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摘要:參考國內外bim技術發展、推廣、使用情況，結合BIM技術在選煤廠設計中的應用流程，介紹了選煤廠設計中選煤、機制、水暖電、建筑等專業的BIM使用情況，分析了BIM技術在選煤廠工程設計中應用的主要優勢與挑戰。結果表明，BIM技術在協同化、設備參數化及專業間碰撞檢測等方面具有顯著優勢，同時也面臨著BIM技術尚不健全，行業軟件壁壘等挑戰。通過選煤廠設計實際工程應用，為BIM技術在選煤廠及類似工業工程設計，施工、運維提供借鑒經驗。
關鍵詞:選煤廠設計;建筑信息模型;數字化;碰撞檢測;協同設計
美國喬治亞理工大學ChuckEastman博士1975年提出BIM的概念—對建筑物智能模擬的計算機系統，即信息的共享建筑模型。1986年，RobertAish提出的BIM(BuildingInformationModeling)概念。2002年Autodesk公司正式提出BIM理念和技術，建筑信息模型。美國國家BIM標準NBIMS給出的定義為［1］:BIM是某一設施的外形及功能特點，作為該設施的共享知識資源，為其全生命周期中的決策提供可靠依據，并且自其籌劃直至設施拆除始終存在。隨著信息技術的高速發展，BIM技術在建筑工程中的應用愈加廣泛，設計方式也逐漸形成從傳統二維設計到三維設計的革命性轉變。BIM由美國、歐洲、日、韓、新加坡等發達國家向全世界傳播［2］，目前國內BIM技術發展和應用達到了一定水平。
1BIM技術進展
1.1國外BIM技術進展
美國對BIM的研究與應用［3］都走在世界前列。各種BIM協會制定了相應的BIM標準。根據McGrawHill的報告［4］，工程建設行業采用BIM的比例在5年內(2007—2012)增長了43%。GSA從整個項目生命周期的角度來探索BIM的應用［5］，通過發布各領域的BIM指南以及標準，引導適合BIM的計算機軟件和硬件技術標準的開放，逐漸形成BIM應用的基礎環境［6，7］。在北歐，企業(如Tekla和Solibri軟件公司)自主推動BIM的應用，要求使用BIM進行三維建模，并進行碰撞檢查［8］。英國內閣辦公室要求到2016年，全面使用協同的3D－BIM技術，并將全部的工程文件納入BIM信息化管理［5］。新加坡政府為推動BIM技術發展［9，10］，設立基金，鼓勵大學開設BIM課程，設立BIM專業學位，同時要求政府部門項目必須運用BIM技術。韓國政府部門在2010年12月—2012年4月，發布并更新了《設施管理BIM應用指南》［11］及《建筑領域BIM應用指南》，針對設計、施工等階段中的BIM應用進行指導。至2010年，日本33%的企業已經應用BIM。日本建筑學會于2012年7月發布了日本BIM指南［12］。
1.2國內BIM技術進展
國內學者針對BIM技術的開發與應用開展了卓有成效的研究。清華大學側重BIM標準框架研究及實施，2010年，參考NBIMS，清華大學提出了面向IT的技術標準［5］與面向用戶的實施標準［13］的中國建筑信息模型標準框架(CBIMS)。上海交通大學的BIM研究中心致力于BIM關鍵技術的深入研究，解決BIM應用中存在的突出共性問題。上海大學BIM中心的宗旨是打造產學研一體的BIM平臺，培養高水平的BIM專業人才，提高BIM技術在工程中的應用水平。國內高校通過研究和培養BIM技術人才，推動BIM技術在國內的蓬勃發展與應用。BIM技術通過幾十年的發展，出現豐富的軟件支持技術。建筑項目所適用的BIM核心建模軟件也有區別:AutoRevit軟件多用于規則的民用建筑，基于Bentley平臺［14］的MS、OBD－CE、Openplant、Openroad等軟件技術多用于復雜的工業建筑，滿足工業建筑對工藝較高的要求，完全異形的項目則也可用Digital或CATIA軟件［15］。
2BIM技術在選煤廠設計中的協同應用及技術優勢
選煤廠設計過程中工藝流程繁雜，專業跨度廣泛，需要多方面協同調度。BIM技術可通過對選煤、土建、機電、水暖、總圖等各個專業的協同化建模，實現設計方案可視化、設計流程協同化和3D模擬。通過3D幾何模型實現廠房實體模型直觀判斷，完成各專業管道、電纜橋架、溜槽、帶式輸送機、振動篩等設備的布置。借助BIM可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖的特性實現三維設計，優化工程質量，提高設計效率。運用Bentley協同平臺，選煤專業首先根據工藝流程確定整個廠區內廠房布置，廠房之間連接關系，廠房模塊位置，建筑軸網及建筑輪廓，布置設備。機制專業根據工藝需求，布置相應的設備，埋件。標準化的設備直接從設備庫中調用，非標設備，機制專業首先自己定制，然后放置設備。土建專業根據選煤專業布置的建筑軸網及建筑輪廓優化調整建筑物詳細信息。根據設備荷載，設備放置方式以及設備流程，參考以往設計及工程經驗，土建工程師完成建筑物的墻，門、窗以及建筑外立面設計。進一步完成建筑內的梁、柱、板、次梁以及牛腿等附屬的結構構件設計。水暖等專業根據工藝需求，在建筑物找到合適位置完成水暖管道的布置及暖氣片放置位置。同時完成上下層樓板的管線穿越及開洞。電氣專業根據設備需求，參考已完成的各專業設備布置方式，進行電纜橋架的布置，同時鋪設電纜、放置燈具，如圖1所示。土建專業根據后期根據各設備需求，穿層管道，電纜橋架走向、軸流風機位置，進行次梁調整，各層樓板，墻上開洞。檢查行人通道的寬度及高度，如有設備碰撞，通知相關專業修改調整相應設備或管線的布置。各專業完成布置后，通過BIM平臺中的專業碰撞檢測模塊，按照定制的數字化碰撞檢測［15］規則，實現專業之間碰撞檢測。例如選煤專業振動篩和機電專業橋架的碰撞、帶式輸送機和水暖管道的碰撞，機電與水暖專業的碰撞。各專業設備與土建專業梁、板、柱、墻的碰撞。同時通過數字化規則設置，實現本專業內部的碰撞檢測，如水暖專業的管道碰撞。選煤廠工藝流程復雜，設備布置較多，管道及機電橋架走向復雜，通過BIM自動碰撞檢測后，可以避免人為錯誤，提高設計準確性和設計流程整體效率。通過數字化規則制定后的BIM自動碰撞檢測，極大地提高了碰撞檢測精度［16］。結合大量選煤廠廠房BIM應用，通過碰撞檢測及模擬分析［17］，BIM技術在選煤廠設計中可實現:電纜橋架的凈高分析，行人走道凈空的空間校核，設備布置合理性分析，結構梁和選煤、水暖管道的碰撞分析，復雜空間結構搭接分析，工程量統計等。通關各專業模塊的整合，BIM技術可以實現項目設計、采供、施工、后期運維［18］等整個過程的全信息化的全生命周期管控。例如在選煤廠從方案策劃、初步設計、評審、施工圖設計、招標、施工單位原材料、設備采供，設備供配件配備，后期的設備運維、修理，以及到使用年限后廠房設備拆除更換等整個生命周期都能在3D平臺上查詢、操作。通過先進的數字化信息模型，指導工程的整個生命周期內運轉的過程。各種信息始終整合于一個BIM三維模型中，BIM模型可以讓甲方、設計、監理、管理人員、維修人員都能了解整個廠房、設備的任何過往信息，便于施工進度管理、質量控制、成本控制、優化資源配置，提高工作效率、優化資源、避免成本浪費。以實現綠色、高效、可持續發展，同時為智能化、智慧工業園區提供基礎平臺。通過各專業多次迭代完善的建筑模型，在碰撞檢測完成后，各專業進行切圖工作，形成施工圖所需的平面布置圖、立面圖和剖面圖，完成建筑圖紙的出圖工作。
3BIM技術在選煤廠應用的挑戰
BIM技術的應用市場不成熟［19］，與傳統繪圖方式完全不同，應用流程不順暢。國內大型工業院最近一直推廣應用基于Bentley平臺的BIM技術。鑒于Bentley平臺技術的局限性，不同專業在選煤廠廠房設計中存在如下問題:
3.1選煤機制專業
非標準件的設計制約著機制專業設計效率［20］。選煤廠溜槽、工作臺設計難以實現標準化，而在選煤廠設計中，非標準件的設計工作占機制專業施工圖設計工作量的60%～70%。目前采用的二維CAD設計手段及工作流程效率較低，單個非標準件的設計周期在1～2個工作日，選煤廠全廠非標準件設計周期一般在1～2個月左右。在選煤廠工程數字化BIM設計中，基于Bentley設計平臺中OpenBuildingsDesignerCONNECTEdition的現有版本三維建模方法存在建模效率低、耗時長，模塊操作不流暢，對BIM正向設計工作產生一定的阻礙。選煤專業在方案、初步設計階段，軟件還不能達到快速建模，也是迫切解決的新問題。
3.2水暖電專業
OBD軟件能完成一般簡單水暖管道［21］模型，但特殊閥門模型庫需要自己手動定制，如雨淋報警閥組以及選煤廠常用的風機、除塵設備、加藥設備，濃縮機等設備，需要水暖工程師自己繪制模型;暖通專業的熱負荷計算以及電氣的電纜橋架三維鋪設目前還不能走通。
3.3建筑專業
OBD－CE版軟件從模型抽取的二維立面圖，是由墻、梁、板、柱、門窗等構件輪廓組成的復合面。組成立面的構件part樣式不同，抽圖得到的立面二維圖必然會有多余的線條，需要在后期整理圖紙時手動刪除。如圖2、圖3所示。混凝土樓梯不能參數化直接放置，樓梯平臺不能通過修改參數直接生成。對于層高較高的廠房，樓梯梯段為3～5段時，樓梯布置時長度調整存在問題，不能流暢建模。作為疏散鋼梯不能直接調用出需要的鋼梯類型，不能修改鋼梯構件截面，無法調整鋼梯角度。BIM平臺和結構軟件存在不兼容的情況，在從BIM平臺OBD－CE版本建筑模型向國內主流計算軟件導入過程中，特別一些復雜特殊構件，例如牛腿及牛腿梁，在計算軟件中不能讀出。轉換過程中，模型層間會出現紊亂現象，Bentley樓層管理器中樓層標高無法和結構計算軟件模型的層高功能流暢互認，例如鋼結構中的斜撐出現穿層、梁出現部分點中間打斷、錯層，梁柱構件沒有執行結構模型邏輯。結構計算分析后的模型，梁柱構件一般會進行調整，模型后期再返回Bentley時，和原模型會出現不一致的現象。
4結語
BIM在工程領域的廣泛應用，顛覆了以往的生產方式，大幅提高生產效率。BIM技術能夠把圖紙上錯誤控制在5%以內，通過碰撞檢測等3D功能，及時發現處理工程設計、施工中存在的問題，把控施工進度，提高效益。BIM在我國的研究與應用將會成為科技、工程行業不斷探索的一個重要課題。目前，鑒于BIM的推廣還面臨著諸多技術難題及應用挑戰，BIM技術發展需要從以下方面著手:1)研究完善BIM技術標準，根據實際應用情況不斷修正BIM技術應用指南。2)加強BIM技術自主研發，解決BIM現存的一系列突出問題，如參數化快速建模，各專業軟件接口不融洽，軟件接口標準不統一，解決使用中的一些列瓶頸問題，便于各專業協同交互使用。3)注重BIM技術相關軟件及模型的開發，促進完善BIM中國建筑信息模型標準框架有關內容。
作者：姚滿喜 王磊 單位：中煤科工集團北京華宇工程有限公司 山西天地王坡煤業有限公司