BIM技术在糖厂工程设计中全过程应用分析

曹乾春，郭荣来，张平军

(1中国轻工业广州工程有限公司，广东广州 511447；2广东省科学院生物与医学工程研究所，广东广州 510316；3广东省绿色制糖工程技术研究中心，广东广州 510316)

0 引言

近年来，随着国家信息化智能化进程的持续推进，BIM技术得到了不断的创新与发展，受到了广泛的关注，正在逐步应用到各个领域。BIM技术在工程设计项目中展现出可视化、一体化、参数化、协调性、便于模拟、利于优化、出图便利、算量精确、信息完备等优势，得到客户的普遍认可，BIM技术应用于工程项目设计已形成趋势。

在“一带一路”战略的引领下，国内工程公司有越来越多的机会参与国际项目的建设，当然同时也会面对日趋激烈的国际市场竞争。面对这些机遇和挑战，从设计单位的角度看，必须不断创新发展并采取多种措施努力提升项目设计质量，提高自身的综合竞争实力和可持续发展能力。

对于糖厂工程设计而言，BIM技术可以在优化项目空间布局，精确计算各项工程量和提升各参建方协作效率等方面发挥独特的作用，本文拟就BIM技术在糖厂工程设计中的实际应用进行分析，进而有利于显著提升工厂设计质量。

1 BIM技术简介和糖厂工程设计项目特点

1.1 BIM技术简介

BIM是Building Information Modeling的简称，中文翻译为“建筑信息模型”。BIM的理念由美国乔治亚理工大学的Chuck Eastman教授于1975年所创建，后经各方逐步丰富发展。当前研究认为，BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，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，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用[1-3]。

因此，BIM可谓是理念先进技术优良，其应用可以贯穿于工程项目的整个生命周期并适用于相关参建方。

1.2 糖厂工程设计项目特点

最近几年新建的甘蔗糖厂工程设计项目情况，具有以下特点[1]：

1.2.1 产能规模和用地面积比较大，建构筑物数量多

最近几年国外新建甘蔗糖厂项目中，产能规模不断扩大，处理能力从原来的5000、6000、12000 t/d到之后的24000 t/d，厂区总占地面积也越来越大，达到了750000 m2。建构筑物数量在增多，主要单体包含预处理车间、压榨车间、制炼车间、化水间、汽机间、锅炉间、辅料间等，有的项目还配备炼糖车间、酒精车间、复合肥车间以及生活区和学校等，建构筑物总数量已超80个。

1.2.2 设备和管道数量较多且布置空间有限，容易发生各类碰撞

大型甘蔗糖厂各类管道数量庞大，总计多达6000多根。而因糖厂生产工艺与设备结构的特性，部分区域管道布置复杂且空间很紧凑，如蒸发工段蒸发罐底部夹层、煮糖罐底和室外综合管廊等。蒸发夹层区域的蒸汽管道数量较多且外径大，蒸汽冷凝水管、物料管道以及众多公用工程管道交错布置，还需考虑清洗及维修通道；煮糖工段以高浓度物料为主，应尽量以最大坡度布置管道，连续煮糖罐底部区域的管道数量多且异常复杂，合理空间布置难度很大；此外，室外综合管廊也是管道数量多管径大容易发生碰撞的区域。如何在设备和管道多，空间有限的地方合理布置，避免碰撞尤为重要。

1.2.3 设计周期相对较短，出图质量要求较高

二十世纪八九十年代，一个项目的设计周期短则一、两年，长则达四、五年，有的甚至更长。而现在，施工图设计周期就几个月。时间压缩的越来越少，而出图质量的要求却越来越高。

1.2.4 材料统计的精准性要求

海外糖厂工程项目，大部分距离比较远，成本原因基本采用海运形式，运输时间长，导致整个采购周期较长，运输成本高。因此，材料统计的精准性尤其重要，统计有误，将会增加运输成本，影响现场施工进度。所以精准的材料统计有利于控制成本，提高项目建设效益。

1.2.5 客户对BIM技术的要求

近年来BIM技术迅猛发展，不断应用于各个领域，尤其在工程设计施工和管理方面，为大量的工程项目提供巨大助力，受到客户的普遍好评。政府相关部门也在不断推进BIM技术的应用，BIM技术应用于工程项目设计逐步形成趋势。最近几个甘蔗糖厂工程设计项目，客户均希望设计成果中包含三维模型、三维动画，甚至要求应用BIM技术正向设计，以方便后续的施工和管理工作。

综合上述糖厂工程设计项目的特点，设计单位推广并普及BIM技术将势在必行。

2 BIM 技术在糖厂工程设计中的全过程应用分析

2.1 工业BIM平台简介

目前运用于工程项目设计的各类软件很多，每款软件都各具特色。如何根据糖厂工程项目设计的特点，组合一套成熟合理的三维软件尤其重要，理想的软件组合可以有效提高工作效率和设计质量。

2.1.1 BIM技术软件配置

糖厂工程项目工艺热力管道数量庞大、布置复杂，阀门种类繁多，在管道建模时要求灵活多变且操作简易，AVEVA公司开发的PDMS软件兼容性强且操作灵便，能满足管道布置的要求[1]。Autodesk公司开发的 Revit具有良好的易用性和较高的建模效率，已能成熟运用于建筑、结构及水暖电专业，满足土建包的设计要求。PDMS和Revit是2款不同公司开发的软件，其三维模型各自独立，无法直接合成，Autodesk公司的 Navisworks具备合成功能，合成后的三维模型可以进行查看与编辑，可用于BIM模型交付。根据工程设计项目设计成果需要，用3Ds Max、Premiere Pro等软件进行模型整合、镜头制作和后期剪辑可得到非常逼真的动画模型。最后还需配套部分设计及出图插件。一套合理实用的软件组合(PDMS+Revit+Navisworks+插件)是提高设计效率和质量的保证。

2.1.2 BIM设计工作流程简介

经过不断摸索、实践和总结，一套适用于糖厂工程设计项目的BIM技术应用工作流程见图1和图2。

图1 工艺包设计工作流程

图2 土建包设计工作流程

2.2 BIM技术在糖厂工程设计中应用效果

2.2.1 BIM技术在方案设计阶段应用

在糖厂工程设计方案设计阶段，可应用BIM技术进行项目的竖向分析、流向分析、土方平衡分析、平面分析、做法分析、可视化展示，并沟通项目的设计方案。

BIM技术运用于流向分析中，可直观且准确的保证洁污分开，生活办公与生产分开，甘蔗原料及成品运输与人流分开，确保糖厂整体布置工艺流畅，方便运行管理(图3)。

图3 人流、物流演示

2.2.2 BIM技术在施工图阶段的应用

2.2.2.1 工艺包设计

用PDMS软件创建工艺热力BIM模型，复杂的设备可通过Revit创建设备BIM模型，再配合插件自动生成工艺热力专业所需的预留孔图和埋件提资图、平面图、立面图、ISO图、支吊架图、管道材料汇总表、支吊架材料汇总表、管道表、管道特性表、阀门清单和法兰清单等施工图纸(图4)，还可以根据项目施工现场需要，生成三维视图。

图4 自动生成汇总表

2.2.2.2 土建包设计

用Revit软件创建建筑、结构、给排水、暖通、电控专业BIM模型，通过Revit插件自动生成满足设计成果需要的平面图、立面图、轴测图和柱、梁、板筋、外墙、内墙、屋顶、门窗、楼板、栏杆扶手、幕墙、设备、管材、阀门、桥架、电缆等材料明细表(图5)，还可以根据项目现场施工需要生产各种专业的三维视图。

图5 自动生成立面图

2.2.2.3 三维动画设计

用 3Ds Max、Lumion、After Effects、Photoshop、Premiere Pro等软件进行模型整合、镜头制作、图文编辑和后期剪辑等可得到逼真的动画效果(图6)。

图6 三维动画

2.2.3 BIM技术在糖厂工程设计中的优势分析

BIM技术应用于糖厂工程设计项目，高效出图和高品质的设计成果，提升设计公司设计手段，增强设计公司竞争力。孔洞和埋件提资根据三维自动生成，解决了以往项目孔洞及埋件的遗漏和提资不正确的问题。可视化同平台协作设计，并可进行碰撞检查，解决了以往项目的大量碰撞问题，根据近几个项目经验，设计变更单数量减少约90%，提高了设计效率和现场施工效率，减少了建造和管理成本，提高企业效益。

2.2.3.1 方案可视化直观展示，提升沟通效率

BIM技术应用方案设计时，可在BIM模型中直观展示需要讨论的方案内容，快速准确表现方案现状供客户全方位查看，可根据客户意见现场在BIM模型中迅速修改平面，方便客户理解，显著提升沟通效率。

2.2.3.2 图纸中增加复杂节点的三维视图，便于图纸的准确表达

对于糖厂一些比较重要的位置，或者布置复杂的地方，或者施工难度大容易引起误解的区域，在图纸中增加三维视图，直观展示设计方案和详细做法，便于现场技术员和施工人员准确理解施工图纸(图 7)。

图7 图纸中增加三维视图

2.2.3.3 正向设计，模型设计信息完整

BIM技术正向设计，实现信息一次输入，全过程应用，确保模型设计信息完整。如糖厂工程项目工艺热力设计过程中，把工艺热力工况参数表导入智能 P&ID中，工况参数自动生成管线信息，在智能 P&ID中的设备信息模板输入设备参数信息，再把智能P&ID中的参数通过插件传递到BIM模型中，可在模型中查看设备、管道、阀门和管件的参数信息，实现各种参数信息一次输入全过程应用，确保BIM模型信息完整(图8)。

图8 模型中阀门信息

2.2.3.4 各专业协同，可视化设计，避免碰撞，减少现场变更

BIM技术应用糖厂项目工程设计时，各专业同一工业BIM平台协同设计，各专业根据自己的设计需要，随时调用其它相关专业的模型进行查看，直观展示其它各个专业的模型情况，如果空间不足，可立即截图或者发送元素ID值给相关专业，沟通讨论更改方案，避免碰撞，提高了沟通效率，有效减少现场变更。

2.2.3.5 孔洞和埋件的三维提资，确保孔洞和埋件的正确性

PMDS进行设备管道建模和管道支吊架建模时，导入建筑结构BIM模型，设备管道模型完成后，通过插件在建筑结构模型上自动开孔，保证所有穿墙穿楼板管道都已开孔，不会出现错漏，在用管道支吊架软件进行建模时，输入埋件参数信息，并传递到PDMS中，再通过相关插件把孔洞和埋件信息形成提资文件，输入到 Revit平台生成孔洞埋件实体模型，由建筑结构根据模型通过 Revit完成出图。二维 CAD手工绘图的孔洞和埋件提资容易出现错漏，由BIM模型直接生成三维提资，有效避免二维绘图时出现的错漏，确保孔洞和埋件的正确性。

2.2.3.6 BIM模型自动出图，减轻绘图工作量

BIM模型完成建模后，各个专业根据各自设计成果需要，通过相关插件完成自动出图。例如，工艺热力管道，根据某大型甘蔗糖厂项目统计约6000多张ISO图，还有其他的设备平面布置图、设备立面布置图、管道平面布置图、管道立面布置图、支吊架详图、管段表、特性表、管道材料汇总表、支吊架材料汇总表和油漆保温材料汇总表等，都可通过BIM模型完成自动出图，大量减少手工绘图工作时间，提高工作效率和设计成果品质。

2.2.3.7 工艺热力管道模型自动生成管道预制图，用于管道的预制

BIM 模型里面的工艺热力管道是按 1∶1比例建模，与实体参数一致，由BIM模型自动生成的管道预制图，尺寸精准，可用于管道预制。对于材料贵重、割焊困难或者现场施工难度大的地方，由厂家按管道预制图预制管道，现场直接吊装，降低现场施工难度，提高施工效率。

2.2.3.8 热力管道应力计算、支吊架设计和 BIM 模型的集成

BIM技术应用于热力管道设计时，用PDMS根据模型空间情况进行管道建模，并根据管道布置情况选择合适的支吊架类型插入相应位置，再用插件把管道和支吊架信息导入应力计算软件进行应力计算，通过直接调整管道模型、支吊架类型及其位置来满足应力计算，再把应力计算结果导入支吊架设计软件，直接在PDMS中生成支吊架模型，避免了应力计算、支吊架设计和创建BIM模型三者独立的局面，完成了热力管道应力计算、支吊架设计和BIM模型的集成。

2.2.3.9 电缆三维敷设，电缆材料统计精确

全专业BIM技术设计，电控专业用Revit进行强弱电协同设计，在可视化BIM模型进行电缆自动敷设，精准设计照明和自控点位，并不断优化桥架和线管布置，避免出现碰撞。电缆材料由BIM模型自动生成，统计精准(图9)。

图9 优化电缆敷设

3 结语

BIM技术应用于甘蔗糖厂工程项目设计具有诸多优势，可以显著提升糖厂工程项目的设计效率和设计质量，有助于工程各参建方多方协同提升项目管理效率，提高项目建设效益。