BIM技術(shù)在糖廠工程設(shè)計(jì)中全過程應(yīng)用分析

曹乾春，郭榮來，張平軍

(1中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州 511447；2廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所，廣東廣州 510316；3廣東省綠色制糖工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510316)

0 引言

近年來，隨著國家信息化智能化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，BIM技術(shù)得到了不斷的創(chuàng)新與發(fā)展，受到了廣泛的關(guān)注，正在逐步應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。BIM技術(shù)在工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中展現(xiàn)出可視化、一體化、參數(shù)化、協(xié)調(diào)性、便于模擬、利于優(yōu)化、出圖便利、算量精確、信息完備等優(yōu)勢(shì)，得到客戶的普遍認(rèn)可，BIM技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)已形成趨勢(shì)。

在“一帶一路”戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，國內(nèi)工程公司有越來越多的機(jī)會(huì)參與國際項(xiàng)目的建設(shè)，當(dāng)然同時(shí)也會(huì)面對(duì)日趨激烈的國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。面對(duì)這些機(jī)遇和挑戰(zhàn)，從設(shè)計(jì)單位的角度看，必須不斷創(chuàng)新發(fā)展并采取多種措施努力提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高自身的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力和可持續(xù)發(fā)展能力。

對(duì)于糖廠工程設(shè)計(jì)而言，BIM技術(shù)可以在優(yōu)化項(xiàng)目空間布局，精確計(jì)算各項(xiàng)工程量和提升各參建方協(xié)作效率等方面發(fā)揮獨(dú)特的作用，本文擬就BIM技術(shù)在糖廠工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析，進(jìn)而有利于顯著提升工廠設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 BIM技術(shù)簡(jiǎn)介和糖廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目特點(diǎn)

1.1 BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM是Building Information Modeling的簡(jiǎn)稱，中文翻譯為“建筑信息模型”。BIM的理念由美國喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman教授于1975年所創(chuàng)建，后經(jīng)各方逐步豐富發(fā)展。當(dāng)前研究認(rèn)為，BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息做出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[1-3]。

因此，BIM可謂是理念先進(jìn)技術(shù)優(yōu)良，其應(yīng)用可以貫穿于工程項(xiàng)目的整個(gè)生命周期并適用于相關(guān)參建方。

1.2 糖廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目特點(diǎn)

最近幾年新建的甘蔗糖廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目情況，具有以下特點(diǎn)[1]：

1.2.1 產(chǎn)能規(guī)模和用地面積比較大，建構(gòu)筑物數(shù)量多

最近幾年國外新建甘蔗糖廠項(xiàng)目中，產(chǎn)能規(guī)模不斷擴(kuò)大，處理能力從原來的5000、6000、12000 t/d到之后的24000 t/d，廠區(qū)總占地面積也越來越大，達(dá)到了750000 m2。建構(gòu)筑物數(shù)量在增多，主要單體包含預(yù)處理車間、壓榨車間、制煉車間、化水間、汽機(jī)間、鍋爐間、輔料間等，有的項(xiàng)目還配備煉糖車間、酒精車間、復(fù)合肥車間以及生活區(qū)和學(xué)校等，建構(gòu)筑物總數(shù)量已超80個(gè)。

1.2.2 設(shè)備和管道數(shù)量較多且布置空間有限，容易發(fā)生各類碰撞

大型甘蔗糖廠各類管道數(shù)量龐大，總計(jì)多達(dá)6000多根。而因糖廠生產(chǎn)工藝與設(shè)備結(jié)構(gòu)的特性，部分區(qū)域管道布置復(fù)雜且空間很緊湊，如蒸發(fā)工段蒸發(fā)罐底部夾層、煮糖罐底和室外綜合管廊等。蒸發(fā)夾層區(qū)域的蒸汽管道數(shù)量較多且外徑大，蒸汽冷凝水管、物料管道以及眾多公用工程管道交錯(cuò)布置，還需考慮清洗及維修通道；煮糖工段以高濃度物料為主，應(yīng)盡量以最大坡度布置管道，連續(xù)煮糖罐底部區(qū)域的管道數(shù)量多且異常復(fù)雜，合理空間布置難度很大；此外，室外綜合管廊也是管道數(shù)量多管徑大容易發(fā)生碰撞的區(qū)域。如何在設(shè)備和管道多，空間有限的地方合理布置，避免碰撞尤為重要。

1.2.3 設(shè)計(jì)周期相對(duì)較短，出圖質(zhì)量要求較高

二十世紀(jì)八九十年代，一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期短則一、兩年，長(zhǎng)則達(dá)四、五年，有的甚至更長(zhǎng)。而現(xiàn)在，施工圖設(shè)計(jì)周期就幾個(gè)月。時(shí)間壓縮的越來越少，而出圖質(zhì)量的要求卻越來越高。

1.2.4 材料統(tǒng)計(jì)的精準(zhǔn)性要求

海外糖廠工程項(xiàng)目，大部分距離比較遠(yuǎn)，成本原因基本采用海運(yùn)形式，運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)采購周期較長(zhǎng)，運(yùn)輸成本高。因此，材料統(tǒng)計(jì)的精準(zhǔn)性尤其重要，統(tǒng)計(jì)有誤，將會(huì)增加運(yùn)輸成本，影響現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。所以精準(zhǔn)的材料統(tǒng)計(jì)有利于控制成本，提高項(xiàng)目建設(shè)效益。

1.2.5 客戶對(duì)BIM技術(shù)的要求

近年來BIM技術(shù)迅猛發(fā)展，不斷應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在工程設(shè)計(jì)施工和管理方面，為大量的工程項(xiàng)目提供巨大助力，受到客戶的普遍好評(píng)。政府相關(guān)部門也在不斷推進(jìn)BIM技術(shù)的應(yīng)用，BIM技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)逐步形成趨勢(shì)。最近幾個(gè)甘蔗糖廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，客戶均希望設(shè)計(jì)成果中包含三維模型、三維動(dòng)畫，甚至要求應(yīng)用BIM技術(shù)正向設(shè)計(jì)，以方便后續(xù)的施工和管理工作。

綜合上述糖廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位推廣并普及BIM技術(shù)將勢(shì)在必行。

2 BIM 技術(shù)在糖廠工程設(shè)計(jì)中的全過程應(yīng)用分析

2.1 工業(yè)BIM平臺(tái)簡(jiǎn)介

目前運(yùn)用于工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各類軟件很多，每款軟件都各具特色。如何根據(jù)糖廠工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，組合一套成熟合理的三維軟件尤其重要，理想的軟件組合可以有效提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.1.1 BIM技術(shù)軟件配置

糖廠工程項(xiàng)目工藝熱力管道數(shù)量龐大、布置復(fù)雜，閥門種類繁多，在管道建模時(shí)要求靈活多變且操作簡(jiǎn)易，AVEVA公司開發(fā)的PDMS軟件兼容性強(qiáng)且操作靈便，能滿足管道布置的要求[1]。Autodesk公司開發(fā)的 Revit具有良好的易用性和較高的建模效率，已能成熟運(yùn)用于建筑、結(jié)構(gòu)及水暖電專業(yè)，滿足土建包的設(shè)計(jì)要求。PDMS和Revit是2款不同公司開發(fā)的軟件，其三維模型各自獨(dú)立，無法直接合成，Autodesk公司的 Navisworks具備合成功能，合成后的三維模型可以進(jìn)行查看與編輯，可用于BIM模型交付。根據(jù)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果需要，用3Ds Max、Premiere Pro等軟件進(jìn)行模型整合、鏡頭制作和后期剪輯可得到非常逼真的動(dòng)畫模型。最后還需配套部分設(shè)計(jì)及出圖插件。一套合理實(shí)用的軟件組合(PDMS+Revit+Navisworks+插件)是提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的保證。

2.1.2 BIM設(shè)計(jì)工作流程簡(jiǎn)介

經(jīng)過不斷摸索、實(shí)踐和總結(jié)，一套適用于糖廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的BIM技術(shù)應(yīng)用工作流程見圖1和圖2。

圖1 工藝包設(shè)計(jì)工作流程

圖2 土建包設(shè)計(jì)工作流程

2.2 BIM技術(shù)在糖廠工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用效果

2.2.1 BIM技術(shù)在方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

在糖廠工程設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)階段，可應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目的豎向分析、流向分析、土方平衡分析、平面分析、做法分析、可視化展示，并溝通項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案。

BIM技術(shù)運(yùn)用于流向分析中，可直觀且準(zhǔn)確的保證潔污分開，生活辦公與生產(chǎn)分開，甘蔗原料及成品運(yùn)輸與人流分開，確保糖廠整體布置工藝流暢，方便運(yùn)行管理(圖3)。

圖3 人流、物流演示

2.2.2 BIM技術(shù)在施工圖階段的應(yīng)用

2.2.2.1 工藝包設(shè)計(jì)

用PDMS軟件創(chuàng)建工藝熱力BIM模型，復(fù)雜的設(shè)備可通過Revit創(chuàng)建設(shè)備BIM模型，再配合插件自動(dòng)生成工藝熱力專業(yè)所需的預(yù)留孔圖和埋件提資圖、平面圖、立面圖、ISO圖、支吊架圖、管道材料匯總表、支吊架材料匯總表、管道表、管道特性表、閥門清單和法蘭清單等施工圖紙(圖4)，還可以根據(jù)項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)需要，生成三維視圖。

圖4 自動(dòng)生成匯總表

2.2.2.2 土建包設(shè)計(jì)

用Revit軟件創(chuàng)建建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電控專業(yè)BIM模型，通過Revit插件自動(dòng)生成滿足設(shè)計(jì)成果需要的平面圖、立面圖、軸測(cè)圖和柱、梁、板筋、外墻、內(nèi)墻、屋頂、門窗、樓板、欄桿扶手、幕墻、設(shè)備、管材、閥門、橋架、電纜等材料明細(xì)表(圖5)，還可以根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工需要生產(chǎn)各種專業(yè)的三維視圖。

圖5 自動(dòng)生成立面圖

2.2.2.3 三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)

用 3Ds Max、Lumion、After Effects、Photoshop、Premiere Pro等軟件進(jìn)行模型整合、鏡頭制作、圖文編輯和后期剪輯等可得到逼真的動(dòng)畫效果(圖6)。

圖6 三維動(dòng)畫

2.2.3 BIM技術(shù)在糖廠工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)分析

BIM技術(shù)應(yīng)用于糖廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，高效出圖和高品質(zhì)的設(shè)計(jì)成果，提升設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)手段，增強(qiáng)設(shè)計(jì)公司競(jìng)爭(zhēng)力?？锥春吐窦豳Y根據(jù)三維自動(dòng)生成，解決了以往項(xiàng)目孔洞及埋件的遺漏和提資不正確的問題。可視化同平臺(tái)協(xié)作設(shè)計(jì)，并可進(jìn)行碰撞檢查，解決了以往項(xiàng)目的大量碰撞問題，根據(jù)近幾個(gè)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)變更單數(shù)量減少約90%，提高了設(shè)計(jì)效率和現(xiàn)場(chǎng)施工效率，減少了建造和管理成本，提高企業(yè)效益。

2.2.3.1 方案可視化直觀展示，提升溝通效率

BIM技術(shù)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)時(shí)，可在BIM模型中直觀展示需要討論的方案內(nèi)容，快速準(zhǔn)確表現(xiàn)方案現(xiàn)狀供客戶全方位查看，可根據(jù)客戶意見現(xiàn)場(chǎng)在BIM模型中迅速修改平面，方便客戶理解，顯著提升溝通效率。

2.2.3.2 圖紙中增加復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的三維視圖，便于圖紙的準(zhǔn)確表達(dá)

對(duì)于糖廠一些比較重要的位置，或者布置復(fù)雜的地方，或者施工難度大容易引起誤解的區(qū)域，在圖紙中增加三維視圖，直觀展示設(shè)計(jì)方案和詳細(xì)做法，便于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員和施工人員準(zhǔn)確理解施工圖紙(圖 7)。

圖7 圖紙中增加三維視圖

2.2.3.3 正向設(shè)計(jì)，模型設(shè)計(jì)信息完整

BIM技術(shù)正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息一次輸入，全過程應(yīng)用，確保模型設(shè)計(jì)信息完整。如糖廠工程項(xiàng)目工藝熱力設(shè)計(jì)過程中，把工藝熱力工況參數(shù)表導(dǎo)入智能 P&ID中，工況參數(shù)自動(dòng)生成管線信息，在智能 P&ID中的設(shè)備信息模板輸入設(shè)備參數(shù)信息，再把智能P&ID中的參數(shù)通過插件傳遞到BIM模型中，可在模型中查看設(shè)備、管道、閥門和管件的參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)信息一次輸入全過程應(yīng)用，確保BIM模型信息完整(圖8)。

圖8 模型中閥門信息

2.2.3.4 各專業(yè)協(xié)同，可視化設(shè)計(jì)，避免碰撞，減少現(xiàn)場(chǎng)變更

BIM技術(shù)應(yīng)用糖廠項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)同一工業(yè)BIM平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)，各專業(yè)根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要，隨時(shí)調(diào)用其它相關(guān)專業(yè)的模型進(jìn)行查看，直觀展示其它各個(gè)專業(yè)的模型情況，如果空間不足，可立即截圖或者發(fā)送元素ID值給相關(guān)專業(yè)，溝通討論更改方案，避免碰撞，提高了溝通效率，有效減少現(xiàn)場(chǎng)變更。

2.2.3.5 孔洞和埋件的三維提資，確?？锥春吐窦恼_性

PMDS進(jìn)行設(shè)備管道建模和管道支吊架建模時(shí)，導(dǎo)入建筑結(jié)構(gòu)BIM模型，設(shè)備管道模型完成后，通過插件在建筑結(jié)構(gòu)模型上自動(dòng)開孔，保證所有穿墻穿樓板管道都已開孔，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)漏，在用管道支吊架軟件進(jìn)行建模時(shí)，輸入埋件參數(shù)信息，并傳遞到PDMS中，再通過相關(guān)插件把孔洞和埋件信息形成提資文件，輸入到 Revit平臺(tái)生成孔洞埋件實(shí)體模型，由建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)模型通過 Revit完成出圖。二維 CAD手工繪圖的孔洞和埋件提資容易出現(xiàn)錯(cuò)漏，由BIM模型直接生成三維提資，有效避免二維繪圖時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)漏，確?？锥春吐窦恼_性。

2.2.3.6 BIM模型自動(dòng)出圖，減輕繪圖工作量

BIM模型完成建模后，各個(gè)專業(yè)根據(jù)各自設(shè)計(jì)成果需要，通過相關(guān)插件完成自動(dòng)出圖。例如，工藝熱力管道，根據(jù)某大型甘蔗糖廠項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)約6000多張ISO圖，還有其他的設(shè)備平面布置圖、設(shè)備立面布置圖、管道平面布置圖、管道立面布置圖、支吊架詳圖、管段表、特性表、管道材料匯總表、支吊架材料匯總表和油漆保溫材料匯總表等，都可通過BIM模型完成自動(dòng)出圖，大量減少手工繪圖工作時(shí)間，提高工作效率和設(shè)計(jì)成果品質(zhì)。

2.2.3.7 工藝熱力管道模型自動(dòng)生成管道預(yù)制圖，用于管道的預(yù)制

BIM 模型里面的工藝熱力管道是按 1∶1比例建模，與實(shí)體參數(shù)一致，由BIM模型自動(dòng)生成的管道預(yù)制圖，尺寸精準(zhǔn)，可用于管道預(yù)制。對(duì)于材料貴重、割焊困難或者現(xiàn)場(chǎng)施工難度大的地方，由廠家按管道預(yù)制圖預(yù)制管道，現(xiàn)場(chǎng)直接吊裝，降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度，提高施工效率。

2.2.3.8 熱力管道應(yīng)力計(jì)算、支吊架設(shè)計(jì)和 BIM 模型的集成

BIM技術(shù)應(yīng)用于熱力管道設(shè)計(jì)時(shí)，用PDMS根據(jù)模型空間情況進(jìn)行管道建模，并根據(jù)管道布置情況選擇合適的支吊架類型插入相應(yīng)位置，再用插件把管道和支吊架信息導(dǎo)入應(yīng)力計(jì)算軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，通過直接調(diào)整管道模型、支吊架類型及其位置來滿足應(yīng)力計(jì)算，再把應(yīng)力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入支吊架設(shè)計(jì)軟件，直接在PDMS中生成支吊架模型，避免了應(yīng)力計(jì)算、支吊架設(shè)計(jì)和創(chuàng)建BIM模型三者獨(dú)立的局面，完成了熱力管道應(yīng)力計(jì)算、支吊架設(shè)計(jì)和BIM模型的集成。

2.2.3.9 電纜三維敷設(shè)，電纜材料統(tǒng)計(jì)精確

全專業(yè)BIM技術(shù)設(shè)計(jì)，電控專業(yè)用Revit進(jìn)行強(qiáng)弱電協(xié)同設(shè)計(jì)，在可視化BIM模型進(jìn)行電纜自動(dòng)敷設(shè)，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)照明和自控點(diǎn)位，并不斷優(yōu)化橋架和線管布置，避免出現(xiàn)碰撞。電纜材料由BIM模型自動(dòng)生成，統(tǒng)計(jì)精準(zhǔn)(圖9)。

圖9 優(yōu)化電纜敷設(shè)

3 結(jié)語

BIM技術(shù)應(yīng)用于甘蔗糖廠工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)，可以顯著提升糖廠工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，有助于工程各參建方多方協(xié)同提升項(xiàng)目管理效率，提高項(xiàng)目建設(shè)效益。