BIM 技術(shù)在萊鋼高爐工程中的應(yīng)用

孫啟明

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

在工程建設(shè)中應(yīng)用BIM 技術(shù)，將傳統(tǒng)二維設(shè)計轉(zhuǎn)換為三維設(shè)計，不僅僅是設(shè)計工具的轉(zhuǎn)變，還要面臨設(shè)計流程再造、專業(yè)間配合、設(shè)計資料的傳導(dǎo)、設(shè)計質(zhì)量的重新定義、設(shè)計表達(dá)的深度等系統(tǒng)性問題。目前冶金建設(shè)行業(yè)各工序的建設(shè)內(nèi)容差別較大，有的偏冶金、有的偏化工、有的偏制造，各設(shè)計院、工程技術(shù)公司其業(yè)務(wù)覆蓋的工序不同，造成其BIM 體系也不盡相同，因此形成了各具特色的BIM 體系。此次BIM 技術(shù)在萊鋼3 800 m3高爐工程中的應(yīng)用也是對公司初步形成的軟件架構(gòu)、作業(yè)流程、作業(yè)規(guī)范的一次驗證。

1 項目背景

2017 年1 月20 日，國務(wù)院辦公廳《關(guān)于創(chuàng)新管理優(yōu)化服務(wù)，培育壯大經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動能，加快新舊動能接續(xù)轉(zhuǎn)換的意見》中明確指出，“加快培育壯大新動能、改造提升傳統(tǒng)動能是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和實體經(jīng)濟(jì)升級的重要途徑”。同年山東省省委省政府召開了新舊動能轉(zhuǎn)換重大工程啟動工作會，著力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)智慧化、智慧產(chǎn)業(yè)化、跨界融合化、品牌高端化“四化”，加快形成新的經(jīng)濟(jì)增長點。

山鋼股份萊蕪分公司借新舊動能轉(zhuǎn)換之勢，通過減量置換方式新建2 座3 800 m3爐。項目位于濟(jì)南市鋼城區(qū)，投資約34 億元。本工程建設(shè)內(nèi)容主要包括礦焦槽及上料系統(tǒng)；爐頂裝料系統(tǒng)；高爐爐體；風(fēng)口平臺及出鐵場等27 個子項。

2 項目應(yīng)用BIM 技術(shù)的必要性

本項目在實施過程中會遇到以下難點：

（1）項目工藝流程長，體量大。包含從礦料到出鐵的完整煉鐵工藝。（2）高爐冷卻水管道，礦槽內(nèi)除塵管道以及煤氣綜合管廊等部位管線密集復(fù)雜。（3）項目涉及27 個子項，14 個專業(yè)，專業(yè)間接口多，采用傳統(tǒng)二維設(shè)計無法很好完成項目的協(xié)同設(shè)計。（4）項目中的大宗材料可以進(jìn)行數(shù)字化統(tǒng)計，與項目概算進(jìn)行比對完成比較好的費(fèi)控指標(biāo)。

最終經(jīng)過商議本項目決定采用BIM 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，解決以上問題。

3 BIM 軟件架構(gòu)

本公司業(yè)務(wù)包含冶金建設(shè)、市政綜合、國際業(yè)務(wù)三大板塊，因此在軟件比選過程中優(yōu)先選擇適用于冶金及市政工程且業(yè)內(nèi)以及國際認(rèn)可度高的軟件作為公司的BIM 體系軟件。通過比選，選擇確定Bentley系列軟件作為主軟件，包含工廠設(shè)計軟件OpenPlant Modeler（簡稱OPM），主要解決設(shè)備和管道的布置以及管理工作，并同時搭配OPM 的ISO 軸測圖以及平立面的切圖工具完成管道的設(shè)計和出圖工作。建筑設(shè)計采用OpenBuilding Designer 軟件（簡稱OBD）?？倛D以及場地設(shè)計采用CNCCBIM。電氣設(shè)計采用華東院基于Microstation 圖形平臺開發(fā)的ED設(shè)計軟件。非標(biāo)及成套設(shè)計軟件采用歐特克公司的Autodesk Inventor 軟件。除設(shè)備建模外，其他各專業(yè)的BIM 設(shè)計，統(tǒng)一在ProjectWise 協(xié)同設(shè)計平臺上進(jìn)行。圖紙打印及出版在公司的理正設(shè)計管理系統(tǒng)上進(jìn)行。整體BIM 軟件架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 BIM 軟件架構(gòu)

4 設(shè)計準(zhǔn)備工作

4.1 團(tuán)隊搭建

項目實施時，由于BIM 團(tuán)隊缺乏項目的正向設(shè)計經(jīng)驗，因此設(shè)計模式采用設(shè)計團(tuán)隊+BIM 團(tuán)隊相配合的方式進(jìn)行。

BIM 團(tuán)隊分為以下幾部分：BIM 經(jīng)理、系統(tǒng)管理員、技術(shù)支持團(tuán)隊、煉鐵工藝組、設(shè)備組、工藝管道組、三電組、建筑結(jié)構(gòu)組。BIM 組織架構(gòu)如圖2 所示：

圖2 BIM 組織架構(gòu)

4.2 企業(yè)規(guī)范編制

為規(guī)范工程項目三維協(xié)同設(shè)計的生產(chǎn)技術(shù)組織，理順三維協(xié)同設(shè)計流程，提高專業(yè)協(xié)同設(shè)計生產(chǎn)效率，保證三維設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)三維設(shè)計技術(shù)特點及公司現(xiàn)行管理制度的要求，特編制《工程數(shù)字化項目三維協(xié)同設(shè)計流程規(guī)定》《工程數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺管理規(guī)定》《三維數(shù)字化設(shè)計建模標(biāo)準(zhǔn)》《電子檔案利用管理規(guī)定》《工程數(shù)字化技能培訓(xùn)及認(rèn)證管理辦法》等標(biāo)準(zhǔn)。

相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定各角色的職責(zé)、作業(yè)流程、過程控制、成果固化存檔等內(nèi)容。對模型劃分及裝配規(guī)則、目錄劃分等級、文件命名規(guī)則、文檔構(gòu)成規(guī)則、人員權(quán)限、文件管理與維護(hù)、文檔安全管理進(jìn)行規(guī)范化。對模型文件的模型組織、模型顏色和圖層規(guī)定、對模型的幾何信息表達(dá)、屬性信息表達(dá)進(jìn)行規(guī)范化。

4.3 BIM 工作內(nèi)容

團(tuán)隊中設(shè)置BIM 經(jīng)理角色，其定位是設(shè)計團(tuán)隊和BIM 團(tuán)隊的橋梁，輔助設(shè)計經(jīng)理完成項目設(shè)計。BIM 經(jīng)理應(yīng)組織實施整體軟件的選用、明確建模的標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一BIM 設(shè)計平臺、BIM 環(huán)境定制以及BIM 的獎懲機(jī)制。根據(jù)以上內(nèi)容排布BIM 設(shè)計的時間節(jié)點、整體組織實施方案、事前指導(dǎo)書等內(nèi)容。項目經(jīng)理會同設(shè)計組確定項目設(shè)備屬性清單，設(shè)計經(jīng)理提交設(shè)備屬性清單給BIM 經(jīng)理，BIM 經(jīng)理組織設(shè)備屬性模板的定制工作。BIM 經(jīng)理根據(jù)設(shè)計組所選用的管道等級表，編制項目的管道等級庫。根據(jù)同意技術(shù)文件中的管道代號、外觀顏色、圖層表達(dá)等編制項目的dgn.lib 文件。

系統(tǒng)管理員：其主要負(fù)責(zé)軟件體系的正常運(yùn)行及PW 平臺的相關(guān)工作。根據(jù)BIM 經(jīng)理所擬定的項目文件結(jié)構(gòu)在PW 協(xié)同設(shè)計平臺上搭建項目樹，維護(hù)項目樹中的項目文件夾，相關(guān)圖文檔的出版和固化工作，根據(jù)事先擬定好的項目人員權(quán)限表分配項目組人員的創(chuàng)建讀寫改等權(quán)限、統(tǒng)計軟件使用情況等工作。

技術(shù)支持團(tuán)隊： 主要應(yīng)用軟件為OPM、OpenPlant Project Administrat、Bentley Class Editor、OpenPlant Specification Generator 等軟件。團(tuán)隊組成為工程數(shù)字化中心成員，負(fù)責(zé)提供技術(shù)支持，包含必要的軟件培訓(xùn)和過程指導(dǎo)、屬性模板定制、等級庫的編制、統(tǒng)一dgn.lib 文件。

煉鐵工藝組：主要應(yīng)用軟件為OPM，負(fù)責(zé)煉鐵專業(yè)工藝設(shè)備的布置，按照定制好的屬性模板填寫屬性參數(shù)，煉鐵專業(yè)的管道配管。

設(shè)備組：大部分的工藝設(shè)備按照模型粒度LOD300 的外形標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模，此外還要對重要產(chǎn)線的重要設(shè)備做精細(xì)化建模，體現(xiàn)出模型內(nèi)部的裝配關(guān)系，滿足將來數(shù)字工廠要求下設(shè)備模型的數(shù)據(jù)聯(lián)動和設(shè)備智能運(yùn)維管理的需求。具備裝配關(guān)系和設(shè)備層級。建模完成后上傳PW 平臺，以提資方式移交工藝專業(yè)，工藝專業(yè)出具《三維模型質(zhì)量審核表》。

工藝管道組：根據(jù)設(shè)計組的設(shè)計方案進(jìn)行管道專業(yè)建模，包含煤氣管道、給排水管道、除塵管道、熱風(fēng)管道，分專業(yè)進(jìn)行建模，儲存至項目結(jié)構(gòu)樹中。

三電組：電氣專業(yè)使用軟件為華東院ED 軟件，主要完成電氣專業(yè)盤柜布置、電纜橋架布置、電纜敷設(shè)、重要建筑的照明設(shè)施及線纜布置、防雷接地設(shè)計、參數(shù)化電氣埋管設(shè)計。電信專業(yè)使用軟件完成監(jiān)控像頭布置、通訊橋架、電信埋管、控制室內(nèi)布置等工作。

建筑結(jié)構(gòu)組：建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)采用翻模方式，按照土建施工圖對土建的基礎(chǔ)、框架結(jié)構(gòu)、建筑外墻、門窗等進(jìn)行建模，細(xì)致節(jié)點不做處理。

總圖組：總圖根據(jù)地形圖創(chuàng)建地模并對地模進(jìn)行場坪處理，創(chuàng)建總圖道路和路邊排水設(shè)施。并最終根據(jù)總圖定位，放置各子項分裝模型，形成總裝模型。圖3 為萊鋼1#3 800 m3高爐的總裝配模型。

圖3 萊鋼1#3800 m3 高爐總裝配模型

5 項目實施成果

通過項目的實施，實現(xiàn)了山鋼股份萊蕪分公司的以智能制造、綠色發(fā)展為突破，推動技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品升級、成本降低的目標(biāo)。 煉鐵能耗可由之前的397.74 kgce/t 降低至368.66 kgce/t，勞動生產(chǎn)率由目前1 000 t/人·年左右提高到1 300 t/人·年以上。廠區(qū)煙氣排放指標(biāo)達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，廢水0 排放，水的循環(huán)使用率達(dá)到100%，采暖季沖渣水余熱全部回收，用于鋼城區(qū)150 萬 m2社區(qū)居民采暖。

在BIM 設(shè)計上，各專業(yè)通過PW 平臺的協(xié)同設(shè)計功能解決了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計問題，根據(jù)事先規(guī)劃好的目錄結(jié)構(gòu)各專業(yè)模型存儲在各自目錄文件夾下，專業(yè)間通過參考功能實現(xiàn)模型參考互相借力。項目管理者通過PW 平臺可以對各專業(yè)的完成情況進(jìn)行統(tǒng)計和監(jiān)管，有助于提高設(shè)計效率和設(shè)計管理水平。通過軟件的碰撞檢查功能，以及在部分專業(yè)翻模過程中的二、三維校驗，檢查出多項碰撞和圖紙錯誤，形成三維設(shè)計碰撞檢查記錄一冊，共發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤86 項，通過科學(xué)計算相當(dāng)于挽救經(jīng)濟(jì)損失300 余萬元。運(yùn)用軟件材料統(tǒng)計功能，對土建材料、電氣材料、管道材料進(jìn)行統(tǒng)計通過與概算內(nèi)容比對，完成材料量的優(yōu)化進(jìn)而完成主材的費(fèi)控。同時基于模型的會審會簽工作，更高效、更直觀、更綜合，通過專業(yè)間互相參考進(jìn)行設(shè)計的方式增強(qiáng)了協(xié)作效率，整體溝通效率至少提高20%，節(jié)省了大量的設(shè)計時間。通過BIM 技術(shù)應(yīng)用，基本解決了設(shè)計中的難點問題。

6 結(jié)論

通過BIM 技術(shù)在本項目的應(yīng)用，驗證了公司BIM 軟件體系的可行性，BIM 技術(shù)的先進(jìn)性，人員架構(gòu)的合理性，規(guī)范流程的可執(zhí)行性，為將來其他項目的順利開展打下堅實基礎(chǔ)。