吳利平 覃席彪 陳予倫 楊沛豪

1.華能秦煤瑞金發(fā)電有限責(zé)任公司 江西贛州 341113 2.杭州建普科技有限公司 杭州 310020 3.西安熱工研究院有限公司 西安 710054

1 應(yīng)用背景

火電是我國(guó)目前電力行業(yè)的發(fā)電主體,新建火電工程電纜用量大,造價(jià)高昂,且一般由甲方供貨、乙方施工,若管理銜接不當(dāng),易導(dǎo)致投產(chǎn)后庫(kù)存存在較大的浪費(fèi)現(xiàn)象。造成以上問(wèn)題的原因有多種。在設(shè)計(jì)階段,電纜清冊(cè)數(shù)量較粗放,與工程實(shí)際需求存在一定量的余量或誤差,電纜選型保守。在施工階段,電纜敷設(shè)時(shí)預(yù)留接線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),電纜型號(hào)混用或者錯(cuò)用,電纜敷設(shè)路徑不合理,橋架通道擁堵,因工期、工序問(wèn)題,橋架安裝與管道安裝出現(xiàn)碰撞,導(dǎo)致誤工、返工。傳統(tǒng)的電纜采購(gòu)與安裝方法問(wèn)題眾多,弊端明顯。通過(guò)電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)和SketchUp軟件搭建三維信息模型,能有效地實(shí)現(xiàn)電纜與橋架安裝前的策劃、安裝中的精細(xì)化管理。筆者介紹基于建筑信息模型的電纜精細(xì)化管理在火電廠中的應(yīng)用。

2 基于建筑信息模型的電纜精細(xì)化管理

建筑信息模型這一概念從2002年由Autodesk公司提出至今,雖然沒(méi)有固定統(tǒng)一的定義,但現(xiàn)已被業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可。建筑信息模型利用開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),將既定項(xiàng)目某個(gè)生命周期內(nèi)的各類信息,用圖像、視頻或者數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)出來(lái),以便于項(xiàng)目管理者制定相關(guān)的決策,更好地使項(xiàng)目產(chǎn)生更多增值效益。建筑信息模型技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性及可出圖性等特點(diǎn),常見的應(yīng)用場(chǎng)景為民用建筑、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域,而在電力領(lǐng)域的應(yīng)用案例較少。筆者將建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用在火力發(fā)電廠電纜精細(xì)化管理項(xiàng)目上,其核心是通過(guò)電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)搭建電纜通道信息模型,分級(jí)導(dǎo)入電纜清冊(cè)統(tǒng)計(jì)匯總電纜信息,結(jié)合圖紙與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,完成設(shè)備接線點(diǎn)定位,利用計(jì)算機(jī)模擬電纜敷設(shè),完成電纜長(zhǎng)度計(jì)算,輸出最優(yōu)的電纜采購(gòu)與敷設(shè)方案,錄入電纜到貨入庫(kù)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)電纜庫(kù)存精細(xì)化管理。同時(shí)利用SketchUp軟件搭建橋架與管道模型,實(shí)現(xiàn)三維模型的可視化,指導(dǎo)橋架安裝前的碰撞檢查。針對(duì)電纜模擬敷設(shè)時(shí)暴露的橋架容積率不足或過(guò)剩的問(wèn)題,制定橋架優(yōu)化方案,指導(dǎo)電纜敷設(shè)與橋架安裝,從電纜及橋架的采購(gòu)與施工兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)電纜精細(xì)化管理。電纜精細(xì)化管理流程如圖1所示。

圖1 電纜精細(xì)化管理流程

3 最優(yōu)電纜長(zhǎng)度算法研究

利用電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電纜長(zhǎng)度計(jì)算,輸出最優(yōu)敷設(shè)路徑的流程為:設(shè)置公共參數(shù),錄入節(jié)點(diǎn)一覽信息,搭建電纜通道信息模型,導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)電纜清冊(cè);通過(guò)引橋計(jì)算,實(shí)現(xiàn)設(shè)備接線點(diǎn)定位,進(jìn)行電纜長(zhǎng)度計(jì)算;進(jìn)行橋架段容積率分析,調(diào)整電纜敷設(shè)方案,輸出最優(yōu)的電纜敷設(shè)路徑與下料長(zhǎng)度。其中,公共參數(shù)的設(shè)置是為了給不同型號(hào)電纜附加橫截面積、電壓等級(jí)等物理信息,以及最后定盤允許的最大盤長(zhǎng),為不同型號(hào)橋架添加橫截面積,以便進(jìn)行橋架容積率分析。實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電纜長(zhǎng)度計(jì)算的關(guān)鍵步驟是搭建電纜通道信息模型、設(shè)備點(diǎn)定位(引橋計(jì)算)、電纜長(zhǎng)度計(jì)算,筆者就這三個(gè)部分的原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊

3.1 電纜通道信息模型

收集整理主廠房、鍋爐、輔助廠房等各個(gè)區(qū)域電纜構(gòu)筑物圖及電纜敷設(shè)圖,在設(shè)計(jì)院編制的橋架節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上,測(cè)量相鄰橋架節(jié)點(diǎn)距離,每?jī)上噜徆?jié)點(diǎn)連結(jié)生成主橋通道,在系統(tǒng)里定義橋架物理信息和功能信息。為了電纜在模擬敷設(shè)時(shí)按橋架功能分層,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力、控制電纜分開敷設(shè),在電纜模擬敷設(shè)完成后,對(duì)相應(yīng)的橋架段容積率進(jìn)行分析。匯總所有橋架節(jié)點(diǎn)間信息,生成節(jié)點(diǎn)一覽表,見表1。

從表1可知,3號(hào)機(jī)主廠房0 m層橋架中,與橋架節(jié)點(diǎn)30ZCF002相鄰的橋架節(jié)點(diǎn)有30ZCF001與30ZCF003,其中30ZCF002與30ZCF001之間為兩層600 mm×150 mm的橋架連通,一層橋架敷設(shè)動(dòng)力電纜,一層橋架敷設(shè)控制電纜,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為3.5 m。將節(jié)點(diǎn)一覽表導(dǎo)入系統(tǒng),搭建電纜通道信息模型,如圖3所示。

表1 節(jié)點(diǎn)一覽表

圖3 電纜通道信息模型

圖3中,L1～L5為各相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。將前述數(shù)據(jù)完善后,利用Java算法庫(kù)的迭代算法完成每一條主橋路徑長(zhǎng)度計(jì)算,其基本思路為:以主橋的任意橋架節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn),尋找最近的橋架節(jié)點(diǎn),計(jì)算路徑長(zhǎng)度;依次尋找下一個(gè)節(jié)點(diǎn),以上一次路徑長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果為新的初始值進(jìn)行該次計(jì)算,直到找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn),完成所有主橋路徑計(jì)算。這一過(guò)程中將最近的節(jié)點(diǎn)序列和路徑長(zhǎng)度保留,刪除非最近的節(jié)點(diǎn)序列與路徑長(zhǎng)度,減少數(shù)據(jù)庫(kù)容量。迭代算法是用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一種基本方法,利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、適合做重復(fù)性操作的特點(diǎn),命令計(jì)算機(jī)對(duì)一組指令或一定步驟進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行,在每次執(zhí)行該組指令或該步驟時(shí),都從變量的原始值推出新值。迭代算法的三個(gè)關(guān)鍵步驟為確定變量、建立關(guān)系式、過(guò)程控制。在主橋路徑的計(jì)算過(guò)程,變量是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離,因?yàn)闃蚣芄?jié)點(diǎn)是有限的,所以在利用迭代算法計(jì)算時(shí),不會(huì)無(wú)限循環(huán)進(jìn)行計(jì)算,滿足過(guò)程控制的終止條件停止。

迭代算法為:

F(Ln)=F(Ln-1)+min(L)

(1)

式中:n為橋架節(jié)點(diǎn)號(hào);Ln為節(jié)點(diǎn)n與節(jié)點(diǎn)n-1的橋架長(zhǎng)度;F為橋架路徑,其長(zhǎng)度從橋架起始節(jié)點(diǎn)開始計(jì)算;min(L)為橋架長(zhǎng)度的無(wú)窮小量。

在搭建電纜通道模型過(guò)程中,完成了所有主橋最短路徑的計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,出現(xiàn)某一節(jié)點(diǎn)因設(shè)計(jì)變更或其它原因?qū)е略撎師o(wú)法繼續(xù)敷設(shè)電纜時(shí),可以通過(guò)設(shè)置必經(jīng)橋架節(jié)點(diǎn)的方式改變電纜敷設(shè)路徑,其電纜敷設(shè)路徑主橋部分長(zhǎng)度為起點(diǎn)橋架節(jié)點(diǎn)至必經(jīng)橋架節(jié)點(diǎn)的距離加上必經(jīng)橋架節(jié)點(diǎn)至終點(diǎn)橋架節(jié)點(diǎn)的距離。

3.2 設(shè)備點(diǎn)定位

將電纜清冊(cè)匯總整理,導(dǎo)入電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)電纜清冊(cè)將每一根電纜的起點(diǎn)、終點(diǎn)設(shè)備生成一條待賦值的引橋,同一個(gè)設(shè)備生成的引橋合并為一條數(shù)據(jù)。該待賦值指錄入該設(shè)備接線點(diǎn)至電纜通道信息模型中最近的橋架節(jié)點(diǎn)的距離,稱引橋計(jì)算,圖3所示電纜通道信息模型中,設(shè)備1至主橋通道中最近的橋架節(jié)點(diǎn)1的引橋是需要賦值的對(duì)象,X1為引橋長(zhǎng)度。完成所有引橋的賦值,生成引橋計(jì)算表,見表2。

3.3 電纜長(zhǎng)度計(jì)算

在完成電纜通道信息模型搭建與引橋長(zhǎng)度計(jì)算后,電纜長(zhǎng)度計(jì)算轉(zhuǎn)換為起點(diǎn)設(shè)備至終點(diǎn)設(shè)備的橋架長(zhǎng)度計(jì)算,即電纜長(zhǎng)度為主橋長(zhǎng)度與引橋長(zhǎng)度之和。

4 橋架安裝量統(tǒng)計(jì)方法

通過(guò)SketchUp軟件建立橋架的三維模型,利用其組件功能,創(chuàng)建不同型號(hào)的橋架組件,例如2 m的1 000 mm×150 mm梯形橋架、(1 000 mm+1 000 mm)×150 mm梯級(jí)橋架彎通等,然后運(yùn)用橋架組件完成橋架的預(yù)安裝,最后通過(guò)SketchUp軟件的組件信息統(tǒng)計(jì)功能獲取不同類型橋架的安裝數(shù)量。三維橋架模型如圖4所示,統(tǒng)計(jì)信息見表3。

表2 引橋計(jì)算表

圖4 三維橋架模型

表3 統(tǒng)計(jì)信息

5 電纜精細(xì)化管理實(shí)際應(yīng)用

某電廠二期擴(kuò)建工程是建設(shè)兩臺(tái)100萬(wàn)kW超超臨界燃煤機(jī)組,總投資約70億元,其中電纜概算約8 200萬(wàn)元,橋架概算約1 800萬(wàn)元,電纜與橋架的工程造價(jià)高,電纜及橋架的精細(xì)化管理對(duì)節(jié)約項(xiàng)目成本,提高工程管理質(zhì)量具有重要意義。

在該工程中,按照上述電纜精細(xì)化管理流程與方法實(shí)現(xiàn)了電纜與橋架在采購(gòu)與施工過(guò)程中的精細(xì)化管理。

5.1 電纜及橋架采購(gòu)管理

在電纜橋架采購(gòu)前,收集整理電纜敷設(shè)圖、電纜構(gòu)筑物圖、電纜清冊(cè)、各專業(yè)設(shè)備布置圖等設(shè)計(jì)圖,按照上述電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)流程和原理,完成電纜最優(yōu)長(zhǎng)度計(jì)算,對(duì)部分選型保守的電纜進(jìn)行截面優(yōu)化,然后輸出電纜定尺定盤采購(gòu)表、電纜敷設(shè)路徑表,分別見表4、表5。

通過(guò)SketchUp軟件搭建該工程的三維橋架整體模型,利用組件功能完成全廠橋架的預(yù)安裝,準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)橋架實(shí)際安裝需求量。三維橋架整體模型如圖5所示。

5.2 電纜及橋架施工管理

(1) 施工方案檢查與優(yōu)化。在橋架安裝前,通過(guò)橋架段容積率分析,發(fā)現(xiàn)主廠房與煤倉(cāng)間連接處的橋架段容積率為120%,分析原因?yàn)橹鲝S房?jī)闪惺降牟贾门c側(cè)煤倉(cāng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了從主廠房配電間至爐后的動(dòng)力電纜都需經(jīng)過(guò)該處橋架,因此路徑無(wú)法調(diào)整,只能在原有橋架的基礎(chǔ)上增加一層1 000 mm×150 mm橋架,優(yōu)化后橋架的容積率降低為40%。優(yōu)化方案如圖6所示。類似的橋架擁堵問(wèn)題在該工程中還存在六至八處,筆者不再枚舉。

表4 電纜定尺定盤采購(gòu)表

表5 電纜敷設(shè)路徑表

圖5 三維橋架整體模型

圖6 主廠房與煤倉(cāng)間連接處橋架段優(yōu)化方案

在施工過(guò)程中,還存在因工期跟不上出現(xiàn)橋架比管道提前安裝的情況。比如需要完成煤倉(cāng)間的橋架安裝,才能打通主廠房至鍋爐及爐后區(qū)域的電纜通道,但送粉管道密集排布在橋架上方,導(dǎo)致出現(xiàn)橋架支吊架與送粉管道產(chǎn)生碰撞,通過(guò)三維橋架與管道模型,進(jìn)行橋架支吊架的模擬安裝,從送粉管道的間隙穿插安裝橋架支吊架,避免出現(xiàn)碰撞問(wèn)題,優(yōu)化方案如圖7所示。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督與庫(kù)存管理。現(xiàn)場(chǎng)不定期對(duì)施工隊(duì)伍的電纜敷設(shè)工作進(jìn)行抽檢,檢查電纜是否是按照優(yōu)化路徑敷設(shè),電纜盤的使用是否遵循定尺定盤的要求,電纜敷設(shè)至盤柜或者就地設(shè)備時(shí)預(yù)留長(zhǎng)度是否過(guò)長(zhǎng),將前述可能導(dǎo)致電纜浪費(fèi)的因素提前發(fā)現(xiàn),及時(shí)解決。根據(jù)工程進(jìn)度,整理電纜敷設(shè)記錄,導(dǎo)入電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng),通過(guò)對(duì)比電纜的到貨量與使用量,準(zhǔn)確把握電纜庫(kù)存量,及時(shí)調(diào)整采購(gòu)計(jì)劃。在該工程結(jié)束收尾時(shí),橋架庫(kù)存基本為零,電纜庫(kù)存僅為23 km,庫(kù)存量占比采購(gòu)量為1.2%。

圖7 送粉管道與橋架排布優(yōu)化方案

6 結(jié)束語(yǔ)

基于建筑信息模型技術(shù)的電纜精細(xì)化管理完成了電纜和橋架數(shù)量的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)、電纜敷設(shè)路徑的合理規(guī)劃以及橋架安裝前優(yōu)化設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)火電項(xiàng)目中電纜與橋架存在的采購(gòu)超量、庫(kù)存量高,以及因工序、工期導(dǎo)致的誤工、返工等問(wèn)題,為降低工程造價(jià)、打造精品工程做出了貢獻(xiàn)。