基于Dassault 3DE的选煤厂BIM正向设计方法研究

孙再征

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

近年来，在国家政策、产业政策、市场共同引导和推动下，BIM技术受到了设计行业重视，并得到推广。我国建筑、电力、化工等行业BIM技术应用相对成功[1]，而选煤行业BIM技术应用还处于起步阶段[2，3]。在选煤厂设计中，BIM技术主要用于“翻模”设计[4-6]和辅助二维CAD“伴随”设计中。BIM伴随设计和翻模设计的核心和主体未摆脱CAD二维设计的束缚，BIM模型只是二维设计的信息载体或者附属部分。翻模设计重现了设计成果，基本能解决设计“有什么”的问题，但却无法解答“为什么”的问题，更无法说明“怎么样”。它只是BIM技术发展初期，为探索BIM技术而采取的临时手段，虽然可体现BIM技术的部分属性，却给设计人员带来“二次设计”负担，违背了BIM技术的初衷。针对这些弊端，本文以选煤厂项目为例研究了BIM的正向设计。

1 BIM正向设计

“正向设计”主要是针对“翻模设计”和“伴随设计”而言的[7，8]，是在三维环境中直接开展设计的行为，包括分析项目需求、工程方案比选、结构树搭建、设计进程管理、非标建模、机电建模、土建建模、施工方案模拟、设计成果输出等基本过程。一般认为，BIM正向设计是传统二维CAD设计流程的三维化升级，是传统设计方式向数字化、信息化、智能化转变的过程[7]，是设计行业的一次技术革命，也是真正以BIM模型为中心，将不同维度的相关信息进行集成统一的设计方式。

1)BIM正向设计优势：①“先建模，后出图”。工艺、总图、机制、建筑、结构、水暖电等专业全部采用BIM平台直接设计，根据模型自动出图；②“全专业协同”。在三维环境下，实现模型参数化关联，有效提高优化方案的效率，实现真正意义上全专业协同工作[9，10]；③“全三维，无死角”BIM设计。设计直观高效，施工模拟精准到位，材料统计误差小，准确对接后续施工。

2)BIM正向设计难点：①设计师建模水平限制，建模软件操作复杂，学习难度大，投入时间多；②当前操作效率低，不同的BIM设计软件，设计理念差别大，行业未形成明确指导方法，因此现阶段操作过程中易出现返工的问题；③软件不成熟，CAD平台拥有完善的二次开发工具，可提高设计效率，而现有的BIM设计平台均来自国外，存在“水土不服”的问题，需进行二次开发[11，12]；④设计理念不同，BIM协同设计与二维设计规则完全不同[13，14]，多数设计人员尚不理解BIM协同设计的理念，部分设计人员无法适应BIM正向设计。

2 BIM正向设计方法探索

2.1 资源配置

采用Dassault 3DE平台进行BIM正向设计，设计全生命周期在3DE平台进行管理，各专业采用CATIA进行协同设计，采用Simulia进行专业计算仿真，采用Delimia进行施工方案模拟，项目及设计数据采用ENOVIA进行管理。硬件配置主要包括两台服务器、一台存储器和多台高性能工作站。

2.2 依托项目

为了探索BIM正向设计方案是否适合选煤厂三维设计，选择一座工艺流程复杂、厂房结构具有代表性、设备多、非标形式多样的炼焦煤选煤厂为依托项目。

该选煤厂采用“块煤(200～0mm)动筛排矸+末煤(50～0mm)两产品重介旋流器主再洗+粗煤泥(1～0.25mm)TBS”分选+煤泥(0.5～0mm)浮选+尾煤(0.5～0mm)压滤联合流程。主厂房为多层建筑，结构主体和外围护脱开，主体采用混凝土框架结构、外围护采用钢结构围护体系。主厂房内设备约170台，非标件约260个。

2.3 正向设计方法研究

2.3.1 正向设计流程

BIM正向设计有别于传统二维CAD设计，现有的二维设计流程不能直接应用于BIM正向设计中。针对选煤厂设计特点和Dassault 3DE平台的功能特性，全专业研究形成了全BIM正向设计流程，如图1所示。

图1 BIM正向设计流程

在BIM设计中，设计人员基于同一平台协同工作，可随时了解不同专业的进展情况，有人认为BIM设计可以省略“提资料”环节，但为了确保设计质量和责任追溯，研究认为BIM正向设计中仍须保留“提资料”和“三级校审”工作，只不过该过程不同于二维设计，均在3DE平台内进行，系统自动记录所有操作。

本研究中，正向设计流程仍保留了二维设计的部分内容，前期由工艺(选煤)专业和总图专业完成主体方案布置，方案布置完成后，发布模型，其他专业在土建模型的基础上开展协同工作。这一点有别于“翻模”设计中的全专业协同设计。

2.3.2 项目实施流程

全专业的工作流程确定后，进入BIM正向设计实施阶段，该阶段项目实施流程如图2所示。

图2 项目实施流程

在项目实施过程中，各阶段主要完成以下工作：

1)设计策划。选煤专业项目负责人策划整个项目实施方案、协同设计、碰撞检查及设计成品等工作。

2)合作区创建。选煤专业项目负责人创建项目合作区、确定设计专业及分配设计权限。

3)项目搭建及任务分解。基于项目管理平台搭建详细的工作计划及任务指派，确保设计人员保质、按时完成设计任务。

4)结构树搭建。保证各专业设计人员既能单独进行各自专业的三维正向设计，也能在平台中基于结构树进行不同专业之间的协调和更改。

5)设备库创建。创建设备库和设计工程模板，将各专业的设备统一管理，便于选煤方案布置快速调用。

6)方案布置。工艺(选煤)专业进行方案布置，通过轴系“相合”命令将不同设备布置到不同的楼层和不同的位置。

7)协同设计。各专业根据设计权限基于同一平台开展BIM协同设计，数据由平台统一管控，保证数据源的唯一性和安全性。

8)设计成果。根据BIM模型输出二维图纸、计算工程量和施工模型等，对模型进行积极应用。2.3.3 模型创建

模型分为设备模型和方案布置模型。设备模型根据设备参数之间的关系和设备的复杂程度，采用不同的建模方法。对于控制参数多且参数之间无关联关系的设备(如分级筛、浮选机等)，直接采用Part Design模块进行创建。对于控制参数少或者控制参数之间存在关联关系的设备(如水泵、罐体等)，采用“知识工程”进行参数化建模，这种建模方式可快速生成不同控制参数的设备，提高设备建模效率。

方案布置建模是BIM正向设计探索的重点和核心内容。在3DE环境中，方案布置建模采用“骨架+工程模板实例化”的总体设计模式[15]。该模式是一种“自顶向下”和“自底向上”相结合的混合设计建模方式。首先，总图和工艺(选煤)专业协作确定总平面的“骨架”，此时骨架主要包括控制原点、各单体的平场标高、各单体的位置控制轴系等。然后工艺(选煤)专业参照总图提供的骨架创建各单体自身骨架(如轴网、标高、设备的预定位轴系等)，采用“相合”的命令将设备布置到关联轴系上，调整轴系位置对方案进行优化和定位。最后采用“工程模板技术”创建同类型构件和非标件参数化工程模板，以“自底向上”的方式批量生成非标件，从而完成整个项目模型创建及布置。

方案布置完成后，工艺专业发布布置方案，土建专业采用3DE平台内的BDS和BDP土建模块在结构树土建节点下创建土建模型替换工艺(选煤)专业创建的厂房土建模型。土建模型总体框架创建完毕后，发布模型，开展后续的土建详细设计。

工艺(选煤)、总图、机制、给排水、暖通、电气等专业根据土建专业发布的模型，在结构树各自设计节点下，协同开展专业间的施工图设计。

2.3.4 资料互提流程

BIM正向设计在提资料阶段并未生成二维图纸，提资料环节有别于传统二维设计方式。

以工艺(选煤)专业提资料为例。三维厂房虽能够直观展现出厂房内的布置情况，但受厂房内楼板、设备遮挡等因素影响，审查人员并不能清楚了解上下游设备的位置关系，因此在BIM正向设计中，资料互提环节还需借助二维设计中的剖面和平面概念，利用软件的剖切功能，生成三维平面和剖面图。工艺(选煤)提资料具体操作流程如图3所示。

在提资料之前，工艺(选煤)专业，首先创建各个楼层及轴网间的剖切视图和平面视图。其次采用三维尺寸标注及文本注释对设备进行定位和注释说明。最后在3DE平台中的项目管理模块中发起方案的审查流程。

资料审查过程中，审查人员如果认为方案可行，直接批准通过，系统自动推送至下游专业；如果方案存在优化空间，采用Design Review模块对资料进行批注说明，并将批注信息反馈至审核人员和设计人员，便于设计人员查看、校对、修改调整，并且保留审查、修改痕迹，保证资料的追溯性。

2.3.5 二维出图及报表统计

目前国家并未出台BIM模型的三维交付标准，设计成品交付仍采用二维图纸形式，因此需对BIM二维出图进行研究。模型创建完毕后，各专业基于BIM模型直接生成二维图纸，但二维标注不能满足设计需求，需手动调整图纸中不合理的定位标注；对于需要添加报表的图纸，可直接添加所需物料清单，并且清单具备自动更新功能。

2.3.6 数字化交付

3DE平台支持多种格式的文件，提供多种模型查看方式。业主或领导可通过客户端详细查看模型，也可通过网页轻量化浏览三维模型及结构树，在轻量化浏览模式下可根据需要进行标注、测量及批注说明等操作。交付的模型能够满足业主施工、运维管理和后期改扩建的需求。

本文主要探索了BIM正向设计的流程和建模方法，下阶段将开展模型的BIM正向设计模型的深度应用(如运维数据与模型的关联、智能化选煤厂的可视化等)，回归BIM正向设计的初衷，进一步挖掘BIM正向设计的潜能和价值。

3 结论与展望

3.1 结论

方案比选和方案布置是BIM正向设计亟需解决的核心问题，核心问题攻关后，可对BIM模型开展深度的应用，进一步挖掘BIM正向设计的潜能。目前研究已经摸清了Dassault 3DE平台功能特点及存在的“水土不服”的问题，找到了适合选煤厂BIM正向设计的工作流程，诊断出了方案布置存在问题，探索出了选煤厂BIM正向设计的方法，但是还存在不足之处，下阶段将继续优化建模方法，提高BIM设计效率，并开展后续的施工模拟、进度管理、运维数据与模型的动态融合等研究及深度应用工作，进一步挖掘BIM正向设计的价值。

3.2 展望

1)基于BIM云的应用。借助云技术强大的计算能力，云服务多方共享和协同能力，加强项目各方之间的协同工作，最大限度地减少传统信息沟通方式带来的效率低和准确性不足的问题。

2)基于BIM的智能化工厂。采用5G技术、传感器、虚拟现实等技术手段，将选煤厂生产数据与BIM模型深度融合，实时了解设备的工作状态和选煤厂的生产情况，实现以BIM模型为载体的三维可视化智能工厂。

3)全生命周期管理。BIM设计完成后，将选煤厂施工、运维、经营等数据融合至BIM模型中，实现BIM模型的全生命周期管理。