BIM 技术在油气管道工程建设阶段应用的研究

2021-05-05张鹏，彭培

制造业自动化 2021年4期

张鹏，彭培

（西南石油大学土木工程与测绘学院，成都 610500）

0 引言

截至2017年，我国已建成油气长输管道13.14万公里，连接海内外的东北、西北、西南和海上四大油气战略通道和横跨东西、纵贯南北的全国性油气管网已初具规模。2017年，国家发改委和能源局联合发布了《中长期油气管道网络规划》。该规划指出，目前中国在役油气管道里程为12×104公里，到2025年将达到24×104公里，形成国家骨干互联和区域互通的网络[1]。

虽然我国油气长输管道新建管道速度暂时放缓，但我国疆域辽阔、人口众多，东西部油气管网发展不平衡不充分的问题突出，油气管网建设仍存在巨大空间。在油气管道建设快速发展的同时，新建或在役管道的建设或运行质量越来越受到国家和行业的重视，使用方越来越精细化、智能化的要求，对管道运维公司、勘察设计单位、施工企业等参建单位也提出了更高的要求。

近年来，在长输管道建设过程中，也利用BIM技术开展了场站的建筑三维设计、碰撞检测等单业务应用，但应用的深度不够，不具规模；因此，将BIM在建筑工程中共享全生命周期信息资源库、协同工作、信息集成等理念引入到管道工程建设管理中来，提出管道全生命周期一体化管理模式（PLIM），同时，开发基于BIM技术的油气管道工程建设管理平台；有利于提高我国油气管道智能化建设管理和管道运营维护管理水平，实现油气管道的全数字化移交和一体化管控。

20世纪70年代，Chuck Eastman首次创新性的提出了“Building Description System”的概念，他提出在考虑建筑属性的基础上，利用信息技术对图形进行编辑和元素组成的处理，并指出对建筑的不同属性进行功能排序的发展方向[2]。BIM技术发展到今天，它不仅仅是几款软件的代名词，根据美国国家BIM标准（National Building Information Modeling Standard，NBIMS）对BIM的定义理解，BIM是工程实体物理和功能特性的数字化表示；BIM是共享的知识资源库，它是共享有关设施信息并为设施从概念到拆除的整个生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目的不同阶段，不同的利益相关者在BIM中输入，提取，更新和修改信息以支持和反映各自职责的协调[3]。由于BIM在工程项目信息集成、协同工作和全生命周期管理等方面表现出强大优势，已经在建筑、水利水电、路桥、轨道交通、城市综合管廊等工程领域得到不同程度的应用[4～6]。BIM作为一种全新的理念和技术，正在引发工程领域一次史无前例的彻底变革。

1 国内外智能管道发展现状分析

目前，随着信息技术飞速发展，全球油气管道已经进入数字化管道阶段，正在向智能管道发展[7]。据统计，87%的石油和天然气公司认为大数据分析是智能管道建设中最重要的技术。2014年，GE与埃森哲共同推出了全球首个“智能管道解决方案”，2016年1月，哥伦比亚管道集团成为全球第一家实施“智能管道解决方案”的公司（《世界工业报道》，2016年）。目前，哥伦比亚管道集团已对超过15000英里的州际管道进行了实时监控[8]。爱尔兰的Corrib陆上天然气管道项目已经广泛使用建筑信息模型（BIM）。该项目使用了多种数据采集技术来创建数字地形模型，并开发了可视化集成模型，该模型被认为是管道建设从规划设计到施工的重要数字资源[9]。

我国的BIM应用总体还处在初步阶段，主要应用在沿海发达地区的大型建筑项目，比如北京奥运会水立方、天津港国际油轮码头、上海中心大厦、广州珠江城大厦等；BIM在铁路建设、轨道交通、水电工程、城市综合管廊等其他工程领域的应用也处在探索阶段[10,11]。总体来说，BIM技术在国内的应用主要停留在实现复杂结构建筑设计、不同专业模型碰撞检查的阶段，应用阶段主要集中在设计和施工阶段，运维阶段的应用研究相对较少。

从管道的类型来看，国内BIM技术在管道中的应用主要集中在城市给排水、消防等市政管道，实现了市政管道的多专业协同设计、碰撞检查等目标，从而减小了设计变更和降低了工程造价；另一方面，从应用的阶段来看，BIM技术的应用多集中在管道的设计及施工阶段，对管道的运营管理阶段应用较少。赵琳等人将BIM技术应用于长距离输水管道，在初期三维参数化模型，后期二维出图、效果展示以及优化设计和协同设计等方面发挥了重要作用[12]。总体来说，BIM技术在我国管道工程中的应用研究还处在初步探索阶段，应用项目规模较小，空间跨度小，技术深度不够，也没有形成一定的技术体系。

2 BIM在油气长输管道中的应用价值

美国bSa（buildingSMARTalliance）对BIM在建筑全生命周期各个阶段的应用做了详细的归纳[13]。BIM可以集成管道设施所有的几何模型、信息功能、要求及设施信息，涵盖了管道全生命周期的所有信息，如设计、施工、运营维护等施工过程的信息。BIM的应用涵盖了设施的全生命周期各个阶段，这与智能管道、智慧管网“全数字化移交，全生命周期管理”的建设目标相契合。采用BIM技术可使油气管道建设全生命周期的各个阶段都能有效提高信息共享程度、建立资源计划、控制风险、减少资源消耗、节约成本和提高工作效率。应用BIM技术，建立管道全生命周期一体化管理模式，将会改变传统的油气管道建设管理模式，保证管道建设的安全、质量和效率，引领油气管道智能化建设走向更高层次，从而加快构建油气管道数字孪生体进程，实现智慧油气管道的建设目标[14]。

2.1 实现协同作业

从管道建设项目的立项到竣工验收过程中，由于涉及参与的各个专业较多，而最终的成果是各个专业成果的综合。这个特点决定了在管道建设项目的各个阶段需要密切的配合和协作。基于BIM技术创建的三维可视化平台，与管道相关的各个专业的数据都以实际的形式存在平台模型中，各参与方都可以在平台模型中输入、修改、下载数据信息，保证了数据的唯一性和及时性。另外，平台模型的可视化程度高便于各个参与方之间的沟通协调，大大减少了项目实施中由于信息不对称、沟通不畅导致的工程变更和工期延误等问题发生，极大地提高了项目实施效率，实现各阶段的关联性。

2.2 虚拟施工

在实际的油气长输管道项目中，根据事先制定的施工方案，由项目管理软件，如project编制的施工进度计划，将时间和空间信息整合到一个可视的3D+Time（4D）的BIM模型中，实现对长输管道、沿线站场的4D施工模拟。通过4D施工模拟，可以使人员配置、材料组织、设备进场、机械排班更加经济合理，从而优化施工工期，实现对管道施工进度、质量的主动控制。针对油气管道施工过程，利用已完成的BIM模型进行动态施工方案模拟，展示重要施工节点动画，还可以对比不同施工方案的可行性，对施工方案进行动态调整。特别是当管道施工地质条件复杂或者采用新技术、新设备、新工艺时，影响管道施工质量和效率的因素增多，可采用BIM进行施工工艺模拟，提前发现问题并及时采取措施，保证施工质量和组织效率。

2.3 提高精细化管理水平

在管道项目的设计、施工阶段，通过BIM软件的算量，可以使用一个模型，实现管道造价的精细化管理，在项目管理子系统（PMS）中，基于平台模型的虚拟施工，也可以实现组织材料、设备进场的精细化管理，减少由于项目组织不当，而造成的窝工、延期等问题发生。另外，由于管道建设的参与方较多，时常出现沟通协调不畅不及时，责任划分不明确等问题，建立基于BIM的管道全生命周期一体化管理模式，所有参与方的沟通协调都集中在BIM平台管理上，可以提高管理参与方的精细化管理水平，从而可以实现各个参与方的利益协调和目标一体化。

2.4 降低管道失效概率

油气长输管道是我国油气管网的生命线，万一发生泄漏，损失将无法估量。面对突如其来的事故，现有的人工检查和故障排除模式具有较长的响应时间，并且过于被动以致无法控制损失。通过在管道建设阶段形成的BIM管道数字资产，将管道的实体数据和功能数据共享到运维管理系统中。根据运维管理系统的实时监控，管道的运行指标将实时传输到管理系统中。经过统计分析，可以提前预警潜在事故，并自动提示相关单位进行维护，以防止发生管道事故，减少管道故障的可能性，减少损失。面对管道泄漏，应急救援人员可以通过BIM精细化模型直接准确的查看泄漏位置，并获取管道的相关参数并及时处理事故。这大大提高了事故处理的准确性和安全性，缩短了事故处理时间，减少了人力和物力投入，有效减少了管道泄漏等事故的危害和损失。

3 BIM理念下管道全生命周期一体化管理模式

传统的油气管道建设管理模式工作流程繁琐、信息来源不够明确、及时，各参建单位之间的主要依靠人工协调工作，信息共享程度也不够，导致项目进度拖延、窝工，工程质量不达标等问题时常发生。因此，为了解决这些问题，整合油气管道建设资源，我们需要建立新的管理模式和体系，而基于BIM理念的管道全生命周期一体化管理模式（PLIM）是在业主方牵头并且BIM专业咨询方的整体负责协调，从每个主要参与方中选出一两个负责人组成管道全生命周期一体化项目管理团队（PLMT），它将所有参与方，管理内容和整个生命周期的项目管理阶段有机地结合在一起，以实现组织，资源，目标，责任和利益的整合，以及各参与方之间的有效沟通和信息共享，从全生命周期管理角度，依托BIM协同作业平台，对管道建设项目主动跟进、全面控制，如图1所示。

图1 基于BIM理念的管道全生命周期一体化管理模式

建立基于BIM技术协同工作、信息高度集成的油气管道建设管理平台（BIM-Pipeline Construction Management Platform，简称B-PCMP），将有利于实现管道项目建设阶段的一体化管理，将管道建设过程中的参与方、管理过程以及管理要素信息集成到平台中，形成“三位一体化”的信息数据库，这将大大提高管道的建设质量和效率以及后期长输管道运维阶段的管理水平，降低管道失效概率，BIM将有利于管道建设、运营维护在管道生态系统中数字孪生体的形成。

表1 BIM理念下一体化管理模式与传统油气管道管理模式对比分析

3.1 项目组织架构

在BIM实施模式和组织架构中，目前主要有业主单位BIM实施模式和承包商BIM实施模式，考虑到BIM在油气管道全生命周期中的应用，能够延续到运营阶段，宜采用业主单位BIM实施模式，如图2所示。项目由业主单位总体负责，负责监督和管理PLMT，PLMT团队对各参与单位进行管理，业主方可聘请专家对管道项目总体阶段性成果给予指导和评估。BIM平台开发单位负责项目的管道工程建设管理系统平台开发。各项目团队通过BIM协同平台进行协同工作，保证了信息的及时性和唯一性。在BIM理念下的组织架构管理中，以B-PCMP平台为信息交流平台，以PLMT为主要管理方，强调各参与方协同工作、信息共享、信息集成，把工作重心放在如何保证和扩大共同利益；强调各参与方提前参与，前置管理；加强各个阶段前一阶段的渗透，提高管道建设信息化、智能化整体水平。

图2 项目实施组织架构

图3 BIM应用流程图

3.2 应用流程

结合BIM技术在大型建筑工程中的全生命周期应用流程，同时考虑油气管道工程实际情况，制定BIM技术在油气管道中的应用程序[15]，如图3所示。应用流程主要遵循WBS分解和项目一体化管理的原则，形成管理过程、管理要素和管理人员三位一体的管理机制，制定依托BIM云平台辅助项目全生命周期管理工作流程，管理各参与方有序开展BIM技术应用工作。确定了BIM技术在各个阶段的基本技术路线后，根据BIM在设计、施工和运行维护各个阶段的应用工作，制定了相应的具体工作流程，指导应用工作。最后把管道建设过程中形成的管线实体和管道数字资产移交给运维单位，为油气管道的运营维护提供基础数据，并与原有的管道ERP、管道生产管理系统（PPS）等信息平台紧密融合，消除各个信息平台之间的信息壁垒。

4 基于BIM的油气管道工程建设管理平台

4.1 系统架构设计

系统设计基本思路是利用油气长输管道在设计、施工阶段的BIM信息模型为基础，结合运维阶段的关系数据库、地理信息数据库、规则数据库，通过安装传感器、视频监测设备，利用互联网、物联网等技术，把数据层管道模型整理、共享到统一的管理平台中，在统一的管理平台中，实现对油气管道建设的管理过程、管理要素、管理参与方的一体化管控，如图4所示。

图4 B-PCMP技术框架

系统主要包括感知层、数据层、共享层、应用层四个层级，各个层级的作用如表2所示。为了实现最终信息可以被不同的产品识别和共享，该管道建设管理平台采用IFC架构，IFC即为Industry Foundation Classes，工业基础类（IFC）模型结构是目前运用最多的公开模型结构[16]。采用面向对象的数据建模的IFC标准，可以增加模型结构的开放性和可扩展性，有效减少数据冗余，为支持油气管道的BIM模型在建设阶段全生命周期应用提供技术支撑，基于油气管道建设阶段形成的数字资产可通过平台共享到运维管理平台，实现油气管道的数字化移交。

表2 系统层级及作用

4.2 系统登录及功能

来自项目各个参建单位的管理人员，首次登录需要通过验证注册账号才能登录，以后则可以通过输入账号和密码进入系统平台，系统登录界面如图5所示。该系统平台的主要设计功能有油气管道模型浏览、模型编辑、信息管理、行政管理等。平台系统主界面如图6所示。

图5 平台登录页面

通过BIM软件的二次开发，在平台中调用油气管道的BIM模型，可以实现对模型的三维可视化浏览；如果在模型中加入了时间和空间信息，还可以实现对项目的进度查询和4D模拟施工过程。另外，在平台系统中的设备和管道都有自己的数字标签，包含了管道的各种信息，例如管径、设计压力、壁厚、出厂编号、验收人员等；在模型中可视化浏览时选中即可显示，还可以导出数据。

图6 基于BIM的油气管道工程建设管理平台主页

4.3 BIM在油气管道中的应用

2018年3月，中俄东线项目部运用BIM技术，在管道施工阶段，绘制完成了整个施工过程的中俄东线（黑河-长岭）1～9标段单线的可视化模型[17]。BIM技术的应用解决该项目参建各方之间的信息传递与数据共享问题，它不仅满足业主，设计单位，IPMT，施工监理方对施工进度，资源和质量的统一管控过程的可视化要求，而且为项目全生命周期管理和中俄东线建设阶段的全数字移交奠定了基础。

另外，为提高油气管道站场设计质量和数字化建设水平，中国石油天然气分公司将BIM技术应用在哈沈项目的油气管道站场建设中，实现了站场建设过程中多专业施工图协同设计，站场建筑内部大型设备的安装需要厂家，设计和施工单位的密切配合，才能顺利的完成。其采用BIM技术模拟设备安装过程，提前控制安装风险，提高了安装质量。