BIM技術在糖廠工程設計中全過程應用分析

曹乾春，郭榮來，張平軍

(1中國輕工業廣州工程有限公司，廣東廣州 511447；2廣東省科學院生物與醫學工程研究所，廣東廣州 510316；3廣東省綠色制糖工程技術研究中心，廣東廣州 510316)

0 引言

近年來，隨著國家信息化智能化進程的持續推進，BIM技術得到了不斷的創新與發展，受到了廣泛的關注，正在逐步應用到各個領域。BIM技術在工程設計項目中展現出可視化、一體化、參數化、協調性、便于模擬、利于優化、出圖便利、算量精確、信息完備等優勢，得到客戶的普遍認可，BIM技術應用于工程項目設計已形成趨勢。

在“一帶一路”戰略的引領下，國內工程公司有越來越多的機會參與國際項目的建設，當然同時也會面對日趨激烈的國際市場競爭。面對這些機遇和挑戰，從設計單位的角度看，必須不斷創新發展并采取多種措施努力提升項目設計質量，提高自身的綜合競爭實力和可持續發展能力。

對于糖廠工程設計而言，BIM技術可以在優化項目空間布局，精確計算各項工程量和提升各參建方協作效率等方面發揮獨特的作用，本文擬就BIM技術在糖廠工程設計中的實際應用進行分析，進而有利于顯著提升工廠設計質量。

1 BIM技術簡介和糖廠工程設計項目特點

1.1 BIM技術簡介

BIM是Building Information Modeling的簡稱，中文翻譯為“建筑信息模型”。BIM的理念由美國喬治亞理工大學的Chuck Eastman教授于1975年所創建，后經各方逐步豐富發展。當前研究認為，BIM技術是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具，通過參數模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用[1-3]。

因此，BIM可謂是理念先進技術優良，其應用可以貫穿于工程項目的整個生命周期并適用于相關參建方。

1.2 糖廠工程設計項目特點

最近幾年新建的甘蔗糖廠工程設計項目情況，具有以下特點[1]：

1.2.1 產能規模和用地面積比較大，建構筑物數量多

最近幾年國外新建甘蔗糖廠項目中，產能規模不斷擴大，處理能力從原來的5000、6000、12000 t/d到之后的24000 t/d，廠區總占地面積也越來越大，達到了750000 m2。建構筑物數量在增多，主要單體包含預處理車間、壓榨車間、制煉車間、化水間、汽機間、鍋爐間、輔料間等，有的項目還配備煉糖車間、酒精車間、復合肥車間以及生活區和學校等，建構筑物總數量已超80個。

1.2.2 設備和管道數量較多且布置空間有限，容易發生各類碰撞

大型甘蔗糖廠各類管道數量龐大，總計多達6000多根。而因糖廠生產工藝與設備結構的特性，部分區域管道布置復雜且空間很緊湊，如蒸發工段蒸發罐底部夾層、煮糖罐底和室外綜合管廊等。蒸發夾層區域的蒸汽管道數量較多且外徑大，蒸汽冷凝水管、物料管道以及眾多公用工程管道交錯布置，還需考慮清洗及維修通道；煮糖工段以高濃度物料為主，應盡量以最大坡度布置管道，連續煮糖罐底部區域的管道數量多且異常復雜，合理空間布置難度很大；此外，室外綜合管廊也是管道數量多管徑大容易發生碰撞的區域。如何在設備和管道多，空間有限的地方合理布置，避免碰撞尤為重要。

1.2.3 設計周期相對較短，出圖質量要求較高

二十世紀八九十年代，一個項目的設計周期短則一、兩年，長則達四、五年，有的甚至更長。而現在，施工圖設計周期就幾個月。時間壓縮的越來越少，而出圖質量的要求卻越來越高。

1.2.4 材料統計的精準性要求

海外糖廠工程項目，大部分距離比較遠，成本原因基本采用海運形式，運輸時間長，導致整個采購周期較長，運輸成本高。因此，材料統計的精準性尤其重要，統計有誤，將會增加運輸成本，影響現場施工進度。所以精準的材料統計有利于控制成本，提高項目建設效益。

1.2.5 客戶對BIM技術的要求

近年來BIM技術迅猛發展，不斷應用于各個領域，尤其在工程設計施工和管理方面，為大量的工程項目提供巨大助力，受到客戶的普遍好評。政府相關部門也在不斷推進BIM技術的應用，BIM技術應用于工程項目設計逐步形成趨勢。最近幾個甘蔗糖廠工程設計項目，客戶均希望設計成果中包含三維模型、三維動畫，甚至要求應用BIM技術正向設計，以方便后續的施工和管理工作。

綜合上述糖廠工程設計項目的特點，設計單位推廣并普及BIM技術將勢在必行。

2 BIM 技術在糖廠工程設計中的全過程應用分析

2.1 工業BIM平臺簡介

目前運用于工程項目設計的各類軟件很多，每款軟件都各具特色。如何根據糖廠工程項目設計的特點，組合一套成熟合理的三維軟件尤其重要，理想的軟件組合可以有效提高工作效率和設計質量。

2.1.1 BIM技術軟件配置

糖廠工程項目工藝熱力管道數量龐大、布置復雜，閥門種類繁多，在管道建模時要求靈活多變且操作簡易，AVEVA公司開發的PDMS軟件兼容性強且操作靈便，能滿足管道布置的要求[1]。Autodesk公司開發的 Revit具有良好的易用性和較高的建模效率，已能成熟運用于建筑、結構及水暖電專業，滿足土建包的設計要求。PDMS和Revit是2款不同公司開發的軟件，其三維模型各自獨立，無法直接合成，Autodesk公司的 Navisworks具備合成功能，合成后的三維模型可以進行查看與編輯，可用于BIM模型交付。根據工程設計項目設計成果需要，用3Ds Max、Premiere Pro等軟件進行模型整合、鏡頭制作和后期剪輯可得到非常逼真的動畫模型。最后還需配套部分設計及出圖插件。一套合理實用的軟件組合(PDMS+Revit+Navisworks+插件)是提高設計效率和質量的保證。

2.1.2 BIM設計工作流程簡介

經過不斷摸索、實踐和總結，一套適用于糖廠工程設計項目的BIM技術應用工作流程見圖1和圖2。

圖1 工藝包設計工作流程

圖2 土建包設計工作流程

2.2 BIM技術在糖廠工程設計中應用效果

2.2.1 BIM技術在方案設計階段應用

在糖廠工程設計方案設計階段，可應用BIM技術進行項目的豎向分析、流向分析、土方平衡分析、平面分析、做法分析、可視化展示，并溝通項目的設計方案。

BIM技術運用于流向分析中，可直觀且準確的保證潔污分開，生活辦公與生產分開，甘蔗原料及成品運輸與人流分開，確保糖廠整體布置工藝流暢，方便運行管理(圖3)。

圖3 人流、物流演示

2.2.2 BIM技術在施工圖階段的應用

2.2.2.1 工藝包設計

用PDMS軟件創建工藝熱力BIM模型，復雜的設備可通過Revit創建設備BIM模型，再配合插件自動生成工藝熱力專業所需的預留孔圖和埋件提資圖、平面圖、立面圖、ISO圖、支吊架圖、管道材料匯總表、支吊架材料匯總表、管道表、管道特性表、閥門清單和法蘭清單等施工圖紙(圖4)，還可以根據項目施工現場需要，生成三維視圖。

圖4 自動生成匯總表

2.2.2.2 土建包設計

用Revit軟件創建建筑、結構、給排水、暖通、電控專業BIM模型，通過Revit插件自動生成滿足設計成果需要的平面圖、立面圖、軸測圖和柱、梁、板筋、外墻、內墻、屋頂、門窗、樓板、欄桿扶手、幕墻、設備、管材、閥門、橋架、電纜等材料明細表(圖5)，還可以根據項目現場施工需要生產各種專業的三維視圖。

圖5 自動生成立面圖

2.2.2.3 三維動畫設計

用 3Ds Max、Lumion、After Effects、Photoshop、Premiere Pro等軟件進行模型整合、鏡頭制作、圖文編輯和后期剪輯等可得到逼真的動畫效果(圖6)。

圖6 三維動畫

2.2.3 BIM技術在糖廠工程設計中的優勢分析

BIM技術應用于糖廠工程設計項目，高效出圖和高品質的設計成果，提升設計公司設計手段，增強設計公司競爭力。孔洞和埋件提資根據三維自動生成，解決了以往項目孔洞及埋件的遺漏和提資不正確的問題。可視化同平臺協作設計，并可進行碰撞檢查，解決了以往項目的大量碰撞問題，根據近幾個項目經驗，設計變更單數量減少約90%，提高了設計效率和現場施工效率，減少了建造和管理成本，提高企業效益。

2.2.3.1 方案可視化直觀展示，提升溝通效率

BIM技術應用方案設計時，可在BIM模型中直觀展示需要討論的方案內容，快速準確表現方案現狀供客戶全方位查看，可根據客戶意見現場在BIM模型中迅速修改平面，方便客戶理解，顯著提升溝通效率。

2.2.3.2 圖紙中增加復雜節點的三維視圖，便于圖紙的準確表達

對于糖廠一些比較重要的位置，或者布置復雜的地方，或者施工難度大容易引起誤解的區域，在圖紙中增加三維視圖，直觀展示設計方案和詳細做法，便于現場技術員和施工人員準確理解施工圖紙(圖 7)。

圖7 圖紙中增加三維視圖

2.2.3.3 正向設計，模型設計信息完整

BIM技術正向設計，實現信息一次輸入，全過程應用，確保模型設計信息完整。如糖廠工程項目工藝熱力設計過程中，把工藝熱力工況參數表導入智能 P&ID中，工況參數自動生成管線信息，在智能 P&ID中的設備信息模板輸入設備參數信息，再把智能P&ID中的參數通過插件傳遞到BIM模型中，可在模型中查看設備、管道、閥門和管件的參數信息，實現各種參數信息一次輸入全過程應用，確保BIM模型信息完整(圖8)。

圖8 模型中閥門信息

2.2.3.4 各專業協同，可視化設計，避免碰撞，減少現場變更

BIM技術應用糖廠項目工程設計時，各專業同一工業BIM平臺協同設計，各專業根據自己的設計需要，隨時調用其它相關專業的模型進行查看，直觀展示其它各個專業的模型情況，如果空間不足，可立即截圖或者發送元素ID值給相關專業，溝通討論更改方案，避免碰撞，提高了溝通效率，有效減少現場變更。

2.2.3.5 孔洞和埋件的三維提資，確保孔洞和埋件的正確性

PMDS進行設備管道建模和管道支吊架建模時，導入建筑結構BIM模型，設備管道模型完成后，通過插件在建筑結構模型上自動開孔，保證所有穿墻穿樓板管道都已開孔，不會出現錯漏，在用管道支吊架軟件進行建模時，輸入埋件參數信息，并傳遞到PDMS中，再通過相關插件把孔洞和埋件信息形成提資文件，輸入到 Revit平臺生成孔洞埋件實體模型，由建筑結構根據模型通過 Revit完成出圖。二維 CAD手工繪圖的孔洞和埋件提資容易出現錯漏，由BIM模型直接生成三維提資，有效避免二維繪圖時出現的錯漏，確保孔洞和埋件的正確性。

2.2.3.6 BIM模型自動出圖，減輕繪圖工作量

BIM模型完成建模后，各個專業根據各自設計成果需要，通過相關插件完成自動出圖。例如，工藝熱力管道，根據某大型甘蔗糖廠項目統計約6000多張ISO圖，還有其他的設備平面布置圖、設備立面布置圖、管道平面布置圖、管道立面布置圖、支吊架詳圖、管段表、特性表、管道材料匯總表、支吊架材料匯總表和油漆保溫材料匯總表等，都可通過BIM模型完成自動出圖，大量減少手工繪圖工作時間，提高工作效率和設計成果品質。

2.2.3.7 工藝熱力管道模型自動生成管道預制圖，用于管道的預制

BIM 模型里面的工藝熱力管道是按 1∶1比例建模，與實體參數一致，由BIM模型自動生成的管道預制圖，尺寸精準，可用于管道預制。對于材料貴重、割焊困難或者現場施工難度大的地方，由廠家按管道預制圖預制管道，現場直接吊裝，降低現場施工難度，提高施工效率。

2.2.3.8 熱力管道應力計算、支吊架設計和 BIM 模型的集成

BIM技術應用于熱力管道設計時，用PDMS根據模型空間情況進行管道建模，并根據管道布置情況選擇合適的支吊架類型插入相應位置，再用插件把管道和支吊架信息導入應力計算軟件進行應力計算，通過直接調整管道模型、支吊架類型及其位置來滿足應力計算，再把應力計算結果導入支吊架設計軟件，直接在PDMS中生成支吊架模型，避免了應力計算、支吊架設計和創建BIM模型三者獨立的局面，完成了熱力管道應力計算、支吊架設計和BIM模型的集成。

2.2.3.9 電纜三維敷設，電纜材料統計精確

全專業BIM技術設計，電控專業用Revit進行強弱電協同設計，在可視化BIM模型進行電纜自動敷設，精準設計照明和自控點位，并不斷優化橋架和線管布置，避免出現碰撞。電纜材料由BIM模型自動生成，統計精準(圖9)。

圖9 優化電纜敷設

3 結語

BIM技術應用于甘蔗糖廠工程項目設計具有諸多優勢，可以顯著提升糖廠工程項目的設計效率和設計質量，有助于工程各參建方多方協同提升項目管理效率，提高項目建設效益。