BIM技術(shù)在選煤廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

林 廈

(泰戈特(北京)工程技術(shù)有限公司，北京 朝陽(yáng) 100022)

1 BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 概 念

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)是通過(guò)建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)。該信息庫(kù)不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象(如空間、運(yùn)動(dòng)行為)的狀態(tài)信息。借助這個(gè)包含建筑工程信息的三維模型，可以大大提高建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項(xiàng)目的相關(guān)利益方提供一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、施工單位、設(shè)施運(yùn)營(yíng)部門和業(yè)主等各方人員可以基于BIM進(jìn)行協(xié)同工作，有效提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本、以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。[1]

1.2 BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及意義

(1)可視化，即“所見即所得”。運(yùn)用BIM技術(shù)所建立的三維模型，能夠真實(shí)的將建筑或工廠的外部規(guī)劃和內(nèi)部結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確反應(yīng)出來(lái)，構(gòu)建三維實(shí)體，實(shí)體中附加重量、規(guī)格、廠家、日期等不同屬性，真實(shí)反應(yīng)整個(gè)項(xiàng)目，使得業(yè)主能夠更加直觀地看到工程建設(shè)的過(guò)程。對(duì)項(xiàng)目的溝通、討論和決策，都在可視化狀態(tài)下進(jìn)行。

(2)協(xié)調(diào)性。運(yùn)用BIM技術(shù)，可以更好地解決建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位之間的協(xié)調(diào)溝通問題，比如建筑的安全走道、凈空空間以及管線的布置；能夠及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、土建、設(shè)備和MEP管線的碰撞檢測(cè)和干涉檢查，將問題解決在設(shè)計(jì)階段，減少設(shè)計(jì)變更，節(jié)省建設(shè)成本。

(3)模擬性。基于準(zhǔn)確的BIM模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同階段和不同時(shí)間狀態(tài)下的建筑，進(jìn)行4D模擬配合設(shè)計(jì)、施工和進(jìn)度管理；也可以在此基礎(chǔ)上加上成本信息，即5D模擬，便于后期施工管理，并更好的進(jìn)行成本控制，如節(jié)能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬、熱能傳導(dǎo)模擬等。

(4)優(yōu)化性。BIM模型提供了建筑物實(shí)際存在的信息，包括幾何信息、物理信息、規(guī)則信息，還提供了建筑物變化以后的實(shí)際存在信息。BIM結(jié)合相關(guān)軟件和其他技術(shù)手段提供了更好的優(yōu)化復(fù)雜項(xiàng)目的可能[2]。

2 選煤廠設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 主要設(shè)計(jì)過(guò)程

按專業(yè)劃分，整個(gè)選煤廠設(shè)計(jì)流程從上到下應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷工藝、總圖、機(jī)械、土建、電氣、暖通、給排水等專業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程。主要流程大致是：

(1)由選煤工藝專業(yè)根據(jù)項(xiàng)目提供的初始資料，包括煤炭質(zhì)量物理化學(xué)分析資料，現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料，業(yè)主提供的場(chǎng)地資料、建設(shè)要求、產(chǎn)品要求等，確定參數(shù)，制定總的工藝流程，配合總圖專業(yè)確定工業(yè)場(chǎng)地總平面布置方案。

(2)機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)確定的單體建筑，布置倉(cāng)體和棧橋(外圍)、主廠房、破碎車間以及壓濾車間、空壓機(jī)房和介質(zhì)庫(kù)等，并繪制非標(biāo)施工圖、管道施工圖。所有布置需滿足土建設(shè)計(jì)條件，為土建設(shè)計(jì)者提供樓層結(jié)構(gòu)開孔資料。

(3)土建專業(yè)設(shè)計(jì)者根據(jù)機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)者提供的資料，進(jìn)行單體廠房建筑土建設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。土建資料再反饋機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)者，進(jìn)行優(yōu)化、深化設(shè)計(jì)，這樣循環(huán)往復(fù)至合理。

(4)在形成的布置圖基礎(chǔ)上，由電氣專業(yè)設(shè)計(jì)者進(jìn)行電纜橋架的布線，主要電氣設(shè)備及開關(guān)電路的布置等。

(5)暖通和給排水專業(yè)設(shè)計(jì)者進(jìn)行外部管線布置和廠房?jī)?nèi)部供暖設(shè)施的布置，對(duì)鍋爐房單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(6)各專業(yè)設(shè)計(jì)者繪制各自專業(yè)的最終施工圖，匯總并提交業(yè)主。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，專業(yè)內(nèi)溝通確定設(shè)計(jì)方案，各專業(yè)間互相提供資料，上游專業(yè)和下游專業(yè)的溝通全部使用二維圖紙，目前普遍使用的是AutoCAD 2004-2019不同版本，少數(shù)單位使用CAXA電子圖板。

2.2 二維設(shè)計(jì)的優(yōu)劣

2.2.1 優(yōu) 勢(shì)

(1)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基于二維平面，約定俗成的設(shè)計(jì)習(xí)慣容易接受。

(2)二維設(shè)計(jì)出圖類項(xiàng)目可以直接借用CAD簡(jiǎn)單拉伸、拖拽命令即可成圖。

(3)圖紙資料利用電子郵件傳遞，所占存儲(chǔ)空間不大。

(4)施工單位及業(yè)主普遍容易接受。

2.2.2 劣 勢(shì)

(1)設(shè)計(jì)材料不直觀，信息容易丟失。

(2)受制圖人員主觀能動(dòng)性影響較大，復(fù)雜項(xiàng)目不容易檢查。

(3)專業(yè)間溝通往復(fù)，后期圖紙版本混亂。

(4)施工現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)計(jì)專業(yè)脫節(jié)。

(5)專業(yè)間默守各自圖紙，溝通不暢。

3 BIM技術(shù)在選煤廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 BIM模型和選煤廠設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有初設(shè)的選煤廠設(shè)計(jì)圖紙上，選用合適的三維建模軟件建立的BIM模型，可以直觀反應(yīng)選煤廠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備、MEP管路等，并且在經(jīng)過(guò)深化設(shè)計(jì)達(dá)到一定的詳細(xì)程度后，選煤廠的每一個(gè)構(gòu)件都附帶自身屬性并可查詢其型號(hào)、規(guī)格、重量、生產(chǎn)廠家、設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)日期等。[5]

Autodesk公司旗下的軟件Revit從2012版到2019版不斷更新，最終將土建結(jié)構(gòu)MEP設(shè)計(jì)等綜合在一起，完全可以承擔(dān)BIM模型的建立工作，目前是各大高校的培訓(xùn)軟件和大型建筑企業(yè)的首選。達(dá)索系統(tǒng)與Bentley系列軟件功能有所側(cè)重，但功能大同小異，有各自的特點(diǎn)，路橋設(shè)計(jì)院使用達(dá)索系統(tǒng)的比例要超過(guò)70%，水利水電設(shè)計(jì)院使用Bentley系列軟件的居多。

企業(yè)需要根據(jù)自己的實(shí)際專業(yè)情況選用不同的軟件。選煤廠可根據(jù)機(jī)械設(shè)備多、非標(biāo)多、對(duì)尺寸精度要求高等特點(diǎn)，使用Inventor，Proe或Solidworks軟件對(duì)設(shè)備等進(jìn)行實(shí)體化建模。介質(zhì)管道和煤泥水等管路可以使用Revit走線。土建結(jié)構(gòu)模型亦可以用Revit設(shè)計(jì)。最后把所有模型匯總至Naviswork Manage軟件下，形成NWD或NWF文件，供碰撞檢測(cè)和動(dòng)態(tài)模擬等進(jìn)一步操作。圖1所示為美國(guó)某選煤廠采用Revit軟件設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)模型。

圖1 美國(guó)某模塊化選煤廠設(shè)計(jì)使用Revit建立的鋼結(jié)構(gòu)模型

優(yōu)勢(shì)：① 按專業(yè)劃分，多種軟件配合使用，提高了設(shè)計(jì)靈活度；② 各專業(yè)能發(fā)揮自己的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)；③ 提升企業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)能力；④ 便于二次開發(fā)和參數(shù)化設(shè)計(jì)[8]。

劣勢(shì)：① 使用軟件過(guò)多，價(jià)格昂貴；② 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換不暢通；③ 需要工程師掌握多種軟件，增加培訓(xùn)成本。

3.2 BIM協(xié)同平臺(tái)和選煤廠設(shè)計(jì)

BIM協(xié)同平臺(tái)通過(guò)瀏覽器就能瀏覽BIM模型效果(無(wú)需安裝任何插件)，同時(shí)也開放平臺(tái)一些API，易于開發(fā)。用戶能夠上傳模型進(jìn)行在線瀏覽、在線批注、評(píng)論，對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行版本的管理和變更，遠(yuǎn)程工作組、企業(yè)內(nèi)部協(xié)同工作，實(shí)時(shí)共享模型、模型授權(quán)和權(quán)限控制等功能[7]。

在選煤廠設(shè)計(jì)中，可以利用BIM協(xié)同平臺(tái)達(dá)到如下目的：

(1)各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員共享BIM模型，大大減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；

(2)專業(yè)間協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的效率得到有效改善，省去了彼此之間互相提供資料的麻煩；

(3)摒除了不同圖紙版本冗繁易亂的缺點(diǎn)，使得工程技術(shù)人員能夠集中力量完成本專業(yè)設(shè)計(jì)；

(4)設(shè)計(jì)人員和施工人員能夠得到有效溝通，針對(duì)同一處問題，準(zhǔn)確做出合理的方案；

(5)利用平臺(tái)物料管理等信息，對(duì)施工成本進(jìn)行有效控制[3-4]。

利用BIM協(xié)同平臺(tái)輕量化的功能，結(jié)合GIS系統(tǒng)，可以完成如下工作：

(1)統(tǒng)一建立廠區(qū)等高線，對(duì)廠區(qū)進(jìn)行整體規(guī)劃，局部進(jìn)行日照分析、坡度分析、視域分析；

(2)將音頻、視頻及外部數(shù)據(jù)庫(kù)整合，充分發(fā)揮一體化平臺(tái)的功能；

(3)將選煤廠工藝流程、煤質(zhì)資料、設(shè)計(jì)說(shuō)明書、變更資料、施工組織設(shè)計(jì)等統(tǒng)一納入平臺(tái)進(jìn)行分類管理。

目前BIM協(xié)同平臺(tái)主要有廣聯(lián)達(dá)BIM5D、魯班BIM系統(tǒng)平臺(tái)、Bentley-PW平臺(tái)、智慧建設(shè)、天寶公司5D等。圖2所示為采用某協(xié)同平臺(tái)管理軟件對(duì)選煤廠進(jìn)行巡視及碰撞檢查。

圖2 某協(xié)同平臺(tái)管理軟件進(jìn)行選煤廠全廠巡視及碰撞檢查

3.3 BIM+VR和選煤廠設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近兩年飛速發(fā)展，HTC公司和Microsoft公司分別推出了HTC Vive和Hololence，以及相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案。目前這些技術(shù)多用于建筑裝潢設(shè)計(jì)，能夠給業(yè)主身臨其境的感覺。在選煤廠項(xiàng)目投標(biāo)階段，在BIM模型前期設(shè)計(jì)完整的前提下，作為設(shè)計(jì)方完全可以提供真實(shí)場(chǎng)景的搭建。

經(jīng)測(cè)試，目前以下兩種技術(shù)路線是可行的：

(1)使用Autodesk Revit建立模型，然后使用Revit live上傳云端進(jìn)行輕量化處理，下載數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入StingRay動(dòng)畫設(shè)計(jì)引擎，配合HTC Vive頭盔即可；

(2)使用Revit或其他軟件建模，然后統(tǒng)一將模型轉(zhuǎn)換為FBX文件格式，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D動(dòng)畫引擎，配合VR眼鏡即可。

需要注意的是，模型數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換時(shí)可能會(huì)有丟失，比如材質(zhì)和附屬的其他信息。專業(yè)軟件開發(fā)公司推出的BIM協(xié)同平臺(tái)，利用WebGL等技術(shù)，可以使模型達(dá)到高保真的效果，解決屬性丟失和查詢的問題。與不同軟件之間的相互數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換相比，這種方法則更有現(xiàn)實(shí)意義。

3.4 BIM+物聯(lián)網(wǎng)和選煤廠設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對(duì)象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化三個(gè)重要特征。

在選煤廠中，有大量的如旋流器、振動(dòng)篩、破碎機(jī)、磁選機(jī)等分選設(shè)備，也有眾多的非標(biāo)設(shè)備，泵及管道等水力設(shè)備，還有不同處理階段的煤質(zhì)煤樣，有彼此各異的鋼結(jié)構(gòu)和土建構(gòu)造，其涵蓋的信息比較復(fù)雜。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合選煤廠的優(yōu)勢(shì)主要有：

(1)綜合繁雜的信息；

(2)利用協(xié)同平臺(tái)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)信息；

(3)獨(dú)立生成標(biāo)識(shí)。在BIM模型中，每一個(gè)BIM構(gòu)件都可以生成自己獨(dú)立的標(biāo)識(shí)，也可以生成二維碼圖片；

(4)結(jié)合VR技術(shù)，AR技術(shù)，實(shí)時(shí)查看模型，了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和基礎(chǔ)信息；

(5)提高選煤廠運(yùn)營(yíng)效率，節(jié)約人工成本，科學(xué)管理，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

要使BIM+物聯(lián)網(wǎng)和選煤廠設(shè)計(jì)結(jié)合，必須要做到以下幾點(diǎn)：

(1)建立安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；

(2)整合全廠大數(shù)據(jù)；

(3)采用RFID無(wú)線射頻技術(shù)；

(4)采用云平臺(tái)技術(shù)[6]。

3.5 智慧工廠

隨著大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)的發(fā)展，各大選煤廠在運(yùn)營(yíng)期間，求真務(wù)實(shí)、積極創(chuàng)新、紛紛提出智能化選煤廠的概念并進(jìn)行主動(dòng)嘗試，結(jié)合RFID射頻、傳感器、伺服電動(dòng)機(jī)等自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)選煤廠進(jìn)行設(shè)備管理、空間管理、安全應(yīng)急管理等。

2018年舉辦的中國(guó)煤炭洗選加工論壇上，智能機(jī)器人采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、伽馬射線在干法選煤中的使用、神東洗選中心的智能化選煤廠建設(shè)(智能分選、照明、加藥，智能裝車、識(shí)別，智能配電和推送維修工單)等一批新課題和新技術(shù)得到大家的認(rèn)可。意味著如何把人工智能技術(shù)融合于選煤廠設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，開發(fā)建設(shè)省時(shí)、省力、安全、高效、綠色、智能化的全新選煤廠已成為重點(diǎn)發(fā)展方向。

要想建立智慧工廠即智能化選煤廠，需要建立以下平臺(tái)：

(1)選煤廠大數(shù)據(jù)子平臺(tái)；

(2)建筑信息子平臺(tái)；

(3)地理信息子平臺(tái)；

(4)空間管理子平臺(tái)；

(5)應(yīng)急預(yù)案子平臺(tái)；

(6)設(shè)備設(shè)施管理子平臺(tái)；

(7)安全生產(chǎn)監(jiān)控子平臺(tái)；

(8)數(shù)據(jù)互聯(lián)集成系統(tǒng)；

(9)產(chǎn)品客戶服務(wù)職能平臺(tái)[9]。

主要應(yīng)用以下技術(shù)：

(1)將移動(dòng)端、Web端、PC端三者統(tǒng)一；

(2)搭建安防管理系統(tǒng)，消防管理系統(tǒng)，設(shè)備管理系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)；

(3)采用自動(dòng)化技術(shù)；

(4)采用GIS定位技術(shù)等。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者提出了幾項(xiàng)能夠用于選煤廠設(shè)計(jì)的BIM新技術(shù)，新思路，新方法，供廣大設(shè)計(jì)人員探索探討。根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門指導(dǎo)意見中提出的規(guī)劃目標(biāo)，到2020年末，新立項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，集成應(yīng)用BIM的項(xiàng)目比率要達(dá)到90%。因此，應(yīng)用BIM技術(shù)是大勢(shì)所趨，對(duì)企業(yè)也是機(jī)遇和挑戰(zhàn)。而選煤廠作為煤炭資源有效加工利用的重要工廠，如何將BIM等新技術(shù)切實(shí)融合到實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，更新設(shè)計(jì)方法、理論、流程，提升設(shè)計(jì)效率，增加企業(yè)效益，將是未來(lái)幾年不變的研究課題[10]。