BIM技术在选煤厂设计中的应用与实践

黄国栋

(大地工程开发(集团)公司 天津分公司，天津 300381)

BIM技术是以包含多层信息的三维协同设计模型为设计基础，通过模型与设计人员的信息交流实现协同设计。BIM全称Building Information Model，即“建筑信息模型化”，是建筑(或工程)项目中从策划、设计、施工、运营到拆除的全生命周期内生产和管理工程数据的过程。三维协同设计模型是将项目中的单一构件作为基本元素，将描述基本元素的几何数据、物理特性甚至设备厂家、功能特征等相关信息有机组织起来，形成一个数据化的项目模型。

伴随着互联网信息技术的飞速发展，以 BIM 技术为核心的建筑行业信息化进程走上了快车道，在很多建筑行业设计院都有专门的BIM部门负责BIM的应用与推广。而在煤炭工程设计行业，BIM技术应用尚在起步阶段。据了解，部分设计院的BIM设计采用二维图纸完成后由专人按二维图纸进行三维建模，实际上就是一个翻模过程，无法实现BIM设计过程中的优化完善。

选煤厂建设项目是较复杂的系统工程，需要各阶段相互衔接、各专业协同设计。目前国内选煤厂大多数采用二维平面设计，在信息沟通、资源调配、进度控制、设计标准化等方面管理复杂，且工作效率低。针对目前选煤行业设计现状，大地公司选煤设计院在选煤设计方面率先进行了BIM技术的探索和研究。经过多年BIM软件的使用实践，已经实现了在方案设计、施工图设计过程中各主要专业的正向BIM协同设计；显著提高了设计质量，设计变更量也明显减少。

1 BIM设计三维软件的选择

选煤厂设计是一项综合性、多专业配合的工程，需要工艺、总图、结构、机制、电气、给排水、采暖通风、工管等多专业配合。设计既要解决各专业之间的资源共享，也要满足各专业的特殊要求。大地工程开发(集团)公司十分重视三维设计 BIM 技术的研究及应用，于2010年即投资引进了钢结构三维软件Tekla Structures和机械三维软件Solidworks，在选煤厂钢结构模块及非标设计中尝试应用。在BIM设计软件平台的选择上，有3个软件可选，分别是Bentley系列三维设计CAD软件、Graphisoft ArchiCAD 14软件及Autodesk 公司的Revit软件。经过多次考察、比较，结合选煤厂设计的特点，本公司选择了Autodesk 公司的BIM 产品Revit 作为三维设计平台。

公司在推广三维设计、BIM 技术应用方面的目标是：在方案设计阶段利用三维模型增加可视性，优化工艺布置，利用三维协同设计提高设计品质，实现高技术附加值的设计及施工现场、施工过程的三维组织设计；利用建立的三维建筑全信息模型，为工程总承包项目提供较为准确的设备材料与工程量清单、工时定额统计、工程投资和工程造价等，以控制投资风险；推行三维设计BIM 技术，不断提高我院市场竞争实力。

2 三维软件使用初期摸索

初期在结构及工艺管道专业有组织地开展了Revit软件的试用，工艺管道专业则根据需要进行了大量基础性开发工作，把常用设备、管件及支吊架做成族，这样在设计过程中才能随时调用插入模型中。

后续开始在院内各专业推广使用Revit软件，并初步建立起三维设计、BIM(建筑信息模型)技术应用的CAD平台，完善了各专业的模板文件及相应的族构建。按要求有组织、有计划地在部分工程中进行三维设计实践，收到了预期效果，也增强了推广应用三维设计BIM技术的信心。BIM技术的发展应用将带来以下变化：

2.1 设计流程的变化

选煤行业传统设计组织架构是工艺专业为龙头，其他专业相对独立进行平行的专业设计模式。传统选煤厂设计流程一般是：工艺专业根据项目需求，量身定制一个能够安置主体设备的建筑，然后根据经验进行简单的建筑结构主体构件、机制主要非标构件描绘，再提资给土建专业进行结构设计，并同时提资给机制、水暖电专业做机制非标、设备、管道综合布置。通过提资、协调会等方式进行各专业协同，完成各专业施工图后，由工艺专业进行安装关系图汇总，并在这个过程中发现和解决各专业间的协同问题。在这个流程中，一般需要等到上游专业(工艺、机制)确定设计成果后，才将资料提交给下游专业(土建、水暖电、管道专业)。也就是说这是一个串行“抛墙式”的设计流程，上游专业必须完成一定阶段的设计且通过审核后才能流转到下游专业，下游专业才能进行下一步设计，在时间上造成下游专业设计工期紧张，而且这样的设计流程其实很繁琐，一旦上游各专业间出现设计冲突，上下游各个专业就必须来回反复提资进行修改。整个过程又要重来一次，使得设计者疲于修改调整设计。

采用BIM协同设计后，各专业在同一个模型中进行设计，任何一个专业的设计模型都可以被其它专业实时查看，但不能修改；各专业发现彼此的问题可以实时沟通后由相关专业及时修正，减少了资料的来回传递，提高了设计效率和质量。

虚拟建造需要设计方更多的考虑并落实施工方式，虚拟运营需要更多的考虑空间管理和设施维保等。随着BIM技术的应用，设计方工作思路的梳理和工作模式的转变以及工作内容的延伸也将成为设计院BIM推广工作的重要内容。

2.2 出图方式的变化

工程交互的主要媒介从二维工程图纸发展到三维实体模型，三维实体模型的普及也指日可待，但三维取代二维是BIM发展的误解。三维、二维各有优缺点，只是表达方式不同，设计行业需要形成多种表达方式互相补充的综合表达体系。我院原来的出图仅仅只有二维图纸，实现BIM设计后有部分设计图纸可以采用三维直接出图，如无法直接三维出图，可由三维转化为二维图纸再经重新加工后出图。

因为三维表达了越来越多的参与项目实践，与三维相关联的信息属性被越来越多的关注，BIM的便利性等优势逐渐被项目参与各方接受。以BIM为沟通交流的平台在工程实践中作用越来越明显，并逐渐成为部分项目的核心。

2.3 施工方式内容的变化

由于BIM应用逐步深入，施工总包和各分包协调方式、工作界面和工作方法也发生了巨大变化。原本的工程例会逐步以BIM为核心，工程变更控制、成本控制和数据统计分析也与BIM逐步结合。施工现场的变化帮助业主实现了BIM 的投资回报。

3 三维软件协同设计实践

在各专业都能基本使用Revit软件完成各专业设计的基础上，工艺、结构、土建、管道、电气等主要专业可同时开展Revit三维软件协同设计实践。下面分别就设计和施工组织阶段进行简要说明。

3.1 方案设计阶段

方案设计阶段只有工艺专业参与建立BIM模型，根据业主招标要求，将BIM模型应用到方案设计的可视化交流探讨中。三维模形的直观表现，比传统二维图纸更加准确、信息更丰富，易于观察理解、便于交流，有效提高了沟通效率。BIM模型还可以导入到相关分析软件进行工程量估算和成本分析，为业主优化方案提供合理的参考和判断依据。

3.2 施工图设计阶段

选煤厂施工图设计首先由工艺专业完成三维工艺施工委托模型，然后土建专业人员根据工艺布置及机制专业提供的设备及非标载荷进行结构设计，并根据计算结果建立真实的结构模型。机制专业、工艺管道专业和水暖、电气专业在结构和工艺施工委托模型的基础上进行各自专业的三维施工图设计。各专业之间协同采用“链接+工作集”方式，专业间采用链接方式，专业内部采用工作集。每个专业的中心文件三维模型都存放在服务器中，每个专业三维模型之间都是采用链接方式进行信息共享。设计过程中可以及时进行碰撞检查及设计优化。各专业设计草图完成后进行设计大评审，参与专业逐层对设计成果进行三维评审，对非标、结构、管路、电缆走向是否合理，检修空间是否满足设计规范等进行统一协调，结合BIM软件自身的碰撞检查功能，设计人员可以非常直观的发现问题并提出解决办法。

在发生专业之间的碰撞等情况时，设计者须及时沟通、协调，然后各自修改本专业工作集中的图元，达到协同设计的目的。中心文件在保存以后进行自动更新，使每一位设计者在各自专业的三维模型下工作，同时链接着其他专业的三维设计模型。此举将过去二维CAD 的串行工作模式改为各专业同时开展工作的并行工作模式，并实现各专业文件实时交互，同步构建整体项目的BIM 三维项目信息模型，在设计过程中可以及时消除各专业的碰撞问题，而不必全部依赖于设计后校审的碰撞检查，一旦发现设计问题，各专业设计师能够实时进行讨论和纠正，将整个设计流程整合起来。这样做虽然增加了前期的设计时间，但却免去了后期的大量变更和修改，提高了项目的设计质量，加快了项目设计进度，有利于项目成本控制和工期控制。

3.3 施工组织

施工组织是对施工活动实行科学管理的重要手段，它具有战略部署和战术安排的双重作用。它决定了各阶段的施工准备工作内容，并可协调施工过程中各施工单位、施工工种及各项资源之间的相互关系。施工组织设计是指导施工项目全过程各项活动的技术、经济和组织的综合性解决方案，是施工技术与施工项目管理有机结合的产物。

通过BIM 可以对项目的重点或难点部分进行可建性模拟，按月、日、时分析优化施工安装方案。对于一些重要的施工环节或采用新施工工艺的关键部位、施工现场平面布置等施工指导措施进行模拟和分析，以提高计划可行性；也可以利用BIM 技术结合施工组织计划进行预演，以提高复杂建筑体系的可制造性。

借助BIM 对施工组织的模拟，项目管理方能够非常直观的了解整个施工安装环节的时间节点和安装工序，并清晰把握安装过程中的难点和要点，及时排除矛盾，显著减少由此产生的变更单。由于BIM 模型直观的表现力，也为机构和专业人员之间的交流减少了语言交流障碍。施工方也可以进一步对原有安装方案进行优化和改善，这些都有助于缩短施工时间，降低由于设计协调导致的成本增长(譬如业主需求变化)，以提高施工现场生产效率和施工方案的安全性。

4 设计实例

山西河曲旧县露天矿选煤厂属矿井型动力煤选煤厂；主要入洗河曲旧县露天矿原煤，其煤质以长焰煤为主(气煤次之)。工作制度330 d/a，16 h/d，两班生产，一班检修。选煤厂年生产能力5.00 Mt/a。

选煤方法为：200～13 mm粒级块煤采用重介浅槽分选机分选；13～1.5 mm粒级末煤采用有压两产品重介旋流器分选；1.5～0.15 mm粒级粗煤泥采用螺旋分选机分选；0.15～0 mm粒级细煤泥采用压滤机脱水回收。

该选煤厂最重要的车间是主厂房，我院在主厂房的设计中采用Revit三维软件进行协同设计，完成了从工艺到结构、机制、水暖、工艺管路及电气专业的三维设计工程，各专业完成三维视图及施工图。图纸效果如图1～图4。

图1 旧县选煤厂三维动画截图

图2 旧县选煤厂主厂房Revit模型

图3 旧县选煤厂主厂房三维漫游视频截图

图4 旧县选煤厂生产水池泵房管路设计

5 前景展望

BIM的优势在于多专业协同设计、模型更加直观，并含有各种带参数族。BIM可以应用到工程项目的整个生命周期，在项目施工过程中、交付使用后、运行维护中都能发挥作用。三维设计在专业协同、减少干涉、错漏碰缺、材料统计、数字化模型投标报价、设计的标准化等方面给设计单位的工作模式带来了巨大变化。由于工业设计院专业的多样性，由此对BIM平台的互通性还有更多要求，如果能将不同专业(如机械、设备、结构)的三维设计软件很好的整合或者做好模型互转兼容性，那么BIM软件将会在工业设计行业得到更大范围的推广应用。