BIM在方坯連鑄工程全過程中的應(yīng)用與實踐

高文星，張 釗，陳中華

（中冶南方連鑄技術(shù)工程有限責(zé)任公司，湖北武漢 430073）

引言

在鋼鐵冶金行業(yè)，總承包模式是目前大型項目中常采用的一種運作模式，該模式可充分發(fā)揮設(shè)計在整個工程中的作用，并避免了設(shè)計、采購、制造商、施工及業(yè)主間相互脫節(jié)的矛盾。但也存在以下幾個問題：項目施工周期長，眾多因素如甲方新要求、施工環(huán)境等導(dǎo)致基礎(chǔ)資料易發(fā)生變化；其次，雖有設(shè)計人員駐扎現(xiàn)場，但設(shè)計中涉及多專業(yè)，不同專業(yè)、不同設(shè)計人員對圖紙的理解也不盡相同[1]；項目管理部與設(shè)計主體部門異地辦公，二維藍(lán)圖不能生動形象的展示設(shè)計成果，且對不同專業(yè)圖紙間的碰撞問題僅能依賴人工進行校核。

BIM 技術(shù)即建筑信息模型技術(shù)，隨著信息時代的到來，建筑模型可以被賦予越來越多的信息。該技術(shù)起源于上世界70年代的美國，2007年全美建筑科學(xué)院推出BIM 標(biāo)準(zhǔn)“全美BIM 標(biāo)準(zhǔn)”。2007 年我國建設(shè)部發(fā)布行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《建筑對象數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)》。2008年，上海標(biāo)志建筑上海中心項目采用BIM技術(shù)，近些年BIM 技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展開始加速。以BIM為核心理念的三維設(shè)計技術(shù)和三維協(xié)同理念的出現(xiàn)，給工程建設(shè)行業(yè)，尤其是大型設(shè)計企業(yè)的生產(chǎn)率的提升提供了新的驅(qū)動力。對于冶金行業(yè)，BIM 的含義是通過三維信息模型技術(shù)，建立冶金行業(yè)領(lǐng)域的多專業(yè)三維信息模型，各專業(yè)協(xié)同工作，涵蓋設(shè)計、建造、運維全生命周期業(yè)務(wù)需求的過程。設(shè)計方面，先進的模型可以更準(zhǔn)確的控制設(shè)計過程，進行可視化設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計，同時進行碰撞檢測、分析；項目采購、施工和工程費用的精確控制、以及項目后期的運營維護管理都將會發(fā)揮巨大的推動作用。連鑄工程專業(yè)性強、復(fù)雜程度高、施工環(huán)境和影響因素多、建設(shè)工期緊張，涉及包括勘測、連鑄工藝、設(shè)備、電氣、建筑、結(jié)構(gòu)、給水排水、暖通等多專業(yè)領(lǐng)域，利用BIM 技術(shù)進行全過程應(yīng)用，可極大提升設(shè)計生產(chǎn)效率和設(shè)計質(zhì)量，降低后期施工難度[2]。BIM 中精細(xì)化的設(shè)計和精確統(tǒng)計可為連鑄生產(chǎn)企業(yè)運作連鑄工程項目提供幫助。本文以柳鋼防鋼基地方坯連鑄工程運用為例，詳細(xì)介紹BIM技術(shù)在方坯連鑄工程全過程中的應(yīng)用與實踐，為后續(xù)項目提供借鑒。

1 工程概況

防城港鋼鐵基地位于廣西防城港市東南部的企沙臨海工業(yè)園區(qū)，該項目總投資600多億元，該項目是國家鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、布局優(yōu)化和轉(zhuǎn)型升級的重大項目，是國家新一輪西部大開發(fā)的重點工程，是廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)全面開發(fā)開放的標(biāo)志性工程。能滿足兩廣、西南以及東南亞等地對中高檔、各類鋼材產(chǎn)品的需求，也是中冶集團2019年二十大項目之一。其中方坯連鑄工程工期緊張，技術(shù)難度大，科技含量高，且施工中克服了新冠肺炎疫情期間，武漢封城、人員外出受影響等困難。

該項目采用中冶南方連鑄公司自主創(chuàng)新、國內(nèi)領(lǐng)先的核心技術(shù)成果“第二代高效方坯連鑄技術(shù)”，該技術(shù)具有高拉速、全自動出坯、直送直軋，輕壓下等特點，目前該項目三臺十流高效方坯連鑄機均已順利投產(chǎn)運行。

2 BIM應(yīng)用情況

2.1 軟件方案

經(jīng)過近年來對各軟件的學(xué)習(xí)與對比，本項目采用的軟件平臺如表1。

表1 各專業(yè)設(shè)計軟件及平臺

Autodesk Revit軟件作為綜合三維設(shè)計平臺，可進行建筑、結(jié)構(gòu)、水道的精細(xì)化建模，可將各軟件模型在此平臺拼裝整合，基于各專業(yè)深化設(shè)計完成墻體留洞、設(shè)埋件、樓板預(yù)留孔洞位置、車間配管之間的避讓與協(xié)調(diào)等內(nèi)容，做到多專業(yè)綜合協(xié)調(diào)及圖紙審核。Autodesk Inventor 軟件用來輔助復(fù)雜連鑄系統(tǒng)非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計和建模，能夠在三維加載原有的二維DWG 文件，同時可進行連鑄本體設(shè)備的三維配管，并通過二次開發(fā)，進行自動二維投影的自動標(biāo)注，加大出圖效率。Autodesk MEP 軟件用于通風(fēng)管道的設(shè)計制圖。Bentley OPM 軟件用于連鑄本體水冷系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)工藝流程圖預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化選擇器，規(guī)定了管道編號、材料等級、管徑等信息，可以直接繪制管線的方式，也支持中心線布管方式（即先繪制表示管子走向的直線，再給直線賦予管道信息，并沿直線放置直管和彎頭）。繪制過程智能化，能夠自動匹配管件，轉(zhuǎn)彎處自動匹配彎頭，分支處自能連接分支，法蘭連接處自動匹配螺栓墊片?？焖賹?dǎo)出所需的工程量清單，材料統(tǒng)計簡單智能，為現(xiàn)場物增補及采購提供可靠依據(jù)。Navisworks 軟件能集成各種軟件平臺的模型與信息。能夠生成整體項目視圖，進行整合后模型的漫游和全面審閱，進行碰撞檢查并形成報告。Fuzor 軟件能夠與Revit軟件的實時雙向同步，為專業(yè)人員提供更直觀的設(shè)計環(huán)境，同時可進行簡單地施工進度模擬。Twinmotion 軟件進行3D 實時渲染軟件，為業(yè)主提供實時沉浸式的視覺體驗。也可以做成以輕量級可執(zhí)行文件，為設(shè)計審查和項目投標(biāo)的方案展示提供幫助。Autodesk 3DMax 形成最終的最終的項目建成后的效果圖與漫游視頻等。

2.2 專業(yè)運用情況

2.2.1 設(shè)備專業(yè)

設(shè)備專業(yè)完成了連鑄各單體設(shè)備的三維建模與裝配、本體配管工作。同時將模型導(dǎo)入應(yīng)力分析軟件，對其進行全應(yīng)力分析，計算應(yīng)力分布情況、位移分布情況。優(yōu)化結(jié)構(gòu)，確保設(shè)備安全、長期穩(wěn)定運行。大包回轉(zhuǎn)臺設(shè)備三維模型與應(yīng)力分析模型如圖1所示。

圖1 設(shè)備三維模型與應(yīng)力分析模型

2.2.2 建筑、結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)

建筑專業(yè)按照工藝資料直接繪制方坯連鑄建筑圖。使用的族庫文件內(nèi)容豐富，完全滿足工業(yè)建筑的BIM 設(shè)計需求。同時繪制結(jié)構(gòu)模板圖。在結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進行鋼平臺圖設(shè)計，最終形成鋼結(jié)構(gòu)詳圖，供制造廠生產(chǎn)制造。連鑄主平臺建筑、結(jié)構(gòu)、工藝鋼平臺如圖2所示。

圖2 建筑、結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的三維模型

2.2.3 配管專業(yè)

配管專業(yè)完成了本體水系統(tǒng)配管中的三維建模工作。并對配管進行了路徑優(yōu)化與管線分析、對開孔開洞等進行校核確認(rèn)[3-5]。連鑄機本體配管如圖3所示。

圖3 水配管三維模型和碰撞檢查

3 BIM應(yīng)用效果

通過BIM 的全過程應(yīng)用，實現(xiàn)整體建設(shè)項目的可視化。具體體現(xiàn)在以下四方面。

3.1 設(shè)計階段

對具體設(shè)備模型進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，確定設(shè)計的可靠合理性。實現(xiàn)實時進入設(shè)計模型與漫游模型，在模型漫游中發(fā)現(xiàn)三維建模中錯誤并優(yōu)化處理，模型文件實時更新。連鑄設(shè)備專業(yè)設(shè)計完全實現(xiàn)正向設(shè)計，非常有助于復(fù)雜設(shè)備的精準(zhǔn)設(shè)計。建筑專業(yè)已實現(xiàn)正向設(shè)計，直接導(dǎo)出建筑二維圖紙，提升出圖效率與準(zhǔn)確性。鋼平臺出詳細(xì)制造圖。自動導(dǎo)出零件號、標(biāo)注尺寸，未出現(xiàn)因設(shè)計原因產(chǎn)生的制造返工的情況。連鑄工藝設(shè)備總圖，通過自動生產(chǎn)平立剖面，視圖表達(dá)上達(dá)到了出圖深度要求。配管專業(yè)精確的進行管道設(shè)計與優(yōu)化，相比于二維繪圖更直觀的展示復(fù)雜的三維空間，平立面同步修改。可更便捷地發(fā)現(xiàn)圖紙問題，避免返工，節(jié)約成本。自動生成凈空報告，在現(xiàn)場設(shè)置合理的限高、危險警示牌等。自動生成錯誤與安全報告。提醒進行錯誤修改、注意安全，促進現(xiàn)場安全文明施工。如圖4所示，由于工藝設(shè)備三維模型涵蓋設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)，可進行漫游和碰撞檢查。

圖4 工藝設(shè)備三維模型和漫游

此外，BIM 技術(shù)在連鑄方坯的應(yīng)用還不成熟，需根據(jù)項目設(shè)計要求、標(biāo)準(zhǔn)圖集、項目特殊性等制定適合本項目的族庫及設(shè)計樣板文件，此類族庫包含參數(shù)，擴充了連鑄族庫，可有效提高后續(xù)項目BIM設(shè)計效率。

3.2 施工采購階段

該項目工期緊張，受新冠肺炎疫情影響。該項目眾多設(shè)計人員均在武漢居家辦公，正是因為該工程采用了BIM 正向設(shè)計，相比于傳統(tǒng)的二維藍(lán)圖，施工方、項目現(xiàn)場人員可直觀生動的通過三維模型圖紙展示設(shè)計意圖，并在現(xiàn)場通過電腦對圖紙及模型進行查閱，出現(xiàn)問題時，便于項目現(xiàn)場人員與遠(yuǎn)在武漢的設(shè)計人員進行有效溝通，快速解決施工遇到的疑惑和現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。項目設(shè)備制造商根據(jù)每套二維加工圖旁的三維零件模型展示也可以準(zhǔn)確理解設(shè)計要求，便于各方溝通。出現(xiàn)問題修改模型，各設(shè)計人員及各方均可實時清楚最新設(shè)計意圖，高真實度地傳遞現(xiàn)場信息，設(shè)計人員通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)助、不在現(xiàn)場的情況下加快處理流程，提升了各方的工作效率，促使該工地初步成為智慧工地的部分運用[6-8]。施工方也可以根據(jù)總體模型判斷施工順序，優(yōu)化施工組織設(shè)計，有效避免重復(fù)施工，優(yōu)化施工工序，加快施工進度。

3.3 運行階段

施工完畢，最終的模型，方便制作設(shè)備拆裝與運行視頻，讓業(yè)主更快更直觀地了解設(shè)備構(gòu)造，操作、運行情況,便于業(yè)主對連鑄機的維護、運行管理和人員培訓(xùn)等。

3.4 建立標(biāo)準(zhǔn)

通過防港鋼鐵基地方坯連鑄工程全過程中的BIM 應(yīng)用與實踐，建立了三項公司級標(biāo)準(zhǔn)：《三維數(shù)字化（BIM）設(shè)計建模標(biāo)準(zhǔn)》《機械設(shè)備三維數(shù)字化（BIM）設(shè)計建模標(biāo)準(zhǔn)》《管道三維數(shù)字化（BIM）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。

（1）《三維數(shù)字化（BIM）設(shè)計建模標(biāo)準(zhǔn)》適用于公司采用BIM 技術(shù)進行的新建、擴建、改建等冶金類工程項目的設(shè)計，包括總則、術(shù)語和釋義、基本規(guī)定（模型單元的組織層級、文件編碼與命名規(guī)則、顏色設(shè)置規(guī)則）、模型單元表達(dá)（幾何信息表達(dá)、屬性信息表達(dá)）等內(nèi)容。

（2）《機械設(shè)備三維數(shù)字化（BIM）設(shè)計建模標(biāo)準(zhǔn)》適用于冶金工廠三維數(shù)字化（BIM）協(xié)同設(shè)計中，設(shè)備三維模型與其他相關(guān)專業(yè)協(xié)同設(shè)計模型的傳遞、參考、使用等過程。表面處理、通風(fēng)、流體專業(yè)的設(shè)備BIM 設(shè)計可參考本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，包括總則、術(shù)語和釋義、設(shè)備模型單元組成、BIM協(xié)同設(shè)計對設(shè)備模型單元的要求、設(shè)備模型單元標(biāo)識、設(shè)備模型單元表達(dá)深度要求、設(shè)備模型單元的碰撞檢查等內(nèi)容。

（3）《管道三維數(shù)字化（BIM）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》用于公司資質(zhì)范圍內(nèi)的管道三維數(shù)字化（BIM）設(shè)計，包括但不限于壓力管道，包括總則、術(shù)語和釋義、綜合管道三維數(shù)字化、管道模型單元等級及出圖等內(nèi)容。這些標(biāo)準(zhǔn)為加快打造智慧連鑄數(shù)字化進程打下了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）項目采用BIM 技術(shù)工程應(yīng)用模式，對于總承包形式的連鑄方坯工程，通過BIM 進行設(shè)計，有效改善設(shè)計質(zhì)量，提高了出圖的準(zhǔn)確性，保證了信息傳遞的真實性，也更便于設(shè)計方、施工方、業(yè)主方的交流溝通；

（2）基于此次工程實踐應(yīng)用與實踐，創(chuàng)立了公司三項BIM標(biāo)準(zhǔn)，建立了適合連鑄的BIM操作流程，擴充了針對連鑄的族庫，為加快公司BIM 的普及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（3）BIM 技術(shù)的運用有效保證施工進度，節(jié)約資金，有效降低項目施工風(fēng)險，縮短項目工期，同時也利于業(yè)主后期運行連鑄機，延續(xù)了BIM 的使用周期。