数字化系统的核心数据。

如图2所示，三维可视化协同设计及数字化集成其根源是把不同来源、格式、特性的设计数据有效集中管理、重组及应用。其中，三维可视化协同设计的数据成果是数字化设计集成的重要核心部分。同时，三维可视化协同设计可提供完整的系统设计和布置设计，专业应用模块满足不同专业系统和布置设计的需要，并基于数据库的系统和布置设计集成管理，实现多专业、多人员、多地点的集成化协同设计，以此为数字化设计集成提供有效的数据传递及管控手段。

图2 三维数据数字化集成Fig.2 3D data digital integration

3.2 海洋工程设计与作业仿真模拟

面向海洋工程设计、建造、安装、维修、生产、报废等不同阶段业务需求，海洋工程仿真系统以提升海洋产品设计、建造、研发能力，海洋装备作业效率，作业安全水平为目标，以数据一体化环境为基础，以数学仿真和可视化显示为技术手段，采用开放式的分布交互体系结构、先进的高性能计算机系统、完善的软件工具和支撑软件环境、实时网络、计算机成像显示系统的集成综合仿真平台，主要具有虚拟设计(工程仿真)、虚拟制造(工程仿真)、虚拟作业(工程仿真)、虚拟培训(训练仿真)等功能。

3.2.1 虚拟设计

针对海洋工程开发的需求，通过虚拟样机仿真，快速生成多种设计方案，并在虚拟环境中进行测试和评估，以优化设计方案，在产品或作业初期及时发现问题、解决问题，满足高质量、低风险、低成本、周期短的要求，提高产品的更新换代速度和市场的竞争力，降低海上安装风险。

3.2.2 虚拟制造

针对海洋工程建造过程中大型结构物吊装、反造结构物翻身、装船等典型作业，采用计算机仿真与虚拟技术，通过建立仿真模型，在计算机上对海工建造过程进行仿真，实现产品的工艺规程、加工制造、装配和调试，对产品的功能、性能和可加工性等方面进行评估。

3.2.3 虚拟作业

主要针对海洋工程安装、水下作业、应急维修等作业需求，对海上施工作业方案进行仿真预演和可行性/风险性评估，以达到优化作业方案、提高装备作业效率、提前预报及避免风险的目的。

3.2.4 虚拟培训

构建人在回路中的训练仿真系统，模拟作业人员的硬件操作环境和海上施工作业场景，开展操作规程、特种工况和应急操作培训，提高作业人员的专业技能水平和应急处置能力。

4 结 语

近年来，国际海洋总包工程项目管理信息化呈现集成化、标准化、全球化、可视化和交互化5大趋势。本文将BIM理念引入到海洋工程项目全生命周期管理当中，设计 1套项目数字化管理系统，以提高海洋工程公司信息化支撑能力，通过信息化手段对工程项目管理的各方面进行有效管理和规范，并利用信息化手段提高生产效率、提升质量与安全管理水平、降低工程造价和运营成本。