基于先進核電工程的數字化建造技術應用經驗，主要從施工邏輯分析、施工工藝模擬、施工方案論證、管線綜合設 計、質量安全管理、可視化技術交底、災害應急模擬等方面，闡述以建筑信息模型( BIM) 技術為核心的數字化建造技術在先進核電工程中的應用，在可視化、協同性、模擬性、信息集成性等方面具有傳統工作模式不可比擬的優越性。
先進核電工程普遍有超高系數質量安全要求，超大體積異型構件模塊化施工的技術要求。加上當前經濟和社會形勢下，核電業主對工程質量、成本和服務的要求也越來越高， 需要核電建造單位的技術能力、項目管理模式和能力有根本性的提升。而數字化建造技術的出現，衍生出新一代信息技術與核電工程建造融合的項目管理模式，在實現工程建造要素資源數字化的基礎上，通過規范化建模、網絡化交互、可視化認知、高性能計算、科學決策支持等，實現數字鏈驅動下的高效率協同工作。以建筑信息模型為核心數據的數字化建造技術近十年來在國內得到迅速發展，尤其在“高、精、尖、特、難”工程中有著顯著的應用效果。利用數字化建造技術開展虛擬建造，把三維模型、施工信息、成本信息等數據集成在一起，為堆型固化、批量化建設先進核電奠定堅實基礎，提升核電建造階段信息化管理手段，從源頭上確保了核安全和核質量。
一、數字化建造的模擬性
( 一) 施工工藝、邏輯、方案等模擬。
傳統核電工程嚴格區分土建、安裝專業，界限明確，依據先土建后安裝的施工邏 輯開展各項工序建設，對施工工藝方案、施工進度邏輯等推 演存在極大的困難。數字化建造技術的出現，通過建立科學 合理的 WBS 編碼，根據項目分層分段方案將核電工程進行逐級分解，從最小施工單元采集工程數據，復合項目施工進 度計劃、施工方案等信息，建立工藝模型，組織相關工程師進 行模型驗證，驗證通過后可制作工藝模擬、可視化技術交底、 施工進度邏輯優化等成果[2]。在核電工程中，尤其針對重點 復雜部位施工采用簡易模擬軟件、等比例模擬件或者多方座 談、復合疊圖等方式進行技術準備，從而提前發現設計存疑 點和施工難點，將設計問題發現和解決的時間點前移，為施 工贏得充分的技術準備時間，客觀上也促進了設計圖紙的施 工可行性和施工方案的可操作性，減少返工的可能性，大大 提高施工安全性和工程項目建造質量。例，中國核工業二四 建設有限公司在某核電主蒸汽套管的施工過程中，通過了數 字化建造技術，將該主蒸汽套管施工方案設定為模塊化平行施工，在場外進行主蒸汽套管、鋼筋、預埋件等專業物項的安裝，并對每一層鋼筋的綁扎順序進行了反復推演論證，最終優化后施工邏輯成功付諸實踐，僅該子項施工比國內同堆型核電的同一部位施工縮短 30 天工期。
( 二) 建筑性能模擬。
利用數字化建造技術，可以構建一個虛擬仿真環境，模擬工程項目所處的光照、溫度、空氣流 動、結構受力等方面的約束條件，充分運用軟件強大的計算 分析能力，輔助工程師對核電站工程建造快速作出分析和判 斷。尤其是針對核電工程中的核反應堆安全殼穹頂、鋼襯 里、CV 環等大型建安施工部位，容不得出半點差錯，此時模擬仿真分析尤為重要。
公司承建的某核電安全殼鋼襯里穹頂，為半球型結構， 直徑 46. 8m，高度為 23. 4m，總重 305t，制作難度大，采用整體吊裝工藝，預制拼裝精度要求高。它起到對反應堆的密封及穹頂頂部預應力混凝土的模板作用，是核電站的第三道安全屏障。為保證穹頂施工順利進行，在施工策劃階段技術準備過程中即開展了數字化建造。
該穹頂鋼襯里共分五層，由 147 塊球面狀鋼板焊接構成穹頂的基體部分，11 圈網狀的加勁肋角鋼構成穹頂的加強部分，在穹頂鋼襯里不同位置布置有貫穿性和非貫穿性錨固 件，如何保證各組成構件的就位精度以及避免焊縫交叉重疊是施工上的一大難題。通過數字化仿真設計，對普通卷制無法滿足弧度要求的穹頂鋼襯里球面壁板進行深化設計，并將設計結果轉換成節點圖，在核設備制造基地完成穹頂鋼襯里壁板球面胎具的制作，提高穹頂鋼襯里壁板成型的精準度; 通過虛擬建造，確定了模塊化施工及流水拼裝工序，經過數字化建造的工序和工藝優化，穹頂拼裝比計劃時間節約 26 天。同等工程量情況下，數字化建造技術應用后的穹頂鋼襯里拼裝工期比 M310 堆型穹頂鋼襯里拼裝工期節約 50% 。
通過受力分析，對穹頂在吊裝過程的應力、形變、吊索具的匹配性及穹頂本體的平衡性進行有限元分析，最終確定平衡塊預先配置精確定位，保證吊裝過程的平衡; 模擬3 200 噸大吊車站位點、行走路線以及影響吊裝活動的構筑物、道路及現場情況，并與穹頂模型進行整合，對吊車的荷載量、提升高度和安全距離進行驗算，優化場地規劃及吊裝方案; 通過吊裝模擬，展現吊裝難點和要點，驗證吊裝流程及空間滿足 性，提高吊裝先決條件梳理的效率和吊裝方案的安全性。最終在該核電 5#機組建造過程中提前了 15 天實現穹頂一次吊裝成功。
二、數字化建造的可視化
基于 BIM 技術的可視化數字建造，主要是利用計算機圖形圖像處理技術將建筑信息模型數據轉換成圖形圖像或動畫在屏幕上顯示出來，并與之進行交互處理的理論、方法和技術。在傳統的工作模式下，核電站設計師基于二維圖紙進行設計，設計意圖表達生硬抽象，對于施工復雜部位，工程師很難準確理解設計方案，從而難以做出科學合理的決策。數字化建造的可視化應用，將傳統基于二維圖紙費解的表達方式，以符合人體大腦感知的三維模式呈現在工程師眼前，讓工程師對建筑有直觀形象的感知，并可利用相關軟件實現任意角度、樓層的剖切，所見即所得，感受建筑內部空間、施工條件等方面的因素，既能加強工程參與方的溝通交流效果， 又能確保決策的科學性[3]。
技術交底是核電工程施工過程中的一項重要且常見的技術準備工作，其交底結果的好壞直接影響工程的安全、質量和工期。而先進核電工程屬于大型復雜結構工程，且在行業間沒有太多的先例可以借鑒，“摸著石頭過河”成了很多子項施工的常態。這類大型復雜工程施工過程中的三維可視化需求，加速可視化數字建造技術的誕生和成型。公司在某核電屏蔽墻加厚區施工過程中，通過對該區域 236 個通風套管、307 塊埋件及 32 個鋼牛腿交叉施工進行三維數字設計， 將施工方案置于一個可視化的施工條件環境中進行分析，充分論證了焊工在該屏蔽墻加厚區工作的可操作空間，多角度靈活展示了加厚區各個預埋物項的三維空間關系，為施工方案的制定和對工人的可視化技術交底提供了極大的便利。 經跟蹤統計數據得知，該子項的檢驗批一次驗收合格率超過99% ，工程質量、安全和經濟效益良好。
在核電站的汽輪機廠房、水泵房、反應堆廠房等區域，管線錯綜復雜，可視化管線綜合布置技術就顯現出其不可比擬的優越性。通過可視化三維數字設計，將熱力管道、蒸汽管道、冷水管道、電力橋架等各專業復合在同一個可視化的模 型中進行分析，優化設計方案，使管道布置科學美觀、施工空間充足、室內凈空滿足設計要求。
施工全過程可視化動態仿真技術的應用，是工程施工行業的大勢所趨，從行業峰會案例交流來看，越來越多的工程 項目應用了可視化數字建造技術，并取得較好的效果。
三、數字化建造的集成性
數字化建造的集成性，主要體現在不同專業之間的集成協同設計、不同業務崗位之間以及同一業務流上下游之間的集成應用、不同參與方之間的集成應用等方面。
采用數字化建造技術可以利用計算機軟件平臺，投入少量資源，即可把三維模型、技術信息、質量、安全信息、計劃信 息集成在一起，開展虛擬建造、設計優化應用，確保施工邏輯
科學合理，優化施工進度，同時大大提升了核電站建造階段 信息化管理手段，減少了信息獲得的時間，提高了數據的可 靠性，實現了施工經驗的知識積累，保證核工程質量。
作為可批量復制建設的工程，先進核電工程必須整合累 計工程建造數據信息，建立數字化電站。要建立數字化電 站，先進核電工程所有構件( 功能組合、標準空間、樓層、區域) 需要有詳盡的 WBS 編碼、有編制方法標準的甘特圖( 起始、結束、前置任務等) 、針對構件有狀態信息( 準備、施工、完工待驗、驗收合格、整改) 等。
先進核電工程數字化建造技術把建筑信息模型技術( BIM) 、核電多項目管理信息系統( ENPower) 、施工進度計劃管理系統( P6) 緊密結合在一起，充分利用 BIM 技術的信息完備性、信息關聯性、信息一致性的特點解決項目精細化管理需求; 利用 BIM 技術的可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖形性的特點解決業務管理層面三維環境識圖、思維、策劃、實施的需求; 綜合利用 BIM 技術的八大特點以及 ENPow-er 系統成熟先進的核電建造管理方法的優勢，建立智能交互的數字模型并以此為信息載體，打通設計信息、技術準備信息與施工管理信息可視化交互的“最后一公里”，形成多維數據匯合，服務于科學高效的項目決策，有效幫助公司實現精 細化管理和集約化發展; 開展數字化環境下的技術、成本、進度、質量、安全管理，實現數字建造，提升建造實力。
公司在某核電站施工現場推廣應用了 BIM 與 ENPower 一體化集成應用的數字化建造技術，打通 BIM 與其他應用系統間的數據通道，將龐大的混凝土、鋼筋等土建建筑信息模型數據，自動提取至項目管理系統中進行應用，改變了傳統工作模式下依靠手動輸入的工作方法，大大提高數據采集和流轉效率，降低人因低級失誤。同時，一方面將其數據向業務鏈下游延伸至構件生產加工環節，為車間提供精準可靠的加工數據; 另一方面將其數據提供給各業務部門共享應用， 使各業務崗位能在第一時間得到可靠的數據，大大提高項目管理過程中決策的科學性和時效性。
四、結語
數字化建造環境下，以最小施工單元建立工作分解體系，并衍生 WBS 編碼庫，在此基礎上進行了先進核電工程數字化電站建立，為后續同類工程技術策劃、施工策劃提供信息支撐，實現項目的精細化、信息化、集約化、標準化管理。 未來，數字化建造技術將會結合云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、智慧城市等行業前沿高新技術應用，數字化建造技術在核電工程中的應用價值和效益得到充分體現，從源頭確保核安全和核質量。
【作者單位】孫宇，中國核工業二四建設有限公司
