基于BIM技術的工業窯爐三維建模前景分析

孫華云 ，李明晶 ，盧 勇

（1山東工業職業學院，山東 淄博256414；2山東省冶金工業總公司，山東 濟南250014）

1 前 言

據統計，目前我國各類工業爐窯（不包括鍋爐）約有15萬臺，主要分布在冶金、建材、機械和化工等行業。計算機輔助設計經過幾十年的發展，二維設計軟件已經得到廣泛的應用，而三維設計軟件以其直觀、準確、動畫模擬等優勢越來越被設計者所關注和應用。在一些工程設計院已開始將三維軟件應用到工業窯爐設計中。盡管如此，工業窯爐三維模型設計仍然沒有擺脫“輔助制圖”單一功能的缺陷。這與近年來全球建筑工程設計信息化（BIM）技術的發展理念仍然有較大差距。在中國，BIM技術在建筑工程行業正在不斷被認知和認可，工業窯爐作為工程建設的一個重要分支，BIM技術勢必也會成為其設計發展的必然趨勢。作為BIM技術實施的第一步，基于BIM技術的三維模型創建有別于普通三維模型的創建。本研究就工業窯爐設計與建設中，基于BIM技術三維模型的創建進行一些有益的探索。

2 BIM概況

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱。根據美國國家標準（NBIMS）對BIM的定義，BIM是指一個建設項目（或一個設施）物理和功能特性的數字表達；是集成了建設項目各種相關信息的工程數據模型，它綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構建性能以及施工進度、運營分析、維護管理等過程信息，將一個建筑項目整個壽命周期內的所有信息整理到一個獨立的建筑模型中［1］。

BIM模型的創建基于兩個基本思想：第一，將設計信息以數字形式保存在數據庫中，以便于更新和共享；第二，在設計數據之間，創建實時的、一致性的關聯，對數據庫中數據的任何更改，都馬上可以在其他關聯的地方反映出來，這樣可以提高項目的工作效率和保證項目的工程品質。

3 基于BIM的工業窯爐三維建模技術

3.1 建模軟件和硬件配置

1）軟件的選擇。BIM建模軟件是BIM技術的基礎，目前，市面上BIM建模軟件有很多。例如，Autodesk公司的Revit系列、Graphisoft/Nemetschek公司的Archi CAD軟件、Bentley公司的 Bentley系列軟件、Gery technology/Dassault公司的 CATIA軟件、Tekla系列軟件以及Google公司的Sketch Up軟件。各主要軟件及特點如表1所示。對于工業窯爐設計者來說，目前大多普遍使用Auto CAD二維繪圖，雖然有少量設計者開始采用Auto CAD來創建三維模型，但與BIM技術的設計理念仍然有較大的差距。

在上述軟件中，Revit系列軟件是專門為面向BIM而建，但其數據都可以被Autodesk旗下多平臺軟件所讀取利用，如 3D MAX、Showcase、Navisworks等，具有極強的兼容性。因此，工業窯爐設計者應該首選Revit系列軟件，可以在保留Auto CAD的工作流程的基礎上，通過Revit系列軟件較容易地實現向先進的BIM三維建模過渡。

Archi CAD是最早一個具有市場影響力的BIM核心建模軟件，被譽為建筑設計師開發的三維設計軟件，但在國內僅限于建筑專業，在工業窯爐行業中的應用還有待突破。

Bentley系列軟件基于Microstation綜合型的三維設計平臺，功能相當強大，能完全替代市面上各種軟件的建模功能，滿足建模階段的各種建模方式的需求；但由于包含大量代表不同特征行為的各種功能模塊，具有大量不同的用戶界面，學習不易上手，不太適合初學者。由于bentley系列軟件的專業設計和協同設計方面性能優越，Bentley系列軟件應用到工業窯爐具有廣闊的前景。

2）硬件要求。BIM建模是基于三維設計，對硬件系統的計算能力和圖形處理能力相比傳統的CAD軟件要高。硬件配置可參考各類BIM建模軟件廠商推薦的硬件配置要求。目前工業窯爐設計單位配置的硬件設施一般不能滿足要求。可根據工業窯爐的種類、規模大小等，重點提高計算機CPU、內存和顯卡的配置。一般采用64位CPU和64位操作系統，內存在4G以上，不宜采用集成顯卡，而應選擇支持OpenGL1.3或更高版本的獨立顯卡。

表1 主要BIM建模軟件及特點

3.2 工業窯爐三維模型構件庫的創建

對于基于BIM技術的工業窯爐三維建模，應具有工業窯爐的專業特性或行業性，例如窯爐的窯墻、爐門、燃燒室、煙道、風機、風管等，這些模型已不再是純粹的幾何圖元，不再是一個個簡單的建筑表現，而是通過BIM建模平臺的設計，體現項目全部要素的“智能構件”，這些“智能構件”中的參數以及參數之間的關系是有專業知識來驅動的，并能夠反映工業窯爐的工作行為。工業窯爐的設計過程就是不斷確定和修改各種“智能構件”的參數。

對于工業窯爐建模的參數化程度，除了取決于設計者的建模能力外，還取決于設計者對工業窯爐專業知識的掌握和理解能力。需要掌握流體力學、熱力學、傳熱學、燃料燃燒、加熱工藝等專業知識，例如燃燒室的設計，需要懂得根據使用條件選擇燃燒室的布置、尺寸、大小、耐火材料的選擇類型、材質、厚度、導熱系數等，后期配套的燒嘴安裝方式、規格、大小，以及燃料的種類、燃燒特點、火焰分布等。

以Autodesk Revit為例，“智能構件”的設計是基于族來完成的，類似于CAD“塊”的概念。Autodesk Revit將族分為3個類型：即系統族、標準構件族、內建族。

1）系統族是Autodesk Revit中預定義的族，包含基本建筑構件，例如墻、窗和門。設計者可以復制和修改現有系統族，但不能創建新的系統族。

2）標準構件族大多存儲在構件庫中。設計者可以使用族編輯器復制和修改現有構件族，也可以根據各種族樣板創建新的構件族。標準構件族可以位于項目環境外，且具有.rfa擴展名。可以將它們載入項目，也可以從一個項目傳遞到另一個項目。

3）內建族是特定項目中的模型構件，只能在當前項目中創建內建族，它們僅可用于該工業項目特定的對象，例如自定義的爐襯、窯墻等。

在Autodesk Revit中，系統族是系統自帶的建筑必要構件，能夠修改的權限比較小，標準族有各種參考樣板、內容豐富，參數多，而內建族可以自由修改。相信隨著工業窯爐BIM建模的開展和深入，會逐步積累一套自己獨有的族庫，在以后的工業窯爐設計工作中，可直接調用這些族數據庫，并根據實際情況進行參數修改，提高工作效率。

根據通用的制圖規范圖集、制圖標準，結合目前工業窯爐設計部門自備的數據庫以及熱工設備廠家提供的技術樣本，可以預見出基于BIM的工業窯爐三維建模涉及的專業及各類常用構件。

熱工專業：在熱工計算的基礎上確定的爐襯、爐門、爐頂、爐底、窯墻、燃燒室等。

土建專業：基坑、基礎、板、梁、柱、鋼架、爐體、煙囪等。

機電專業：燃燒裝置、鼓風機、排風機、運輸機、加料機、推車機、卸料機、窯車、蒸汽（煤氣、空氣、輸油）管道、各種閥門等。

電氣自動化：變電設備、配電設備、測量與調節儀表（溫度、壓力、流量、煙氣成分、液位等）等。

環保專業：空氣預熱器、余熱廢熱鍋爐、含塵氣體凈化裝置（如旋風收塵器、布袋收塵器及電收塵器等）、成品顯熱回收裝置等。

3.3 動態和協調建模

一臺工業窯爐的設計顯著區別于一般的建筑工程，設計過程涉及到熱工、結構、建筑、機電、電氣、環境保護等專業領域，設計難度比較大。根據以往的設計經驗，設計首先從工業窯爐所對應的生產工藝開始進行系統設計，如鋼鐵的冶煉、生石灰的煅燒、鐵礦石的燒結等。工藝技術人員向其他專業提交有關資料，熱工專業根據工藝制度要求，在熱工計算的基礎上進行技術設計，技術設計之后便可進行施工設計。在這種傳統設計模式中，各專業人員雖然也相互接觸、相互磋商，力求避免設計中出現的各類沖突，但客觀上，由于信息對接不完善，技術設計中的細節部位不能詳細表現等，設計中不可避免出現“錯漏碰缺”等問題。技術人員盡管仔細反查施工圖紙，但有些差錯只能等到施工階段才能發現，會造成不必要的返工和浪費，更為嚴重的是有些差錯甚至到了運營期間才發現，給運維安全埋下隱患。因此，在工業窯爐設計過程中，各專業間的相互協調、動態調整建模的有關數據顯得尤為重要［2］。

面對傳統設計工作的缺陷，工業窯爐三維建模采用BIM技術設計理念尤為重要。BIM模型作為項目信息交流和共享的數據中心，各專業設計師可以此為平臺開展多專業動態協調建模。每個專業的設計者通過建立自己的本地文件，建立本專業的數據庫，如設計規范、任務書、圖紙、技術說明等，并設置文件編輯權限，開展模型協調和技術交流。如果資料發生變更，設計者只需在協同平臺上及時發布更新自己的設計成果，并保存到數據中，這樣每個專業的設計者都加入到一個項目數據庫中，所有參與者都從一個“源”文件中獲得信息，信息不存在重疊、冗余，并能及時反饋調整。

4 BIM模型的應用分析

基于BIM技術的工業窯爐三維建模，不僅僅是幾何特征的表達。在建模過程中，將非幾何因素也集成到三維工業窯爐模型中，如爐襯的材料特征、物理特征、力學參數、設計屬性、價格參數、廠商信息等，使得工業窯爐及其構件成為智能的實體。除了按照出圖規則自動獲得二維圖紙以外，各專業人員可以根據技術要求，提取相應的專業信息，來滿足自己工作的需要。

4.1 在工業窯爐優化設計中的應用

據專家介紹，我國工業爐窯當前存在的主要問題是技術裝備水平整體不高。大部分工業爐窯在燃燒系統、余熱利用、絕緣保溫、自動控制、熱工檢測等方面技術性能不完善，能源利用效率較低。在材料的選擇上，由于選擇不當，造成材料與運行工況不匹配，一些爐窯爐體散熱損失高達60%以上［3］。隨著BIM技術的發展，三維建模為優化設計提供了有利條件。如可以將研制的噴嘴應用在三維模型中，利用流體力學相關軟件進行模擬，測試燃燒阻力、空燃比、溫度場分布、壓力變化、熱工效率等熱工參數，采用反求設計的方法，進一步優化噴嘴的結構設計。相信這種基于BIM的設計理念將在工業窯爐設計中會逐步得以實現和完善。

4.2 在工業窯爐控制仿真中的應用

基于BIM三維模型的建立，為工業窯爐傳熱學、動力學仿真提供了方便。通過數據轉換，可以利用fluent軟件模擬窯爐的流場及燃料燃燒，進行流體傳動與傳熱的模擬計算，分析窯爐內氣體流動、流速和壓力的分布規律，分析物料之間以及物料局部換熱的分布特征等［4］，進一步基于matalab仿真軟件進行聯合仿真，實現窯爐控制系統與熱工設備的聯合仿真。

4.3 在造價中的應用

由于工業窯爐的三維信息模型包含了所代表的工業窯爐的詳盡信息，因此，可以生成各種筑爐材料、熱工設備、控制儀表等各種清單表格［5］。應用這些表格進行概預算、向材料設備供應商提供采購清單等。目前，在建筑工程領域，基于BIM的工程造價軟件有廣聯達、魯班軟件等，這些軟件在工業窯爐中的應用尚處于起步階段。

5 結束語

目前，國內BIM技術的應用在建筑全行業已獲得廣泛關注，但在工業窯爐領域的應用尚處于摸索階段，技術及管理都還不成熟，沒有統一的行業規范及標準。但隨著BIM相關理論和技術的不斷發展，隨著設計部門、使用部門、機電設備供應部門參與，基于BIM的三維建模將在工業窯爐領域中不斷得到發展和廣泛應用。

參考文獻：

［1］ 丁士昭.建設工程信息化導論［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

［2］ 相沖，劉剛.三維協同設計在水泥工程中的應用［J］.水泥技術，2012（5）：31-33.

［3］ 朱林霞，邵宇欽.BIM Revit MEP在某燃氣鍋爐房管道布置中的應用［J］.港口科技，2015（5）：35-36.

［4］ 王建軍，姚鵬放，衣凱.BIM技術在寶鋼9#電爐維修中的應用研究［J］.土木建筑工程信息技術，2014，6（5）：112-117.

［5］ 張隆飛.BIM技術在鋼鐵工業中的應用［J］.科技創新與應用，2014（17）：76.