BIM技术在选矿工程设计中的应用

杨海龙

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

BIM设计的最大优势就是对一个工程项目的全生命周期的智能管控。BIM技术优势明显，但选矿行业从业者对其应用大多不够熟练，尤其不够了解其设计组织流程、文件要求，且三维设计工具的掌握也需要一定的培训和学习，数据库的建立需要一定的经验和积累，能够达到充分认识、熟练应用，更是一套系统化的工程。本文将主要从设计角度出发，主要研究BIM技术在设计阶段的应用。

1 BIM技术简介

BIM，全称Building Information Modeling，中文翻译为建筑信息模型。BIM技术起源于美国，2000年之后在我国开始应用于石化行业。石化厂是典型的流程工厂(plant)，料流主要是通过管道输送，选矿厂也具有这一特点。选矿工艺的结构同石油化工行业非常接近，从原料进厂到成品出厂，是一个完整的流程过程。化工行业在BIM设计中所取得的经验，在选矿厂的BIM设计中也可以借鉴使用。

BIM技术是以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础建立模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。从建筑(工程)的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，全部信息整合于一个三维模型信息数据库中，设计方、业主方、制造方、施工方等各方人员可以基于BIM模型进行协同工作，有效提高工作效率、降低成本和投资。BIM技术作为一项重要的建筑工程辅助技术，以数据库为核心，通过参数模型整合工厂所需的所有设计范围内的工艺、建筑、设备、电气、仪表、管道等信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对项目信息作出正确理解和高效应对，提供设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体协同工作平台，使整个设计可以对施工过程进行仿真、评估和优化。

BIM技术在设计阶段可以实现直观化、可视化的协同设计，可以实现精确化、精细化设计，为在生产制造和施工阶段实现工厂制作、模拟安装，模块化预组装提供可能性和技术保障,并可以提高施工环节的施工效率。在工厂生产运行阶段，利用三维模型及其数据库进行设备管理、备品备件管理、维修维护管理，在空间和时间上同时进行有效的管理。

2 BIM技术在设计中的优势

BIM设计在设计中有很多优势，主要体现在以下方面：

(1)可视化：BIM软件所建立的立体模型即为设计结果，各方工程人员可以更直观了解设计；疫情期间其优势就可得到充分的体现，双方看着模型对话就如同当面交流。

(2)一体化：所有参数都集中于同一模型，所有图纸都由同一模型生成。

(3)参数化：通过对标准化参数调整，即可建立和修改相互关联的对象；可随时提取所需的所有参数,即参数化输入和参数化输出。

(4)仿真性：仿真模型反映真实结果，并可适时检查碰撞，可模拟、指导施工。

(5)协调性：参数化设计、调整可直接协调相关联对象，多专业协调设计，避免碰缺，高效无误。

(6)优化性：参数化、协调性决定了随时优化的便利性和可能性；碰撞检查，减少施工变更。

(7)可出图性：可满足各种出图要求，模型切图，准确直观。

当然。BIM还有很多优点，比如可快速算量，精确统计；具有开放性，可兼容多款软件等一系列的优点。

3 BIM设计工程组织

传统设计一般多为二维设计，从设计、施工、到营运维护管理，其流程多为线性流程。BIM设计是一个系统化的组织模式和设计手段，需要各方的参与和配合。BIM设计贯穿整个项目的设计过程，包括项目前期、基本设计和详细设计。国内工程与国外工程设计阶段名称有差异，称为初步设计和施工图设计，较国外设计深度浅。BIM技术在详细设计阶段的应用难度最高，应用效果也最为明显。下文以详细设计阶段BIM技术研究为主。

3.1 项目管理团队组建

项目管理团队通常需要包括项目经理、设计经理、进度工程师、文控几个主要岗位。BIM设计模式交付文件数量巨大，文控管理至关重要，需要专业文控人员专职管理。

3.2 BIM设计准备阶段

开展BIM设计之前，需要做一系列的准备工作，主要包括编制设计基础和编制设计标准。设计基础和设计标准是开展BIM设计的基础性和原则性文件，如前期基本设计阶段有该文件，详细设计阶段在此基础上进行更新、细化补充即可。

在设计开始前期，国外业主会提供各专业的设计标准，以及相关专业的典型图和标准图。国内业主一般不会提供以上文件，需要设计院来编制。设计标准内容包括项目标准、图纸要求、制图标准、设计范围、设计分区、文件编码、设备编码和命名标准、管道设计标准、管道规格书、阀门规格书、仪表和控制设计标准、特殊管件标准等。在开始绘制P&ID之前必须对这些标准和规范进行详细的学习和整理。

业主提供的设计标准只是一些常规的、通用的要求，针对项目的具体要求很少，设计院应结合项目，制定该项目适用的设计标准。如没有足够深度的设计标准，设计过程中会出现比较多的设计修改，包括工艺布置方案、管线布置方案和敷设方式、电气供电方案、仪表、控制系统现场控制箱合并、通信与控制系统网络设备合并等一系列修改，将会导致了大量的设计返工和进度的延期。因此前期应投入足够的时间和人力，各专业参与，认真研究业主提供的文件，把业主要求弄清弄透，并与业主充分沟通，沟通结果形成详尽的文字记录，双方签字。

3.3 BIM设计阶段

BIM设计阶段需要交付的设计文件种类很多，主要包括P&ID、三维信息模型、物料平衡表、控制逻辑、ISO图、GA图、设计说明书及表单资料，甚至有时需要编制试车文件。能够体现工艺专业内容的文件只有设计说明书、GA图和工艺数质量流程图这几个文件。其他内容是与常规设计习惯和模式区别最大的方面，BIM设计模式需要将这些内容都反映在具体的文件中。

3.3.1 P&ID设计及组织过程

P&ID，即管道仪表流程图。P&ID是工艺设计的核心，借助项目初期规定的图形符号和文字符号，用图示的方法把工艺过程中的全部设备、仪表、管道、阀门及管件，按其功能以及工艺要求组合起来，能够直观看到各个生产过程的工作和控制原理。其核心在于数据管理，其产生的数据可以批量导入和导出数据库，自动生成设备、管道、仪表等报表。

项目的工艺流程设计，需结合PFD(Process Flow Diagram)，通常P&ID是在PFD的基础上发展起来的。根据工艺流程，绘制全部工艺设备、仪表、阀门、管道、管件。如已经绘制PFD可以在PFD的基础上开展工作，以PFD为基础进行分解和细化。首先按照整个工艺流程按照区域和系列对P&ID的整体进行规划，尽量优化整个项目P&ID的结构。主要绘制过程如下：

(1)绘制主工艺设备、主工艺管道。

(2)绘制次工艺设备、次工艺管道。

(3)绘制仪表、阀门和管件。

(4)绘制控制回路。

(5)绘制辅助系统：冷却水、轴封水、冲洗水、安全喷淋、仪表供气及工厂空气等系统。

(6)优化图面，补充注释和说明。

(7)提交审核，首先完成内部审核，然后提交业主审核。

(8)P&ID完成后，可以根据工程需要依据P&ID生成设备表、阀门表、仪表清单、管线表、管件表等表单。

P&ID图是整个设计项目中最核心的设计工作，是设计院将设计思路转化为设计产品的核心保证，这项工作需要各专业密切配合，各专业负责人全程参与，充分尊重SDDL文件交付及基本设计原则基础上形成。由于P&ID图的信息量巨大，工作繁琐，前期准备、内审核、边设计边修改、外审核到设计完成需要花费大量的时间精力整合，需要形成一套新的设计流程，尽量保证修改的少，质量较高，最大程度上符合SDDL交付初始文件标准，为后续施工图专业留下高质量的作业环境和工作时间。

3.3.2 三维模型设计及组织过程

开展三维设计之前，需要根据业主订货资料建立该项目使用的设备数据库。数据库建立需要有完善的设备资料，包括所有设备的详细资料，型号、台数、接口、工艺要求、管口、控制要求。对于成套的设备，应有设备厂家提供符合标准的设备P&ID。

三维模型是包含全部数据信息的参数化模型，是贯穿项目始末的设计产品。中间过程可分阶段接受业主的审核，共同商议方案布置和设计细节，直观可视，精确无误。

业主对三维模型的审核通常采用审查会的模式，一般有30%、60%、90%三次审查会。其中30%的审查主要确认方向正确，比如确认遵循了相应的规范，遵循了业主的文件要求，遵循了业主的项目流程，这个阶段需要提供初步的询价、订货和招标需要的资料，例如Mass balance、设备数据表和土建图纸等。60%审核是在已获得了准确的机械设备资料基础上开展详细设计并完成了管道、结构、工艺等计算，并以图纸的形式反映出来，在进一步深化工作之前通过审查会的形式，确保设计可行，避免跑偏，这个阶段的审核意见会形成一个action register表格，在此之后大部分的设计工作会按照表格的审核意见进行，直至所有的项目关闭。90%审查会是在设计按照60%审查意见完成后进行的审查，主要针对生产和维修，审查的重点是设备、阀门、仪表的观察、维护和更换，确认检修平台、栏杆等，确保通行宽度。审核可以提高设计质量，但是较大程度上延缓设计进度，大幅增加设计重复量，需要在设计前期注意考虑检修平台，且符合业主要求的标准或者项目所在国家的标准。

3.3.3 其他重要交付文件

(1)ISO图，即管道轴侧图。通过管道模型生成，生成的管道信息清晰，数据精准，可满足工厂准确加工制作、现场准确安装的需求。

(2)GA图，即平面布置图。为清楚表达各层平台的工艺设备布置，按不同平台标高出图。设计时通常应清楚表达本平面在设计单元所处位置的关键平面图。平面图中除轴号、标注尺寸外，图中的所有工艺设备布置、梁、柱、梯子等内容均用实线表示。预留建筑或已有建筑、主要管线走向等设计内容用灰色点划线表示。如本平面图只是设计单元的局部，用高亮点划线将本平面图严格按分界线圈出。每条分界线上均应给出与本平面图接界的设计图图号。如与本平面图接界内容属于设计范围外，也请予以注明。文字标注内容包括图中所有设备编号且编号与P&ID一致。

4 模块化设计

BIM技术应用的高级模式可以实现模块化设计。模块化设计是指将钢结构、设备、管道、仪表及电缆桥架等按照工艺要求有序地布置在项目所在地之外的特定空间内，每个特定空间称作一个模块，然后通过设计的运输方式将模块运输至项目施工现场，这些模块之间通过连接件进行现场连接。对于一些对运输有特别要求(如一些仪表)和其它无法放入模块内的单体大型设备及零散管件可考虑一并运输到现场再安装。与传统的施工方法相比，模块化的建设模式有着许多传统建设模式无法比拟的有点，主要表现在以下方面：

(1)施工更加安全，由于模块加工场地条件好，子模块作业都是在地面完成，减少了大量的 高处作业和脚手架的作业量，降低了安全风险，减轻了现场管理的负荷量。

(2)可以同时开展几个模块加工，不用像传统施工那样必须沿高度按顺序施工，可大幅加快施工进度。

(3)由于模块化施工，主要的工作都是在地面上进行，钢结构的几何尺寸和焊接质量更容易 保证，也便于检查控制，这就大幅提高了工程质量。

(4)由于模块化的加工可选择在人力及材料成本相对较低的地方，这样就大幅减少工程造价。

此外，模块化设计可更好的实现施工组织设计的过程的安装模拟，进行安装全过程预演，验证施工安装的流程、工序，确定合理的施工方案来指导施工。同时，提供相关数据报告，使施工人员更清楚、透彻掌握施工过程，大幅减小返工和整改，提高施工安装效率，降低施工安装成本。

5 三维协同设计及信息共享在BIM设计中的重要性分析

随着企业计算机技术运用的不断深入，协同设计管理手段是目前应用在企业中最多、最高效的管理手段[1]。BIM设计就是在同一平台下工作，实现协同设计和信息共享。

建立统一的共享管理平台，可以优化管理，解放人力，改善混乱的设计流程中出现的各种问题，包括，数据的存储和备份，数据的归档、查询和共享，满足上下游专业委托的规范性以及专业内部的统筹协调安排，将文控的数据库能够整合进入管理平台，不仅可以避免数据的遗失和更新不及时问题，也可以较好的保证文控的规范性和数据的共享，由于平台的存在可以方便管理。平台数据的归档工作，可以方便设计图纸的借阅，也可以明确设计进度的状态，设计人员在这个平台上可以看到所有与项目相关的不同版本(包括最新版本)的委托资料、设备资料、与业主的来往文件、SDDL等，保证各专业设计基础的正确性和一致性。

6 结语

通过分析BIM技术在选矿工程中的应用可以看出：

(1)BIM技术是国际通用的设计手段，是选矿行业设计领域的发展方向。

(2)BIM技术优势明显，是实现精细化设计，提升设计水平的最佳手段。

(3)BIM技术应用需要系统化的管理和组织，不止是三维工具的使用，需要企业从管理、组织、培训及信息化建设方面等方面大家坚实的基础作为保障。

(4)BIM技术是模块化设计的基础保障手段，是模块化得以实现的技术基础。

(5)BIM技术的应用需要在协同设计管理手段下实现。

(6)将BIM技术应用到我国建设项目当中,可以有效地加快项目的施工进度,同时确保项目的总体施工质量,给其成本管理等层面提供更加科学性的依据支撑[2]。