核电钢结构智能化建造和数字化交付研究

摘 要：近年来，我国核电建造迅猛发展，不仅国内遍地开花，同时已经搭船出海，进入国际市场。文章主要基于核电站中的钢结构建造方面分析从设计—深化—制作—运输—安装—验收—审计结算—后期维护等全过程中如何推动智能化建造和数字化成果交付。钢结构的预制生产主要是借助Tekla软件及相关辅助设备提高深化设计能力，建立核电堆型的智能化节点库，三维扫描设备，模型数据与焊接机器人相结合，提高车间的自动化焊接程度，最终实现核电产品数字化交付的目的。

关键词：智能化建造；数字化交付；TEKLA软件；信息共享平台

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）16-0178-05

Research on Intelligent Construction and Digital Delivery of Nuclear Power Steel Structure

Abstract： In recent years， Chinese nuclear power construction has developed rapidly， not only everywhere in the country， but also has taken a ship to sea and entered the international market. Based on the steel structure construction in nuclear power plant， this paper mainly analyzes how to promote intelligent construction and digital results delivery in the whole process of design-deepening-production-transportation-installation-acceptance-audit and settlement-late maintenance. The prefabrication of steel structure mainly relies on Tekla software and related auxiliary equipment to improve the deepening design ability， and it establishes the intelligent node library of nuclear power type， three-dimensional scanning equipment， model data and welding robots to combine， improves the automatic welding degree of the workshop， and finally achieves the purpose of digital delivery of nuclear power products.

Keywords： intelligent construction; digital delivery; TEKLA software; information sharing platform

0 引 言

核能发电经历70余年发展已经成为世界重要的低碳电力供应来源，截至目前，全球有400多台核电机组正在运行[1]。我国大陆核电发展始于1970年，如今已成为运行规模世界第三，在建世界第一的核电大国，2021年的《政府工作报告》中明确指出：在确保安全的前提下积极有序发展核电，这表明核电在未来能源结构中要发挥更大作用，在碳减排和碳中和中要承担更大责任，随着技术的发展和革新，核电建造正在向着智能化、数字化进程发展[2-4]。

据《工业互联网创新发展报告（2023年）》显示，目前，全国已累计建成数字化车间近8 000个，涵盖了钢铁、石化、汽车、电子、装备等多个行业。这些数字化车间结合先进的信息技术、三维建模技术，实现了产品生产的可视化和智能化，大大提高了企业的生产效率和产品质量[3-4]。通过将传统车间进行数字化改造，可以提高生产效率、缩短生产周期，降低生产成本。而智能工厂则通过引入先进的智能设备和机器人，实现生产过程的自动化和智能化，从而提高产品质量、降低劳动强度，满足市场对个性化产品的需求[5-10]。

1 核电钢结构发展方向

随着核电站的高速发展，国内建筑行业劳务工人的紧张，煤炭、石油、天然气等资源的减少，核电建造的智能化和数字化趋势势在必行。民用建筑的智能化建造已经取得很大的成就。核电站建造中也有多家单位实现智慧工地的建造[11-12]，在后续的核电站建造中将更多地从施工安全、质量、进度、数据、环境五个方面推进智能化管理。

1.1 进一步完善信息化基础平台

通过信息化平台基础，将关于安全、质量、进度、数据、环境等方面的数据加载到信息化平台上，让更多的管理人员看到相关数据，做到人人参与，各司其职。

1.2 进一步开发TEKLA软件的相关功能

目前使用较多的是在三维建模和加工图纸的转换上，后续将进一步开发其他功能，加载设计软件的相关特性，让设计一步到位，研制智能化节点库，让软件自动识别构件，直接选择相适应的螺栓、焊缝等节点参数，节省设计图转化深化图的步骤，设计一步到位。

1.3 进一步加强智能化安全管理

以摄像机视觉角度+基础信息平台物联网组合，将生产信息、智能化生产设备联动，信息互传，方便管理人员对车间生产安全的实时监控，实现安全生产的透明化，打造监控—预警—处置—评价闭环的智能化安全管理。

1.4 进一步提升质量和健康环境的可视化管理

由于钢结构生产车间中涉及的特殊工种、工作环境、机器设备较多，监管难度大，在生产过程中管理人员对质量的把控难度较大，可以进一步加强对生产全过程中各个质量关键点的刷脸监控，采用人脸识别、工人定位、区块链（特殊的数据库技术，任何人都可以添加信息，但不能修改或删除，分散地存在于整个网络的各个计算机中）等技术，将责任落实到每个工人，质量检验到每个螺栓、每条焊缝，提高质量资料的真实可靠性和追溯性。

1.5 进一步完善数字化成果的汇总和整理

核电建造工期较长，形成的资料较多，在做竣工资料时候需要耗费大量的人力进行资料整理，通过过程中的电子数据的整理和存档，将大大提高文档归档效率。但是目前核电站竣工验收时仍然以纸质资料居多，这就需要建造单位在生产和建造过程进一步地完善数字化成果，注重数字资料的收集和归档，提高业主单位对数字化成果的认可度和信任度，逐渐实现数字化成果交付的目的。

2 核电站钢结构智能化建造和数字化交付情况

目前在核电站钢结构的建造过程中已经引入大量的先进技术和设备，比如模块化设计、整体吊装技术、自动切割设备、焊接机器人等，正在朝着自动化、数字化和智能化的方向发展。谈到钢结构的预制加工，就不得不提及TEKLA软件，目前国内在建核电站的钢结构产品基本在使用TEKLA软件，因其强大的功能和较成熟的软件操作，为核电建造的智能化成果的数字化交付起到较大的影响作用。

2.1 Tekla三维模型的应用

在引入TEKLA软件之前，传统的核电钢结构放样都是通过CAD二维图纸进行，需要技术人员有较强的钢结构专业知识及空间想象力，对不同的构件之间的碰撞无法提前避免，造成较多的返工。核电站中的钢结构一般结构形式复杂，精度要求高，与其他结构紧密相连，施工时也会存在同时进行的情况，通过引入Tekla软件，建立三维模型如图1所示，大大提高了产品的正确性，直观性。

钢结构的数字化交付是指建造一座数字孪生的钢结构建筑，能够将结构中的三维模型、数据，竣工资料及所有与结构有关的东西以数据的形式存储，如图1所示。三维模型按照1：1的比例与实体结构相同的数字化结构，可以通过三维模型调取结构中的零件材质、尺寸、构件信息、焊缝信息等相关数据，便于资源统筹管理、成本控制。形成的数据及文档资料可以用于竣工资料的验收和过程资料的检查，极大地降低了纸质材料的制作和查阅，提高验收的效率。

TEKLA软件主要从设计和深化两个方面最有效地管理制作。核电堆型及其辅助结构的钢结构建筑95%以上采用的是TEKLA软件。通过三维建模可以提前发现设计图纸中的碰撞和错误，同时能够用于投标演示及技术交底，能够较为直观地展示结构的内部细节；钢结构预制加工离不开加工图纸，根据设计图纸进行翻样易出现错误，时间成本也较高，TEKLA软件三维模型建好之后，能够生成零件图、构件图、布置图等图纸文件，并且可以生成报告、料表等功能可以避免人工识图的错误，提高加工效率，避免下料过程中的返工，节省时间，可将生产准备时间缩短30%以上。

2.2 提高钢结构生产线的智能化

核电站结构中有大量的钢结构，任何钢结构生产制造都离不开图纸和焊接设备。传统的钢结构预制往往需要先独立成型下料，再进行组对焊接，矫正，过程中会耗费大量的人力和材料，并且生产效率比较低。越来越多的钢结构预制厂家引入自动生产线来提高生产效率和产品质量。包括各种自动化设备和智能化系统，TEKLA软件生成的NC文件与西格玛自动下料软件的结合，就可以大大提高钢材零件的下料速度，通过合理排版，如图2所示，能够大大降低钢材的浪费，减少废品和损耗，提高钢材利用率，进一步降低成本。

2.3 Tekla模型与自动化切割设备、焊接机器人的配合使用

若要提高钢结构车间的自动化水平，自动化切割设备和焊接机器人的使用是必不可少的。TEKLA软件构建三维模型如图3所示，可以生成NC文件与大部分的智能激光切割系统无缝对接，根据NC文件进行智能排版，直接读取、标识材料厚度、数量等零件信息，大大减少了钢材的浪费，优化提升材料利用率。随着焊接机器人的使用和推广，核电站内部钢结构中复杂节点，通过设定焊接路径，焊接工艺参数等可以较好地完成焊接任务，大大降低了人工成本的投入。TEKLA软件的三维模型可以通过投影的方式，投射到需要加工的构件上，焊接机器人可以通过识别图纸线条从而确定行走路径，可以大大提高焊接机器人的编程时间，能够更好地完成焊接工作。

2.4 Tekla模型与三维扫描设备的配合使用

三维扫描建模，主要通过激光或光学扫描设备，获取实物表面的形状和纹理信息等三维数据，并自动转化为数字化的三维模型。三维激光扫描技术是20世纪90年代中期开始出现的，可以通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，为快速建立物体的三维影像提供了全新的技术手段。通过直接获取数字信号采集的数据，与TEKLA软件有很好的共享性，两者配合使用能够较快地搭建三维模型，将实体建筑还原成三维模型，如图4所示，方便后台的监测，为数字化模型交付提供支持。

2.5 三维模型与信息化系统的配合使用

在核电钢结构的预制过程中存在着各种零件构件种类较多、各工种人员复杂、统筹管理难度高，以及监控工具散、管控难度高、生产流程危险高、安全要求高等问题。生产流程可视化应用，系统可以将生产作业的全过程通过三维可视化技术实现较好展现，将数据信息、加工设备、钢材原料等同步模拟展示，后台管理人员可以根据这些数据反馈分析各个流程的时间、成本投入，从而更好地优化工作流程，将生产效率达到最大化。TEKLA软件可以提供钢结构构件的三维模型，通过颜色的变化展示哪些零件已经加工，哪些零件已经安装，从而便于后台对进度和质量管理的把控。

2.6 提高钢结构车间的信息化程度

以数控加代码的方式，将信息化管理系统配套TEKLA三维建模软件，创建零件的输入数据，以数据信息控制设备，收集、提取、优化车间管理数据，从资源投入、安全生产、质量检验等方面对钢结构的生产加工进行全过程记录，从而在生产初期制定成本、进度计划，采用信息码预警、APP等手段，实现多维度地管理钢结构生产作业，如图5所示。

2.7 提高钢结建造成果的数字化交付

三维扫描RTK（Real-time kinematic）载波相位差分技术与SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）算法相结合的应用，可以对已建结构进行扫描，然后获取高精度矢量化三维激光点云模型、带有坐标位置和姿态的图像数据以及轨迹点数据。将这些数据与TEKLE软件对接，可以快速地将实体结构转化为数字化模型，便于后台人员观测和检验，安装、验收、竣工资料的整理等数字化成果交付。

3 结 论

在核电站的建设过程中，设计图纸、材料采购、构件预制、加工、安装等过程信息以数据的形式存储下来，在工程竣工时将这些数据打包交付给业主。通过数字化交付的形式，建设单位可以根据一个完成的核电站相关资料进行复盘总结，优化自己的设计、施工思路，在后续的建造过程中能够更加安全经济地完成建造。同时，业主单位接收到这些数据后，能够更好地了解建造过程，对每个环节更好地掌控，对后期核电站的运行和维护能够更加快速准确了解结构情况，减少了资料翻阅和相关人员的责任追查的时间。

核电站在建设过程中，通过基于IE浏览器的协作平台，信息共享平台来实现设计进度、采购进度，生产进度等各方面的可视化模拟，能够自动获取相关的数据，并将这些数据与运维数据相关联，形成以位号和三维模型为索引的大数据中心，在此基础上加入各种智能化的工艺和设备数据，可以有效地提高生产效率，施工生产的安全性和可靠性，节省人力和时间成本，资源使用率达到最经济化。

经过四十余年的核电研究和建造过程，我国的核电技术已经处于世界领先水平，拥有自主知识产权的三代核电机组“华龙一号”不仅在巴基斯坦落户，也打入了英国等老牌的核电强国市场，成为新基建的搭船出海的首张牌，到2030年，我国平均每年需新开工建设的百万级核电机组达8台左右。核电前景广阔，整个核电建造过程，从设计到生产到运行，每个细小的环节都有智能化的需求和数字化的成果，进一步地提升核电建造智能化和数字化建造将成为核电企业高质量发展的助推器，推动核电事业向着更安全更高效的发展方向前进。

参考文献：

[1] 陈启斐，严景，叶迪，等.核工业发展与全球供应链长度 [J/OL].经济学报：1-29（2024-01-16）.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1175.f.20240112.1625.002.html.

[2] 乔凯，韩磊，郭一鹏，等.钢桁架桥顶推施工数字化模拟安全预测技术 [J].施工技术：中英文，2023，52（20）：56-60.

[3] 卢昱杰，卢家辉，王硕等.新型建筑工业化视角下集成数字交付理论体系构建 [J].清华大学学报：自然科学版，2024，64（2）：214-223.

[4] 积极安全有序发展核电[N].经济日报，2023-06-07（11）.

[5] 李敏，曹杰，周玉东等.核电站双腹吊车梁焊接工艺仿真数值模拟研究 [J].现代信息科技，2023，7（7）：105-110+116.

[6] 刘红波，刘学山，周婷等.BIM技术研究进展与应用 [C]//第二十二届全国现代结构工程学术研讨会论文集.天津：[出版者不详]，2022：6.

[7] 曹杰，邓克剑，李敏等.核电站钢结构焊接仿真模拟进展分析 [J].山西冶金，2023，46（4）：76-78.

[8] 王帅，黄越辉，聂元弘，等.基于生产模拟的受端电网新能源发展场景研究 [J].中国电力，2024，57（5）：240-250.

[9] LIU Z W，LU Y J，SHEN M，et al. Transition from Building Information Modeling （BIM） to Integrated Digital Delivery （IDD） in Sustainable Building Management： A Knowledge Discovery Approach based Review [J/OL].Journal of Cleaner Production，2021，291：125223（2021-02-25）https：//doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125223.

[10] 贺晓，金鉴，程序等.轻钢模块化数据中心智能化建造技术现状和思考 [J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2022，54（4）：625-632.

[11] 姚刚.基于BIM的工业化住宅协同设计的关键要素与整合应用研究 [D].南京：东南大学，2017.

[12] 干申启.工业化住宅建筑可维护更新技术与应用 [M].南京：东南大学出版社，2021.