目前國際上通常采用的LNG儲存方法是在沿海地區(qū)建設陸上接收站。
作為LNG接收站的核心存儲容器, 大型LNG儲罐的建設投入占到整個接收站的三分之一左右。受存儲物質的物理特性(儲存溫度小于-160 ℃)影響, 儲罐建設中的方案決策、結構設計、施工建造和運營維護等過程都極為復雜[1, 2]。因此, 采用科學先進的管理模式和技術對大型LNG儲罐的整個生命周期至關重要。BIM(建筑信息模型Building Information Modeling , 簡寫B(tài)IM)技術是目前在建筑領域開發(fā)出來的繼CAD之后又一具有劃時代意義的先進管理模式[3, 4, 5, 6]。在大型LNG儲罐建造的過程中采用BIM技術, 可以對LNG領域的發(fā)展起到巨大的改進和提升作用。
1 BIM技術核心及應用現(xiàn)狀BIM技術是在1995年底由國際互協(xié)作組織IAI(Industry Alliance for Interoperability)利用自主編制的IFC(Industry Foundation Classes)建筑信息共享標準而開發(fā)的利用開放的行業(yè)標準對工程主體進行數(shù)字化形式表述模型[7, 8]。在開創(chuàng)了土木工程領域工作全新技術理念的基礎上, 其目標是在土木建筑全生命周期范圍內, 改變以往的工程專業(yè)協(xié)作模式、改善信息交流方式, 進而提高效率和質量、降低生產成本[9, 10]。該技術的最終目標是將工程建設中的各相關方通過一對多的協(xié)作模式轉化為一對一的高效工作模式(圖1)。
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圖1 BIM技術最終目標圖 |
BIM技術的核心在于其獨有的數(shù)據管理平臺, 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, 即在工程體建設之前, 根據其實際的全部實施環(huán)節(jié)實現(xiàn)一個虛擬的目標。模型包含了工程體的方案設計、建筑設計、結構設計、施工過程、材料信息、工藝技術、設備設施和運營維護等工程體生命周期內的全部詳細數(shù)據信息。通過數(shù)據間的相互關聯(lián)和調用, 使這些數(shù)據信息形成一個有機整體, 從而實現(xiàn)幾個方面的重要工作:①根據工程要求進行建設方案優(yōu)選; ②對未知的所有可能的建設風險進行預判; ③通過信息共享和相互交叉調用, 使工程體建設過程中各個專業(yè)之間實現(xiàn)實時的更正和校驗, 避免了因合作溝通不善所引起的差錯或誤解; ④控制工程進度, 在可控范圍內準確把握, 讓各個施工隊伍在施工過程中密切配合; ⑤在工程體運行、維護過程中能夠實現(xiàn)整體的把握和控制。
通過使用BIM技術, 可以使工程體所涉及的各個環(huán)節(jié)和相關專業(yè)實現(xiàn)真正意義上的無縫連接。
BIM技術在國外的建設工程項目中已經取得了不俗的成果。在部分歐美國家, 使用BIM技術的在建工程數(shù)量甚至超過了采用傳統(tǒng)方法建設的數(shù)量。該技術在成熟的工程體系和框架下可以實現(xiàn)“ 規(guī)劃— 設計— 施工— 運營” 整個生命周期的應用, 其優(yōu)勢特點能夠解決傳統(tǒng)工作中的諸多復雜問題。
而BIM技術在我國工程建設領域的應用還處于起步階段。從2003年我國引入該技術至今, 僅在北京、上海和香港等地的一些標志性建筑工程的設計階段有了一定的應用, 但其在設計消耗和成本控制上, 都已經顯現(xiàn)出了良好的效果和優(yōu)勢。
與常規(guī)建筑工程相比, 大型LNG儲罐的建造有特殊的工藝要求和設計標準。在大型LNG儲罐建設過程中, 需要勘察、土建、結構、設備、工藝和安全等相關專業(yè)相互配合。作為LNG接收站的核心存儲設施, LNG儲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)合運行。因此必須嚴格把握設計和施工過程, 才能保證接收站順利調試運行。
目前, 國際上的大型LNG儲罐設計通常采用較成熟的API標準、EN歐洲標準, 或日韓標準等。對于具有較高危險性的LNG產品存儲, 在儲罐設計時需要根據LNG特性做特殊的考慮和處理, 在施工過程必須嚴格控制容許偏差和材料使用。例如LNG全容儲罐, 其結構密封性要求較高, 需采用內、外罐兩層罐壁儲存結構; 內罐需采用國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結構; 中間夾層中充填導熱系數(shù)較低的保溫材料。
LNG儲罐的設計使用年限均在50年以上, 生命周期長。因此, 在LNG儲罐的設計過程中一般要考慮地震災害的影響, 并做出相應的結構加強, 提高抗震能力。此外, 在儲罐操作運行的過程中會高頻率地進行低溫LNG循環(huán)卸料和外輸, 在此過程中儲罐的管線系統(tǒng)將涉及復雜的人工和自動化操控; 同時儲罐將經歷高、低溫循環(huán)和應力應變循環(huán)變化等工況。此過程對儲罐整個生命周期的管理、操作控制和安全維護等有顯著的影響。
結合BIM技術特點, 以及大型LNG儲罐工藝要求可以看出, BIM技術在大型LNG儲罐建造中的應用可以極大地提高儲罐的建設和管理效率, 減少因工作失誤導致的返工和安全事故等問題。
利用BIM技術可以在大型LNG儲罐的實體建造之前進行虛擬工程設計。建立4D模型首先需要對罐體的3D建筑特征和結構設計進行完整的搭建; 同時對應罐體所有組成結構單元的詳細材料屬性、設計信息、采辦信息和施工方法等全部數(shù)據。在整個LNG儲罐工程的過程中, 其資源配置和工程進度都是動態(tài)變化的。嚴格按照施工工序進行4D過程模擬, 可以對施工全過程有詳細的把握和控制, 從而對施工過程中可能發(fā)生的各種狀況進行預判和提前計劃準備, 極大地縮短工期、降低成本和提高質量。其管理模式如表1所示。
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表1 BIM技術在LNG儲罐生命周期中的應用表 |
在大型LNG儲罐的生命周期內, 擁有大量的設計數(shù)據和信息文件, 在目前傳統(tǒng)的管理模式下, 大量的報告、設計文件及相關說明等資料都是通過2D的CAD設計和手工計算相結合的方法來完成。由于資料數(shù)量龐大、專業(yè)交叉錯綜復雜, 使得文檔管理工作相當繁重。BIM技術則能夠對所有數(shù)據信息進行4D模式統(tǒng)一管理, 不但可以使全部數(shù)據完整地保存在一個數(shù)據庫內, 還可以根據各個資料文件的相互關系統(tǒng)一協(xié)調保存, 既節(jié)省人力資源又方便應用。與此同時, 數(shù)據信息對工程各相關方共享資料, 這樣可以促進各方合作、加強相互監(jiān)督(圖2)。
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圖2 BIM技術中的信息共享模型圖 |
在利用BIM技術對大型LNG儲罐的全部數(shù)據信息進行存儲管理的過程中, 工程中各個交叉銜接作業(yè)的信息資料也是相互關聯(lián)和調用的。因此, 在工程的4D虛擬設計過程中, 任意一個文件資料發(fā)生變更或調整, 其他相關聯(lián)的數(shù)據信息也會自動發(fā)生改變, 不會出現(xiàn)人工處理數(shù)據資料時, 因遺忘和疏忽而發(fā)生錯誤的現(xiàn)象。這也會明顯地縮短工程評估和預算的時間, 并提高準確性。并且通過關聯(lián)更新可使整個工程的數(shù)據信息始終保持最新狀態(tài)。
當大型LNG儲罐的虛擬工程體設計并建模完成以后, 利用BIM技術并結合相關工程分析方法, 可進一步開展對工程體的高級分析, 如對LNG儲罐的保冷性能、節(jié)能環(huán)保性能和安全運營周期等進行分析。所以, 可以借此對大型LNG儲罐的長期運營經濟效益和社會效益做出較為準確和全面的評價。
BIM技術開創(chuàng)了工程項目管理的新模式, 但在當下的社會環(huán)境、法制健全程度及人們的習慣性思維方式束縛下, BIM技術的深入發(fā)展乃至推廣應用還有較多的限制[11, 12]。
LNG儲罐的建設工藝非常繁瑣, 尤其是結構復雜的全容儲罐更為突出。目前在國際上, 相關核心技術主要掌握在幾個從事LNG業(yè)務較早的企業(yè)手中, 如CBI、TGE、IHI等; 在國內, 已有幾家能源公司的技術部門掌握了LNG儲罐建造的核心技術。但各個公司之間都相對獨立, 很難實現(xiàn)信息共享, 這就使得該項技術在工程建設中很難讓其他公司很好地掌握, 因此就不能通過有效而又密切的配合來完成LNG儲罐的建設, 并在此基礎上對該項技術不斷地完善和創(chuàng)新。
BIM技術的目標就是工程的各個參建方能夠實現(xiàn)信息完全共享并相互配合搭建一個完整的4D全模型。但受到知識產權保護等一系列條件的制約, 在當前環(huán)境下, 很難將LNG儲罐建設時, 使用BIM技術牽涉到的利益問題全部妥善解決。
BIM技術實現(xiàn)的重要基礎, 就是整個工程體的4D全模型必須在統(tǒng)一的標準體系下進行設計。目前建模方法中較為領先的是“ 分布式” BIM模型, 該方法實現(xiàn)目標可能需要的模型包括:設計模型、施工模型、進度模型、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)一的建模標準, 才能實現(xiàn)全部數(shù)據的統(tǒng)一控制和管理。這在目前的LNG儲罐建設領域內還是一個難題, 仍需要行業(yè)內從業(yè)者共同努力建立一個通用、可靠的規(guī)范。
在LNG儲罐建設中的BIM技術標準化主要包括兩個方面的內容:①模型的標準化, 如材料標準、設計標準和施工標準等; ②模型數(shù)據管理的標準化, 涉及數(shù)據結構和數(shù)據的管理、相互調用等。
BIM技術的優(yōu)勢在于能夠通過現(xiàn)代的信息管理技術, 采用虛擬的方法來解決以往工程中某些無法預見的工程問題, 以及某些人為因素所引起的繁瑣工作和操作疏漏。通過對BIM技術在大型LNG儲罐生命周期的應用分析可見, 如果能夠在未來的LNG領域中充分利用BIM技術的優(yōu)勢, 將極大地改善大型LNG儲罐建設的效率、質量和成本控制, 并對后期的運營維護有明顯的幫助。同理, 通過統(tǒng)籌規(guī)劃和科學管理, BIM技術可以進一步推廣到整個LNG接收站的模塊化建設之中, 則將極大地促進LNG產業(yè)技術的發(fā)展和進步。
目前, 國內LNG產業(yè)的自主化進程已經取得了長足的發(fā)展, 但要將BIM技術引入到LNG儲罐的建設中并全面實現(xiàn)工程化應用, 還需在如下幾個方面進行攻關:
1)標準統(tǒng)一:基于LNG儲罐建造核心技術, 建立統(tǒng)一的工程建設標準, 實現(xiàn)行業(yè)內各個相關專業(yè)在同一平臺上的技術對接。
2)技術同步:BIM技術的特點要求任何一個工程體的實施, 都不再是一兩個應用軟件所能夠獨立完成的工作, 而是需要多種專業(yè)軟件協(xié)調應用, 最終將計算分析成果在同一個標準下集成到BIM信息數(shù)據庫中, 實現(xiàn)一體化應用。
3)知識產權:在各個相關專業(yè)協(xié)同工作的過程中, 必將涉及各個參與部門的專利技術, 與此同時還會有大量的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn), 因此需要建立健全的知識產權保護體系, 最終才能實現(xiàn)技術公開應用、效益最大化。
The authors have declared that no competing interests exist.
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