BIM 技術在水處理與選煤廠項目的應用探索

別銅選

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安）

概述

BIM（Building Information Modeling）技術是歐特克公司在2002 年率先提出，已經在全球范圍內得到業界的廣泛認可，它可以幫助實現建筑信息的集成，從建筑的設計、施工、運行直至建筑全壽命周期的終結，各種信息始終整合于一個三維模型信息數據庫中，設計團隊、施工單位、設施運營部門和業主等各方人員可以基于BIM 進行協同工作，有效提高工作效率、節省資源、降低成本，以實現可持續發展[1]。

中煤西安設計工程有限責任公司（原名煤炭工業部西安設計研究院）成立于1954 年9 月1 日，隸屬于中國中煤能源集團有限公司，是一家以煤炭市場為主、非煤和海外市場并進，勘察設計、工程總承包、工程技術咨詢服務三大支柱業務協同發展，為工程項目提供全生命周期服務的大型綜合勘察設計企業。

2016 年8 月底，中煤西安設計工程有限責任公司下發《關于成立公司BIM 技術應用中心的通知（西煤設技術[2016]37 號）》，正式成立由主要領導牽頭的BIM 技術應用領導小組及BIM 技術應用中心，中心主要負責以下5 個方面的工作：

（1）建筑、市政、電力、選煤4 個業務方面BIM技術應用的規劃；

（2）BIM 軟硬件平臺的搭建；

（3）BIM 基礎數據庫與應用標準的建立；

（4）現有設計軟件的利用與聯合開發；

（5）公司重大項目BIM 模型的建立。

1 軟件選型

BIM 技術應用中心成立后，立即著手進行BIM 技術在國內應用情況的調研，先后走訪了全國各地的10余家應用BIM 技術的設計單位（見圖1）。行業范圍涵蓋了民用建筑、石油、化工、電力、冶金等不同領域。通過與使用單位面對面的交流，初步了解了BIM 技術在工程設計行業中應用的情況，也對不同企業BIM 技術在發展過程中遇到的各種困難有了一個感性的認識。

圖1 BIM 應用情況前期調研公司

根據前期BIM 技術應用考察結果及與兄弟單位、軟件廠商、應用項目單位的多次交流情況，并結合公司設計業務實際情況，BIM 技術應用中心編寫了《中煤西安設計工程有限責任公司三維協同設計平臺招標技術要求》，并與中煤招標公司通力協作，完成了BIM 軟件平臺的公開招標工作。經過公開招標，我公司BIM 軟件平臺中標軟件為法國達索系統（Dassault Systemes）系列BIM 軟件。

2 水處理項目BIM 應用探索

2.1 項目背景

中天合創礦井水深度處理項目總投資70 229.92 萬元，全部為環保投資，項目設計處理規模72 000 m3/d，主要處理中天合創能源有限責任公司門克慶、葫蘆素煤礦及母杜柴登煤礦產生的礦井水，處理后的中水全部供給中天合創能源有限責任公司煤炭深加工示范項目用于生產用水。本項目主工藝流程分為脫鹽、二次濃縮及蒸發結晶分鹽三個環節；脫鹽處理工藝為：高效沉淀池+V型濾池+超濾+反滲透。該工藝對原水進行脫鹽處理，產生的清水（產品水）回用于中天合創煤炭深加工示范項目廠區生產用水，產生的濃鹽水進入后續二次濃縮工藝環節。二次濃縮處理工藝為：澄清脫水+高效反滲透。該工藝對前段脫鹽處理環節產生的濃鹽水進行二次濃縮，產生的清水（產品水）回用于中天合創煤炭深加工示范項目廠區生產用水，產生的超濃鹽水進入后續的蒸發結晶分鹽工藝環節。蒸發結晶分鹽為催化氧化+MVR 蒸發濃縮+硫酸鈉雙效蒸發結晶+超濾納濾+氯化鈉雙效蒸發結晶+雜鹽干化。該工藝對前段二次濃縮處理環節產生的超濃鹽水進行再次蒸發濃縮，產生硫酸鈉結晶鹽、并對硫酸鈉結晶母液進行膜分離，產生氯化鈉結晶鹽。

2.2 目標與方案

建設目標：本項目為我公司BIM 一期導航項目，我們在項目實施初期就定下了“緊扣工程設計、探索服務價值”的總體目標，首先是驗證軟件平臺功能及負載能力，試驗設計輸出圖紙和報表的方法，然后是尋找提高設計效率的手段，規范各專業設計的方法和流程，在此基礎上，進行BIM 信息模型延伸應用的探索。

建設方案：BIM 整體解決方案包含協同設計、仿真分析、運行維護3 個方面，通過項目和數據管理使解決方案保持數據和信息一致，全部呈現于達索3DExperience 平臺中，實現BIM 技術在項目全生命周期中的應用。在設計過程中，基于達索3DExperience平臺，采用自上而下的項目設計流程管理，完成整個項目的BIM 設計（見圖2）。

圖2 中天合創水處理站BIM 整體解決方案

2.3 流程與應用

建設流程：定義整體業務流程（見圖3），首先是進行項目合作區的創建，定義項目參與成員，分配項目管理及設計權限，錄入項目基本信息。接下來，創建項目整體結構樹，關聯相關設計資料、規范、文檔，不同層級的節點由不同專業負責人進行創建。分配各專業設計時需要使用的資源，對需要使用的新資源進行創建。對于部分非標設備和系列設備進行參數化建模和知識工程模板創建。

圖3 中天合創水處理站BIM 出圖探索

整體設計采用裝配方式，設備按專業組裝為系統并裝配于建筑內，建筑裝配于場地內，層級劃分清晰，父子級關系明確，便于使用和維護。設計結果可在平臺內進行實時渲染，輸出設計方案效果。根據國家現行規范和圖集，結合公司自身設計使用實際，并考慮到后期運維使用的要求，對不同類型的設備進行屬性的客制化自定義。在模型中對不同層級進行各類型資料和文檔關聯，便于設計、應用、運維中快速使用和查詢[2]。

應用探索：針對本次項目，結合三維模型，我們進行了施工仿真應用以及二位出圖的探索。其中施工仿真采用達索DELMIA 軟件，基于特有的PPR 結構對廠區進行施工模擬，首先針對廠區模型根據裝配流程重新定義裝配體，再根據施工計劃定義施工工藝，最后定義施工所需的資源（材料、設備），輸出施工進度規劃甘特圖。

另外，對于二維出圖部分我們進行了一些探索，利用軟件本身功能能夠實現，而且圖紙與三維模型是關聯的，但是出圖完成度不夠高，需要定制的內容比較多，還需要進行一些二次開發的工作（見圖3）。

3 選煤廠BIM應用探索

3.1 項目背景

基于一期水處理項目上BIM 應用的積累，在二期BIM 應用依托項目上，我們選擇了選煤廠業務。

某選煤廠項目，是山西中煤華晉某煤礦大型綜合項目的四個子項目之一，位于山西省河津市固鎮某村西側，緊鄰209 國道，距河津市約13 km，公路交通便利。某選煤廠改擴建工程項目在現有工業場地內進行，擴建主廠房擴建生產能力400 萬噸/年，擴建后選煤廠生產能力達到800 萬噸/年，對進一步擴大選煤廠的洗選產能，滿足市場對煉焦煤的需求，促進企業轉型發展有著重要的意義。

3.2 目標與方案

建設目標：我公司2018 年完成了一期導航項目，對三維軟件的翻模和達索軟件的驗證工作，目前正在進行BIM 正向設計探索工作。梳理BIM 正向設計的方法，創建標準的設備庫和工程模板，探索不同專業的屬性擴展工作及模型與動態數據的關聯方法。

建設方案：我公司采用達索系統進行BIM 正向設計，并形成選煤廠BIM 整體解決方案，設計全生命周期在3DE 平臺進行管理，各專業采用CATIA 進行協同設計，采用Simulia 進行專業計算仿真，采用Delimia 進行施工方案模擬，項目及設計數據采用ENOVIA 進行管理。

3.3 流程與應用

BIM 正向設計的流程為：設計策劃-合作區創建-項目搭建-任務分解-結構樹搭建-設備庫創建-定位布置設計-協同設計-詳細設計-設計成果（見圖4）。

圖4 BIM 正向設計流程

3.4 BIM 應用探索

3.4.1 設備庫的建立

創建設備庫和設計工程模板，將各專業的設備統一管理，便于選煤方案布置階段設備的快速調用和布置，以及非標的快速布置，提高選煤方案布置階段的工作效率。搭建好的設備庫也有利于后期其他投標項目的BIM 模型快速搭建，快速形成投標方案。

3.4.2 多專業協同設計

主導專業方案布置確定后，發布設計方案，各專業根據不同的設計權限開始協同設計。所有三維正向設計數據都在同一平臺上，保證了數據源的唯一性。各專業之間可即時查看所有模型的最新狀態，減少設計中的協調時間。

3.4.3 二三維校驗

在項目BIM 正向設計過程中，各專業將三維布置設計和二維系統設計中的各個單元一一對應關聯起來。階段設計結束后，進行二三維校驗，查漏補缺，檢查錯誤，使設計系統與布置相統一，提高設計質量，并且便于后期設計進行修改。

3.4.4 設計碰撞檢查

基于達索3DE 平臺在各專業之間展開并行協同設計，在保證各專業基于單一數據源進行并行設計的前提下，也保證互相之間的數據不影響，避免出現誤操作和保存等問題。在開展并行設計的同時，能即時查看其他專業的設計數據，實時查看相對空間位置，定期進行碰撞及干涉分析，提前發現問題，并進行處理，將各類碰撞問題在設計階段就解決掉。

3.4.5 模型動態屬性展示

基于3DE 平臺對模型進行屬性擴展，將模型相關信息輸入到對應模型中，在設計完成后，可根據需要，對模型的靜態或者動態屬性進行即時展示。此項功能可為后期選煤廠數字化運維提供實施基礎。

3.4.6 數字孿生技術探索

項目基于參數化設計的模型以及設計規則控制，可實現通過數據實時控制模型調整，模型中顯示也會通過不同顏色進行反映（見圖5）。系統通過讀取現場實際數據，并自動同步到三維設計平臺中與模型中屬性信息一一對應，將現場實際數據與模型數據進行關聯，并在窗口中進行動態展示。現場數據更新時，窗口中可直接顯示最新的設備信息，當變化達到或超出設計預設的警告閾值時，窗口會自動彈出警告提示，便于掌握現場生產狀況，并及時給出問題解決方案。

圖5 數字孿生技術探索

4 未來規劃

公司將以BIM 技術應用為基礎，結合行業特點，利用智能化礦山建設的歷史機遇，將物聯網、大數據、云計算、智能化裝備等先進的技術、理念、設備與BIM 技術相結合，以保障安全高效生產為切入點，建立以BIM 模型為載體的數字孿生工程，實現數字工程和現實工程一體兩面，實現工程項目后續的管理、運維數字化[3]。