基于BIM技術的數字化工廠建設方法及案例分享

數字化工廠是面向未來的新型生產組織方式，通過整合信息、優化生產流程，為制造業的轉型升級提供了重要的支持和機遇。數字化工廠不僅是對傳統制造業的一次革命，更是未來制造業的重要支柱。本文將深入探討數字化工廠的定義、背景與來源，以及基于BIM技術的數字化工廠建設解決方案和案例。

一、數字化工廠的定義

根據2018年9月11日中華人民共和國住房和城鄉建設部發布的《石油化工工程數字化交付標準》，數字化工廠是由工程建設階段產生的數字化靜態信息、運營維護階段產生的數字化動態信息、基于工廠對象的關聯關系及信息管理平臺構成的綜合體。

數字化工廠旨在通過計算機虛擬環境，整合產品生產和產線運維數據，實現生產控制的自動化、制造執行的MES系統、生產管理的ERP系統等的同步運轉，以便對歷史數據進行回溯、管理實時數據并預測未來趨勢。其本質在于實現信息的集成，構建仿真和虛擬現實可視化的綜合網絡。

二、數字化工廠的背景和來源

數字化工廠的出現源于對現代制造業的挑戰和需求。傳統制造工廠面臨著生產效率低下、成本高昂、質量難以保證等問題，而數字化工廠利用先進的技術如傳感器、機器人、物聯網等實現了生產過程的自動化和智能化，提高了生產效率、降低了成本、提高了產品質量。數字化工廠的出現為制造業轉型升級提供了重要機遇。

數字化工廠的興起可以歸結為以下四點：

1.制造信息化的需求：隨著信息技術的發展，制造業對于信息化的需求日益增加，數字化工廠為滿足這一需求提供了解決方案。

2.并行工程的體現：數字化工廠允許工程建設和運營維護階段的信息并行運作，從而提高了效率和準確性。

3.虛擬制造的發展趨勢：數字化工廠通過在計算機模擬的環境中完成虛擬生產過程，為實際生產提供了準備工作，反映了制造業發展的趨勢。

4.計算機輔助工程的高級階段：數字化工廠是計算機輔助工程發展的高級階段，將計算機技術與制造工程相結合，推動了制造業的發展和升級。

三、數字化工廠建設的主要環節

數字化工廠建設主要涉及產品設計、生產規劃與生產執行三大環節。

1.產品設計環節：利用數字化建模技術進行三維建模是基礎。通過數字化建模，可以有效減少物理實體樣機制造和人員重復勞動所產生的成本。同時，通過PDM/cPDM統一的數據平臺，實現產品協同研制和一體化設計。

2.生產規劃環節：工藝仿真是關鍵。利用虛擬仿真技術，對工廠的生產線布局、設備配置、生產制造工藝路徑等進行預規劃，例如大眾汽車公司采用虛擬仿真工藝路徑規劃來提高生產效率。

3.生產執行環節：數據采集實時通。通過制造執行系統（MES）與其他系統的互聯互通，實現產品屬性信息的同步更新，保證生產過程的順暢進行。

四、基于BIM技術的數字化工廠建設解決方案

建立數字化工廠平臺，以三維模型為載體，將數字化交付的各階段數據整合并可視化地展示出來，從而構建出與現實工廠完全一致的數字化模型。

在數字化模型的基礎上，整合基礎自動化模型、過程控制模型、工藝參數模型，構建與實際生產流程、設備和工藝一致的數字孿生模型。

進一步，以數字化平臺為基礎，通過信息交換獲取企業的生產管理（MES），能源管理（EMS），設備管理，物流管理等信息化系統的信息，采用不同的圖層和場景展現不同業務數據，更直觀的協助公司各級調度管理人員及時掌控企業生產運營信息，滿足公司各級管理人員需要。


Bentley 三維數字化工廠行業解決方案總體架構

在三維數字化工廠平臺中，工廠的各個車間、設備、部件、管道、儀表、閥門等的運行參數與BIM模型進行關聯和綁定，可以實時查詢其設計參數和運行參數?？梢砸詧D層的形式管理不同類型的數據和BIM模型的顯示狀態，如專門顯示儀表信息的儀表層，同時還有人員層、設備層、巡檢層、報警層、監控層、建筑層、管線層、物流層等。在不同的數據層的基礎上，定制工廠的數字化運維需求，如：工廠綜合展示、資產的透明化管理、智能設備運維信息集成、全場物流調度管理、智能管網安全監控管理、浸入式培訓操作考核、應急演練仿真、三維生產工藝監控和模擬等。

方案詳情：Bentley 數字化工廠解決方案

五、基于BIM技術的數字化工廠建設案例

1、河北豐南臨港經濟園供熱工程項目——唐山鍋爐廠BIM應用

①工程概況

本項目為唐山市豐南區政府引進的重點外資項目，采用工業余熱利用、屋頂光伏發電及天然氣應急調峰等多種清潔能源利用方式，通過資源的多維尋優、多能互補、智慧調度，實現能源梯級利用、清潔高效的目標。本項目計劃總投資人民幣6億元，覆蓋河北豐南經濟開發區臨港經濟園第二起步區、化工園、濱海小鎮，為轄區內工業企業、居民及商業等用戶提供優質可靠的供熱供暖服務。



本項目一期規劃建設分布式能源主站1座、燃氣調壓站一座，DN800DN600的主干線熱水管網管槽長度約為7km，DN600DN300的主干線蒸汽管網長度約為15km。項目達產后可滿足面積約為301.83萬m2的供暖負荷，工業用蒸汽負荷約為283.5t/h。

②項目解決方案

應用BIM技術，搭建符合項目編制依據的包含主體建筑的建筑、結構以及機電等專業模型，并進行模型深化，工程量統計，以及漫游渲染。

③模型及漫游展示


調度中心模型


消毒泵房模型


鍋爐房漫游

2、分布式能源集中供熱項目——松陽鍋爐BIM應用

①項目概況

本工程為松陽縣分布式能源集中供熱項目一期工程，本次建設為一期鍋爐房，建筑面積1166.7m2，其中地上面積1005.2㎡，地下面積161.5㎡，占地面積為1005.2㎡。建筑設計使用年限為50年。

圖片

一期建設1臺25T/h蒸汽鍋爐，最大供氣能力25T/h；二期根據實際需要再建設2臺25T/h蒸汽鍋爐，總共為3臺25T/h蒸汽鍋爐(2用1備)，最大供氣能力50T/h，鍋爐房燃料為天然氣，火災危險性類別為丁類廠房，耐火等級為地下一級，地上二級。

②項目解決方案

本工程BIM技術應用包括：輕量化模型、BIM碰撞檢查、BIM機電優化、BIM正向設計、渲染漫游。通過上述BIM技術應用，發現并解決機電管線碰撞點，結構設計缺陷及門、窗、設備洞口設計漏洞79處，為項目帶來了直接的經濟效益，值得廣泛推廣與應用。

③模型及漫游展示


輕量化模型應用


除氧器節點模型


水泵節點模型


鍋爐房漫游