目前國際上通常采用的LNG儲存方法是在沿海地區建設陸上接收站。
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BIM)技術是目前在建筑領域開發出來的繼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領域的發展起到巨大的改進和提升作用。
1 BIM技術核心及應用現狀BIM技術是在1995年底由國際互協作組織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的利用開放的行業標準對工程主體進行數字化形式表述模型[7, 8]。在開創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協作模式、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據管理平臺, 利用多種專業分析軟件聯合建立三維數字化信息模型(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節實現一個虛擬的目標。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據信息。通過數據間的相互關聯和調用, 使這些數據信息形成一個有機整體, 從而實現幾個方面的重要工作:①根據工程要求進行建設方案優選; 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之間實現實時的更正和校驗, 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節和相關專業實現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技術的在建工程數量甚至超過了采用傳統方法建設的數量。該技術在成熟的工程體系和框架下可以實現“ 規劃— 設計— 施工— 運營” 整個生命周期的應用, 其優勢特點能夠解決傳統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, 都已經顯現出了良好的效果和優勢。
與常規建筑工程相比, 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、外輸系統和氣化系統等聯合運行。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循環卸料和外輸, 在此過程中儲罐的管線系統將涉及復雜的人工和自動化操控; 同時儲罐將經歷高、低溫循環和應力應變循環變化等工況。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, 擁有大量的設計數據和信息文件, 在目前傳統的管理模式下, 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。由于資料數量龐大、專業交叉錯綜復雜, 使得文檔管理工作相當繁重。BIM技術則能夠對所有數據信息進行4D模式統一管理, 不但可以使全部數據完整地保存在一個數據庫內, 還可以根據各個資料文件的相互關系統一協調保存, 既節省人力資源又方便應用。與此同時, 數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儲罐的全部數據信息進行存儲管理的過程中, 工程中各個交叉銜接作業的信息資料也是相互關聯和調用的。因此, 在工程的4D虛擬設計過程中, 任意一個文件資料發生變更或調整, 其他相關聯的數據信息也會自動發生改變, 不會出現人工處理數據資料時, 因遺忘和疏忽而發生錯誤的現象。這也會明顯地縮短工程評估和預算的時間, 并提高準確性。并且通過關聯更新可使整個工程的數據信息始終保持最新狀態。
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、節能環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技術開創了工程項目管理的新模式, 但在當下的社會環境、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業務較早的企業手中, 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新。
BIM技術的目標就是工程的各個參建方能夠實現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技術實現的重要基礎, 就是整個工程體的4D全模型必須在統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一的建模標準, 才能實現全部數據的統一控制和管理。這在目前的LNG儲罐建設領域內還是一個難題, 仍需要行業內從業者共同努力建立一個通用、可靠的規范。
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模型數據管理的標準化, 涉及數據結構和數據的管理、相互調用等。
BIM技術的優勢在于能夠通過現代的信息管理技術, 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, 通過統籌規劃和科學管理, 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產業技術的發展和進步。
目前, 國內LNG產業的自主化進程已經取得了長足的發展, 但要將BIM技術引入到LNG儲罐的建設中并全面實現工程化應用, 還需在如下幾個方面進行攻關:
1)標準統一:基于LNG儲罐建造核心技術, 建立統一的工程建設標準, 實現行業內各個相關專業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, 而是需要多種專業軟件協調應用, 最終將計算分析成果在同一個標準下集成到BIM信息數據庫中, 實現一體化應用。
3)知識產權:在各個相關專業協同工作的過程中, 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新成果不斷涌現, 因此需要建立健全的知識產權保護體系, 最終才能實現技術公開應用、效益最大化。
The authors have declared that no competing interests exist.
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