基于先进核电工程的数字化建造技术应用经验，主要从施工逻辑分析、施工工艺模拟、施工方案论证、管线综合设 计、质量安全管理、可视化技术交底、灾害应急模拟等方面，阐述以建筑信息模型( BIM) 技术为核心的数字化建造技术在先进核电工程中的应用，在可视化、协同性、模拟性、信息集成性等方面具有传统工作模式不可比拟的优越性。
先进核电工程普遍有超高系数质量安全要求，超大体积异型构件模块化施工的技术要求。加上当前经济和社会形势下，核电业主对工程质量、成本和服务的要求也越来越高， 需要核电建造单位的技术能力、项目管理模式和能力有根本性的提升。而数字化建造技术的出现，衍生出新一代信息技术与核电工程建造融合的项目管理模式，在实现工程建造要素资源数字化的基础上，通过规范化建模、网络化交互、可视化认知、高性能计算、科学决策支持等，实现数字链驱动下的高效率协同工作。以建筑信息模型为核心数据的数字化建造技术近十年来在国内得到迅速发展，尤其在“高、精、尖、特、难”工程中有着显著的应用效果。利用数字化建造技术开展虚拟建造，把三维模型、施工信息、成本信息等数据集成在一起，为堆型固化、批量化建设先进核电奠定坚实基础，提升核电建造阶段信息化管理手段，从源头上确保了核安全和核质量。
一、数字化建造的模拟性
( 一) 施工工艺、逻辑、方案等模拟。
传统核电工程严格区分土建、安装专业，界限明确，依据先土建后安装的施工逻 辑开展各项工序建设，对施工工艺方案、施工进度逻辑等推 演存在极大的困难。数字化建造技术的出现，通过建立科学 合理的 WBS 编码，根据项目分层分段方案将核电工程进行逐级分解，从最小施工单元采集工程数据，复合项目施工进 度计划、施工方案等信息，建立工艺模型，组织相关工程师进 行模型验证，验证通过后可制作工艺模拟、可视化技术交底、 施工进度逻辑优化等成果[2]。在核电工程中，尤其针对重点 复杂部位施工采用简易模拟软件、等比例模拟件或者多方座 谈、复合叠图等方式进行技术准备，从而提前发现设计存疑 点和施工难点，将设计问题发现和解决的时间点前移，为施 工赢得充分的技术准备时间，客观上也促进了设计图纸的施 工可行性和施工方案的可操作性，减少返工的可能性，大大 提高施工安全性和工程项目建造质量。例，中国核工业二四 建设有限公司在某核电主蒸汽套管的施工过程中，通过了数 字化建造技术，将该主蒸汽套管施工方案设定为模块化平行施工，在场外进行主蒸汽套管、钢筋、预埋件等专业物项的安装，并对每一层钢筋的绑扎顺序进行了反复推演论证，最终优化后施工逻辑成功付诸实践，仅该子项施工比国内同堆型核电的同一部位施工缩短 30 天工期。
( 二) 建筑性能模拟。
利用数字化建造技术，可以构建一个虚拟仿真环境，模拟工程项目所处的光照、温度、空气流 动、结构受力等方面的约束条件，充分运用软件强大的计算 分析能力，辅助工程师对核电站工程建造快速作出分析和判 断。尤其是针对核电工程中的核反应堆安全壳穹顶、钢衬 里、CV 环等大型建安施工部位，容不得出半点差错，此时模拟仿真分析尤为重要。
公司承建的某核电安全壳钢衬里穹顶，为半球型结构， 直径 46. 8m，高度为 23. 4m，总重 305t，制作难度大，采用整体吊装工艺，预制拼装精度要求高。它起到对反应堆的密封及穹顶顶部预应力混凝土的模板作用，是核电站的第三道安全屏障。为保证穹顶施工顺利进行，在施工策划阶段技术准备过程中即开展了数字化建造。
该穹顶钢衬里共分五层，由 147 块球面状钢板焊接构成穹顶的基体部分，11 圈网状的加劲肋角钢构成穹顶的加强部分，在穹顶钢衬里不同位置布置有贯穿性和非贯穿性锚固 件，如何保证各组成构件的就位精度以及避免焊缝交叉重叠是施工上的一大难题。通过数字化仿真设计，对普通卷制无法满足弧度要求的穹顶钢衬里球面壁板进行深化设计，并将设计结果转换成节点图，在核设备制造基地完成穹顶钢衬里壁板球面胎具的制作，提高穹顶钢衬里壁板成型的精准度; 通过虚拟建造，确定了模块化施工及流水拼装工序，经过数字化建造的工序和工艺优化，穹顶拼装比计划时间节约 26 天。同等工程量情况下，数字化建造技术应用后的穹顶钢衬里拼装工期比 M310 堆型穹顶钢衬里拼装工期节约 50% 。
通过受力分析，对穹顶在吊装过程的应力、形变、吊索具的匹配性及穹顶本体的平衡性进行有限元分析，最终确定平衡块预先配置精确定位，保证吊装过程的平衡; 模拟3 200 吨大吊车站位点、行走路线以及影响吊装活动的构筑物、道路及现场情况，并与穹顶模型进行整合，对吊车的荷载量、提升高度和安全距离进行验算，优化场地规划及吊装方案; 通过吊装模拟，展现吊装难点和要点，验证吊装流程及空间满足 性，提高吊装先决条件梳理的效率和吊装方案的安全性。最终在该核电 5#机组建造过程中提前了 15 天实现穹顶一次吊装成功。
二、数字化建造的可视化
基于 BIM 技术的可视化数字建造，主要是利用计算机图形图像处理技术将建筑信息模型数据转换成图形图像或动画在屏幕上显示出来，并与之进行交互处理的理论、方法和技术。在传统的工作模式下，核电站设计师基于二维图纸进行设计，设计意图表达生硬抽象，对于施工复杂部位，工程师很难准确理解设计方案，从而难以做出科学合理的决策。数字化建造的可视化应用，将传统基于二维图纸费解的表达方式，以符合人体大脑感知的三维模式呈现在工程师眼前，让工程师对建筑有直观形象的感知，并可利用相关软件实现任意角度、楼层的剖切，所见即所得，感受建筑内部空间、施工条件等方面的因素，既能加强工程参与方的沟通交流效果， 又能确保决策的科学性[3]。
技术交底是核电工程施工过程中的一项重要且常见的技术准备工作，其交底结果的好坏直接影响工程的安全、质量和工期。而先进核电工程属于大型复杂结构工程，且在行业间没有太多的先例可以借鉴，“摸着石头过河”成了很多子项施工的常态。这类大型复杂工程施工过程中的三维可视化需求，加速可视化数字建造技术的诞生和成型。公司在某核电屏蔽墙加厚区施工过程中，通过对该区域 236 个通风套管、307 块埋件及 32 个钢牛腿交叉施工进行三维数字设计， 将施工方案置于一个可视化的施工条件环境中进行分析，充分论证了焊工在该屏蔽墙加厚区工作的可操作空间，多角度灵活展示了加厚区各个预埋物项的三维空间关系，为施工方案的制定和对工人的可视化技术交底提供了极大的便利。 经跟踪统计数据得知，该子项的检验批一次验收合格率超过99% ，工程质量、安全和经济效益良好。
在核电站的汽轮机厂房、水泵房、反应堆厂房等区域，管线错综复杂，可视化管线综合布置技术就显现出其不可比拟的优越性。通过可视化三维数字设计，将热力管道、蒸汽管道、冷水管道、电力桥架等各专业复合在同一个可视化的模 型中进行分析，优化设计方案，使管道布置科学美观、施工空间充足、室内净空满足设计要求。
施工全过程可视化动态仿真技术的应用，是工程施工行业的大势所趋，从行业峰会案例交流来看，越来越多的工程 项目应用了可视化数字建造技术，并取得较好的效果。
三、数字化建造的集成性
数字化建造的集成性，主要体现在不同专业之间的集成协同设计、不同业务岗位之间以及同一业务流上下游之间的集成应用、不同参与方之间的集成应用等方面。
采用数字化建造技术可以利用计算机软件平台，投入少量资源，即可把三维模型、技术信息、质量、安全信息、计划信 息集成在一起，开展虚拟建造、设计优化应用，确保施工逻辑
科学合理，优化施工进度，同时大大提升了核电站建造阶段 信息化管理手段，减少了信息获得的时间，提高了数据的可 靠性，实现了施工经验的知识积累，保证核工程质量。
作为可批量复制建设的工程，先进核电工程必须整合累 计工程建造数据信息，建立数字化电站。要建立数字化电 站，先进核电工程所有构件( 功能组合、标准空间、楼层、区域) 需要有详尽的 WBS 编码、有编制方法标准的甘特图( 起始、结束、前置任务等) 、针对构件有状态信息( 准备、施工、完工待验、验收合格、整改) 等。
先进核电工程数字化建造技术把建筑信息模型技术( BIM) 、核电多项目管理信息系统( ENPower) 、施工进度计划管理系统( P6) 紧密结合在一起，充分利用 BIM 技术的信息完备性、信息关联性、信息一致性的特点解决项目精细化管理需求; 利用 BIM 技术的可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图形性的特点解决业务管理层面三维环境识图、思维、策划、实施的需求; 综合利用 BIM 技术的八大特点以及 ENPow-er 系统成熟先进的核电建造管理方法的优势，建立智能交互的数字模型并以此为信息载体，打通设计信息、技术准备信息与施工管理信息可视化交互的“最后一公里”，形成多维数据汇合，服务于科学高效的项目决策，有效帮助公司实现精 细化管理和集约化发展; 开展数字化环境下的技术、成本、进度、质量、安全管理，实现数字建造，提升建造实力。
公司在某核电站施工现场推广应用了 BIM 与 ENPower 一体化集成应用的数字化建造技术，打通 BIM 与其他应用系统间的数据通道，将庞大的混凝土、钢筋等土建建筑信息模型数据，自动提取至项目管理系统中进行应用，改变了传统工作模式下依靠手动输入的工作方法，大大提高数据采集和流转效率，降低人因低级失误。同时，一方面将其数据向业务链下游延伸至构件生产加工环节，为车间提供精准可靠的加工数据; 另一方面将其数据提供给各业务部门共享应用， 使各业务岗位能在第一时间得到可靠的数据，大大提高项目管理过程中决策的科学性和时效性。
四、结语
数字化建造环境下，以最小施工单元建立工作分解体系，并衍生 WBS 编码库，在此基础上进行了先进核电工程数字化电站建立，为后续同类工程技术策划、施工策划提供信息支撑，实现项目的精细化、信息化、集约化、标准化管理。 未来，数字化建造技术将会结合云计算、大数据、物联网、移动互联网、智慧城市等行业前沿高新技术应用，数字化建造技术在核电工程中的应用价值和效益得到充分体现，从源头确保核安全和核质量。
【作者单位】孙宇，中国核工业二四建设有限公司
