BIM 技術在萊鋼高爐工程中的應用

孫啟明

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250000）

在工程建設中應用BIM 技術，將傳統二維設計轉換為三維設計，不僅僅是設計工具的轉變，還要面臨設計流程再造、專業間配合、設計資料的傳導、設計質量的重新定義、設計表達的深度等系統性問題。目前冶金建設行業各工序的建設內容差別較大，有的偏冶金、有的偏化工、有的偏制造，各設計院、工程技術公司其業務覆蓋的工序不同，造成其BIM 體系也不盡相同，因此形成了各具特色的BIM 體系。此次BIM 技術在萊鋼3 800 m3高爐工程中的應用也是對公司初步形成的軟件架構、作業流程、作業規范的一次驗證。

1 項目背景

2017 年1 月20 日，國務院辦公廳《關于創新管理優化服務，培育壯大經濟發展新動能，加快新舊動能接續轉換的意見》中明確指出，“加快培育壯大新動能、改造提升傳統動能是促進經濟結構轉型和實體經濟升級的重要途徑”。同年山東省省委省政府召開了新舊動能轉換重大工程啟動工作會，著力推進產業智慧化、智慧產業化、跨界融合化、品牌高端化“四化”，加快形成新的經濟增長點。

山鋼股份萊蕪分公司借新舊動能轉換之勢，通過減量置換方式新建2 座3 800 m3爐。項目位于濟南市鋼城區，投資約34 億元。本工程建設內容主要包括礦焦槽及上料系統；爐頂裝料系統；高爐爐體；風口平臺及出鐵場等27 個子項。

2 項目應用BIM 技術的必要性

本項目在實施過程中會遇到以下難點：

（1）項目工藝流程長，體量大。包含從礦料到出鐵的完整煉鐵工藝。（2）高爐冷卻水管道，礦槽內除塵管道以及煤氣綜合管廊等部位管線密集復雜。（3）項目涉及27 個子項，14 個專業，專業間接口多，采用傳統二維設計無法很好完成項目的協同設計。（4）項目中的大宗材料可以進行數字化統計，與項目概算進行比對完成比較好的費控指標。

最終經過商議本項目決定采用BIM 技術進行設計，解決以上問題。

3 BIM 軟件架構

本公司業務包含冶金建設、市政綜合、國際業務三大板塊，因此在軟件比選過程中優先選擇適用于冶金及市政工程且業內以及國際認可度高的軟件作為公司的BIM 體系軟件。通過比選，選擇確定Bentley系列軟件作為主軟件，包含工廠設計軟件OpenPlant Modeler（簡稱OPM），主要解決設備和管道的布置以及管理工作，并同時搭配OPM 的ISO 軸測圖以及平立面的切圖工具完成管道的設計和出圖工作。建筑設計采用OpenBuilding Designer 軟件（簡稱OBD）。總圖以及場地設計采用CNCCBIM。電氣設計采用華東院基于Microstation 圖形平臺開發的ED設計軟件。非標及成套設計軟件采用歐特克公司的Autodesk Inventor 軟件。除設備建模外，其他各專業的BIM 設計，統一在ProjectWise 協同設計平臺上進行。圖紙打印及出版在公司的理正設計管理系統上進行。整體BIM 軟件架構如圖1 所示。

圖1 BIM 軟件架構

4 設計準備工作

4.1 團隊搭建

項目實施時，由于BIM 團隊缺乏項目的正向設計經驗，因此設計模式采用設計團隊+BIM 團隊相配合的方式進行。

BIM 團隊分為以下幾部分：BIM 經理、系統管理員、技術支持團隊、煉鐵工藝組、設備組、工藝管道組、三電組、建筑結構組。BIM 組織架構如圖2 所示：

圖2 BIM 組織架構

4.2 企業規范編制

為規范工程項目三維協同設計的生產技術組織，理順三維協同設計流程，提高專業協同設計生產效率，保證三維設計的產品質量，根據三維設計技術特點及公司現行管理制度的要求，特編制《工程數字化項目三維協同設計流程規定》《工程數字化協同設計平臺管理規定》《三維數字化設計建模標準》《電子檔案利用管理規定》《工程數字化技能培訓及認證管理辦法》等標準。

相關規范標準，規定各角色的職責、作業流程、過程控制、成果固化存檔等內容。對模型劃分及裝配規則、目錄劃分等級、文件命名規則、文檔構成規則、人員權限、文件管理與維護、文檔安全管理進行規范化。對模型文件的模型組織、模型顏色和圖層規定、對模型的幾何信息表達、屬性信息表達進行規范化。

4.3 BIM 工作內容

團隊中設置BIM 經理角色，其定位是設計團隊和BIM 團隊的橋梁，輔助設計經理完成項目設計。BIM 經理應組織實施整體軟件的選用、明確建模的標準、統一BIM 設計平臺、BIM 環境定制以及BIM 的獎懲機制。根據以上內容排布BIM 設計的時間節點、整體組織實施方案、事前指導書等內容。項目經理會同設計組確定項目設備屬性清單，設計經理提交設備屬性清單給BIM 經理，BIM 經理組織設備屬性模板的定制工作。BIM 經理根據設計組所選用的管道等級表，編制項目的管道等級庫。根據同意技術文件中的管道代號、外觀顏色、圖層表達等編制項目的dgn.lib 文件。

系統管理員：其主要負責軟件體系的正常運行及PW 平臺的相關工作。根據BIM 經理所擬定的項目文件結構在PW 協同設計平臺上搭建項目樹，維護項目樹中的項目文件夾，相關圖文檔的出版和固化工作，根據事先擬定好的項目人員權限表分配項目組人員的創建讀寫改等權限、統計軟件使用情況等工作。

技術支持團隊： 主要應用軟件為OPM、OpenPlant Project Administrat、Bentley Class Editor、OpenPlant Specification Generator 等軟件。團隊組成為工程數字化中心成員，負責提供技術支持，包含必要的軟件培訓和過程指導、屬性模板定制、等級庫的編制、統一dgn.lib 文件。

煉鐵工藝組：主要應用軟件為OPM，負責煉鐵專業工藝設備的布置，按照定制好的屬性模板填寫屬性參數，煉鐵專業的管道配管。

設備組：大部分的工藝設備按照模型粒度LOD300 的外形標準進行建模，此外還要對重要產線的重要設備做精細化建模，體現出模型內部的裝配關系，滿足將來數字工廠要求下設備模型的數據聯動和設備智能運維管理的需求。具備裝配關系和設備層級。建模完成后上傳PW 平臺，以提資方式移交工藝專業，工藝專業出具《三維模型質量審核表》。

工藝管道組：根據設計組的設計方案進行管道專業建模，包含煤氣管道、給排水管道、除塵管道、熱風管道，分專業進行建模，儲存至項目結構樹中。

三電組：電氣專業使用軟件為華東院ED 軟件，主要完成電氣專業盤柜布置、電纜橋架布置、電纜敷設、重要建筑的照明設施及線纜布置、防雷接地設計、參數化電氣埋管設計。電信專業使用軟件完成監控像頭布置、通訊橋架、電信埋管、控制室內布置等工作。

建筑結構組：建筑結構專業采用翻模方式，按照土建施工圖對土建的基礎、框架結構、建筑外墻、門窗等進行建模，細致節點不做處理。

總圖組：總圖根據地形圖創建地模并對地模進行場坪處理，創建總圖道路和路邊排水設施。并最終根據總圖定位，放置各子項分裝模型，形成總裝模型。圖3 為萊鋼1#3 800 m3高爐的總裝配模型。

圖3 萊鋼1#3800 m3 高爐總裝配模型

5 項目實施成果

通過項目的實施，實現了山鋼股份萊蕪分公司的以智能制造、綠色發展為突破，推動技術進步、產品升級、成本降低的目標。 煉鐵能耗可由之前的397.74 kgce/t 降低至368.66 kgce/t，勞動生產率由目前1 000 t/人·年左右提高到1 300 t/人·年以上。廠區煙氣排放指標達到超低排放標準，廢水0 排放，水的循環使用率達到100%，采暖季沖渣水余熱全部回收，用于鋼城區150 萬 m2社區居民采暖。

在BIM 設計上，各專業通過PW 平臺的協同設計功能解決了多專業協同設計問題，根據事先規劃好的目錄結構各專業模型存儲在各自目錄文件夾下，專業間通過參考功能實現模型參考互相借力。項目管理者通過PW 平臺可以對各專業的完成情況進行統計和監管，有助于提高設計效率和設計管理水平。通過軟件的碰撞檢查功能，以及在部分專業翻模過程中的二、三維校驗，檢查出多項碰撞和圖紙錯誤，形成三維設計碰撞檢查記錄一冊，共發現設計錯誤86 項，通過科學計算相當于挽救經濟損失300 余萬元。運用軟件材料統計功能，對土建材料、電氣材料、管道材料進行統計通過與概算內容比對，完成材料量的優化進而完成主材的費控。同時基于模型的會審會簽工作，更高效、更直觀、更綜合，通過專業間互相參考進行設計的方式增強了協作效率，整體溝通效率至少提高20%，節省了大量的設計時間。通過BIM 技術應用，基本解決了設計中的難點問題。

6 結論

通過BIM 技術在本項目的應用，驗證了公司BIM 軟件體系的可行性，BIM 技術的先進性，人員架構的合理性，規范流程的可執行性，為將來其他項目的順利開展打下堅實基礎。