BIM 技術在油田門式剛架輕型鋼結構廠房設計中的應用

大慶油田工程有限公司

BIM 技 術（Building Informanion Modeling）即建筑信息模型技術，何清華、王寶令等[1-4]對BIM 技術在國內外的發(fā)展和應用進行了詳細介紹。BIM 技術對建筑的全壽命周期[5]（設計、施工、運營和維護）的各個過程進行數(shù)字模擬管理，這個過程體現(xiàn)了信息及數(shù)字化[6]在建筑業(yè)中的應用。BIM 模型是動態(tài)的，為了滿足工程的各類需求、提高建筑業(yè)整體管理水平，可以把工程各個階段中各類相關的工程信息增加到建筑模型中。BIM 在建筑業(yè)中的應用，體現(xiàn)了信息在建筑業(yè)利用價值的擴大化。如果說CAD 在建筑設計方面的推廣，把工程師從手工繪圖中解放出來是建筑行業(yè)的第一次革命，則BIM的推廣就將掀起建筑業(yè)從規(guī)劃、設計、施工、維護及管理層次上的第二次革命。

1 BIM技術的應用前景

大慶油田工業(yè)廠房數(shù)量多，使用功能分類明確，標準化設計程度高，構件及工程做法統(tǒng)一性高，但存在與油、水、氣、電、控等多專業(yè)銜接密切，穿墻、留洞資料復雜等特點，在傳統(tǒng)二維CAD模式下存在大量重復性繪圖工作，且各專業(yè)提資、驗證、校審流程繁瑣并易出現(xiàn)錯誤。這些特點為BIM 技術在油田工業(yè)廠房的推廣提供了極大的可能性。Autodesk Revit 軟件提供完全參數(shù)化、構件化、協(xié)同化的設計平臺，廠房各構件可以做成參數(shù)化構件族庫，設計人可以方便調用、修改族庫，省去了大量的重復性繪圖工作。Revit 中建立的模型可以導入PKPM、YJK、Midas 等結構設計軟件進行結構分析計算，并將計算結果返回至模型中，節(jié)省了設計時間，提升了工作效率。Revit 還提供了成熟的管綜校審功能，可以實現(xiàn)各專業(yè)管線與建筑本體間的碰撞檢查，極大地減少了設計錯誤發(fā)生的可能性。

因此，BIM 技術在大慶油田站場廠房設計中有極大的應用前景，也是未來數(shù)字化站場交付的需要。

2 應用實例

以大慶油田某站場污水泵房為例，探討在Autodesk Revit 環(huán)境下門式剛架輕型鋼結構廠房BIM 模型的建立。該污水泵房長度55.2 m（軸線），跨度15 m（軸線），采用鋼筋混凝土柱下獨立基礎，Q235B 鋼材，屋面及外圍護結構均采用預制壓型彩鋼夾芯板。

在Autodesk Revit 軟件環(huán)境下建立三維模型。Autodesk Revit 屬于完全參數(shù)化的三維建模軟件，在模型建立之前，需要建立完全參數(shù)化的構件族庫，這可以大大簡化以后的建模工作。

通過建立參數(shù)化三維模型，使建筑單體構件化、參數(shù)化。通過三維設計確定建筑每個構件的建筑單體、每個構件的位置、相對關系以及數(shù)量，便于后期各項模擬工作的開展，以及各類材料表的生成。

本建筑單體的構件主要包括鋼筋混凝土獨立基礎、門式剛架、冷彎薄壁型鋼檁條系統(tǒng)、圍護結構等單元，連接各構件采用標準化螺栓及其他構件。

2.1 基礎設計

本廠房采用鋼筋混凝土柱下獨立基礎，該基礎屬于異型基礎，可通過Revit 的建族工具對其進行設計，在Revit 族編輯環(huán)境中，使用拉伸命令創(chuàng)建基礎形體及相應屬性，并通過注釋對其進行參數(shù)化設定，使基礎的各邊尺寸、材質均參數(shù)化。對其進行配筋信息加注，完成設計后的基礎具有完整的信息，并可進行參數(shù)化調整（圖1～圖3）。

圖1 基礎平面圖Fig.1 Foundation plan

圖2 基礎立面圖Fig.2 Foundation elevation

圖3 基礎三維模型Fig.3 Foundation 3D-model

2.2 門式剛架設計

門式剛架的模型建立基于國標04SG518-1《門式剛架輕型房屋鋼結構》，本單體選用型號為GJ15-4b。

門式剛架可通過Revit 建族工具建立，在Revit族編輯環(huán)境中，導入已有的門式剛架CAD 圖形文件，使用拉伸命令創(chuàng)建門式剛架形體。對各個節(jié)點進行逐一細化設計，比如柱腳、加強肋、螺栓等構件，并賦予相應構件材質。將建立好的門式剛架模型與鋼筋混凝土基礎通過螺栓連接，建立一榀完整的門式剛架體系。

2.3 圍護結構設計

為了滿足廠房模塊化設計、模塊化施工的需要，本廠房屋面及外墻均采用了預制輕型壓型彩鋼夾心板作為圍護結構。外墻采用雙層0.6 mm 彩色壓型鋼板夾160 mm 超細玻璃絲綿（圖4），屋面采用雙層0.6 mm 彩色壓型鋼板夾120 mm 巖棉（圖5）。夾芯板完全采用模數(shù)化、模塊化設計。夾芯板寬度依據(jù)模數(shù)或按設計要求，一般為1 200 mm、960 mm 等，長度可連續(xù)成型，依據(jù)設計制作不同長度的板塊，彩鋼夾芯板四周設置插入式企口，具有安裝方便、省時、省材、平整度好、強度高等優(yōu)點。制造商可以根據(jù)Revit 模型確定預制夾芯板的分割尺寸及安裝順序，生產出完全符合要求的產品。施工現(xiàn)場通過螺栓或鉚釘與檁條連接，可以做到快速、精準施工，即節(jié)省時間，提高了工作效率，又提高了施工準確性及施工質量。

圖5 壓型彩鋼板復合墻面構造模型Fig.5 Construction model of profiled color steel plate composite wall

2.4 建立整體模型

將建立好的構件依據(jù)基礎—門式剛架—拉結系統(tǒng)—檁條系統(tǒng)—維護結構（包括門窗）的順序裝備成整個信息化的建筑模型（圖6、圖7）。

圖6 結構框架完成模型Fig.6 Finished model of frames

圖7 增加外圍護結構模型Fig.7 Model after adding claddings

3 BIM技術優(yōu)勢

（1）三維設計可更好地配合站場整體設計。首先在設計階段，與傳統(tǒng)二維設計相比，通過BIM 技術可以形成整體化、可視化、信息化的三維模型，設計人員可以直觀地審視整個設計有無遺漏，水、暖、電、信等各專業(yè)之間有無碰撞，空間設計時預留足夠的操作空間等，大大提高了設計質量。設計完成后，帶有完整信息的三維模型可以同時發(fā)布給施工方以及預制工廠。

目前大慶油田站場工藝設計已實現(xiàn)PDMS（工廠設計管理系統(tǒng)）三維化設計，油、氣、水等工藝專業(yè)管線碰撞檢查需在PDMS 環(huán)境下進行，各專業(yè)工藝管線穿墻繁多，預留洞口復雜，BIM 技術可以使廠房更準確地參與PDMS 環(huán)境下的碰撞檢查，減少錯誤的產生（圖8）。

圖8 PDMS 環(huán)境下土建單體與工藝管線穿墻關系Fig.8 Relationship between civil single bodies and through-wall process pipelines under PDMS environment

（2）BIM 技術在門式剛架輕型鋼結構工廠化預制中的優(yōu)勢。預制工廠可以在拿到廠房模型后，依據(jù)設計、施工、運輸?shù)纫螅瑢⒄麄€廠房構件化，在工廠預制完成后運輸至現(xiàn)場進行組裝。傳統(tǒng)鋼結構預制裝配式建設模式是設計—工廠制造—現(xiàn)場安裝，相較于設計—現(xiàn)場施工模式來說，雖節(jié)約了時間，但這種模式依然存在弊端。一方面因為設計、工廠制造、現(xiàn)場安裝三個階段相分離，設計成果可能不合理，在安裝過程中發(fā)現(xiàn)不能使用或者不經濟，造成變更和浪費，甚至影響質量；另一方面，工廠統(tǒng)一加工的產品比較死板，缺乏多樣性。BIM技術的引入可以有效解決以上問題，它將設計方案、制造需求、安裝需求集成在BIM 模型中，在實際建造前統(tǒng)籌考慮設計、制造、安裝等各種需求，盡可能減少問題的出現(xiàn)。BIM 技術在設計建模過程中將鋼結構廠房各配件、部件、主材等信息加載至模型中，進行統(tǒng)一分類和編碼，協(xié)調制造方、運輸方、安裝方的時間，分析并總結項目各階段需要的信息，可以精確指導制造、運輸、安裝的全過程。

4 結束語

隨著我國經濟的快速發(fā)展，技術的不斷進步，工業(yè)廠房建設數(shù)量在大幅度地增加，而隨著社會生產節(jié)奏的加快，對工業(yè)廠房的建設周期提出了更為苛刻的要求。在大慶油田的產能建設中，項目投產緊迫性日益提高，留給設計的時間越來越短。如何在更短的時間內，更加準確、高效地完成工業(yè)廠房的設計，做到多、快、好、省、準，是目前油田產能建設對設計方提出的新要求、新課題。在這種形勢下，以BIM 技術為支撐的門式剛架輕型鋼結構廠房設計為新形勢下的建設需求提供了一種可行的解決方案。