BIM技術(shù)在礦山工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

耿 璐 李衛(wèi)華 郝 哲

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

BIM(Building Information Modeling)是建筑信息模型的簡稱，是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立建筑模型，通過數(shù)字仿真來模擬建構(gòu)筑物所具有的信息的一種設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)信息的3D表達(dá)，是模型與信息的共同體，能夠幫助設(shè)計(jì)方、施工方和業(yè)主方直觀地理解與掌握建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)度，檢查設(shè)計(jì)空間沖突，輔助進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析等功能[1-3]，能夠做到項(xiàng)目全壽命周期的綜合應(yīng)用。BIM的使用被視為建筑領(lǐng)域的第二次技術(shù)革命[4]。

BIM是溝通協(xié)作式的工作方式，以統(tǒng)一的信息模型作為基礎(chǔ)，使不同專業(yè)和不同地點(diǎn)的設(shè)計(jì)人員可以在一個(gè)統(tǒng)一的信息模型上協(xié)同工作，創(chuàng)造了一種新型的協(xié)作和項(xiàng)目管理模式。集成化的設(shè)計(jì)模型區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的最重要的特征就是交互的載體，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法專業(yè)間是以資料及設(shè)計(jì)條件圖紙為設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)單位交付給施工單位的設(shè)計(jì)成果為設(shè)計(jì)圖紙；BIM設(shè)計(jì)則是以統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)信息模型代替了傳統(tǒng)的圖紙媒介，將所有的信息集成到了建筑模型中，貫穿設(shè)計(jì)施工及后期維護(hù)的全過程，BIM模型成為建筑信息的唯一載體。

1 BIM技術(shù)與礦山工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合的必要性

目前，BIM在民用建筑領(lǐng)域已經(jīng)得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，尤其是復(fù)雜工程項(xiàng)目，BIM技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了全部的覆蓋，北京奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館鳥巢、水立方及中央商務(wù)區(qū)Z15中國尊和上海的中心大廈及迪士尼樂園等，均采用了BIM技術(shù)。但是對(duì)于工業(yè)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是礦山工程，BIM的應(yīng)用卻起步較晚。礦山工程中的建筑主要是為生產(chǎn)服務(wù)的，參與專業(yè)眾多，規(guī)模和投資較大，各種設(shè)備和管線布置非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工中稍有不慎就會(huì)有碰撞的情況發(fā)生[3]，而BIM技術(shù)特性恰恰滿足了礦山工程建筑設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，兩者如果結(jié)合起來，不僅能夠解決專業(yè)之間的協(xié)同、管線碰撞等問題，而且能夠?yàn)楹笃诘纳a(chǎn)、維護(hù)及管理工作提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，所以將BIM與礦山工程設(shè)計(jì)相結(jié)合是非常必要的。

2 BIM技術(shù)在某礦山工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

國外某鉛鋅礦選礦廠磨礦車間的結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。該車間為開敞式結(jié)構(gòu)，長82.5 m，寬24 m，柱距7.5 m，廠房內(nèi)設(shè)有1臺(tái)半自磨機(jī)和1臺(tái)球磨機(jī)，半自磨機(jī)及球磨機(jī)周圍設(shè)工作檢修平臺(tái)，廠房頂部設(shè)1臺(tái)檢修吊車，軌頂標(biāo)高24 m。整個(gè)項(xiàng)目涉及結(jié)構(gòu)、建筑、選礦、水道、管道、電力、自控等多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，非常適合BIM技術(shù)的應(yīng)用。以Bentley系列軟件作為工作平臺(tái)完成模型的最終集成工作，各專業(yè)模型通過ProjectWise協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)完成模型建立及共享。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位：mm)

2.2 BIM建模流程

為了使三維模型既要與最終的施工圖相吻合，又不能與計(jì)算模型存在過大的差異，本項(xiàng)目采用了多種三維建模方法來進(jìn)行比較。對(duì)于三維結(jié)構(gòu)計(jì)算，Bentley平臺(tái)自身包含有STAAD.PRO結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，但由于STAAD.PRO在國內(nèi)應(yīng)用并不十分廣泛，對(duì)國標(biāo)規(guī)范支持不全面，故本次并未采用STAAD.PRO進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，而是采用了國內(nèi)目前較為常用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件盈建科YJK。YJK軟件具有豐富的外部文件接口，可以與Revit、PKPM、Midas、Bentley等軟件之間實(shí)現(xiàn)模型的互導(dǎo)，且對(duì)國標(biāo)規(guī)范支持較好，方便設(shè)計(jì)人員使用。在三維設(shè)計(jì)中，通過第三方計(jì)算軟件設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入三維交互平臺(tái)進(jìn)行校核也是常用的做法[5]。

2.2.1 結(jié)構(gòu)建模及分析

YJK軟件自帶格構(gòu)式組合截面庫，對(duì)格構(gòu)式廠房柱及支撐可以直接選取熱軋H型鋼格構(gòu)式組合截面。對(duì)磨機(jī)檢修平臺(tái)，采用熱軋H型鋼框架結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)整體模型如圖2所示。該項(xiàng)目所在地50年超越概率為10%地震峰值加速度為0.1 g，風(fēng)荷載為0.7 kN/m2，由于是開敞結(jié)構(gòu)，作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載按照構(gòu)件的實(shí)際擋風(fēng)面積計(jì)算，磨機(jī)檢修平臺(tái)檢修荷載為10 kN/m2，其余部位檢修荷載均按照5 kN/m2計(jì)算,頂部設(shè)1臺(tái)40 t吊車，工作級(jí)別為A5，最大輪壓為28 t。

通過結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力及位移均滿足設(shè)計(jì)要求，吊車荷載作用下柱頂?shù)踯囓壍罉?biāo)高處橫向水平位移為H/1050(H為地面至吊車軌頂標(biāo)高處高度)。

圖2 結(jié)構(gòu)整體模型

2.2.2 結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入設(shè)計(jì)平臺(tái)

結(jié)構(gòu)模型調(diào)整完畢后，需通過YJK- Bentley接口將YJK軟件計(jì)算模型.yjk文件轉(zhuǎn)化為中間文件.ydb文件，通過Bentley系列軟件中的AECOsim Building Designer將計(jì)算模型轉(zhuǎn)化為Bentley軟件的.dgn模型。在轉(zhuǎn)化模型過程中，由于YJK與Bentley對(duì)截面的定義不同，YJK軟件中定義的格構(gòu)式組合截面無法正確顯示在Bentley模型中，需要對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善，才能夠滿足三維設(shè)計(jì)的要求。模型的補(bǔ)充可以通過AECOsim Building Designer直接完成，本項(xiàng)目采用了Tekla補(bǔ)充建模的方式，在Tekla軟件內(nèi)建立了格構(gòu)式鋼柱及格構(gòu)式柱間支撐的模型，通過.ifc文件導(dǎo)入AECOsim Building Designer作為YJK軟件的補(bǔ)充，形成完整的結(jié)構(gòu)三維模型,如圖3所示。模型滿足三維設(shè)計(jì)碰撞檢查及后期生成鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件詳圖的要求。

圖3 結(jié)構(gòu)整體三維模型

2.2.3 交互設(shè)計(jì)及碰撞檢查

BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于“交互”與“協(xié)同”，MicroStation為交互設(shè)計(jì)提供了軟件平臺(tái)，各專業(yè)以工藝設(shè)備配置為基礎(chǔ)，在統(tǒng)一的ProjectWise協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)下，通過各個(gè)專業(yè)模塊建立三維模型，同時(shí)由于各個(gè)專業(yè)模塊都是以Microstation平臺(tái)為基礎(chǔ)，所以可以通過ProjectWise參考相關(guān)專業(yè)的模型，確定各自設(shè)備及構(gòu)件所在的空間位置，如設(shè)備專業(yè)模型(圖4)、管道專業(yè)模型(圖5)和建筑專業(yè)模型(圖6)，通過Microstation平臺(tái)將各個(gè)專業(yè)的模型進(jìn)行組裝(圖7)，形成總裝模型；然后通過Microstation平臺(tái)的沖突校核功能對(duì)總裝模型進(jìn)行檢查和校核，在碰撞檢查的同時(shí)可以進(jìn)行批注設(shè)置，Bentley Navigation模塊可以很好地解決。MEP的碰撞檢查在BIM設(shè)計(jì)中是最常見的。通過碰撞檢查，可以很大程度上避免管線的交叉及設(shè)備的碰撞；同時(shí)，檢查出現(xiàn)的問題，或者在模型瀏覽中出現(xiàn)的問題，都可以進(jìn)行批注[6]。

圖4 設(shè)備模型

圖5 管道模型

圖6 建筑模型

圖7 總裝模型

3 結(jié)束語

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，通過在礦山工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用BIM技術(shù)，能夠更好地使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)相結(jié)合，將原有的二維設(shè)計(jì)升級(jí)為三維交互設(shè)計(jì)，通過直觀的三維模型更容易提高設(shè)計(jì)效率，有效避免在施工過程中出現(xiàn)設(shè)備、管線與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的沖突。但是同時(shí)也需要認(rèn)識(shí)到，當(dāng)前的應(yīng)用成果主要表現(xiàn)在BIM技術(shù)手段的提升和局部價(jià)值的展現(xiàn)上，局限于設(shè)計(jì)階段的各專業(yè)協(xié)同，并未從根本上體現(xiàn)出BIM為工業(yè)設(shè)計(jì)帶來的整體價(jià)值和變革作用[7]，BIM技術(shù)的精髓是在于將建筑信息貫穿到項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，對(duì)項(xiàng)目的施工建造和后期運(yùn)營管理同樣具有非常重要的意義，BIM的全壽命周期綜合應(yīng)用仍然任重道遠(yuǎn)。