BIM 技术在莱钢高炉工程中的应用

孙启明

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250000）

在工程建设中应用BIM 技术，将传统二维设计转换为三维设计，不仅仅是设计工具的转变，还要面临设计流程再造、专业间配合、设计资料的传导、设计质量的重新定义、设计表达的深度等系统性问题。目前冶金建设行业各工序的建设内容差别较大，有的偏冶金、有的偏化工、有的偏制造，各设计院、工程技术公司其业务覆盖的工序不同，造成其BIM 体系也不尽相同，因此形成了各具特色的BIM 体系。此次BIM 技术在莱钢3 800 m3高炉工程中的应用也是对公司初步形成的软件架构、作业流程、作业规范的一次验证。

1 项目背景

2017 年1 月20 日，国务院办公厅《关于创新管理优化服务，培育壮大经济发展新动能，加快新旧动能接续转换的意见》中明确指出，“加快培育壮大新动能、改造提升传统动能是促进经济结构转型和实体经济升级的重要途径”。同年山东省省委省政府召开了新旧动能转换重大工程启动工作会，着力推进产业智慧化、智慧产业化、跨界融合化、品牌高端化“四化”，加快形成新的经济增长点。

山钢股份莱芜分公司借新旧动能转换之势，通过减量置换方式新建2 座3 800 m3炉。项目位于济南市钢城区，投资约34 亿元。本工程建设内容主要包括矿焦槽及上料系统；炉顶装料系统；高炉炉体；风口平台及出铁场等27 个子项。

2 项目应用BIM 技术的必要性

本项目在实施过程中会遇到以下难点：

（1）项目工艺流程长，体量大。包含从矿料到出铁的完整炼铁工艺。（2）高炉冷却水管道，矿槽内除尘管道以及煤气综合管廊等部位管线密集复杂。（3）项目涉及27 个子项，14 个专业，专业间接口多，采用传统二维设计无法很好完成项目的协同设计。（4）项目中的大宗材料可以进行数字化统计，与项目概算进行比对完成比较好的费控指标。

最终经过商议本项目决定采用BIM 技术进行设计，解决以上问题。

3 BIM 软件架构

本公司业务包含冶金建设、市政综合、国际业务三大板块，因此在软件比选过程中优先选择适用于冶金及市政工程且业内以及国际认可度高的软件作为公司的BIM 体系软件。通过比选，选择确定Bentley系列软件作为主软件，包含工厂设计软件OpenPlant Modeler（简称OPM），主要解决设备和管道的布置以及管理工作，并同时搭配OPM 的ISO 轴测图以及平立面的切图工具完成管道的设计和出图工作。建筑设计采用OpenBuilding Designer 软件（简称OBD）。总图以及场地设计采用CNCCBIM。电气设计采用华东院基于Microstation 图形平台开发的ED设计软件。非标及成套设计软件采用欧特克公司的Autodesk Inventor 软件。除设备建模外，其他各专业的BIM 设计，统一在ProjectWise 协同设计平台上进行。图纸打印及出版在公司的理正设计管理系统上进行。整体BIM 软件架构如图1 所示。

图1 BIM 软件架构

4 设计准备工作

4.1 团队搭建

项目实施时，由于BIM 团队缺乏项目的正向设计经验，因此设计模式采用设计团队+BIM 团队相配合的方式进行。

BIM 团队分为以下几部分：BIM 经理、系统管理员、技术支持团队、炼铁工艺组、设备组、工艺管道组、三电组、建筑结构组。BIM 组织架构如图2 所示：

图2 BIM 组织架构

4.2 企业规范编制

为规范工程项目三维协同设计的生产技术组织，理顺三维协同设计流程，提高专业协同设计生产效率，保证三维设计的产品质量，根据三维设计技术特点及公司现行管理制度的要求，特编制《工程数字化项目三维协同设计流程规定》《工程数字化协同设计平台管理规定》《三维数字化设计建模标准》《电子档案利用管理规定》《工程数字化技能培训及认证管理办法》等标准。

相关规范标准，规定各角色的职责、作业流程、过程控制、成果固化存档等内容。对模型划分及装配规则、目录划分等级、文件命名规则、文档构成规则、人员权限、文件管理与维护、文档安全管理进行规范化。对模型文件的模型组织、模型颜色和图层规定、对模型的几何信息表达、属性信息表达进行规范化。

4.3 BIM 工作内容

团队中设置BIM 经理角色，其定位是设计团队和BIM 团队的桥梁，辅助设计经理完成项目设计。BIM 经理应组织实施整体软件的选用、明确建模的标准、统一BIM 设计平台、BIM 环境定制以及BIM 的奖惩机制。根据以上内容排布BIM 设计的时间节点、整体组织实施方案、事前指导书等内容。项目经理会同设计组确定项目设备属性清单，设计经理提交设备属性清单给BIM 经理，BIM 经理组织设备属性模板的定制工作。BIM 经理根据设计组所选用的管道等级表，编制项目的管道等级库。根据同意技术文件中的管道代号、外观颜色、图层表达等编制项目的dgn.lib 文件。

系统管理员：其主要负责软件体系的正常运行及PW 平台的相关工作。根据BIM 经理所拟定的项目文件结构在PW 协同设计平台上搭建项目树，维护项目树中的项目文件夹，相关图文档的出版和固化工作，根据事先拟定好的项目人员权限表分配项目组人员的创建读写改等权限、统计软件使用情况等工作。

技术支持团队： 主要应用软件为OPM、OpenPlant Project Administrat、Bentley Class Editor、OpenPlant Specification Generator 等软件。团队组成为工程数字化中心成员，负责提供技术支持，包含必要的软件培训和过程指导、属性模板定制、等级库的编制、统一dgn.lib 文件。

炼铁工艺组：主要应用软件为OPM，负责炼铁专业工艺设备的布置，按照定制好的属性模板填写属性参数，炼铁专业的管道配管。

设备组：大部分的工艺设备按照模型粒度LOD300 的外形标准进行建模，此外还要对重要产线的重要设备做精细化建模，体现出模型内部的装配关系，满足将来数字工厂要求下设备模型的数据联动和设备智能运维管理的需求。具备装配关系和设备层级。建模完成后上传PW 平台，以提资方式移交工艺专业，工艺专业出具《三维模型质量审核表》。

工艺管道组：根据设计组的设计方案进行管道专业建模，包含煤气管道、给排水管道、除尘管道、热风管道，分专业进行建模，储存至项目结构树中。

三电组：电气专业使用软件为华东院ED 软件，主要完成电气专业盘柜布置、电缆桥架布置、电缆敷设、重要建筑的照明设施及线缆布置、防雷接地设计、参数化电气埋管设计。电信专业使用软件完成监控像头布置、通讯桥架、电信埋管、控制室内布置等工作。

建筑结构组：建筑结构专业采用翻模方式，按照土建施工图对土建的基础、框架结构、建筑外墙、门窗等进行建模，细致节点不做处理。

总图组：总图根据地形图创建地模并对地模进行场坪处理，创建总图道路和路边排水设施。并最终根据总图定位，放置各子项分装模型，形成总装模型。图3 为莱钢1#3 800 m3高炉的总装配模型。

图3 莱钢1#3800 m3 高炉总装配模型

5 项目实施成果

通过项目的实施，实现了山钢股份莱芜分公司的以智能制造、绿色发展为突破，推动技术进步、产品升级、成本降低的目标。 炼铁能耗可由之前的397.74 kgce/t 降低至368.66 kgce/t，劳动生产率由目前1 000 t/人·年左右提高到1 300 t/人·年以上。厂区烟气排放指标达到超低排放标准，废水0 排放，水的循环使用率达到100%，采暖季冲渣水余热全部回收，用于钢城区150 万 m2社区居民采暖。

在BIM 设计上，各专业通过PW 平台的协同设计功能解决了多专业协同设计问题，根据事先规划好的目录结构各专业模型存储在各自目录文件夹下，专业间通过参考功能实现模型参考互相借力。项目管理者通过PW 平台可以对各专业的完成情况进行统计和监管，有助于提高设计效率和设计管理水平。通过软件的碰撞检查功能，以及在部分专业翻模过程中的二、三维校验，检查出多项碰撞和图纸错误，形成三维设计碰撞检查记录一册，共发现设计错误86 项，通过科学计算相当于挽救经济损失300 余万元。运用软件材料统计功能，对土建材料、电气材料、管道材料进行统计通过与概算内容比对，完成材料量的优化进而完成主材的费控。同时基于模型的会审会签工作，更高效、更直观、更综合，通过专业间互相参考进行设计的方式增强了协作效率，整体沟通效率至少提高20%，节省了大量的设计时间。通过BIM 技术应用，基本解决了设计中的难点问题。

6 结论

通过BIM 技术在本项目的应用，验证了公司BIM 软件体系的可行性，BIM 技术的先进性，人员架构的合理性，规范流程的可执行性，为将来其他项目的顺利开展打下坚实基础。