基于BIM技術的工業(yè)窯爐三維建模前景分析

孫華云 ，李明晶 ，盧 勇

（1山東工業(yè)職業(yè)學院，山東 淄博256414；2山東省冶金工業(yè)總公司，山東 濟南250014）

1 前 言

據(jù)統(tǒng)計，目前我國各類工業(yè)爐窯（不包括鍋爐）約有15萬臺，主要分布在冶金、建材、機械和化工等行業(yè)。計算機輔助設計經(jīng)過幾十年的發(fā)展，二維設計軟件已經(jīng)得到廣泛的應用，而三維設計軟件以其直觀、準確、動畫模擬等優(yōu)勢越來越被設計者所關注和應用。在一些工程設計院已開始將三維軟件應用到工業(yè)窯爐設計中。盡管如此，工業(yè)窯爐三維模型設計仍然沒有擺脫“輔助制圖”單一功能的缺陷。這與近年來全球建筑工程設計信息化（BIM）技術的發(fā)展理念仍然有較大差距。在中國，BIM技術在建筑工程行業(yè)正在不斷被認知和認可，工業(yè)窯爐作為工程建設的一個重要分支，BIM技術勢必也會成為其設計發(fā)展的必然趨勢。作為BIM技術實施的第一步，基于BIM技術的三維模型創(chuàng)建有別于普通三維模型的創(chuàng)建。本研究就工業(yè)窯爐設計與建設中，基于BIM技術三維模型的創(chuàng)建進行一些有益的探索。

2 BIM概況

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱。根據(jù)美國國家標準（NBIMS）對BIM的定義，BIM是指一個建設項目（或一個設施）物理和功能特性的數(shù)字表達；是集成了建設項目各種相關信息的工程數(shù)據(jù)模型，它綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構建性能以及施工進度、運營分析、維護管理等過程信息，將一個建筑項目整個壽命周期內(nèi)的所有信息整理到一個獨立的建筑模型中［1］。

BIM模型的創(chuàng)建基于兩個基本思想：第一，將設計信息以數(shù)字形式保存在數(shù)據(jù)庫中，以便于更新和共享；第二，在設計數(shù)據(jù)之間，創(chuàng)建實時的、一致性的關聯(lián)，對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的任何更改，都馬上可以在其他關聯(lián)的地方反映出來，這樣可以提高項目的工作效率和保證項目的工程品質(zhì)。

3 基于BIM的工業(yè)窯爐三維建模技術

3.1 建模軟件和硬件配置

1）軟件的選擇。BIM建模軟件是BIM技術的基礎，目前，市面上BIM建模軟件有很多。例如，Autodesk公司的Revit系列、Graphisoft/Nemetschek公司的Archi CAD軟件、Bentley公司的 Bentley系列軟件、Gery technology/Dassault公司的 CATIA軟件、Tekla系列軟件以及Google公司的Sketch Up軟件。各主要軟件及特點如表1所示。對于工業(yè)窯爐設計者來說，目前大多普遍使用Auto CAD二維繪圖，雖然有少量設計者開始采用Auto CAD來創(chuàng)建三維模型，但與BIM技術的設計理念仍然有較大的差距。

在上述軟件中，Revit系列軟件是專門為面向BIM而建，但其數(shù)據(jù)都可以被Autodesk旗下多平臺軟件所讀取利用，如 3D MAX、Showcase、Navisworks等，具有極強的兼容性。因此，工業(yè)窯爐設計者應該首選Revit系列軟件，可以在保留Auto CAD的工作流程的基礎上，通過Revit系列軟件較容易地實現(xiàn)向先進的BIM三維建模過渡。

Archi CAD是最早一個具有市場影響力的BIM核心建模軟件，被譽為建筑設計師開發(fā)的三維設計軟件，但在國內(nèi)僅限于建筑專業(yè)，在工業(yè)窯爐行業(yè)中的應用還有待突破。

Bentley系列軟件基于Microstation綜合型的三維設計平臺，功能相當強大，能完全替代市面上各種軟件的建模功能，滿足建模階段的各種建模方式的需求；但由于包含大量代表不同特征行為的各種功能模塊，具有大量不同的用戶界面，學習不易上手，不太適合初學者。由于bentley系列軟件的專業(yè)設計和協(xié)同設計方面性能優(yōu)越，Bentley系列軟件應用到工業(yè)窯爐具有廣闊的前景。

2）硬件要求。BIM建模是基于三維設計，對硬件系統(tǒng)的計算能力和圖形處理能力相比傳統(tǒng)的CAD軟件要高。硬件配置可參考各類BIM建模軟件廠商推薦的硬件配置要求。目前工業(yè)窯爐設計單位配置的硬件設施一般不能滿足要求。可根據(jù)工業(yè)窯爐的種類、規(guī)模大小等，重點提高計算機CPU、內(nèi)存和顯卡的配置。一般采用64位CPU和64位操作系統(tǒng)，內(nèi)存在4G以上，不宜采用集成顯卡，而應選擇支持OpenGL1.3或更高版本的獨立顯卡。

表1 主要BIM建模軟件及特點

3.2 工業(yè)窯爐三維模型構件庫的創(chuàng)建

對于基于BIM技術的工業(yè)窯爐三維建模，應具有工業(yè)窯爐的專業(yè)特性或行業(yè)性，例如窯爐的窯墻、爐門、燃燒室、煙道、風機、風管等，這些模型已不再是純粹的幾何圖元，不再是一個個簡單的建筑表現(xiàn)，而是通過BIM建模平臺的設計，體現(xiàn)項目全部要素的“智能構件”，這些“智能構件”中的參數(shù)以及參數(shù)之間的關系是有專業(yè)知識來驅(qū)動的，并能夠反映工業(yè)窯爐的工作行為。工業(yè)窯爐的設計過程就是不斷確定和修改各種“智能構件”的參數(shù)。

對于工業(yè)窯爐建模的參數(shù)化程度，除了取決于設計者的建模能力外，還取決于設計者對工業(yè)窯爐專業(yè)知識的掌握和理解能力。需要掌握流體力學、熱力學、傳熱學、燃料燃燒、加熱工藝等專業(yè)知識，例如燃燒室的設計，需要懂得根據(jù)使用條件選擇燃燒室的布置、尺寸、大小、耐火材料的選擇類型、材質(zhì)、厚度、導熱系數(shù)等，后期配套的燒嘴安裝方式、規(guī)格、大小，以及燃料的種類、燃燒特點、火焰分布等。

以Autodesk Revit為例，“智能構件”的設計是基于族來完成的，類似于CAD“塊”的概念。Autodesk Revit將族分為3個類型：即系統(tǒng)族、標準構件族、內(nèi)建族。

1）系統(tǒng)族是Autodesk Revit中預定義的族，包含基本建筑構件，例如墻、窗和門。設計者可以復制和修改現(xiàn)有系統(tǒng)族，但不能創(chuàng)建新的系統(tǒng)族。

2）標準構件族大多存儲在構件庫中。設計者可以使用族編輯器復制和修改現(xiàn)有構件族，也可以根據(jù)各種族樣板創(chuàng)建新的構件族。標準構件族可以位于項目環(huán)境外，且具有.rfa擴展名。可以將它們載入項目，也可以從一個項目傳遞到另一個項目。

3）內(nèi)建族是特定項目中的模型構件，只能在當前項目中創(chuàng)建內(nèi)建族，它們僅可用于該工業(yè)項目特定的對象，例如自定義的爐襯、窯墻等。

在Autodesk Revit中，系統(tǒng)族是系統(tǒng)自帶的建筑必要構件，能夠修改的權限比較小，標準族有各種參考樣板、內(nèi)容豐富，參數(shù)多，而內(nèi)建族可以自由修改。相信隨著工業(yè)窯爐BIM建模的開展和深入，會逐步積累一套自己獨有的族庫，在以后的工業(yè)窯爐設計工作中，可直接調(diào)用這些族數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)實際情況進行參數(shù)修改，提高工作效率。

根據(jù)通用的制圖規(guī)范圖集、制圖標準，結合目前工業(yè)窯爐設計部門自備的數(shù)據(jù)庫以及熱工設備廠家提供的技術樣本，可以預見出基于BIM的工業(yè)窯爐三維建模涉及的專業(yè)及各類常用構件。

熱工專業(yè)：在熱工計算的基礎上確定的爐襯、爐門、爐頂、爐底、窯墻、燃燒室等。

土建專業(yè)：基坑、基礎、板、梁、柱、鋼架、爐體、煙囪等。

機電專業(yè)：燃燒裝置、鼓風機、排風機、運輸機、加料機、推車機、卸料機、窯車、蒸汽（煤氣、空氣、輸油）管道、各種閥門等。

電氣自動化：變電設備、配電設備、測量與調(diào)節(jié)儀表（溫度、壓力、流量、煙氣成分、液位等）等。

環(huán)保專業(yè)：空氣預熱器、余熱廢熱鍋爐、含塵氣體凈化裝置（如旋風收塵器、布袋收塵器及電收塵器等）、成品顯熱回收裝置等。

3.3 動態(tài)和協(xié)調(diào)建模

一臺工業(yè)窯爐的設計顯著區(qū)別于一般的建筑工程，設計過程涉及到熱工、結構、建筑、機電、電氣、環(huán)境保護等專業(yè)領域，設計難度比較大。根據(jù)以往的設計經(jīng)驗，設計首先從工業(yè)窯爐所對應的生產(chǎn)工藝開始進行系統(tǒng)設計，如鋼鐵的冶煉、生石灰的煅燒、鐵礦石的燒結等。工藝技術人員向其他專業(yè)提交有關資料，熱工專業(yè)根據(jù)工藝制度要求，在熱工計算的基礎上進行技術設計，技術設計之后便可進行施工設計。在這種傳統(tǒng)設計模式中，各專業(yè)人員雖然也相互接觸、相互磋商，力求避免設計中出現(xiàn)的各類沖突，但客觀上，由于信息對接不完善，技術設計中的細節(jié)部位不能詳細表現(xiàn)等，設計中不可避免出現(xiàn)“錯漏碰缺”等問題。技術人員盡管仔細反查施工圖紙，但有些差錯只能等到施工階段才能發(fā)現(xiàn)，會造成不必要的返工和浪費，更為嚴重的是有些差錯甚至到了運營期間才發(fā)現(xiàn)，給運維安全埋下隱患。因此，在工業(yè)窯爐設計過程中，各專業(yè)間的相互協(xié)調(diào)、動態(tài)調(diào)整建模的有關數(shù)據(jù)顯得尤為重要［2］。

面對傳統(tǒng)設計工作的缺陷，工業(yè)窯爐三維建模采用BIM技術設計理念尤為重要。BIM模型作為項目信息交流和共享的數(shù)據(jù)中心，各專業(yè)設計師可以此為平臺開展多專業(yè)動態(tài)協(xié)調(diào)建模。每個專業(yè)的設計者通過建立自己的本地文件，建立本專業(yè)的數(shù)據(jù)庫，如設計規(guī)范、任務書、圖紙、技術說明等，并設置文件編輯權限，開展模型協(xié)調(diào)和技術交流。如果資料發(fā)生變更，設計者只需在協(xié)同平臺上及時發(fā)布更新自己的設計成果，并保存到數(shù)據(jù)中，這樣每個專業(yè)的設計者都加入到一個項目數(shù)據(jù)庫中，所有參與者都從一個“源”文件中獲得信息，信息不存在重疊、冗余，并能及時反饋調(diào)整。

4 BIM模型的應用分析

基于BIM技術的工業(yè)窯爐三維建模，不僅僅是幾何特征的表達。在建模過程中，將非幾何因素也集成到三維工業(yè)窯爐模型中，如爐襯的材料特征、物理特征、力學參數(shù)、設計屬性、價格參數(shù)、廠商信息等，使得工業(yè)窯爐及其構件成為智能的實體。除了按照出圖規(guī)則自動獲得二維圖紙以外，各專業(yè)人員可以根據(jù)技術要求，提取相應的專業(yè)信息，來滿足自己工作的需要。

4.1 在工業(yè)窯爐優(yōu)化設計中的應用

據(jù)專家介紹，我國工業(yè)爐窯當前存在的主要問題是技術裝備水平整體不高。大部分工業(yè)爐窯在燃燒系統(tǒng)、余熱利用、絕緣保溫、自動控制、熱工檢測等方面技術性能不完善，能源利用效率較低。在材料的選擇上，由于選擇不當，造成材料與運行工況不匹配，一些爐窯爐體散熱損失高達60%以上［3］。隨著BIM技術的發(fā)展，三維建模為優(yōu)化設計提供了有利條件。如可以將研制的噴嘴應用在三維模型中，利用流體力學相關軟件進行模擬，測試燃燒阻力、空燃比、溫度場分布、壓力變化、熱工效率等熱工參數(shù)，采用反求設計的方法，進一步優(yōu)化噴嘴的結構設計。相信這種基于BIM的設計理念將在工業(yè)窯爐設計中會逐步得以實現(xiàn)和完善。

4.2 在工業(yè)窯爐控制仿真中的應用

基于BIM三維模型的建立，為工業(yè)窯爐傳熱學、動力學仿真提供了方便。通過數(shù)據(jù)轉換，可以利用fluent軟件模擬窯爐的流場及燃料燃燒，進行流體傳動與傳熱的模擬計算，分析窯爐內(nèi)氣體流動、流速和壓力的分布規(guī)律，分析物料之間以及物料局部換熱的分布特征等［4］，進一步基于matalab仿真軟件進行聯(lián)合仿真，實現(xiàn)窯爐控制系統(tǒng)與熱工設備的聯(lián)合仿真。

4.3 在造價中的應用

由于工業(yè)窯爐的三維信息模型包含了所代表的工業(yè)窯爐的詳盡信息，因此，可以生成各種筑爐材料、熱工設備、控制儀表等各種清單表格［5］。應用這些表格進行概預算、向材料設備供應商提供采購清單等。目前，在建筑工程領域，基于BIM的工程造價軟件有廣聯(lián)達、魯班軟件等，這些軟件在工業(yè)窯爐中的應用尚處于起步階段。

5 結束語

目前，國內(nèi)BIM技術的應用在建筑全行業(yè)已獲得廣泛關注，但在工業(yè)窯爐領域的應用尚處于摸索階段，技術及管理都還不成熟，沒有統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范及標準。但隨著BIM相關理論和技術的不斷發(fā)展，隨著設計部門、使用部門、機電設備供應部門參與，基于BIM的三維建模將在工業(yè)窯爐領域中不斷得到發(fā)展和廣泛應用。

參考文獻：

［1］ 丁士昭.建設工程信息化導論［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］ 相沖，劉剛.三維協(xié)同設計在水泥工程中的應用［J］.水泥技術，2012（5）：31-33.

［3］ 朱林霞，邵宇欽.BIM Revit MEP在某燃氣鍋爐房管道布置中的應用［J］.港口科技，2015（5）：35-36.

［4］ 王建軍，姚鵬放，衣凱.BIM技術在寶鋼9#電爐維修中的應用研究［J］.土木建筑工程信息技術，2014，6（5）：112-117.

［5］ 張隆飛.BIM技術在鋼鐵工業(yè)中的應用［J］.科技創(chuàng)新與應用，2014（17）：76.