目前國(guó)際上通常采用的LNG儲(chǔ)存方法是在沿海地區(qū)建設(shè)陸上接收站。
作為L(zhǎng)NG接收站的核心存儲(chǔ)容器, 大型LNG儲(chǔ)罐的建設(shè)投入占到整個(gè)接收站的三分之一左右。受存儲(chǔ)物質(zhì)的物理特性(儲(chǔ)存溫度小于-160 ℃)影響, 儲(chǔ)罐建設(shè)中的方案決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等過(guò)程都極為復(fù)雜[1, 2]。因此, 采用科學(xué)先進(jìn)的管理模式和技術(shù)對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐的整個(gè)生命周期至關(guān)重要。BIM(建筑信息模型Building Information Modeling , 簡(jiǎn)寫B(tài)IM)技術(shù)是目前在建筑領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出來(lái)的繼CAD之后又一具有劃時(shí)代意義的先進(jìn)管理模式[3, 4, 5, 6]。在大型LNG儲(chǔ)罐建造的過(guò)程中采用BIM技術(shù), 可以對(duì)LNG領(lǐng)域的發(fā)展起到巨大的改進(jìn)和提升作用。
1 BIM技術(shù)核心及應(yīng)用現(xiàn)狀BIM技術(shù)是在1995年底由國(guó)際互協(xié)作組織IAI(Industry Alliance for Interoperability)利用自主編制的IFC(Industry Foundation Classes)建筑信息共享標(biāo)準(zhǔn)而開(kāi)發(fā)的利用開(kāi)放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程主體進(jìn)行數(shù)字化形式表述模型[7, 8]。在開(kāi)創(chuàng)了土木工程領(lǐng)域工作全新技術(shù)理念的基礎(chǔ)上, 其目標(biāo)是在土木建筑全生命周期范圍內(nèi), 改變以往的工程專業(yè)協(xié)作模式、改善信息交流方式, 進(jìn)而提高效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本[9, 10]。該技術(shù)的最終目標(biāo)是將工程建設(shè)中的各相關(guān)方通過(guò)一對(duì)多的協(xié)作模式轉(zhuǎn)化為一對(duì)一的高效工作模式(圖1)。
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圖1 BIM技術(shù)最終目標(biāo)圖 |
BIM技術(shù)的核心在于其獨(dú)有的數(shù)據(jù)管理平臺(tái), 利用多種專業(yè)分析軟件聯(lián)合建立三維數(shù)字化信息模型(亦稱虛擬工程體), 涵蓋工程建筑體的全部信息, 即在工程體建設(shè)之前, 根據(jù)其實(shí)際的全部實(shí)施環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬的目標(biāo)。模型包含了工程體的方案設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工過(guò)程、材料信息、工藝技術(shù)、設(shè)備設(shè)施和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等工程體生命周期內(nèi)的全部詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。通過(guò)數(shù)據(jù)間的相互關(guān)聯(lián)和調(diào)用, 使這些數(shù)據(jù)信息形成一個(gè)有機(jī)整體, 從而實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方面的重要工作:①根據(jù)工程要求進(jìn)行建設(shè)方案優(yōu)選; ②對(duì)未知的所有可能的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判; ③通過(guò)信息共享和相互交叉調(diào)用, 使工程體建設(shè)過(guò)程中各個(gè)專業(yè)之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的更正和校驗(yàn), 避免了因合作溝通不善所引起的差錯(cuò)或誤解; ④控制工程進(jìn)度, 在可控范圍內(nèi)準(zhǔn)確把握, 讓各個(gè)施工隊(duì)伍在施工過(guò)程中密切配合; ⑤在工程體運(yùn)行、維護(hù)過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)整體的把握和控制。
通過(guò)使用BIM技術(shù), 可以使工程體所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)和相關(guān)專業(yè)實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)縫連接。
BIM技術(shù)在國(guó)外的建設(shè)工程項(xiàng)目中已經(jīng)取得了不俗的成果。在部分歐美國(guó)家, 使用BIM技術(shù)的在建工程數(shù)量甚至超過(guò)了采用傳統(tǒng)方法建設(shè)的數(shù)量。該技術(shù)在成熟的工程體系和框架下可以實(shí)現(xiàn)“ 規(guī)劃— 設(shè)計(jì)— 施工— 運(yùn)營(yíng)” 整個(gè)生命周期的應(yīng)用, 其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)能夠解決傳統(tǒng)工作中的諸多復(fù)雜問(wèn)題。
而B(niǎo)IM技術(shù)在我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。從2003年我國(guó)引入該技術(shù)至今, 僅在北京、上海和香港等地的一些標(biāo)志性建筑工程的設(shè)計(jì)階段有了一定的應(yīng)用, 但其在設(shè)計(jì)消耗和成本控制上, 都已經(jīng)顯現(xiàn)出了良好的效果和優(yōu)勢(shì)。
與常規(guī)建筑工程相比, 大型LNG儲(chǔ)罐的建造有特殊的工藝要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在大型LNG儲(chǔ)罐建設(shè)過(guò)程中, 需要勘察、土建、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、工藝和安全等相關(guān)專業(yè)相互配合。作為L(zhǎng)NG接收站的核心存儲(chǔ)設(shè)施, LNG儲(chǔ)罐要與接收站中的卸料系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)和氣化系統(tǒng)等聯(lián)合運(yùn)行。因此必須嚴(yán)格把握設(shè)計(jì)和施工過(guò)程, 才能保證接收站順利調(diào)試運(yùn)行。
目前, 國(guó)際上的大型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)通常采用較成熟的API標(biāo)準(zhǔn)、EN歐洲標(biāo)準(zhǔn), 或日韓標(biāo)準(zhǔn)等。對(duì)于具有較高危險(xiǎn)性的LNG產(chǎn)品存儲(chǔ), 在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)LNG特性做特殊的考慮和處理, 在施工過(guò)程必須嚴(yán)格控制容許偏差和材料使用。例如LNG全容儲(chǔ)罐, 其結(jié)構(gòu)密封性要求較高, 需采用內(nèi)、外罐兩層罐壁儲(chǔ)存結(jié)構(gòu); 內(nèi)罐需采用國(guó)際上廣泛使用的耐低溫鋼材(9%Ni鋼); 外罐采用雙層配筋的鋼筋混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu); 中間夾層中充填導(dǎo)熱系數(shù)較低的保溫材料。
LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)使用年限均在50年以上, 生命周期長(zhǎng)。因此, 在LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)過(guò)程中一般要考慮地震災(zāi)害的影響, 并做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng), 提高抗震能力。此外, 在儲(chǔ)罐操作運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)高頻率地進(jìn)行低溫LNG循環(huán)卸料和外輸, 在此過(guò)程中儲(chǔ)罐的管線系統(tǒng)將涉及復(fù)雜的人工和自動(dòng)化操控; 同時(shí)儲(chǔ)罐將經(jīng)歷高、低溫循環(huán)和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)變化等工況。此過(guò)程對(duì)儲(chǔ)罐整個(gè)生命周期的管理、操作控制和安全維護(hù)等有顯著的影響。
結(jié)合BIM技術(shù)特點(diǎn), 以及大型LNG儲(chǔ)罐工藝要求可以看出, BIM技術(shù)在大型LNG儲(chǔ)罐建造中的應(yīng)用可以極大地提高儲(chǔ)罐的建設(shè)和管理效率, 減少因工作失誤導(dǎo)致的返工和安全事故等問(wèn)題。
利用BIM技術(shù)可以在大型LNG儲(chǔ)罐的實(shí)體建造之前進(jìn)行虛擬工程設(shè)計(jì)。建立4D模型首先需要對(duì)罐體的3D建筑特征和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行完整的搭建; 同時(shí)對(duì)應(yīng)罐體所有組成結(jié)構(gòu)單元的詳細(xì)材料屬性、設(shè)計(jì)信息、采辦信息和施工方法等全部數(shù)據(jù)。在整個(gè)LNG儲(chǔ)罐工程的過(guò)程中, 其資源配置和工程進(jìn)度都是動(dòng)態(tài)變化的。嚴(yán)格按照施工工序進(jìn)行4D過(guò)程模擬, 可以對(duì)施工全過(guò)程有詳細(xì)的把握和控制, 從而對(duì)施工過(guò)程中可能發(fā)生的各種狀況進(jìn)行預(yù)判和提前計(jì)劃準(zhǔn)備, 極大地縮短工期、降低成本和提高質(zhì)量。其管理模式如表1所示。
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表1 BIM技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐生命周期中的應(yīng)用表 |
在大型LNG儲(chǔ)罐的生命周期內(nèi), 擁有大量的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和信息文件, 在目前傳統(tǒng)的管理模式下, 大量的報(bào)告、設(shè)計(jì)文件及相關(guān)說(shuō)明等資料都是通過(guò)2D的CAD設(shè)計(jì)和手工計(jì)算相結(jié)合的方法來(lái)完成。由于資料數(shù)量龐大、專業(yè)交叉錯(cuò)綜復(fù)雜, 使得文檔管理工作相當(dāng)繁重。BIM技術(shù)則能夠?qū)λ袛?shù)據(jù)信息進(jìn)行4D模式統(tǒng)一管理, 不但可以使全部數(shù)據(jù)完整地保存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi), 還可以根據(jù)各個(gè)資料文件的相互關(guān)系統(tǒng)一協(xié)調(diào)保存, 既節(jié)省人力資源又方便應(yīng)用。與此同時(shí), 數(shù)據(jù)信息對(duì)工程各相關(guān)方共享資料, 這樣可以促進(jìn)各方合作、加強(qiáng)相互監(jiān)督(圖2)。
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圖2 BIM技術(shù)中的信息共享模型圖 |
在利用BIM技術(shù)對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐的全部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)管理的過(guò)程中, 工程中各個(gè)交叉銜接作業(yè)的信息資料也是相互關(guān)聯(lián)和調(diào)用的。因此, 在工程的4D虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程中, 任意一個(gè)文件資料發(fā)生變更或調(diào)整, 其他相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息也會(huì)自動(dòng)發(fā)生改變, 不會(huì)出現(xiàn)人工處理數(shù)據(jù)資料時(shí), 因遺忘和疏忽而發(fā)生錯(cuò)誤的現(xiàn)象。這也會(huì)明顯地縮短工程評(píng)估和預(yù)算的時(shí)間, 并提高準(zhǔn)確性。并且通過(guò)關(guān)聯(lián)更新可使整個(gè)工程的數(shù)據(jù)信息始終保持最新?tīng)顟B(tài)。
當(dāng)大型LNG儲(chǔ)罐的虛擬工程體設(shè)計(jì)并建模完成以后, 利用BIM技術(shù)并結(jié)合相關(guān)工程分析方法, 可進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)工程體的高級(jí)分析, 如對(duì)LNG儲(chǔ)罐的保冷性能、節(jié)能環(huán)保性能和安全運(yùn)營(yíng)周期等進(jìn)行分析。所以, 可以借此對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益做出較為準(zhǔn)確和全面的評(píng)價(jià)。
BIM技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了工程項(xiàng)目管理的新模式, 但在當(dāng)下的社會(huì)環(huán)境、法制健全程度及人們的習(xí)慣性思維方式束縛下, BIM技術(shù)的深入發(fā)展乃至推廣應(yīng)用還有較多的限制[11, 12]。
LNG儲(chǔ)罐的建設(shè)工藝非常繁瑣, 尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的全容儲(chǔ)罐更為突出。目前在國(guó)際上, 相關(guān)核心技術(shù)主要掌握在幾個(gè)從事LNG業(yè)務(wù)較早的企業(yè)手中, 如CBI、TGE、IHI等; 在國(guó)內(nèi), 已有幾家能源公司的技術(shù)部門掌握了LNG儲(chǔ)罐建造的核心技術(shù)。但各個(gè)公司之間都相對(duì)獨(dú)立, 很難實(shí)現(xiàn)信息共享, 這就使得該項(xiàng)技術(shù)在工程建設(shè)中很難讓其他公司很好地掌握, 因此就不能通過(guò)有效而又密切的配合來(lái)完成LNG儲(chǔ)罐的建設(shè), 并在此基礎(chǔ)上對(duì)該項(xiàng)技術(shù)不斷地完善和創(chuàng)新。
BIM技術(shù)的目標(biāo)就是工程的各個(gè)參建方能夠?qū)崿F(xiàn)信息完全共享并相互配合搭建一個(gè)完整的4D全模型。但受到知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等一系列條件的制約, 在當(dāng)前環(huán)境下, 很難將LNG儲(chǔ)罐建設(shè)時(shí), 使用BIM技術(shù)牽涉到的利益問(wèn)題全部妥善解決。
BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ), 就是整個(gè)工程體的4D全模型必須在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系下進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前建模方法中較為領(lǐng)先的是“ 分布式” BIM模型, 該方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可能需要的模型包括:設(shè)計(jì)模型、施工模型、進(jìn)度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。要求所有的模型必須遵從統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn), 才能實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的統(tǒng)一控制和管理。這在目前的LNG儲(chǔ)罐建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)還是一個(gè)難題, 仍需要行業(yè)內(nèi)從業(yè)者共同努力建立一個(gè)通用、可靠的規(guī)范。
在LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:①模型的標(biāo)準(zhǔn)化, 如材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)等; ②模型數(shù)據(jù)管理的標(biāo)準(zhǔn)化, 涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的管理、相互調(diào)用等。
BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)現(xiàn)代的信息管理技術(shù), 采用虛擬的方法來(lái)解決以往工程中某些無(wú)法預(yù)見(jiàn)的工程問(wèn)題, 以及某些人為因素所引起的繁瑣工作和操作疏漏。通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)在大型LNG儲(chǔ)罐生命周期的應(yīng)用分析可見(jiàn), 如果能夠在未來(lái)的LNG領(lǐng)域中充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì), 將極大地改善大型LNG儲(chǔ)罐建設(shè)的效率、質(zhì)量和成本控制, 并對(duì)后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)有明顯的幫助。同理, 通過(guò)統(tǒng)籌規(guī)劃和科學(xué)管理, BIM技術(shù)可以進(jìn)一步推廣到整個(gè)LNG接收站的模塊化建設(shè)之中, 則將極大地促進(jìn)LNG產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。
目前, 國(guó)內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)的自主化進(jìn)程已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展, 但要將BIM技術(shù)引入到LNG儲(chǔ)罐的建設(shè)中并全面實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用, 還需在如下幾個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān):
1)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一:基于LNG儲(chǔ)罐建造核心技術(shù), 建立統(tǒng)一的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn), 實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)各個(gè)相關(guān)專業(yè)在同一平臺(tái)上的技術(shù)對(duì)接。
2)技術(shù)同步:BIM技術(shù)的特點(diǎn)要求任何一個(gè)工程體的實(shí)施, 都不再是一兩個(gè)應(yīng)用軟件所能夠獨(dú)立完成的工作, 而是需要多種專業(yè)軟件協(xié)調(diào)應(yīng)用, 最終將計(jì)算分析成果在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下集成到BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)中, 實(shí)現(xiàn)一體化應(yīng)用。
3)知識(shí)產(chǎn)權(quán):在各個(gè)相關(guān)專業(yè)協(xié)同工作的過(guò)程中, 必將涉及各個(gè)參與部門的專利技術(shù), 與此同時(shí)還會(huì)有大量的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn), 因此需要建立健全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系, 最終才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)公開(kāi)應(yīng)用、效益最大化。
The authors have declared that no competing interests exist.
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