BIM技術在大型甘蔗糖廠設計中的應用

賀 湘，羅慧明，郭榮來

(中國輕工業廣州工程有限公司，廣東廣州511447)

0 前言

近年來，國內外新建的甘蔗糖廠產能規模越來越大，如埃塞俄比亞瓦爾凱特新建的24000 t/d的甘蔗糖廠項目，廠區總占地面積達75000 m2，建構筑物單體數量將近80個，設備、管道、公用工程及室外綜合管廊的布置也錯綜復雜。如何在較短的設計周期內高效管理整個項目，協調好土建、工藝系統、水電暖等各專業之間的工作，以完成高質量的設計成果，無疑成為了大型糖廠項目設計的一大挑戰。

“BIM”是Building Information Modeling的簡稱。隨著BIM技術的不斷發展，越來越多的業主和設計單位都開始接納并采用這一新的技術。BIM技術應用于民用建筑的例子已經非常多，但是在大型糖廠設計中，BIM技術的應用還較少。本文基于BIM技術和大型糖廠的特點，采用PDMS軟件完成了該糖廠的工藝系統設計，并與傳統設計方法進行了對比與分析，為糖廠設計提供指導和參考。

1 BIM技術的特征[1-3]

BIM技術主要特征可概括為以下幾個方面：

(1)可視化?？梢暬荁IM技術最直觀的特點。通過BIM軟件建立的模型能夠很直觀地進行展示，三維立體視角呈現的效果使得設計人員可以更加清楚地了解整個工程的布局和各種構件的空間關系。一些在二維平面圖上容易誤解或者表達不清楚的地方，在三維立體空間內可以清楚地呈現出來，如果工程設計存在問題，也能夠很清楚地識別出來。這就使得各專業之間、設計人員與校審人員之間的交流更加便捷明了。

(2)信息化。BIM技術是信息化的產物。BIM最大的技術特點就是可以將各個方面的信息進行整合，通過BIM技術建立項目三維虛擬模型，建筑工程中的各項參數信息都能夠在模型中體現。這些信息不僅能在專業內部進行交流，也能在專業之間流通，更重要的是模型中的所有信息還能用于工程全生命周期的各個階段，為施工管理、造價以及運行維護提供信息。

(3)協同性?，F代建筑工程是一項十分復雜的系統性的工程，涉及的專業往往很多，同時參與的單位和人員數量也不少。不同專業之間、不同單位之間以及不同人員之間的交流和溝通就顯得尤為重要。在傳統的設計模式下，需要總工和項師統一協調，不僅協調工作量較大，而且還容易出現錯漏。BIM技術為整個項目提供了一個信息共享的平臺，各專業人員可以方便地查詢相關環節的進展并跟進工作，為自己的工作做好準備并且可以及時調整。如果某設計人員更新了設計內容，其他參與的人員可以馬上知曉，這就使得交流更加順暢有效，大大提高了設計效率。

2 大型糖廠項目的設計特點

總體而言，近年來新建的糖廠項目具有以下特點：

(1)產能規模越來越大。近年來國內外新建的甘蔗糖廠產能規模越來越大，廠區用地面積增多，建構筑物數量也增大，各專業的設備及管線交叉也會更加復雜。比如本公司近幾年設計的糖廠中，在埃塞俄比亞歐姆地區新建有2個12000 t/d的原糖廠，在柬埔寨柏威夏省新建有20000 t/d的原糖廠及配套的煉糖廠，在埃塞俄比亞瓦爾凱特新建有24000 t/d的原糖廠及配套的煉糖廠等。

(2)建構筑物單體數量多。一般的甘蔗糖廠主要包括原料預處理間、制糖工藝間(包括澄清工段、蒸發工段、煮糖工段、干燥裝包工段)、原料和成品倉庫、熱電站和配套公用工程等，建構筑物單體數量非常多。

(3)設備和管道數量多，極易發生各類碰撞。設備、管道、公用工程及室外綜合管廊的布置錯綜復雜，極易發生各類碰撞。

(4)設計周期相對較短，出圖質量要求較高。

(5)海外項目材料統計的準確度要求較高。海外項目的材料均從國內海運或空運，運輸費用大，這就要求設計階段統計材料要有較高的精準度，盡可能不重不漏。

3 基于BIM的大型糖廠工藝配管設計流程

BIM技術發展到今天，已經涌現了很多高效好用的 BIM 軟件，目前在建筑工程領域主要有Autodesk公司開發的Revit、AVEVA公司的PDMS系列、Bentley公司的 AECOsim系列、Graghisoft公司的ArchiCAD等。其中PDMS軟件在工業建筑的工藝管道設計中的應用最為廣泛，國內外許多企業和設計院都在使用PDMS軟件代替AutoCAD應用于大型復雜工程的設計[4-9]。

本項目BIM設計平臺主要由Revit和PDMS兩大軟件系統組成。其中，Revit系統主要用于土建包設計(含建筑、結構、水工、暖通、電控等專業)，PDMS系統主要用于安裝包設計(含熱力、工藝系統等專業)。

應用BIM技術進行糖廠設計的主要流程為：

(1)建立標準數據庫。在設計初期，各專業需進行設計輸入：土建專業將二維 AutoCAD圖導入建模，并建立構件選用數據庫；工藝系統專業需建立管道等級數據庫、閥門管件數據庫；給排水、電氣儀表等其他專業也相應建立自己的數據庫。

(2)建立帶接口的設備模型。各專業尤其是工藝系統、給排水、熱力專業根據設備資料建立帶管嘴法蘭方位的設備模型。帶管口方位的設備資料需由工藝專業在前期與設備廠家進行溝通，確定最佳管口方位。

(3)管道設計與建模。設計過程中，各專業尤其是工藝系統、給排水、熱力專業需根據 P&ID圖進行管道設計，P&ID圖中所有信息均需在平臺中得到體現，如管道壁厚、保溫層厚度、管道材料、管件選用等，方便設計完成后直接輸出材料統計表。

(4)建立管道附屬構件。如建立管道支吊架及操作平臺模型。

(5)管路分析與碰撞檢查分析。設計結束后全方位進行管道碰撞檢查，若發現有碰撞，及時更改走向，直到100%無碰撞。

(6)自動化生成圖紙。設計完成后，可通過自動出圖軟件進行設計結果輸出：包括平面圖、任意位置立面圖及單管ISO圖。圖紙文件為dwg格式。

(7)自動化報表統計。依據公司規定的Excel表格樣式自動輸出各材料表，如管段表、材料匯總表、管道特性表、閥門統計表等。

4 BIM技術與傳統設計技術的對比分析

通過比較基于 BIM 技術的設計方法和傳統AutoCAD二維設計方法在設計思路、設計流程和軟件操作等方面的不同，可以很容易發現，基于BIM技術的設計方法相較于傳統方法有很明顯的優越性，具體體現在以下幾個方面。

4.1 設計方案形象直觀展示

在傳統 AutoCAD設計模式下，設計成果都是二維的，通常按照不同的專業或設計范圍分散存放，既抽象也不便于快速查詢或檢索，不利于業主、監理及施工等各單位準確高效地理解設計意圖或項目的整體情況。

在BIM設計模式下，設計成果中不僅有二維的施工圖，還有三維的虛擬模型和工程動畫(圖1)。尤其是在三維虛擬模型中，集中存放了各個專業的設計成果，既形象生動又便于快速查詢或檢索，有利于業主、監理及施工等各單位準確高效地理解設計意圖。經過渲染之后生成的工程動畫，可實現對項目的三維仿真漫游，預先體驗項目的建成狀況；還可實現對運營工況、交通、人流及物流工況的模擬分析，有利于項目設計優化。

圖1 AutoCAD設計圖和BIM技術設計圖對比

4.2 便于各專業協同設計和項目進度控制

傳統 AutoCAD設計模式下，建筑、結構、工藝系統、水工、暖通等各個專業都是在相對獨立的軟件環境下完成本專業的設計工作，難以及時發現本專業的設計對其它專業可能產生的影響。因此，傳統 AutoCAD設計模式下，各專業間碰撞情況較多。

而在 BIM設計模式下(圖 2)，包含有管道、橋架、結構、建筑和暖通等設計模塊，數據均統一存放在項目服務器上，各專業可在三維平臺上協同設計并實時查看其它專業的設計模型，有助于各專業的交流，減少碰撞，更高效優質地完成設計工作。

圖2 BIM技術自動生成各車間完成進度情況

良好的協同作用和實時查看功能，采用BIM三維平臺進行設計對于項目管理也提供了便捷性，項目管理者可以實時地在三維平臺上查看項目的設計模型，掌控項目的設計進度，且隨時可自動生成各車間的工作完成情況表。

4.3 確保材料選用的一致性和材料統計的正確性

在傳統 AutoCAD設計模式下，土建材料、管道安裝材料等的工程量統計都是人工計算，效率很低，準確度有限，且不同專業間材料選用的標準不盡相同。

而用BIM三維軟件設計時，平臺建設團隊依據標準規范和公司規范化的管道等級，在配管設計前便已經建立管道的等級數據庫。各專業配管設計人員在項目配管設計過程中，只需按照公司的標準化管道等級選擇材料，保證了材料選擇的正確性和規范化。

而設計完成后，BIM技術設計的ISO單管圖中含有材料表(不用出管段表)，材料匯總表自動生成符合公司格式的材料表，無需人工統計，提高工作效率同時保證了材料統計的正確性(圖3)。如若修改管路，其對應的材料將自動更新，這大大減少了設計人員的工作強度和時間成本。

圖3 PDMS自動提取的ISO單管圖及材料表

4.4 管道留孔提資的高效性和正確性

在 BIM 三維平臺完成配管設計和土建模型的建模后，管道的穿墻樓板孔洞，可在軟件中自動在樓板和墻上開孔，并在對應管道ISO圖中標識穿墻符，無需手工在BIM平臺中開孔，并把BIM平臺中開孔完成的樓板和墻信息提出后自動生成dwg格式圖紙，提資給建筑，從而提高了設計人員的工作效率和準確性(圖4)。

4.5 減少施工階段變更，節省施工成本

以碰撞檢查為例，在傳統設計模式下，圖紙方案中存在的一些問題，比如管道之間的碰撞、管道和設備間的碰撞、管道和建構筑物之間的碰撞或者安裝空間不足等，在設計審查階段難以及時完全發現，往往都是在施工階段才被一一暴露。這就容易造成設計返工或施工進度延誤。

而在三維設計模式下，協同作業程度較高，設計軟件也自帶了碰撞檢查功能，無論是管道之間的碰撞、管道和設備間的碰撞、管道和建構筑物之間的碰撞，都可以100%地將各種存在碰撞問題暴露出來，使其在設計階段就能完全解決。這就可以顯著減少施工階段的各類變更，減少了工期的延誤，從而大大減少施工成本(圖5)。

圖4 BIM技術管道留孔提資圖

圖5 BIM技術碰撞檢查（管與建構筑物碰撞）

5 結論

相對于傳統二維設計手段，通過采用BIM技術可獲得項目三維數字模型，可使大型糖廠設計的精準度和設計深度大大提高。從設計提資、各專業協同工作、設計過程碰撞檢查、自動生成材料表以及三維可視動畫等方面，與傳統二維設計相比，大大提高了設計人員的工作效率，提高了設計的準確度，有利于整個項目的管理和控制，使糖廠設計水平上了一個新臺階。