BIM技術(shù)在選煤廠設(shè)計中的應(yīng)用研究

姚滿喜，王 磊

(1.中煤科工集團北京華宇工程有限公司，河南 平頂山 467000； 2.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

美國喬治亞理工大學(xué)Chuck Eastman博士1975年提出BIM的概念—對建筑物智能模擬的計算機系統(tǒng)，即信息的共享建筑模型。1986年，RobertAish提出的BIM(Building Information Modeling)概念。2002年Autodesk公司正式提出BIM理念和技術(shù)，建筑信息模型。美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)NBIMS給出的定義為[1]：BIM 是某一設(shè)施的外形及功能特點，作為該設(shè)施的共享知識資源，為其全生命周期中的決策提供可靠依據(jù)，并且自其籌劃直至設(shè)施拆除始終存在。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用愈加廣泛，設(shè)計方式也逐漸形成從傳統(tǒng)二維設(shè)計到三維設(shè)計的革命性轉(zhuǎn)變。BIM由美國、歐洲、日、韓、新加坡等發(fā)達(dá)國家向全世界傳播[2]，目前國內(nèi)BIM技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用達(dá)到了一定水平。

1 BIM技術(shù)進(jìn)展

1.1 國外BIM技術(shù)進(jìn)展

美國對BIM的研究與應(yīng)用[3]都走在世界前列。各種BIM協(xié)會制定了相應(yīng)的BIM標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)McGraw Hill的報告[4]，工程建設(shè)行業(yè)采用BIM的比例在5年內(nèi)(2007—2012)增長了43%。GSA從整個項目生命周期的角度來探索BIM的應(yīng)用[5]，通過發(fā)布各領(lǐng)域的BIM指南以及標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)適合BIM的計算機軟件和硬件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開放，逐漸形成BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)境[6，7]。

在北歐，企業(yè)(如Tekla和Solibri軟件公司)自主推動BIM的應(yīng)用，要求使用BIM進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行碰撞檢查[8]。英國內(nèi)閣辦公室要求到2016年，全面使用協(xié)同的3D-BIM技術(shù)，并將全部的工程文件納入BIM信息化管理[5]。

新加坡政府為推動BIM技術(shù)發(fā)展[9，10]，設(shè)立基金，鼓勵大學(xué)開設(shè)BIM課程，設(shè)立BIM專業(yè)學(xué)位，同時要求政府部門項目必須運用BIM技術(shù)。韓國政府部門在2010年12月—2012年4月，發(fā)布并更新了《設(shè)施管理BIM應(yīng)用指南》[11]及《建筑領(lǐng)域 BIM 應(yīng)用指南》，針對設(shè)計、施工等階段中的BIM 應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)。至2010年，日本33%的企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用BIM。日本建筑學(xué)會于2012年7月發(fā)布了日本BIM指南[12]。

1.2 國內(nèi)BIM技術(shù)進(jìn)展

國內(nèi)學(xué)者針對BIM技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用開展了卓有成效的研究。清華大學(xué)側(cè)重 BIM 標(biāo)準(zhǔn)框架研究及實施，2010年，參考NBIMS，清華大學(xué)提出了面向IT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]與面向用戶的實施標(biāo)準(zhǔn)[13]的中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架(CBIMS)。上海交通大學(xué)的BIM研究中心致力于BIM關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，解決BIM應(yīng)用中存在的突出共性問題。上海大學(xué)BIM中心的宗旨是打造產(chǎn)學(xué)研一體的BIM平臺，培養(yǎng)高水平的BIM專業(yè)人才，提高BIM技術(shù)在工程中的應(yīng)用水平。國內(nèi)高校通過研究和培養(yǎng)BIM技術(shù)人才，推動BIM技術(shù)在國內(nèi)的蓬勃發(fā)展與應(yīng)用。

BIM技術(shù)通過幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)豐富的軟件支持技術(shù)。建筑項目所適用的 BIM 核心建模軟件也有區(qū)別：Auto Revit軟件多用于規(guī)則的民用建筑，基于Bentley平臺[14]的MS、OBD-CE、Openplant、Openroad等軟件技術(shù)多用于復(fù)雜的工業(yè)建筑，滿足工業(yè)建筑對工藝較高的要求，完全異形的項目則也可用 Digital 或 CATIA軟件[15]。

2 BIM技術(shù)在選煤廠設(shè)計中的協(xié)同應(yīng)用及技術(shù)優(yōu)勢

選煤廠設(shè)計過程中工藝流程繁雜，專業(yè)跨度廣泛，需要多方面協(xié)同調(diào)度。BIM技術(shù)可通過對選煤、土建、機電、水暖、總圖等各個專業(yè)的協(xié)同化建模，實現(xiàn)設(shè)計方案可視化、設(shè)計流程協(xié)同化和3D模擬。通過3D幾何模型實現(xiàn)廠房實體模型直觀判斷，完成各專業(yè)管道、電纜橋架、溜槽、帶式輸送機、振動篩等設(shè)備的布置。借助BIM可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖的特性實現(xiàn)三維設(shè)計，優(yōu)化工程質(zhì)量，提高設(shè)計效率。

運用Bentley協(xié)同平臺，選煤專業(yè)首先根據(jù)工藝流程確定整個廠區(qū)內(nèi)廠房布置，廠房之間連接關(guān)系，廠房模塊位置，建筑軸網(wǎng)及建筑輪廓，布置設(shè)備。機制專業(yè)根據(jù)工藝需求，布置相應(yīng)的設(shè)備，埋件。標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備直接從設(shè)備庫中調(diào)用，非標(biāo)設(shè)備，機制專業(yè)首先自己定制，然后放置設(shè)備。

土建專業(yè)根據(jù)選煤專業(yè)布置的建筑軸網(wǎng)及建筑輪廓優(yōu)化調(diào)整建筑物詳細(xì)信息。根據(jù)設(shè)備荷載，設(shè)備放置方式以及設(shè)備流程，參考以往設(shè)計及工程經(jīng)驗，土建工程師完成建筑物的墻，門、窗以及建筑外立面設(shè)計。進(jìn)一步完成建筑內(nèi)的梁、柱、板、次梁以及牛腿等附屬的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。

水暖等專業(yè)根據(jù)工藝需求，在建筑物找到合適位置完成水暖管道的布置及暖氣片放置位置。同時完成上下層樓板的管線穿越及開洞。電氣專業(yè)根據(jù)設(shè)備需求，參考已完成的各專業(yè)設(shè)備布置方式，進(jìn)行電纜橋架的布置，同時鋪設(shè)電纜、放置燈具，如圖1所示。

圖1 管道三維圖

土建專業(yè)根據(jù)后期根據(jù)各設(shè)備需求，穿層管道，電纜橋架走向、軸流風(fēng)機位置，進(jìn)行次梁調(diào)整，各層樓板，墻上開洞。檢查行人通道的寬度及高度，如有設(shè)備碰撞，通知相關(guān)專業(yè)修改調(diào)整相應(yīng)設(shè)備或管線的布置。

各專業(yè)完成布置后，通過BIM平臺中的專業(yè)碰撞檢測模塊，按照定制的數(shù)字化碰撞檢測[15]規(guī)則，實現(xiàn)專業(yè)之間碰撞檢測。例如選煤專業(yè)振動篩和機電專業(yè)橋架的碰撞、帶式輸送機和水暖管道的碰撞，機電與水暖專業(yè)的碰撞。各專業(yè)設(shè)備與土建專業(yè)梁、板、柱、墻的碰撞。同時通過數(shù)字化規(guī)則設(shè)置，實現(xiàn)本專業(yè)內(nèi)部的碰撞檢測，如水暖專業(yè)的管道碰撞。

選煤廠工藝流程復(fù)雜，設(shè)備布置較多，管道及機電橋架走向復(fù)雜，通過BIM自動碰撞檢測后，可以避免人為錯誤，提高設(shè)計準(zhǔn)確性和設(shè)計流程整體效率。通過數(shù)字化規(guī)則制定后的BIM自動碰撞檢測，極大地提高了碰撞檢測精度[16]。結(jié)合大量選煤廠廠房BIM應(yīng)用，通過碰撞檢測及模擬分析[17]，BIM技術(shù)在選煤廠設(shè)計中可實現(xiàn)：電纜橋架的凈高分析，行人走道凈空的空間校核，設(shè)備布置合理性分析，結(jié)構(gòu)梁和選煤、水暖管道的碰撞分析，復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)搭接分析，工程量統(tǒng)計等。

通關(guān)各專業(yè)模塊的整合，BIM技術(shù)可以實現(xiàn)項目設(shè)計、采供、施工、后期運維[18]等整個過程的全信息化的全生命周期管控。例如在選煤廠從方案策劃、初步設(shè)計、評審、施工圖設(shè)計、招標(biāo)、施工單位原材料、設(shè)備采供，設(shè)備供配件配備，后期的設(shè)備運維、修理，以及到使用年限后廠房設(shè)備拆除更換等整個生命周期都能在3D平臺上查詢、操作。通過先進(jìn)的數(shù)字化信息模型，指導(dǎo)工程的整個生命周期內(nèi)運轉(zhuǎn)的過程。各種信息始終整合于一個BIM三維模型中，BIM模型可以讓甲方、設(shè)計、監(jiān)理、管理人員、維修人員都能了解整個廠房、設(shè)備的任何過往信息，便于施工進(jìn)度管理、質(zhì)量控制、成本控制、優(yōu)化資源配置，提高工作效率、優(yōu)化資源、避免成本浪費。以實現(xiàn)綠色、高效、可持續(xù)發(fā)展，同時為智能化、智慧工業(yè)園區(qū)提供基礎(chǔ)平臺。

通過各專業(yè)多次迭代完善的建筑模型，在碰撞檢測完成后，各專業(yè)進(jìn)行切圖工作，形成施工圖所需的平面布置圖、立面圖和剖面圖，完成建筑圖紙的出圖工作。

3 BIM技術(shù)在選煤廠應(yīng)用的挑戰(zhàn)

BIM技術(shù)的應(yīng)用市場不成熟[19]，與傳統(tǒng)繪圖方式完全不同，應(yīng)用流程不順暢。國內(nèi)大型工業(yè)院最近一直推廣應(yīng)用基于Bentley平臺的BIM技術(shù)。鑒于Bentley平臺技術(shù)的局限性，不同專業(yè)在選煤廠廠房設(shè)計中存在如下問題：

3.1 選煤機制專業(yè)

非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計制約著機制專業(yè)設(shè)計效率[20]。選煤廠溜槽、工作臺設(shè)計難以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而在選煤廠設(shè)計中，非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計工作占機制專業(yè)施工圖設(shè)計工作量的60%～70%。目前采用的二維CAD設(shè)計手段及工作流程效率較低，單個非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計周期在1～2個工作日，選煤廠全廠非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計周期一般在1～2個月左右。在選煤廠工程數(shù)字化BIM設(shè)計中，基于Bentley設(shè)計平臺中Open Buildings Designer CONNECT Edition的現(xiàn)有版本三維建模方法存在建模效率低、耗時長，模塊操作不流暢，對BIM正向設(shè)計工作產(chǎn)生一定的阻礙。選煤專業(yè)在方案、初步設(shè)計階段，軟件還不能達(dá)到快速建模，也是迫切解決的新問題。

3.2 水暖電專業(yè)

OBD軟件能完成一般簡單水暖管道[21]模型，但特殊閥門模型庫需要自己手動定制，如雨淋報警閥組以及選煤廠常用的風(fēng)機、除塵設(shè)備、加藥設(shè)備，濃縮機等設(shè)備，需要水暖工程師自己繪制模型；暖通專業(yè)的熱負(fù)荷計算以及電氣的電纜橋架三維鋪設(shè)目前還不能走通。

3.3 建筑專業(yè)

OBD-CE版軟件從模型抽取的二維立面圖，是由墻、梁、板、柱、門窗等構(gòu)件輪廓組成的復(fù)合面。組成立面的構(gòu)件part樣式不同，抽圖得到的立面二維圖必然會有多余的線條，需要在后期整理圖紙時手動刪除。如圖2、圖3所示。

圖2 BIM模型立面

圖3 BIM模型抽圖

混凝土樓梯不能參數(shù)化直接放置，樓梯平臺不能通過修改參數(shù)直接生成。對于層高較高的廠房，樓梯梯段為3～5段時，樓梯布置時長度調(diào)整存在問題，不能流暢建模。作為疏散鋼梯不能直接調(diào)用出需要的鋼梯類型，不能修改鋼梯構(gòu)件截面，無法調(diào)整鋼梯角度。

BIM平臺和結(jié)構(gòu)軟件存在不兼容的情況，在從BIM平臺OBD-CE版本建筑模型向國內(nèi)主流計算軟件導(dǎo)入過程中，特別一些復(fù)雜特殊構(gòu)件，例如牛腿及牛腿梁，在計算軟件中不能讀出。轉(zhuǎn)換過程中，模型層間會出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，Bentley樓層管理器中樓層標(biāo)高無法和結(jié)構(gòu)計算軟件模型的層高功能流暢互認(rèn)，例如鋼結(jié)構(gòu)中的斜撐出現(xiàn)穿層、梁出現(xiàn)部分點中間打斷、錯層，梁柱構(gòu)件沒有執(zhí)行結(jié)構(gòu)模型邏輯。結(jié)構(gòu)計算分析后的模型，梁柱構(gòu)件一般會進(jìn)行調(diào)整，模型后期再返回Bentley時，和原模型會出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

BIM在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，顛覆了以往的生產(chǎn)方式，大幅提高生產(chǎn)效率。BIM 技術(shù)能夠把圖紙上錯誤控制在5%以內(nèi)，通過碰撞檢測等3D功能，及時發(fā)現(xiàn)處理工程設(shè)計、施工中存在的問題，把控施工進(jìn)度，提高效益。BIM在我國的研究與應(yīng)用將會成為科技、工程行業(yè)不斷探索的一個重要課題。目前，鑒于BIM的推廣還面臨著諸多技術(shù)難題及應(yīng)用挑戰(zhàn)，BIM技術(shù)發(fā)展需要從以下方面著手：

1)研究完善BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實際應(yīng)用情況不斷修正BIM技術(shù)應(yīng)用指南。

2)加強BIM技術(shù)自主研發(fā)，解決BIM現(xiàn)存的一系列突出問題，如參數(shù)化快速建模，各專業(yè)軟件接口不融洽，軟件接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，解決使用中的一些列瓶頸問題，便于各專業(yè)協(xié)同交互使用。

3)注重BIM技術(shù)相關(guān)軟件及模型的開發(fā)，促進(jìn)完善BIM中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架有關(guān)內(nèi)容。