BIM技術(shù)在大型甘蔗糖廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

賀 湘，羅慧明，郭榮來

(中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州511447)

0 前言

近年來，國內(nèi)外新建的甘蔗糖廠產(chǎn)能規(guī)模越來越大，如埃塞俄比亞瓦爾凱特新建的24000 t/d的甘蔗糖廠項(xiàng)目，廠區(qū)總占地面積達(dá)75000 m2，建構(gòu)筑物單體數(shù)量將近80個(gè)，設(shè)備、管道、公用工程及室外綜合管廊的布置也錯(cuò)綜復(fù)雜。如何在較短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)高效管理整個(gè)項(xiàng)目，協(xié)調(diào)好土建、工藝系統(tǒng)、水電暖等各專業(yè)之間的工作，以完成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)成果，無疑成為了大型糖廠項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。

“BIM”是Building Information Modeling的簡稱。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的業(yè)主和設(shè)計(jì)單位都開始接納并采用這一新的技術(shù)。BIM技術(shù)應(yīng)用于民用建筑的例子已經(jīng)非常多，但是在大型糖廠設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)的應(yīng)用還較少。本文基于BIM技術(shù)和大型糖廠的特點(diǎn)，采用PDMS軟件完成了該糖廠的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比與分析，為糖廠設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。

1 BIM技術(shù)的特征[1-3]

BIM技術(shù)主要特征可概括為以下幾個(gè)方面：

(1)可視化。可視化是BIM技術(shù)最直觀的特點(diǎn)。通過BIM軟件建立的模型能夠很直觀地進(jìn)行展示，三維立體視角呈現(xiàn)的效果使得設(shè)計(jì)人員可以更加清楚地了解整個(gè)工程的布局和各種構(gòu)件的空間關(guān)系。一些在二維平面圖上容易誤解或者表達(dá)不清楚的地方，在三維立體空間內(nèi)可以清楚地呈現(xiàn)出來，如果工程設(shè)計(jì)存在問題，也能夠很清楚地識(shí)別出來。這就使得各專業(yè)之間、設(shè)計(jì)人員與校審人員之間的交流更加便捷明了。

(2)信息化。BIM技術(shù)是信息化的產(chǎn)物。BIM最大的技術(shù)特點(diǎn)就是可以將各個(gè)方面的信息進(jìn)行整合，通過BIM技術(shù)建立項(xiàng)目三維虛擬模型，建筑工程中的各項(xiàng)參數(shù)信息都能夠在模型中體現(xiàn)。這些信息不僅能在專業(yè)內(nèi)部進(jìn)行交流，也能在專業(yè)之間流通，更重要的是模型中的所有信息還能用于工程全生命周期的各個(gè)階段，為施工管理、造價(jià)以及運(yùn)行維護(hù)提供信息。

(3)協(xié)同性。現(xiàn)代建筑工程是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)性的工程，涉及的專業(yè)往往很多，同時(shí)參與的單位和人員數(shù)量也不少。不同專業(yè)之間、不同單位之間以及不同人員之間的交流和溝通就顯得尤為重要。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下，需要總工和項(xiàng)師統(tǒng)一協(xié)調(diào)，不僅協(xié)調(diào)工作量較大，而且還容易出現(xiàn)錯(cuò)漏。BIM技術(shù)為整個(gè)項(xiàng)目提供了一個(gè)信息共享的平臺(tái)，各專業(yè)人員可以方便地查詢相關(guān)環(huán)節(jié)的進(jìn)展并跟進(jìn)工作，為自己的工作做好準(zhǔn)備并且可以及時(shí)調(diào)整。如果某設(shè)計(jì)人員更新了設(shè)計(jì)內(nèi)容，其他參與的人員可以馬上知曉，這就使得交流更加順暢有效，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

2 大型糖廠項(xiàng)目的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

總體而言，近年來新建的糖廠項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：

(1)產(chǎn)能規(guī)模越來越大。近年來國內(nèi)外新建的甘蔗糖廠產(chǎn)能規(guī)模越來越大，廠區(qū)用地面積增多，建構(gòu)筑物數(shù)量也增大，各專業(yè)的設(shè)備及管線交叉也會(huì)更加復(fù)雜。比如本公司近幾年設(shè)計(jì)的糖廠中，在埃塞俄比亞歐姆地區(qū)新建有2個(gè)12000 t/d的原糖廠，在柬埔寨柏威夏省新建有20000 t/d的原糖廠及配套的煉糖廠，在埃塞俄比亞瓦爾凱特新建有24000 t/d的原糖廠及配套的煉糖廠等。

(2)建構(gòu)筑物單體數(shù)量多。一般的甘蔗糖廠主要包括原料預(yù)處理間、制糖工藝間(包括澄清工段、蒸發(fā)工段、煮糖工段、干燥裝包工段)、原料和成品倉庫、熱電站和配套公用工程等，建構(gòu)筑物單體數(shù)量非常多。

(3)設(shè)備和管道數(shù)量多，極易發(fā)生各類碰撞。設(shè)備、管道、公用工程及室外綜合管廊的布置錯(cuò)綜復(fù)雜，極易發(fā)生各類碰撞。

(4)設(shè)計(jì)周期相對(duì)較短，出圖質(zhì)量要求較高。

(5)海外項(xiàng)目材料統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度要求較高。海外項(xiàng)目的材料均從國內(nèi)海運(yùn)或空運(yùn)，運(yùn)輸費(fèi)用大，這就要求設(shè)計(jì)階段統(tǒng)計(jì)材料要有較高的精準(zhǔn)度，盡可能不重不漏。

3 基于BIM的大型糖廠工藝配管設(shè)計(jì)流程

BIM技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)涌現(xiàn)了很多高效好用的 BIM 軟件，目前在建筑工程領(lǐng)域主要有Autodesk公司開發(fā)的Revit、AVEVA公司的PDMS系列、Bentley公司的 AECOsim系列、Graghisoft公司的ArchiCAD等。其中PDMS軟件在工業(yè)建筑的工藝管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)外許多企業(yè)和設(shè)計(jì)院都在使用PDMS軟件代替AutoCAD應(yīng)用于大型復(fù)雜工程的設(shè)計(jì)[4-9]。

本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)主要由Revit和PDMS兩大軟件系統(tǒng)組成。其中，Revit系統(tǒng)主要用于土建包設(shè)計(jì)(含建筑、結(jié)構(gòu)、水工、暖通、電控等專業(yè))，PDMS系統(tǒng)主要用于安裝包設(shè)計(jì)(含熱力、工藝系統(tǒng)等專業(yè))。

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行糖廠設(shè)計(jì)的主要流程為：

(1)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。在設(shè)計(jì)初期，各專業(yè)需進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入：土建專業(yè)將二維 AutoCAD圖導(dǎo)入建模，并建立構(gòu)件選用數(shù)據(jù)庫；工藝系統(tǒng)專業(yè)需建立管道等級(jí)數(shù)據(jù)庫、閥門管件數(shù)據(jù)庫；給排水、電氣儀表等其他專業(yè)也相應(yīng)建立自己的數(shù)據(jù)庫。

(2)建立帶接口的設(shè)備模型。各專業(yè)尤其是工藝系統(tǒng)、給排水、熱力專業(yè)根據(jù)設(shè)備資料建立帶管嘴法蘭方位的設(shè)備模型。帶管口方位的設(shè)備資料需由工藝專業(yè)在前期與設(shè)備廠家進(jìn)行溝通，確定最佳管口方位。

(3)管道設(shè)計(jì)與建模。設(shè)計(jì)過程中，各專業(yè)尤其是工藝系統(tǒng)、給排水、熱力專業(yè)需根據(jù) P&ID圖進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，P&ID圖中所有信息均需在平臺(tái)中得到體現(xiàn)，如管道壁厚、保溫層厚度、管道材料、管件選用等，方便設(shè)計(jì)完成后直接輸出材料統(tǒng)計(jì)表。

(4)建立管道附屬構(gòu)件。如建立管道支吊架及操作平臺(tái)模型。

(5)管路分析與碰撞檢查分析。設(shè)計(jì)結(jié)束后全方位進(jìn)行管道碰撞檢查，若發(fā)現(xiàn)有碰撞，及時(shí)更改走向，直到100%無碰撞。

(6)自動(dòng)化生成圖紙。設(shè)計(jì)完成后，可通過自動(dòng)出圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果輸出：包括平面圖、任意位置立面圖及單管ISO圖。圖紙文件為dwg格式。

(7)自動(dòng)化報(bào)表統(tǒng)計(jì)。依據(jù)公司規(guī)定的Excel表格樣式自動(dòng)輸出各材料表，如管段表、材料匯總表、管道特性表、閥門統(tǒng)計(jì)表等。

4 BIM技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的對(duì)比分析

通過比較基于 BIM 技術(shù)的設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)AutoCAD二維設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)流程和軟件操作等方面的不同，可以很容易發(fā)現(xiàn)，基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)方法相較于傳統(tǒng)方法有很明顯的優(yōu)越性，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 設(shè)計(jì)方案形象直觀展示

在傳統(tǒng) AutoCAD設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)成果都是二維的，通常按照不同的專業(yè)或設(shè)計(jì)范圍分散存放，既抽象也不便于快速查詢或檢索，不利于業(yè)主、監(jiān)理及施工等各單位準(zhǔn)確高效地理解設(shè)計(jì)意圖或項(xiàng)目的整體情況。

在BIM設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)成果中不僅有二維的施工圖，還有三維的虛擬模型和工程動(dòng)畫(圖1)。尤其是在三維虛擬模型中，集中存放了各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)成果，既形象生動(dòng)又便于快速查詢或檢索，有利于業(yè)主、監(jiān)理及施工等各單位準(zhǔn)確高效地理解設(shè)計(jì)意圖。經(jīng)過渲染之后生成的工程動(dòng)畫，可實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的三維仿真漫游，預(yù)先體驗(yàn)項(xiàng)目的建成狀況；還可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)營工況、交通、人流及物流工況的模擬分析，有利于項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖1 AutoCAD設(shè)計(jì)圖和BIM技術(shù)設(shè)計(jì)圖對(duì)比

4.2 便于各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)和項(xiàng)目進(jìn)度控制

傳統(tǒng) AutoCAD設(shè)計(jì)模式下，建筑、結(jié)構(gòu)、工藝系統(tǒng)、水工、暖通等各個(gè)專業(yè)都是在相對(duì)獨(dú)立的軟件環(huán)境下完成本專業(yè)的設(shè)計(jì)工作，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)本專業(yè)的設(shè)計(jì)對(duì)其它專業(yè)可能產(chǎn)生的影響。因此，傳統(tǒng) AutoCAD設(shè)計(jì)模式下，各專業(yè)間碰撞情況較多。

而在 BIM設(shè)計(jì)模式下(圖 2)，包含有管道、橋架、結(jié)構(gòu)、建筑和暖通等設(shè)計(jì)模塊，數(shù)據(jù)均統(tǒng)一存放在項(xiàng)目服務(wù)器上，各專業(yè)可在三維平臺(tái)上協(xié)同設(shè)計(jì)并實(shí)時(shí)查看其它專業(yè)的設(shè)計(jì)模型，有助于各專業(yè)的交流，減少碰撞，更高效優(yōu)質(zhì)地完成設(shè)計(jì)工作。

圖2 BIM技術(shù)自動(dòng)生成各車間完成進(jìn)度情況

良好的協(xié)同作用和實(shí)時(shí)查看功能，采用BIM三維平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)于項(xiàng)目管理也提供了便捷性，項(xiàng)目管理者可以實(shí)時(shí)地在三維平臺(tái)上查看項(xiàng)目的設(shè)計(jì)模型，掌控項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)度，且隨時(shí)可自動(dòng)生成各車間的工作完成情況表。

4.3 確保材料選用的一致性和材料統(tǒng)計(jì)的正確性

在傳統(tǒng) AutoCAD設(shè)計(jì)模式下，土建材料、管道安裝材料等的工程量統(tǒng)計(jì)都是人工計(jì)算，效率很低，準(zhǔn)確度有限，且不同專業(yè)間材料選用的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。

而用BIM三維軟件設(shè)計(jì)時(shí)，平臺(tái)建設(shè)團(tuán)隊(duì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和公司規(guī)范化的管道等級(jí)，在配管設(shè)計(jì)前便已經(jīng)建立管道的等級(jí)數(shù)據(jù)庫。各專業(yè)配管設(shè)計(jì)人員在項(xiàng)目配管設(shè)計(jì)過程中，只需按照公司的標(biāo)準(zhǔn)化管道等級(jí)選擇材料，保證了材料選擇的正確性和規(guī)范化。

而設(shè)計(jì)完成后，BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的ISO單管圖中含有材料表(不用出管段表)，材料匯總表自動(dòng)生成符合公司格式的材料表，無需人工統(tǒng)計(jì)，提高工作效率同時(shí)保證了材料統(tǒng)計(jì)的正確性(圖3)。如若修改管路，其對(duì)應(yīng)的材料將自動(dòng)更新，這大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度和時(shí)間成本。

圖3 PDMS自動(dòng)提取的ISO單管圖及材料表

4.4 管道留孔提資的高效性和正確性

在 BIM 三維平臺(tái)完成配管設(shè)計(jì)和土建模型的建模后，管道的穿墻樓板孔洞，可在軟件中自動(dòng)在樓板和墻上開孔，并在對(duì)應(yīng)管道ISO圖中標(biāo)識(shí)穿墻符，無需手工在BIM平臺(tái)中開孔，并把BIM平臺(tái)中開孔完成的樓板和墻信息提出后自動(dòng)生成dwg格式圖紙，提資給建筑，從而提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率和準(zhǔn)確性(圖4)。

4.5 減少施工階段變更，節(jié)省施工成本

以碰撞檢查為例，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，圖紙方案中存在的一些問題，比如管道之間的碰撞、管道和設(shè)備間的碰撞、管道和建構(gòu)筑物之間的碰撞或者安裝空間不足等，在設(shè)計(jì)審查階段難以及時(shí)完全發(fā)現(xiàn)，往往都是在施工階段才被一一暴露。這就容易造成設(shè)計(jì)返工或施工進(jìn)度延誤。

而在三維設(shè)計(jì)模式下，協(xié)同作業(yè)程度較高，設(shè)計(jì)軟件也自帶了碰撞檢查功能，無論是管道之間的碰撞、管道和設(shè)備間的碰撞、管道和建構(gòu)筑物之間的碰撞，都可以100%地將各種存在碰撞問題暴露出來，使其在設(shè)計(jì)階段就能完全解決。這就可以顯著減少施工階段的各類變更，減少了工期的延誤，從而大大減少施工成本(圖5)。

圖4 BIM技術(shù)管道留孔提資圖

圖5 BIM技術(shù)碰撞檢查（管與建構(gòu)筑物碰撞）

5 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段，通過采用BIM技術(shù)可獲得項(xiàng)目三維數(shù)字模型，可使大型糖廠設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度和設(shè)計(jì)深度大大提高。從設(shè)計(jì)提資、各專業(yè)協(xié)同工作、設(shè)計(jì)過程碰撞檢查、自動(dòng)生成材料表以及三維可視動(dòng)畫等方面，與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，大大提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，有利于整個(gè)項(xiàng)目的管理和控制，使糖廠設(shè)計(jì)水平上了一個(gè)新臺(tái)階。