建設(shè)階段選煤廠BIM模型重建方法研究

喬 莎，張樹(shù)森，郭 瑞，李亞梅

(1.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司，天津 300120；2.中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000；3.北京龍睿海拓科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100160)

BIM技術(shù)通過(guò)3D數(shù)據(jù)推進(jìn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和管理等實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化，推動(dòng)工程相關(guān)參與者提高決策水平和效率，正在成為工程領(lǐng)域的第二次革命[1]。在新工業(yè)革命的大背景下，選煤廠智能化勢(shì)在必行，選煤廠管理也將向數(shù)字化、智能化、可視化方向發(fā)展[2]。建筑信息模型(BIM)的出現(xiàn)給建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期管理帶來(lái)新的契機(jī)，它將信息化技術(shù)引入項(xiàng)目全壽命周期，通過(guò)實(shí)現(xiàn)可視化、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、模擬優(yōu)化、專業(yè)出圖等一系列功能，高效協(xié)調(diào)各參建方的溝通，形成了一種以BIM技術(shù)為中心的全新項(xiàng)目管理模式[3]。

當(dāng)下選煤工程BIM設(shè)計(jì)尚處于探索與初試階段，只有少數(shù)幾家設(shè)計(jì)院搭建了BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)的嘗試，具備提供BIM模型數(shù)據(jù)的能力，目前大部分煤炭設(shè)計(jì)院還是以二維圖紙進(jìn)行成果的交付，難免會(huì)造成信息傳遞效率低下、更新不及時(shí)、信息交流障礙甚至數(shù)據(jù)丟失等不良影響[4]，導(dǎo)致選煤廠本身沒(méi)有足夠BIM數(shù)據(jù)積累，無(wú)法支撐基于BIM場(chǎng)景的選煤廠智能化應(yīng)用[5]，對(duì)于處于設(shè)計(jì)施工階段需要進(jìn)行BIM模型重建的選煤廠，通常采用基于圖紙的BIM模型重建方法，通過(guò)BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)，可以對(duì)項(xiàng)目中存在的問(wèn)題進(jìn)行一定程度的優(yōu)化[6]。

選煤廠模型重建工作是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，建模過(guò)程涉及建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)制、選煤、工藝管道、暖通、電氣等多個(gè)專業(yè)[7]，利用BIM技術(shù)關(guān)聯(lián)各專業(yè)信息，能夠大大減少工作量和差錯(cuò)[8]。目前市場(chǎng)常用BIM模型重建方法主要有兩種，一種是軟件基于圖紙自動(dòng)翻模，另一種是利用建模軟件基于圖紙進(jìn)行建模，這兩種方法均存在技術(shù)門檻低、流程管控粗糙以及完全參考圖紙盲目建模等問(wèn)題，無(wú)法保證建模質(zhì)量[9]。本文通過(guò)應(yīng)用Bentley BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，將協(xié)同建模工作流應(yīng)用到基于圖紙的選煤廠BIM模型重建工作中，研究出一套高效率高質(zhì)量的選煤廠BIM模型重建與模型校核方法，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，通過(guò)該方法的應(yīng)用，建模質(zhì)量與建模效率得到了提升，避免了設(shè)備管道碰撞問(wèn)題，通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)理念與標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同建模流程的運(yùn)用，推進(jìn)設(shè)計(jì)人員由二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)概況

1.1 BIM模型

BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的簡(jiǎn)稱。這種建筑信息模型是一種包含項(xiàng)目工程全生命周期內(nèi)的構(gòu)件和非構(gòu)件三維信息的資源庫(kù)[10]。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，BIM是一種三維技術(shù)，是以三維建模的方式，將收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行立體化呈現(xiàn)，使相關(guān)工作人員更直觀、立體地進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠性、流通性分析，為相關(guān)項(xiàng)目的管理人員建立更完善的信息共享平臺(tái)[11]。近年來(lái)，對(duì)三維渲染的應(yīng)用，基本都是對(duì)于項(xiàng)目的效果展示，僅僅是外觀，比較常見(jiàn)的是由3D Max創(chuàng)建的網(wǎng)格模型。雖然渲染效果出色，但是缺乏真實(shí)性，尤其是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景細(xì)部的表現(xiàn)以及內(nèi)部的描述。BIM模型以計(jì)算機(jī)三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架，用數(shù)字化形式完整表達(dá)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)體和功能，能夠系統(tǒng)準(zhǔn)確地集成工程項(xiàng)目所有信息和數(shù)據(jù)，具有全面性、相互關(guān)聯(lián)性、三維可視等特點(diǎn)，成為了數(shù)據(jù)最好的載體[12]，基于BIM的可視化、智能化全生命周期管理模式也開(kāi)始在煤炭行業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用，在建設(shè)工程項(xiàng)目的任何階段都可以為各參與方提供技術(shù)支持和協(xié)同作業(yè)幫助[13]。

1.2 基于圖紙的BIM建模

雖然現(xiàn)在各大設(shè)計(jì)院，都開(kāi)始推廣正向設(shè)計(jì)，但是BIM正向設(shè)計(jì)就目前發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，它單獨(dú)工作運(yùn)行的效率仍不及成熟的CAD二維設(shè)計(jì)，所以正向設(shè)計(jì)并未在國(guó)內(nèi)得到推廣。在正向設(shè)計(jì)成熟之前，基于圖紙的模型重建是當(dāng)前階段BIM應(yīng)用繞不開(kāi)的一項(xiàng)工作[14]。但是建模協(xié)同方式及模型檢核在整個(gè)過(guò)程中的重要性仍不容忽視，為了讓BIM模型更好地服務(wù)于選煤廠數(shù)字化運(yùn)維管理，發(fā)揮其數(shù)據(jù)的最大價(jià)值，充分表達(dá)實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，就要保證其模型數(shù)據(jù)是完整、可靠、詳實(shí)的。傳統(tǒng)基于圖紙的翻模由于門檻低，翻模人員按照?qǐng)D紙盲目進(jìn)行建模，存在建模工具不全面以及對(duì)流程的不重視等問(wèn)題，沒(méi)有在流程和工具上對(duì)建模質(zhì)量和建模效率進(jìn)行把控。由于建模圖紙存在制圖原則不規(guī)范、圖紙精確度不足、模型更新頻繁等問(wèn)題，常常出現(xiàn)BIM模型質(zhì)量及精細(xì)度不符合后期應(yīng)用要求的情況[15]。雖然BIM正向建模受限于經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)應(yīng)用成熟度限制，無(wú)法得到高效應(yīng)用，但是也要認(rèn)識(shí)到三維協(xié)同設(shè)計(jì)與碰撞檢測(cè)在BIM建模中的作用，通過(guò)將協(xié)同建模理念與碰撞檢測(cè)技術(shù)與基于圖紙的建模技術(shù)相結(jié)合能夠更好地發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)，尤其適合設(shè)計(jì)施工階段的復(fù)雜選煤廠建模項(xiàng)目，能夠讓其在建模流程、效率及質(zhì)量等多方面得到提升。

2 基于圖紙的選煤廠BIM協(xié)同建模流程

BIM模型重建后，會(huì)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在選煤廠全生命周期中進(jìn)行數(shù)字化應(yīng)用，所以需要保證模型準(zhǔn)確。處于設(shè)計(jì)階段與建設(shè)階段的選煤廠建模，此時(shí)的圖紙是在隨著施工過(guò)程進(jìn)行變更，圖紙是唯一的建模數(shù)據(jù)，且圖紙相對(duì)準(zhǔn)確，但是也會(huì)不可避免地出現(xiàn)圖紙錯(cuò)誤及變更等問(wèn)題，經(jīng)研究此階段選煤廠BIM模型數(shù)據(jù)特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的建模路線與校核流程，如圖1所示。從建模任務(wù)上主要分為三個(gè)部分，分別是協(xié)同建模環(huán)境配置、各專業(yè)模型重建與模型檢核裝配。

以上建模路線對(duì)建模過(guò)程與質(zhì)量進(jìn)行了合理把控，充分發(fā)揮了BIM協(xié)同建模與碰撞檢測(cè)在BIM模型重建中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于有建模標(biāo)準(zhǔn)與編碼標(biāo)準(zhǔn)的工程項(xiàng)目，可以遵循按照建模標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備標(biāo)識(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各專業(yè)細(xì)化模型的創(chuàng)建，規(guī)范了建模過(guò)程。此建模方法在大海則選煤廠BIM模型重建工程中進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

圖1 基于圖紙的BIM協(xié)同建模流程

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

大海則選煤廠是大海則礦井的配套選煤廠，建設(shè)規(guī)模為15.0Mt/a，屬礦井型動(dòng)力煤選煤廠，目前處于建設(shè)階段。建模范圍包括：主廠房、濃縮車間、原煤倉(cāng)、地銷倉(cāng)及矸石倉(cāng)、產(chǎn)品倉(cāng)、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、棧橋等三十個(gè)單體的選煤工藝、機(jī)制、工藝管道、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、給排水、暖通等模型。建模對(duì)象系統(tǒng)性較強(qiáng)，且內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備管道分布密集，除常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)外，主要包括大型選煤設(shè)備、機(jī)制設(shè)備、工藝管道、配電柜、電纜橋架、給排水以及暖通管道等建模對(duì)象，建模對(duì)象復(fù)雜、建模工作量大，重建后的BIM模型主要應(yīng)用于基于BIM的三維可視化管理平臺(tái)建設(shè)。

3.2 選煤廠BIM數(shù)據(jù)類型

大海則選煤廠目前主體設(shè)施基本建造完成，選煤廠建設(shè)后狀態(tài)基本與設(shè)計(jì)施工圖紙保持一致，支撐建模數(shù)據(jù)主要有各專業(yè)設(shè)計(jì)文件資料、設(shè)計(jì)圖紙、施工圖紙，施工變更記錄、設(shè)備說(shuō)明書(shū)及設(shè)備安裝布置資料等。

統(tǒng)計(jì)后得到圖檔資料共計(jì)11050件，主要包括各專業(yè)設(shè)計(jì)施工圖、施工圖紙、設(shè)備使用說(shuō)明、設(shè)備圖檔等，其中有30%圖紙可用于BIM模型構(gòu)建，支撐各構(gòu)筑物主體建筑結(jié)構(gòu)以及部分設(shè)備BIM模型重建；資料統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 大海則選煤廠圖紙資料匯總

3.3 大海則選煤廠BIM模型構(gòu)建

3.3.1 協(xié)同建模平臺(tái)環(huán)境配置

Project Wise工作環(huán)境配置管理是三維協(xié)同設(shè)計(jì)的核心部分，通過(guò)統(tǒng)一的協(xié)同建模環(huán)境配置，能夠保證各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用同一套標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，這也是三維協(xié)同設(shè)計(jì)提高工作效率和工作質(zhì)量的關(guān)鍵[16]，主要包括工作環(huán)境配置、工作流程定制、人員角色定義、協(xié)同建模管理目錄制定等。本次建模專業(yè)涉及建筑、結(jié)構(gòu)、選煤、機(jī)制、暖通、電氣以及給排水等專業(yè)，遵從專業(yè)間協(xié)同建模原則，為各專業(yè)配備建模工程師進(jìn)行模型構(gòu)建。人員配置情況見(jiàn)表2。

表2 建模資源配置

制定適合大海則BIM建模的管理目錄結(jié)構(gòu)，對(duì)項(xiàng)目裝配方案進(jìn)行說(shuō)明，將廠區(qū)模型按照單體功能區(qū)域進(jìn)行一級(jí)拆分，利用專業(yè)進(jìn)行二級(jí)拆分，對(duì)單體設(shè)施，除選煤、機(jī)制專業(yè)外其他專業(yè)按照層級(jí)區(qū)塊進(jìn)行管理。

3.3.2 協(xié)同建模平臺(tái)

對(duì)于選煤廠BIM模型的三維系統(tǒng)重建工作，工具及平臺(tái)的選擇至關(guān)重要。針對(duì)選煤工程特點(diǎn)，采用Bentley軟件平臺(tái)對(duì)BIM模型進(jìn)行重建。整個(gè)軟件基于Project Wise設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的數(shù)字化協(xié)同建模設(shè)計(jì)，是面向全專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝/設(shè)備/管道/結(jié)構(gòu)/電氣/暖通等專業(yè)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，包括土建建模模塊Openbuilding Designer、電氣專業(yè)建模模塊 Bentley Raceway and Cable Management、管道設(shè)備模塊Openplant Modler、結(jié)構(gòu)詳細(xì)建模模塊ProStructureProSteel、總圖設(shè)計(jì)模塊Openroads Designer等[17]。Bentley各專業(yè)功能齊全，且都基于MicroStation圖形平臺(tái)，各模型之間能進(jìn)行無(wú)縫參考協(xié)同，同時(shí)能夠通過(guò)ProjectWise更有效地對(duì)項(xiàng)目及協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行管理，在協(xié)同設(shè)計(jì)與建模專業(yè)覆蓋方面優(yōu)勢(shì)明顯。Bentley選煤廠建模解決方案軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Bentley選煤廠建模解決方案軟件架構(gòu)

3.3.3 專業(yè)間協(xié)同建模

各專業(yè)人員基于圖紙，分別利用各專業(yè)建模軟件進(jìn)行模型重建，設(shè)備模型在建模的同時(shí)，需要將設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)添加到模型屬性中。

專業(yè)建模完成后進(jìn)行各專業(yè)組裝，需要進(jìn)行專業(yè)內(nèi)碰撞檢測(cè)與專業(yè)間碰撞檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)碰撞后，首先由各專業(yè)對(duì)照?qǐng)D紙進(jìn)行檢查，如果是建模工程師導(dǎo)致的錯(cuò)誤則直接進(jìn)行模型修改更新，若發(fā)現(xiàn)圖紙本身設(shè)計(jì)過(guò)程中存在碰撞，則可以將結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)方，設(shè)計(jì)方進(jìn)行修改。直至專業(yè)模型不存在碰撞后依次進(jìn)行專業(yè)組裝、區(qū)域組裝、廠區(qū)總裝，直至建模工作完成，建模過(guò)程中碰撞多為管道與設(shè)備方面的碰撞。

大海則BIM模型重建，共完成30個(gè)單體全專業(yè)模型的建立，包括選煤、機(jī)制、工藝管道、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、給排水、暖通、總圖等專業(yè)，其中大型工藝設(shè)備500臺(tái)。

4 BIM模型成果應(yīng)用

BIM技術(shù)具有良好的模擬特性，不僅可以模擬外觀形態(tài)，還可以模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)技術(shù)人員還可以在模型上，對(duì)各類參數(shù)的信息進(jìn)行靈活調(diào)整[18]。通過(guò)BIM技術(shù)，將模型進(jìn)行細(xì)化及深化之后，配合項(xiàng)目的全生命周期一體化管理平臺(tái)進(jìn)行模擬演示，模型之中不但可以查看構(gòu)件信息，還可以進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)以及局部的放大等細(xì)節(jié)演示，讓項(xiàng)目各方對(duì)建筑整體及細(xì)節(jié)都有了解，配合VR等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的演示，增加業(yè)主或相關(guān)人員的真實(shí)體驗(yàn)感。另外，BIM技術(shù)能夠?qū)Ρ镜財(cái)?shù)據(jù)、單機(jī)數(shù)據(jù)、傳感器等信息流進(jìn)行采集，有些信息流由于自身的特殊性，需進(jìn)行人工錄入，人工錄入和自動(dòng)采集形成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)需要上傳到服務(wù)器[19]。由專業(yè)的技術(shù)人員對(duì)信息流數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和維護(hù)，不斷更新，并將關(guān)系模型融到整個(gè)信息流系統(tǒng)中。這些信息流可供各單位調(diào)用，讓相關(guān)單位準(zhǔn)確了解相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)信息流共享[20]?；跀?shù)字化重建過(guò)程中獲取的廠區(qū)設(shè)備設(shè)施的外形和空間位置，工程屬性和拓?fù)溥B接關(guān)系等粒度達(dá)到零部件級(jí)別的精度，完成對(duì)大海則選煤廠密集資產(chǎn)的三維數(shù)字化，為關(guān)鍵設(shè)備資產(chǎn)管理三維應(yīng)用提供數(shù)字模型支撐。

5 結(jié) 語(yǔ)

伴隨著國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等技術(shù)在能源企業(yè)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，選煤廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理也必將走可視化、數(shù)字化、智能化的道路，BIM技術(shù)應(yīng)用的范圍也會(huì)隨著行業(yè)需求而逐步延伸，選煤廠工程信息模型的信息架構(gòu)正是用來(lái)發(fā)展BIM全生命周期應(yīng)用的基礎(chǔ)，當(dāng)下在建、已建卻沒(méi)有BIM模型的選煤廠所占比例較大，選煤廠BIM模型重建將長(zhǎng)期存在市場(chǎng)需求，本文以解決問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，將協(xié)同建模流程與校核流程融入BIM模型重建工作中，保證了建模質(zhì)量效果，同時(shí)也在一定程度上影響B(tài)IM模型重建作業(yè)方式，優(yōu)化了整體BIM模型建模重建流程，為BIM模型重建提供了有效的方法，無(wú)論是在設(shè)計(jì)行業(yè)還是工程技術(shù)服務(wù)行業(yè)都有廣闊的應(yīng)用前景。