BIM技術在某石化項目深化設計及專業協同中的應用研究

楊 博 王思琦

(1.廣東石油化工學院 建筑工程學院,茂名 525000;2.茂名瑞派石化工程有限公司,茂名 525000 )

隨著BIM技術的迅速發展，越來越多的BIM項目順利實施，并取得較好的經濟價值[1-2]。很多化工設計及施工單位都開始利用信息技術進行管廊項目設計和施工管理，這其中用到的BIM軟件就包括Revit和Tekla。本文以某化工項目為例，借助BIM軟件完成管廊結構深化及協同設計等工作，為相關項目應用提供參考和借鑒。

1 利用Revit及Tekla進行協同設計及施工應用介紹

Autodesk Revit是目前主流的多專業BIM設計軟件，可以實現與其他BIM軟件的數據共享，支持信息存儲及修改，被廣泛應用于各種工程項目中。但對于化工工程及鋼結構工程項目， Revit軟件目前的版本中并未包括化工鋼結構管架設計相關功能，只是利用其中心文件進行協同設計，同時還存在如下問題：

(1)Revit中沒有鋼結構節點，需手動繪制節點；

(2)不能夠生成鋼結構清單料表；

(3)無法按照焊接或栓接節點生成鋼結構節點大樣，給出圖及生產加工帶來一定困難；

(4)結構工程師利用PKPM及SAP2000等鋼結構設計軟件時，與Revit 之間數據傳導會出現差異，很多參數不能夠結構化，導致修改模型工程量變大。

而Tekla Structures正好彌補了這些缺陷，軟件在鋼結構詳圖設計方面具有強大的優勢，通過建立鋼結構3D模型，利用軟件自有節點庫及二次開發功能可以完成深化設計組件節點、進行碰撞檢查查找設計紕漏、匯總零件及構件清單并按照加工及施工要求創建圖紙等工作。

因此，利用Revit及Tekla兩種軟件各自之優勢能夠高效、完整、細致的進行項目協同設計及施工管理，體現其應用價值。

2 項目簡介

某擴建石化庫區工藝管廊項目，用地面積360畝，管廊長度2 400m，包括鋼筋混凝土活動架及固定架180個， 15～29m不同跨度的鋼結構桁架(桁架式管架)13個，項目鋼桁架總重約1 000多t，包括桁架上下弦桿、水平支撐、腹桿、連接板、預埋件、高強螺栓等。

圖1 項目管架部分BIM模型效果圖

該工程項目在設計及施工中有以下諸多問題需提前解決：

(1)設計要求高：架體數量多、鋼桁架跨度大、所有構件都是散件出廠，并在現場進行連接拼裝，對深化設計、現場拼裝精度及施工質量要求高；

(2)參與專業多：土建、給排水、電氣、自控、工藝、儲運等專業需協同設計，避免專業間沖突，減少后期施工中的設計變更，控制成本；

(3)安裝要求精度高：現場施工環節涉及到鋼結構安裝及管道焊接、防火防腐蝕工程，露天、高溫室外環境加之工藝管道介質為易燃易爆原材料，現場連接危險性較高，對鋼結構焊接及工藝管道連接要求較為苛刻。

鑒于以上問題，項目設計團隊采用BIM技術進行深化協同設計，解決上述難題。

3 深化設計技術介紹

3.1 Tekla鋼結構深化

3.1.1 工作環境、參數信息確定并建立族庫

Tekla軟件為國際通用軟件，提供了中國及歐洲等工作環境，分別對應不同國家標準規范、型鋼規格及螺栓型號等。本項目在國內，設計采用我國鋼結構設計標準[3]，選擇China作為工作環境。進入軟件后，在開始建模之前需要按照設計規定[4]、施工方及業主要求對構件進行參數化，包括截面型材、材質、設計制造及安裝參數等(如圖2)。同時為了滿足本化工項目建模需要，配合其他專業深化設計，建立了部分常用鋼結構族庫，包括：角鋼錨筋預埋件、管道支托、檢修爬架及平臺等。

3.1.2 建立結構專業模型

利用軟件智能讀取功能導入CAD軸網，然后依次建立獨立基礎、管架柱和梁、桁架上下弦桿、交叉腹桿及支撐、桿件連接板、加勁肋等構件，最終完成整個模型創建，如圖3所示部分管架模型。

圖2 確定工作環境及參數信息

圖3 20m跨鋼桁架及兩側鋼筋混凝土活動架

3.1.3 節點及細部深化

初步模型完成后，需對模型節點及細部進行深化，本項目節點數目較多，包括弦桿與腹桿連接節點、水平支撐節點、預埋件及其他連接板件等，連接方式主要采用高強度螺栓現場連接，也有部分特殊結構如檢修爬架等采用現場焊接。Tekla軟件自帶大量常用節點庫，可以滿足常規模型的創建，但對于本化工項目，還需要利用軟件開放式接口及二次開發功能，編制程序語言開發一些適合本項目的鋼結構節點[5-6]。

本項目多數節點在設計時需單獨繪制連接板、預埋件、弦桿等連接桿件，然后再進行定位組裝，建模時間較長而且可能出現定位偏差。為解決這些問題，通過API接口，編寫函數語言完成自定義節點創建[7]，實現了上弦桿與支座腹桿和預件三者的智能連接。圖4所示為桁架端部連接自建節點及變量語言設置。

圖4 自建節點圖示、函數語言設置及修改

3.2 Revit協同設計

3.2.1 項目中心文件平臺建設、多專業協同

由于該項目設計周期較短，需采用多用戶建模方式進行設計。不同專業工程師對混凝土管架、鋼結構桁架、工藝設備管道等進行分專業建模，利用多用戶服務器，同時訪問提交或修改模型，提高建模效率。

為充分發揮各軟件優勢，本項目采用Tekla創建結構專業模型，Revit進行設備等專業模型創建。由于工程涉及到專業較多，特別是設備管線部分較為復雜，需通過Revit軟件進行專業模型鏈接并進行協同設計。根據不同專業的設計要求，在Revit軟件中各專業創建各自的“工作集”(如圖5)，并將其上傳至網絡數據中心，完成“中心文件”的創建，再通過鏈接整合各專業模型(如圖6)，實現基于網絡平臺的信息共享，避免各專業通過紙質文檔或電子版文件互提資料審核效率低下、文件存儲混亂及設計糾紛等問題，具體協同流程見圖7。

圖5 專業協同設計——工作集創建

圖6 專業協同設計——模型鏈接

圖7 專業協同設計流程

3.2.2 碰撞檢查

本項目由BIM專業負責人完成對模型整合、信息檢查、碰撞檢查等工作。在化工項目中由于管架及管道較多，容易出現管道、構件之間的碰撞，這些不但會影響構件的加工制作，同時也會造成管件在現場的布置、安裝、焊接困難，因此需提前做出設計方案的修改。利用BIM技術，本項目共檢查出碰撞問題50多處，包括：管道標高和鋼管架標高偏差(現場施工與設計圖紙存在差異)、桁架現場焊接施工空間不足、管道穿過鋼結構桁架、工藝管道轉角處碰撞、管架基礎與原管廊基礎相碰、不同介質管道互相交叉碰撞、預埋件及操作平臺設置不足(擬建管墩上消防水管與原有地面構筑物碰撞)等，針對這些問題與專業設計師溝通后修改設計方案、調整模型，提前完成設計變更，使工程施工免受影響。項目部分問題描述及解決方法如圖8所示。

圖8 碰撞問題描述及解決措施

4 施工應用

利用Tekla軟件進行施工管理是通過數據模型，生成可視化圖形、報表等參數信息，制定最優化施工方案，對過程進行跟蹤和控制。

該項目管廊共312條軸線，鋼結構桁架安裝量大，現場施工組織及安全管理難度較大，且鋼構件由廠家預制后運輸到工地，在現場進行單片起吊及焊接安裝。工程師利用BIM模型，完成了如下工作：

(1)根據構件廠加工及現場施工的需要，生成材料匯總清單、型鋼清單、螺栓清單、預埋件清單等；

(2)按照施工進度要求確定合理供貨時間和順序并對場地材料的疊放進行規劃；

(3)鋼結構復雜節點可視化，模擬現場施工并為施工人員提供3D安裝效果圖等。最終實現該項目可視化技術交底，保證項目安全、有計劃地順利實施。

圖9 鋼構件材料加工圖及材料進場時間表

圖10 節點連接施工模擬

5 結論

本項目使用Tekla及Revit軟件將各專業設計進行高效整合，利用信息化平臺建立數據庫模型，完成優化設計、協同管理、合理資源配置等關鍵技術，產生一定效益價值：

(1)將結構、工藝、給排水等專業串聯起來，實現多專業協同，提高設計效率及準確性，并將原計劃六個月的設計周期縮短至四個月；

(2)提高設計交底可視化、節省用鋼量、降低施工誤差、保障項目后續施工有計劃的進行；

(3)在項目運行過程中培養了一批優秀BIM專業工程師，為后續其他BIM項目的順利實施提供技術保障。

BIM技術為該項目設計、施工及運維帶來極大的便利，在得到業主及施工單位認可的同時也為同類化工項目提供一定的借鑒價值。