BIM技术在水泥厂预热器塔架建设中的应用

2021-10-13崔兵尹越李顺

土木建筑工程信息技术 2021年4期

崔兵尹越李顺

(1.天津大学管理与经济学部，天津 300072； 2.天津大学建筑工程学院,天津 300350；3.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400)

引言

工业建筑是服务于人类生产活动的建筑物或构筑物。传统的工业建筑主要是指各种厂房。随着我国工业生产水平的提高和生产规模的扩大，工业建筑的种类和规模不断丰富和发展，本文所研究的水泥预热器塔架就是其中之一，和其他工业建筑一样，水泥预热器塔架建设的首要目标是满足生产工艺的要求。复杂的设备管线和众多的专业配合是水泥工厂预热器塔架项目实施的重点和难点。

BIM为建筑行业提供了一个数据信息的共享平台，其最大优势在于缩短信息传输路径，实现各方协同管理[1]。从这个角度来说，BIM不仅仅是一个3D模型，也不仅仅是一个软件产品，它注重的是生成、交流以及分析建筑信息模型的过程，而不是“建筑信息模型”本身[2，3]。在这一信息整合的过程中，水泥工厂预热器塔架项目的重点和难点问题将得到解决。

1 工程概况

由某设计院设计的某5000TPD双系列水泥预热器塔架，如图1所示。

Revit着色模型实拍图图1 某水泥预热器塔架

该塔架平面尺寸为25.6m×17.0m，塔架结构共8层，总高100.76m。首层为混凝土框架结构体系；二层及以上为钢框架—支撑结构体系，为便于管线穿越和设备安装，圆钢管混凝土柱仅沿结构四周布置。塔架承载的设备主要有喂料室、分解炉以及六级旋风筒，设备之间由风管和下料管相连接，利用废气余热对入窑生料进行预热，对干法水泥生产线起到提高质量和节能降耗的作用。

2 BIM技术在项目中的应用

2.1 设计阶段

2.1.1 专业协同

本项目在Revit 2018的基础上进行了BIM的正向设计，体现了BIM—Design for Everything的设计理念。项目参与方涉及工艺、结构、建筑、电力等众多专业，各专业通过“中心模型—工作集”的方式进行协同，如图2所示。

图2 各专业BIM模型协同设计框架

各个专业的设计者建立自己的本地模型，管理者通过工作集的方式赋予设计人员文件编辑权限。如果某一专业修改了设计方案，设计人员只需要将修改结果同步到中心模型，其他专业设计人员就可以同时查看设计变更。

2.1.2 碰撞分析

碰撞即为两个不同构件之间的空间冲突。两个构件既可以来自不同专业的模型，也可以是同一专业模型的不同单元；空间冲突既可以是两个物体实际相交导致的硬碰撞，也可以是两个对象净距离小于最小间距要求导致的间隙碰撞[4]。

碰撞分析直接体现了BIM可视化的优势，也是BIM各专业之间协同和平衡的重要依据[5]。在本工程中，需要重点考虑的是设备与结构之间的碰撞。在Navisworks进行设备模型与结构模型的硬碰撞检测，如图3所示。此外，还可以通过为碰撞结果指定责任人等方式实现对碰撞结果的管理，并支持自动生成各种格式的检测报告，如图4所示。

(a)空气炮与梁碰撞 (b)旋风筒与梁碰撞图3 设备与结构模型碰撞检测结果

图4 Navisworks碰撞分析报告

2.1.3 清单算量

BIM建模实际上就是面向对象的参数化设计过程，在这一过程中抽象的族文件实例化为具体的构件对象，对象中包含了构件的几何、位置、功能等诸多参数信息[6]。

Revit提供了材料明细表统计的功能，它通过对关键字的筛选、提取并汇总同一类型对象的工程量。钢框架槽钢梁的明细表见表1。

表1 钢框架槽钢梁明细

明细表工程量的结果准确度很高，但是由于它由美国公司开发，其体积扣减、工程计量等规则并不能与我国造价行业的习惯和规范相匹配[7，8]，因此，Revit明细表也不能按照规范考虑人工费、机械费、管理费等工程价格构成要素，这限制了Revit明细表在国内的使用。

Revit明细表统计得出的工程量实际上是净工程量，仅代表构件的几何和物理属性，并不符合造价行业的计量规则。因此，在本项目中Revit明细表算量的结果仅用作设计阶段的工程量统计和初步的工程量概算，从而在设计阶段对工程成本有一个及时、概括的把握。

2.2 施工阶段

2.2.1 虚拟施工

虚拟施工就是在计算机上对实际施工过程进行模拟。Navisworks Manage提供了模型整合、碰撞检测、实时漫游、模型动画和4D模拟等功能，是目前行业内兼容性最好、功能最稳定、应用最广泛的虚拟施工软件。

在本工程中，在Navisworks 2018平台下进行了虚拟施工，如图5所示。使用Animator制作第二层某钢管混凝土柱的生长动画(缩放比例从0逐渐增长为1)，反映混凝土的浇筑过程；使用TimeLiner在相应的工程实体上关联project进度计划，从而实现工程进度的可视化；使用漫游工具，对模型进行第三人称漫游审阅，并根据需求选择合适的真实模拟效果，包括重力、蹲伏以及碰撞等效果；在漫游过程中，针对发现的问题可以随时标注并记录，这些批注将被保存在Navisworks的视点信息中。

(a)钢管混凝土柱生长动画 (b)次梁虚拟施工

(c)首层楼梯漫游 (d)视点中的批注信息图5 Navisworks中的虚拟施工

2.2.2 施工场地布置

传统的以2D图纸表示的施工场地布置方案是在项目投标阶段，由设计人员根据项目现场的情况和以往的工作经验进行编制。通常情况下施工人员并不会完全依照先前的施工组织设计进行场地布置，而是依据实际情况自行安排。这也就导致了设计与施工的脱节，设计方并不能给出具有指导意义的施工场地布置方案，而施工方依据经验自行安排的方案往往也缺乏全局的考虑。

而BIM虚拟施工则提供了一个施工预演的手段。在这一过程中，设计人员可以将各个施工阶段的机械布置、运输路径、临时设施位置等情况与时间参数关联，从而发现施工过程中机械、工程结构和临时设施之间可能存在的空间冲突情况或危险因素[9]。因此，基于虚拟施工的施工场地布置充分考虑了施工过程中的问题，对施工现场布置有着更加明确的指导作用。

本论文重点研究了水泥塔架主体结构施工和设备安装过程，因此施工场地模型主要包括拟建塔架、现场办公场所、工作人员生活场所、材料堆放与加工场地、临时用电用水设施、机械设备、场内道路等要素。场地布置模型如图6所示。

图6 BIM施工场地模型

在BIM施工模型中，对施工机械与运输车辆的工作路径进行模拟演示，从而评价场地布置的合理性。使用Navisworks模拟塔吊回转，从构件与设备堆场、地面预组装位置分别吊装到预定安装位置，如图7(a)、(b)所示。模拟施工机械和运输车辆的会车、转弯、掉头等过程，得到车辆与道路模型的冲突位置点，如图7(c)、(d)所示。模拟结果显示，施工现场的主道路存在宽度窄、转弯半径小的问题，需要针对性地优化道路布置方案。

(a)塔吊到塔架最远角点 (b)塔吊到设备堆场

(c)运输车辆会车碰撞 (d)混凝土罐车转弯碰撞图7 BIM施工模型模拟演示

2.2.3 吊装方案的优化

前期准备只是开始，现场汇报才是重头戏。因为胜利测井公司是最晚进入该市场的队伍，于是李淑荣被安排到了最后一个进行汇报。几家测井公司汇报的解释结果几近于标准化答案，胜利测井能有什么秘密法宝？从甲方领导眼中，李淑荣看到了一丝疑虑。早在承接这个项目前，李淑荣就对甲方在该区域的勘探规划、设计等进行了详细了解，她的汇报不仅建立在这口井的具体解释分析上，而且从区域勘探、地质研究等宏观方面给出了中肯的建议。当看到评委脸上充满赞许,甚至竞争对手都流露出赞同欣赏的目光时,李淑荣知道，她们成功了。

预热器塔架是装配化程度非常高的项目，其施工工作主要是结构和设备的吊装与固定。水泥塔架和预热器的吊装采用结构设备交叉施工的方法，每一层的安装都遵循由下而上、由里而外、先大后小的原则，对于跨层的大型设备则采取分段吊装再连接的方式进行安装。施工安装顺序如图8所示。

图8 水泥塔架和预热器安装施工顺序

本文以喂料室和旋风筒的安装为例模拟吊装施工过程，并从避免空间冲突的角度进行优化。

(1)喂料室吊装

本工程喂料烟室总重约为6.6t。考虑到其总重较轻、精度要求较高、垂直吊装距离短的特点，可采用地面预拼装、整体起吊再找正的安装方案。为了避免设备吊装过程中与结构构件之间的碰撞，通过Navisworks施工模拟决定在框架梁安装完成后，次梁安装之前进行喂料烟室的吊装，如图9所示。在本层施工过程中，可以将所需构件提前吊到位，并集中堆放在一层楼板上。在层设备与构件安装完成后，最后再进行楼梯与平台栏杆的安装。

图9 一层喂料室安装模拟

(2)旋风筒吊装

旋风筒是预热器中数量最多的设备，共有6级14个。各级旋风筒体积都比较大，分为上、中、下三部分供货。安装之前首先要在地面进行预组对，然后再依次吊装连接。如前所述，在第三至五层塔架中，分解炉直筒与旋风筒同时存在，则先安装旋风筒再安装分解炉；在第六至七层塔架，主要设备只有旋风筒。

图10 旋风筒与框架梁发生冲突

2.3 信息管理

2.3.1 数据交互与链接

BIM技术的核心优势在于建筑信息的整合与共享，而信息管理平台是解决“BIM怎么用”的关键[10]。

从技术底层上讲，BIM信息管理平台的基础是数据库，也就是在数据库的增、删、改、查等操作的基础上实现数据的交互。

通过Revit DB Link插件可以在Revit模型和数据库之间建立双向关联，实现数模分离式管理，如图11所示。

(a)流程框图 (b)操作实例图11 基于ODBC数据库的数据交互图

模型中的数据信息可以在数据库中实现便捷的数据交互，数据库中的数据可以用来修改更新Revit模型。数模分离的方式实现了专业的数据交互和便捷的数据管理，极大地提高了数据管理的效率。

除了双向的数模分离，还可以使用Navisworks的DataTools工具在模型上链接数据表格。相比于Revit软件，Navisworks的突出优势在于其强大的模型整合能力，它为超过170种格式的不同专业的模型提供了统一的操作平台。因此依托于Navisworks的DataTools工具不再只局限于Revit模型的数据类型，能够为多单位、多专业提供统一的信息管理平台。图12所示为使用DataTools链接质量检查表。

(a)新建DataTools链接 (b)在Navisworks中查看链接的质量信息图12 DataTools链接质量检查表格

2.3.2 轻量化平台

在很多应用场景下，项目的相关方并不具备专业的BIM使用条件和能力，BIM从业者也不可能要求其他人员在Revit等专业软件中查看模型并获取信息。在这种背景下，BIM模型轻量化的理念成为了发展趋势。轻量化就是利用模型数据简化、架构云端服务器等技术手段，从而精简模型数据的体量、降低终端设备算力要求的门槛。

BIM协同平台集成的功能需求可以分为两种。一种是“协同”，即模型的轻量化展示、批注和共享等。这部分的需求比较简单，技术上的重点在于模型的轻量化，包括如何压缩模型的大小、降低计算机硬件门槛等。而另一种需求是使用BIM解决工程问题，它涵盖了工程项目全过程的各项工作，例如进度管理、费用控制、合同和文档管理等。这部分功能实际上是将其他工程软件的功能集成到在线平台，在Web BIM端实现诸如Microsoft Project、数据库等软件的功能，它回答了“如何使用BIM模型”的问题。

以2020年3月25日上线的腾讯云微瓴BIM协同平台为例。该平台采用了B/S结构和大象云SME渲染引擎，在服务器端进行计算然后通过网络传输到浏览器端进行展示，体现了网速换性能的理念。通过Web或微信小程序在该平台进行协同工作，平台提供了在线装配、文档关联、模型漫游、视点批注、模型分享等功能，如图13所示。