BIM 技術在煉鐵設備設計中的應用

岳 杰，侯 帥，王得剛，靳 征，張詩瑩，楊佳鑫（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

0 引言

BIM 技術被稱為建筑行業的第二次革命，近年來備受推崇。 國內外行業專家專門做了相關統計得出，在施工過程中因設計變更產生的工程費用約占整個項目工程費用的10～13%，BIM 技術的應用可將項目工程總成本降低約5%。 因此，在工程建設中應用BIM 技術能實現項目降本增效的目的[1]。

BIM 技術在我國的建筑行業工程中的應用實例也是層出不窮，我們眾所周知的鳥巢體育館、中國尊、世博館、凌空SOHO、上海中心大廈等都是BIM技術成功應用的亮點案例，國內對BIM 的發展預期日趨明確樂觀，其影響力和典型案例的應用經驗也得到了快速提升[2]。不僅僅在建造行業，近幾年，BIM技術在冶金工程項目中也逐漸得到越來越多的應用。本文就BIM 技術在國內某鋼廠高爐大修工程中的應用進行了闡述。

1 項目概述

某鋼鐵有限公司現有三座高爐，其中3號高爐已完成大修改造，本次大修改造的對象是2號高爐。 2號高爐大修改造項目的特點是：非標設備多、結構復雜、工期短、利舊設施多、專業接口多、設計難度大。

雖然2號高爐與3號高爐的爐型、 規模接近，改造內容也基本一致，但是采用的設計方法不同，3號高爐采用的是傳統的二維設計方法。 而本項目的2號高爐則采用BIM 技術用于高爐冷卻壁、 爐體非標設備、帶式輸送機以及高爐出鐵場非標結構件的設計過程，設備全部實現了三維智能化設計，得到了業主的高度認可與好評。

2 BIM 技術應用實踐

2.1 煉鐵設備參數化、模塊化設計歷程

對于早期三維軟件的應用，最初僅限于設備的簡單實體建模。 隨著工程項目的增多，搭建的模型數量也日益龐大，此時暴露出了深層問題，即某個設備模型只適用于一個項目，若換成其它項目，模型修改工作量很大，數據庫的儲存量也翻倍增長。為解決這項難題，通過考察其它設計院三維軟件的應用現狀，以及與三維軟件公司技術人員進行深入交流等方式多方面尋求解決方案。 從對比不同設計軟件的使用功能，摸索簡單零件參數化設計思路開始，最終采取了嘗試使用參數化設計的方法解決這類問題。

探索煉鐵設備參數化設計的道路，沒有現成的案例，沒有可參考的模型，一切從零開始。 從搭建草圖，設置全局變量及鏈接關系等，到一次又一次地修改草圖、修改變量以及修改參數化方程式，最終交出合格的參數化設計成果。 對于復雜的設備（例如稱量漏斗、帶式輸送機等），其參數化設計的難度較大，設計周期較長。

通過與多個實際工程項目相結合，驗證參數化驅動設計的合理性，最終研究出高爐煉鐵典型常用非標設備全部采用參數化、模塊化的設計方法。

2.2 參數化、模塊化設計成果

2.2.1 爐體冷卻壁參數化設計成果

首先，修改參數表中的冷卻壁高度、 斜率、直徑、塊數等一系列參數；然后將表格導入模型，表格即可自動驅動模型，自動調整模型的設計尺寸；最后，打開工程圖，點擊更新按鈕，圖紙將會自動更新，僅需簡單調整圖面即可完成出圖工作。 爐體冷卻壁參數化三維設計如圖1 所示。

圖1 爐體冷卻壁

2.2.2 爐體非標設備參數化設計成果

以風口設備為例。 首先，修改風口大套參數表中的斜率、直徑、長度等一系列參數；然后修改風口中套、小套、法蘭參數表中全局變量數值；分別將表格導入對應模型，表格即可自動驅動模型，自動調整模型的設計尺寸；最后，打開各零件對應的工程圖，點擊更新按鈕，圖紙將會自動更新，僅需簡單調整圖面即可完成出圖工作。 風口設備參數化三維設計如圖2 所示。

圖2 風口設備

2.2.3 帶式輸送機參數化設計成果

帶式輸送機的結構復雜，形式多樣，參數化設計難度很大。 目前，已完成了平皮帶、斜皮帶、凸弧皮帶、凹弧皮帶、凹凸狐皮帶五種布置形式的參數化設計工作。 帶式輸送機主要結構包括： 頭架、尾架、滾筒、中間架、支腿、托輥、導料槽、驅動裝置、拉緊裝置、膠帶等零部件。

帶式輸送機采用自頂向下的設計方法：首先對各個部件建模，并采用設計表進行參數化；然后創建總的布局草圖及參考平面，把各個部件通過裝配關系定位；最后通過添加方程式進行參數化驅動[3]。帶式輸送機參數化三維設計如圖3 所示，具體設計步驟如下：

首先，打開零部件參數表格，修改相應的工藝參數或型號，修改設計表參數化的零部件；然后修改配置參數化的零部件，包括頭架、尾架、滾筒，驅動裝置、拉緊裝置，即在設計樹中選擇配置。

接下來，打開帶式輸送機總裝配模型對應的設計參數表，修改表中帶式輸送機零部件的位置參數，例如：水平輸送距離、頭輪中心高、尾輪中心高、圓弧半徑、下料點位置、托輥間距、支腿間距等工藝參數；然后，將設計表導入總裝模型中，即可自動驅動模型，得到帶式輸送機的裝配模型。

最后，打開工程圖，點擊更新按鈕，調整圖面。其中，材料表中的名稱、圖號、材質、數量、單重、總重等參數與零部件保持鏈接關系，模型更新后，參數將隨之更改；工程圖中包含的局部放大圖、向視圖、剖面視圖等也將隨模型自動更新，零件序號自動調整，無需手動修改。

2.2.4 高爐出鐵場結構件參數化設計成果

圖3 帶式輸送機

高爐出鐵場系統由渣、鐵溝及蓋板組成。 該系統設備模型采用自頂向下的設計方法：首先對各個組件建模，并采用設計表進行參數化；然后創建總的布局草圖及參考平面，把各個組件通過裝配關系定位；最后通過添加方程式進行參數化驅動。 出鐵場溝殼及蓋板參數化三維設計如圖4、圖5 所示。

圖4 出鐵場溝殼及蓋板

圖5 出鐵場溝殼及蓋板

出鐵場渣、鐵溝包括：主鐵溝、支鐵溝、殘鐵溝、渣溝；渣、鐵溝蓋板包括：主鐵溝蓋板、支鐵溝蓋板、殘鐵溝蓋板、渣溝蓋板，以及除塵箱、擋板、方形孔蓋、圓形孔蓋。

主鐵溝蓋板形狀包括：ZT1 和ZT2 兩種；渣、鐵溝蓋板形狀有：長方形、弧形、梯形和異型等多種類型。

2.3 BIM 技術分析軟件的應用

（1）應用BIM 技術，對爐體、出鐵場等區域的非標設備進行結構分析、應力分析、碰撞及連接性分析，計算燃燒能力、校驗檢查分布情況，對壓力容器進行應力及溫度場分析。

（2） 根據BIM 分析軟件的分析計算的結果，調整零件數量及布置、修改結構尺寸、優化設計。

BIM 分析截圖圖例如6 所示。

圖6 BIM 分析截圖

3 結語

通過探索煉鐵設備參數化設計的道路，結合某鋼鐵廠高爐設備參數化、模塊化設計，以及采用BIM技術分析應用實踐，目前高爐常用典型非標設備已全部具備參數化、模塊化設計的能力。

（1）煉鐵非標設備應用BIM 技術實現了自動化設計、內嵌模塊化設計、配置化設計。

（2）通過參數化、模塊化設計的產品具有創新性和可推廣性，目前該實踐方案及設計模型已推廣到其它工程中，并成功應用。

（3）實踐證明，通過參數化、模塊化設計以及BIM 分析軟件的應用，可有效提高了高爐非標設備及結構件的設計效率和準確率。 BIM 技術在某鋼廠高爐大修改造設計上的應用，排除了80%圖紙錯誤，減少了60%返工，有效縮短了設計工期。