基于BIM技术的数字化工厂建设方法及案例分享

数字化工厂是面向未来的新型生产组织方式，通过整合信息、优化生产流程，为制造业的转型升级提供了重要的支持和机遇。数字化工厂不仅是对传统制造业的一次革命，更是未来制造业的重要支柱。本文将深入探讨数字化工厂的定义、背景与来源，以及基于BIM技术的数字化工厂建设解决方案和案例。

一、数字化工厂的定义

根据2018年9月11日中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《石油化工工程数字化交付标准》，数字化工厂是由工程建设阶段产生的数字化静态信息、运营维护阶段产生的数字化动态信息、基于工厂对象的关联关系及信息管理平台构成的综合体。

数字化工厂旨在通过计算机虚拟环境，整合产品生产和产线运维数据，实现生产控制的自动化、制造执行的MES系统、生产管理的ERP系统等的同步运转，以便对历史数据进行回溯、管理实时数据并预测未来趋势。其本质在于实现信息的集成，构建仿真和虚拟现实可视化的综合网络。

二、数字化工厂的背景和来源

数字化工厂的出现源于对现代制造业的挑战和需求。传统制造工厂面临着生产效率低下、成本高昂、质量难以保证等问题，而数字化工厂利用先进的技术如传感器、机器人、物联网等实现了生产过程的自动化和智能化，提高了生产效率、降低了成本、提高了产品质量。数字化工厂的出现为制造业转型升级提供了重要机遇。

数字化工厂的兴起可以归结为以下四点：

1.制造信息化的需求：随着信息技术的发展，制造业对于信息化的需求日益增加，数字化工厂为满足这一需求提供了解决方案。

2.并行工程的体现：数字化工厂允许工程建设和运营维护阶段的信息并行运作，从而提高了效率和准确性。

3.虚拟制造的发展趋势：数字化工厂通过在计算机模拟的环境中完成虚拟生产过程，为实际生产提供了准备工作，反映了制造业发展的趋势。

4.计算机辅助工程的高级阶段：数字化工厂是计算机辅助工程发展的高级阶段，将计算机技术与制造工程相结合，推动了制造业的发展和升级。

三、数字化工厂建设的主要环节

数字化工厂建设主要涉及产品设计、生产规划与生产执行三大环节。

1.产品设计环节：利用数字化建模技术进行三维建模是基础。通过数字化建模，可以有效减少物理实体样机制造和人员重复劳动所产生的成本。同时，通过PDM/cPDM统一的数据平台，实现产品协同研制和一体化设计。

2.生产规划环节：工艺仿真是关键。利用虚拟仿真技术，对工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径等进行预规划，例如大众汽车公司采用虚拟仿真工艺路径规划来提高生产效率。

3.生产执行环节：数据采集实时通。通过制造执行系统（MES）与其他系统的互联互通，实现产品属性信息的同步更新，保证生产过程的顺畅进行。

四、基于BIM技术的数字化工厂建设解决方案

建立数字化工厂平台，以三维模型为载体，将数字化交付的各阶段数据整合并可视化地展示出来，从而构建出与现实工厂完全一致的数字化模型。

在数字化模型的基础上，整合基础自动化模型、过程控制模型、工艺参数模型，构建与实际生产流程、设备和工艺一致的数字孪生模型。

进一步，以数字化平台为基础，通过信息交换获取企业的生产管理（MES），能源管理（EMS），设备管理，物流管理等信息化系统的信息，采用不同的图层和场景展现不同业务数据，更直观的协助公司各级调度管理人员及时掌控企业生产运营信息，满足公司各级管理人员需要。


Bentley 三维数字化工厂行业解决方案总体架构

在三维数字化工厂平台中，工厂的各个车间、设备、部件、管道、仪表、阀门等的运行参数与BIM模型进行关联和绑定，可以实时查询其设计参数和运行参数。可以以图层的形式管理不同类型的数据和BIM模型的显示状态，如专门显示仪表信息的仪表层，同时还有人员层、设备层、巡检层、报警层、监控层、建筑层、管线层、物流层等。在不同的数据层的基础上，定制工厂的数字化运维需求，如：工厂综合展示、资产的透明化管理、智能设备运维信息集成、全场物流调度管理、智能管网安全监控管理、浸入式培训操作考核、应急演练仿真、三维生产工艺监控和模拟等。

方案详情：Bentley 数字化工厂解决方案

五、基于BIM技术的数字化工厂建设案例

1、河北丰南临港经济园供热工程项目——唐山锅炉厂BIM应用

①工程概况

本项目为唐山市丰南区政府引进的重点外资项目，采用工业余热利用、屋顶光伏发电及天然气应急调峰等多种清洁能源利用方式，通过资源的多维寻优、多能互补、智慧调度，实现能源梯级利用、清洁高效的目标。本项目计划总投资人民币6亿元，覆盖河北丰南经济开发区临港经济园第二起步区、化工园、滨海小镇，为辖区内工业企业、居民及商业等用户提供优质可靠的供热供暖服务。



本项目一期规划建设分布式能源主站1座、燃气调压站一座，DN800DN600的主干线热水管网管槽长度约为7km，DN600DN300的主干线蒸汽管网长度约为15km。项目达产后可满足面积约为301.83万m2的供暖负荷，工业用蒸汽负荷约为283.5t/h。

②项目解决方案

应用BIM技术，搭建符合项目编制依据的包含主体建筑的建筑、结构以及机电等专业模型，并进行模型深化，工程量统计，以及漫游渲染。

③模型及漫游展示


调度中心模型


消毒泵房模型


锅炉房漫游

2、分布式能源集中供热项目——松阳锅炉BIM应用

①项目概况

本工程为松阳县分布式能源集中供热项目一期工程，本次建设为一期锅炉房，建筑面积1166.7m2，其中地上面积1005.2㎡，地下面积161.5㎡，占地面积为1005.2㎡。建筑设计使用年限为50年。

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一期建设1台25T/h蒸汽锅炉，最大供气能力25T/h；二期根据实际需要再建设2台25T/h蒸汽锅炉，总共为3台25T/h蒸汽锅炉(2用1备)，最大供气能力50T/h，锅炉房燃料为天然气，火灾危险性类别为丁类厂房，耐火等级为地下一级，地上二级。

②项目解决方案

本工程BIM技术应用包括：轻量化模型、BIM碰撞检查、BIM机电优化、BIM正向设计、渲染漫游。通过上述BIM技术应用，发现并解决机电管线碰撞点，结构设计缺陷及门、窗、设备洞口设计漏洞79处，为项目带来了直接的经济效益，值得广泛推广与应用。

③模型及漫游展示


轻量化模型应用


除氧器节点模型


水泵节点模型


锅炉房漫游