BIM技術在水泥廠預熱器塔架建設中的應用

崔 兵 尹 越 李 順

(1.天津大學 管理與經濟學部，天津 300072； 2.天津大學 建筑工程學院,天津 300350；3.天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400)

引言

工業建筑是服務于人類生產活動的建筑物或構筑物。傳統的工業建筑主要是指各種廠房。隨著我國工業生產水平的提高和生產規模的擴大，工業建筑的種類和規模不斷豐富和發展，本文所研究的水泥預熱器塔架就是其中之一，和其他工業建筑一樣，水泥預熱器塔架建設的首要目標是滿足生產工藝的要求。復雜的設備管線和眾多的專業配合是水泥工廠預熱器塔架項目實施的重點和難點。

BIM為建筑行業提供了一個數據信息的共享平臺，其最大優勢在于縮短信息傳輸路徑，實現各方協同管理[1]。從這個角度來說，BIM不僅僅是一個3D模型，也不僅僅是一個軟件產品，它注重的是生成、交流以及分析建筑信息模型的過程，而不是“建筑信息模型”本身[2，3]。在這一信息整合的過程中，水泥工廠預熱器塔架項目的重點和難點問題將得到解決。

1 工程概況

由某設計院設計的某5000TPD雙系列水泥預熱器塔架，如圖1所示。

Revit著色模型 實拍圖圖1 某水泥預熱器塔架

該塔架平面尺寸為25.6m×17.0m，塔架結構共8層，總高100.76m。首層為混凝土框架結構體系； 二層及以上為鋼框架—支撐結構體系，為便于管線穿越和設備安裝，圓鋼管混凝土柱僅沿結構四周布置。塔架承載的設備主要有喂料室、分解爐以及六級旋風筒，設備之間由風管和下料管相連接，利用廢氣余熱對入窯生料進行預熱，對干法水泥生產線起到提高質量和節能降耗的作用。

2 BIM技術在項目中的應用

2.1 設計階段

2.1.1 專業協同

本項目在Revit 2018的基礎上進行了BIM的正向設計，體現了BIM—Design for Everything的設計理念。項目參與方涉及工藝、結構、建筑、電力等眾多專業，各專業通過“中心模型—工作集”的方式進行協同，如圖2所示。

圖2 各專業BIM模型協同設計框架

各個專業的設計者建立自己的本地模型，管理者通過工作集的方式賦予設計人員文件編輯權限。如果某一專業修改了設計方案，設計人員只需要將修改結果同步到中心模型，其他專業設計人員就可以同時查看設計變更。

2.1.2 碰撞分析

碰撞即為兩個不同構件之間的空間沖突。兩個構件既可以來自不同專業的模型，也可以是同一專業模型的不同單元； 空間沖突既可以是兩個物體實際相交導致的硬碰撞，也可以是兩個對象凈距離小于最小間距要求導致的間隙碰撞[4]。

碰撞分析直接體現了BIM可視化的優勢，也是BIM各專業之間協同和平衡的重要依據[5]。在本工程中，需要重點考慮的是設備與結構之間的碰撞。在Navisworks進行設備模型與結構模型的硬碰撞檢測，如圖3所示。此外，還可以通過為碰撞結果指定責任人等方式實現對碰撞結果的管理，并支持自動生成各種格式的檢測報告，如圖4所示。

(a)空氣炮與梁碰撞 (b)旋風筒與梁碰撞圖3 設備與結構模型碰撞檢測結果

圖4 Navisworks碰撞分析報告

2.1.3 清單算量

BIM建模實際上就是面向對象的參數化設計過程，在這一過程中抽象的族文件實例化為具體的構件對象，對象中包含了構件的幾何、位置、功能等諸多參數信息[6]。

Revit提供了材料明細表統計的功能，它通過對關鍵字的篩選、提取并匯總同一類型對象的工程量。鋼框架槽鋼梁的明細表見表1。

表1 鋼框架槽鋼梁明細

明細表工程量的結果準確度很高，但是由于它由美國公司開發，其體積扣減、工程計量等規則并不能與我國造價行業的習慣和規范相匹配[7，8]，因此，Revit明細表也不能按照規范考慮人工費、機械費、管理費等工程價格構成要素，這限制了Revit明細表在國內的使用。

Revit明細表統計得出的工程量實際上是凈工程量，僅代表構件的幾何和物理屬性，并不符合造價行業的計量規則。因此，在本項目中Revit明細表算量的結果僅用作設計階段的工程量統計和初步的工程量概算，從而在設計階段對工程成本有一個及時、概括的把握。

2.2 施工階段

2.2.1 虛擬施工

虛擬施工就是在計算機上對實際施工過程進行模擬。Navisworks Manage提供了模型整合、碰撞檢測、實時漫游、模型動畫和4D模擬等功能，是目前行業內兼容性最好、功能最穩定、應用最廣泛的虛擬施工軟件。

在本工程中，在Navisworks 2018平臺下進行了虛擬施工，如圖5所示。使用Animator制作第二層某鋼管混凝土柱的生長動畫(縮放比例從0逐漸增長為1)，反映混凝土的澆筑過程； 使用TimeLiner在相應的工程實體上關聯project進度計劃，從而實現工程進度的可視化； 使用漫游工具，對模型進行第三人稱漫游審閱，并根據需求選擇合適的真實模擬效果，包括重力、蹲伏以及碰撞等效果； 在漫游過程中，針對發現的問題可以隨時標注并記錄，這些批注將被保存在Navisworks的視點信息中。

(a)鋼管混凝土柱生長動畫 (b)次梁虛擬施工

(c)首層樓梯漫游 (d)視點中的批注信息圖5 Navisworks中的虛擬施工

2.2.2 施工場地布置

傳統的以2D圖紙表示的施工場地布置方案是在項目投標階段，由設計人員根據項目現場的情況和以往的工作經驗進行編制。通常情況下施工人員并不會完全依照先前的施工組織設計進行場地布置，而是依據實際情況自行安排。這也就導致了設計與施工的脫節，設計方并不能給出具有指導意義的施工場地布置方案，而施工方依據經驗自行安排的方案往往也缺乏全局的考慮。

而BIM虛擬施工則提供了一個施工預演的手段。在這一過程中，設計人員可以將各個施工階段的機械布置、運輸路徑、臨時設施位置等情況與時間參數關聯，從而發現施工過程中機械、工程結構和臨時設施之間可能存在的空間沖突情況或危險因素[9]。因此，基于虛擬施工的施工場地布置充分考慮了施工過程中的問題，對施工現場布置有著更加明確的指導作用。

本論文重點研究了水泥塔架主體結構施工和設備安裝過程，因此施工場地模型主要包括擬建塔架、現場辦公場所、工作人員生活場所、材料堆放與加工場地、臨時用電用水設施、機械設備、場內道路等要素。場地布置模型如圖6所示。

圖6 BIM施工場地模型

在BIM施工模型中，對施工機械與運輸車輛的工作路徑進行模擬演示，從而評價場地布置的合理性。使用Navisworks模擬塔吊回轉，從構件與設備堆場、地面預組裝位置分別吊裝到預定安裝位置，如圖7(a)、(b)所示。模擬施工機械和運輸車輛的會車、轉彎、掉頭等過程，得到車輛與道路模型的沖突位置點，如圖7(c)、(d)所示。模擬結果顯示，施工現場的主道路存在寬度窄、轉彎半徑小的問題，需要針對性地優化道路布置方案。

(a)塔吊到塔架最遠角點 (b)塔吊到設備堆場

(c)運輸車輛會車碰撞 (d)混凝土罐車轉彎碰撞圖7 BIM施工模型模擬演示

2.2.3 吊裝方案的優化

前期準備只是開始，現場匯報才是重頭戲。因為勝利測井公司是最晚進入該市場的隊伍，于是李淑榮被安排到了最后一個進行匯報。幾家測井公司匯報的解釋結果幾近于標準化答案，勝利測井能有什么秘密法寶？從甲方領導眼中，李淑榮看到了一絲疑慮。早在承接這個項目前，李淑榮就對甲方在該區域的勘探規劃、設計等進行了詳細了解，她的匯報不僅建立在這口井的具體解釋分析上，而且從區域勘探、地質研究等宏觀方面給出了中肯的建議。當看到評委臉上充滿贊許,甚至競爭對手都流露出贊同欣賞的目光時,李淑榮知道，她們成功了。

預熱器塔架是裝配化程度非常高的項目，其施工工作主要是結構和設備的吊裝與固定。水泥塔架和預熱器的吊裝采用結構設備交叉施工的方法，每一層的安裝都遵循由下而上、由里而外、先大后小的原則，對于跨層的大型設備則采取分段吊裝再連接的方式進行安裝。施工安裝順序如圖8所示。

圖8 水泥塔架和預熱器安裝施工順序

本文以喂料室和旋風筒的安裝為例模擬吊裝施工過程，并從避免空間沖突的角度進行優化。

(1)喂料室吊裝

本工程喂料煙室總重約為6.6t?？紤]到其總重較輕、精度要求較高、垂直吊裝距離短的特點，可采用地面預拼裝、整體起吊再找正的安裝方案。為了避免設備吊裝過程中與結構構件之間的碰撞，通過Navisworks施工模擬決定在框架梁安裝完成后，次梁安裝之前進行喂料煙室的吊裝，如圖9所示。在本層施工過程中，可以將所需構件提前吊到位，并集中堆放在一層樓板上。在層設備與構件安裝完成后，最后再進行樓梯與平臺欄桿的安裝。

圖9 一層喂料室安裝模擬

(2)旋風筒吊裝

旋風筒是預熱器中數量最多的設備，共有6級14個。各級旋風筒體積都比較大，分為上、中、下三部分供貨。安裝之前首先要在地面進行預組對，然后再依次吊裝連接。如前所述，在第三至五層塔架中，分解爐直筒與旋風筒同時存在，則先安裝旋風筒再安裝分解爐； 在第六至七層塔架，主要設備只有旋風筒。

圖10 旋風筒與框架梁發生沖突

2.3 信息管理

2.3.1 數據交互與鏈接

BIM技術的核心優勢在于建筑信息的整合與共享，而信息管理平臺是解決“BIM怎么用”的關鍵[10]。

從技術底層上講，BIM信息管理平臺的基礎是數據庫，也就是在數據庫的增、刪、改、查等操作的基礎上實現數據的交互。

通過Revit DB Link插件可以在Revit模型和數據庫之間建立雙向關聯，實現數模分離式管理，如圖11所示。

(a)流程框圖 (b)操作實例圖11 基于ODBC數據庫的數據交互圖

模型中的數據信息可以在數據庫中實現便捷的數據交互，數據庫中的數據可以用來修改更新Revit模型。數模分離的方式實現了專業的數據交互和便捷的數據管理，極大地提高了數據管理的效率。

除了雙向的數模分離，還可以使用Navisworks的DataTools工具在模型上鏈接數據表格。相比于Revit軟件，Navisworks的突出優勢在于其強大的模型整合能力，它為超過170種格式的不同專業的模型提供了統一的操作平臺。因此依托于Navisworks的DataTools工具不再只局限于Revit模型的數據類型，能夠為多單位、多專業提供統一的信息管理平臺。圖12所示為使用DataTools鏈接質量檢查表。

(a)新建DataTools鏈接 (b)在Navisworks中查看鏈接的質量信息圖12 DataTools鏈接質量檢查表格

2.3.2 輕量化平臺

在很多應用場景下，項目的相關方并不具備專業的BIM使用條件和能力，BIM從業者也不可能要求其他人員在Revit等專業軟件中查看模型并獲取信息。在這種背景下，BIM模型輕量化的理念成為了發展趨勢。輕量化就是利用模型數據簡化、架構云端服務器等技術手段，從而精簡模型數據的體量、降低終端設備算力要求的門檻。

BIM協同平臺集成的功能需求可以分為兩種。一種是“協同”，即模型的輕量化展示、批注和共享等。這部分的需求比較簡單，技術上的重點在于模型的輕量化，包括如何壓縮模型的大小、降低計算機硬件門檻等。而另一種需求是使用BIM解決工程問題，它涵蓋了工程項目全過程的各項工作，例如進度管理、費用控制、合同和文檔管理等。這部分功能實際上是將其他工程軟件的功能集成到在線平臺，在Web BIM端實現諸如Microsoft Project、數據庫等軟件的功能，它回答了“如何使用BIM模型”的問題。

以2020年3月25日上線的騰訊云微瓴BIM協同平臺為例。該平臺采用了B/S結構和大象云SME渲染引擎，在服務器端進行計算然后通過網絡傳輸到瀏覽器端進行展示，體現了網速換性能的理念。通過Web或微信小程序在該平臺進行協同工作，平臺提供了在線裝配、文檔關聯、模型漫游、視點批注、模型分享等功能，如圖13所示。

(a)Web端 (b)小程序端 (c)視點批注圖13 騰訊云微瓴BIM平臺協同工作

3 結語

本論文以水泥工廠預熱器塔架工程為背景，從設計、施工和信息管理的角度分析并提出BIM技術的若干應用點，主要成果如下：

(1)從設計的角度，提出了各專業協同工作的建模方式，并進行結構與設備模型的碰撞分析以及結構主體工程量的快速計算。

(2)從施工的角度，利用Navisworks軟件進行虛擬施工，并從避免空間沖突的角度進行施工場地布置和施工方案的優化。

(3)從信息管理的角度，提出了兩種數據交互和鏈接的技術路線，然后在輕量化協同平臺上進行信息展示、查詢、管理和共享。