BIM技術在選礦工程設計中的應用

楊海龍

(中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

BIM設計的最大優勢就是對一個工程項目的全生命周期的智能管控。BIM技術優勢明顯，但選礦行業從業者對其應用大多不夠熟練，尤其不夠了解其設計組織流程、文件要求，且三維設計工具的掌握也需要一定的培訓和學習，數據庫的建立需要一定的經驗和積累，能夠達到充分認識、熟練應用，更是一套系統化的工程。本文將主要從設計角度出發，主要研究BIM技術在設計階段的應用。

1 BIM技術簡介

BIM，全稱Building Information Modeling，中文翻譯為建筑信息模型。BIM技術起源于美國，2000年之后在我國開始應用于石化行業。石化廠是典型的流程工廠(plant)，料流主要是通過管道輸送，選礦廠也具有這一特點。選礦工藝的結構同石油化工行業非常接近，從原料進廠到成品出廠，是一個完整的流程過程。化工行業在BIM設計中所取得的經驗，在選礦廠的BIM設計中也可以借鑒使用。

BIM技術是以建筑工程項目的各項相關信息數據為基礎建立模型，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。從建筑(工程)的設計、施工、運行直至建筑全壽命周期的終結，全部信息整合于一個三維模型信息數據庫中，設計方、業主方、制造方、施工方等各方人員可以基于BIM模型進行協同工作，有效提高工作效率、降低成本和投資。BIM技術作為一項重要的建筑工程輔助技術，以數據庫為核心，通過參數模型整合工廠所需的所有設計范圍內的工藝、建筑、設備、電氣、儀表、管道等信息，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，使工程技術人員對項目信息作出正確理解和高效應對，提供設計團隊以及包括建筑運營單位在內的各方建設主體協同工作平臺，使整個設計可以對施工過程進行仿真、評估和優化。

BIM技術在設計階段可以實現直觀化、可視化的協同設計，可以實現精確化、精細化設計，為在生產制造和施工階段實現工廠制作、模擬安裝，模塊化預組裝提供可能性和技術保障,并可以提高施工環節的施工效率。在工廠生產運行階段，利用三維模型及其數據庫進行設備管理、備品備件管理、維修維護管理，在空間和時間上同時進行有效的管理。

2 BIM技術在設計中的優勢

BIM設計在設計中有很多優勢，主要體現在以下方面：

(1)可視化：BIM軟件所建立的立體模型即為設計結果，各方工程人員可以更直觀了解設計；疫情期間其優勢就可得到充分的體現，雙方看著模型對話就如同當面交流。

(2)一體化：所有參數都集中于同一模型，所有圖紙都由同一模型生成。

(3)參數化：通過對標準化參數調整，即可建立和修改相互關聯的對象；可隨時提取所需的所有參數,即參數化輸入和參數化輸出。

(4)仿真性：仿真模型反映真實結果，并可適時檢查碰撞，可模擬、指導施工。

(5)協調性：參數化設計、調整可直接協調相關聯對象，多專業協調設計，避免碰缺，高效無誤。

(6)優化性：參數化、協調性決定了隨時優化的便利性和可能性；碰撞檢查，減少施工變更。

(7)可出圖性：可滿足各種出圖要求，模型切圖，準確直觀。

當然。BIM還有很多優點，比如可快速算量，精確統計；具有開放性，可兼容多款軟件等一系列的優點。

3 BIM設計工程組織

傳統設計一般多為二維設計，從設計、施工、到營運維護管理，其流程多為線性流程。BIM設計是一個系統化的組織模式和設計手段，需要各方的參與和配合。BIM設計貫穿整個項目的設計過程，包括項目前期、基本設計和詳細設計。國內工程與國外工程設計階段名稱有差異，稱為初步設計和施工圖設計，較國外設計深度淺。BIM技術在詳細設計階段的應用難度最高，應用效果也最為明顯。下文以詳細設計階段BIM技術研究為主。

3.1 項目管理團隊組建

項目管理團隊通常需要包括項目經理、設計經理、進度工程師、文控幾個主要崗位。BIM設計模式交付文件數量巨大，文控管理至關重要，需要專業文控人員專職管理。

3.2 BIM設計準備階段

開展BIM設計之前，需要做一系列的準備工作，主要包括編制設計基礎和編制設計標準。設計基礎和設計標準是開展BIM設計的基礎性和原則性文件，如前期基本設計階段有該文件，詳細設計階段在此基礎上進行更新、細化補充即可。

在設計開始前期，國外業主會提供各專業的設計標準，以及相關專業的典型圖和標準圖。國內業主一般不會提供以上文件，需要設計院來編制。設計標準內容包括項目標準、圖紙要求、制圖標準、設計范圍、設計分區、文件編碼、設備編碼和命名標準、管道設計標準、管道規格書、閥門規格書、儀表和控制設計標準、特殊管件標準等。在開始繪制P&ID之前必須對這些標準和規范進行詳細的學習和整理。

業主提供的設計標準只是一些常規的、通用的要求，針對項目的具體要求很少，設計院應結合項目，制定該項目適用的設計標準。如沒有足夠深度的設計標準，設計過程中會出現比較多的設計修改，包括工藝布置方案、管線布置方案和敷設方式、電氣供電方案、儀表、控制系統現場控制箱合并、通信與控制系統網絡設備合并等一系列修改，將會導致了大量的設計返工和進度的延期。因此前期應投入足夠的時間和人力，各專業參與，認真研究業主提供的文件，把業主要求弄清弄透，并與業主充分溝通，溝通結果形成詳盡的文字記錄，雙方簽字。

3.3 BIM設計階段

BIM設計階段需要交付的設計文件種類很多，主要包括P&ID、三維信息模型、物料平衡表、控制邏輯、ISO圖、GA圖、設計說明書及表單資料，甚至有時需要編制試車文件。能夠體現工藝專業內容的文件只有設計說明書、GA圖和工藝數質量流程圖這幾個文件。其他內容是與常規設計習慣和模式區別最大的方面，BIM設計模式需要將這些內容都反映在具體的文件中。

3.3.1 P&ID設計及組織過程

P&ID，即管道儀表流程圖。P&ID是工藝設計的核心，借助項目初期規定的圖形符號和文字符號，用圖示的方法把工藝過程中的全部設備、儀表、管道、閥門及管件，按其功能以及工藝要求組合起來，能夠直觀看到各個生產過程的工作和控制原理。其核心在于數據管理，其產生的數據可以批量導入和導出數據庫，自動生成設備、管道、儀表等報表。

項目的工藝流程設計，需結合PFD(Process Flow Diagram)，通常P&ID是在PFD的基礎上發展起來的。根據工藝流程，繪制全部工藝設備、儀表、閥門、管道、管件。如已經繪制PFD可以在PFD的基礎上開展工作，以PFD為基礎進行分解和細化。首先按照整個工藝流程按照區域和系列對P&ID的整體進行規劃，盡量優化整個項目P&ID的結構。主要繪制過程如下：

(1)繪制主工藝設備、主工藝管道。

(2)繪制次工藝設備、次工藝管道。

(3)繪制儀表、閥門和管件。

(4)繪制控制回路。

(5)繪制輔助系統：冷卻水、軸封水、沖洗水、安全噴淋、儀表供氣及工廠空氣等系統。

(6)優化圖面，補充注釋和說明。

(7)提交審核，首先完成內部審核，然后提交業主審核。

(8)P&ID完成后，可以根據工程需要依據P&ID生成設備表、閥門表、儀表清單、管線表、管件表等表單。

P&ID圖是整個設計項目中最核心的設計工作，是設計院將設計思路轉化為設計產品的核心保證，這項工作需要各專業密切配合，各專業負責人全程參與，充分尊重SDDL文件交付及基本設計原則基礎上形成。由于P&ID圖的信息量巨大，工作繁瑣，前期準備、內審核、邊設計邊修改、外審核到設計完成需要花費大量的時間精力整合，需要形成一套新的設計流程，盡量保證修改的少，質量較高，最大程度上符合SDDL交付初始文件標準，為后續施工圖專業留下高質量的作業環境和工作時間。

3.3.2 三維模型設計及組織過程

開展三維設計之前，需要根據業主訂貨資料建立該項目使用的設備數據庫。數據庫建立需要有完善的設備資料，包括所有設備的詳細資料，型號、臺數、接口、工藝要求、管口、控制要求。對于成套的設備，應有設備廠家提供符合標準的設備P&ID。

三維模型是包含全部數據信息的參數化模型，是貫穿項目始末的設計產品。中間過程可分階段接受業主的審核，共同商議方案布置和設計細節，直觀可視，精確無誤。

業主對三維模型的審核通常采用審查會的模式，一般有30%、60%、90%三次審查會。其中30%的審查主要確認方向正確，比如確認遵循了相應的規范，遵循了業主的文件要求，遵循了業主的項目流程，這個階段需要提供初步的詢價、訂貨和招標需要的資料，例如Mass balance、設備數據表和土建圖紙等。60%審核是在已獲得了準確的機械設備資料基礎上開展詳細設計并完成了管道、結構、工藝等計算，并以圖紙的形式反映出來，在進一步深化工作之前通過審查會的形式，確保設計可行，避免跑偏，這個階段的審核意見會形成一個action register表格，在此之后大部分的設計工作會按照表格的審核意見進行，直至所有的項目關閉。90%審查會是在設計按照60%審查意見完成后進行的審查，主要針對生產和維修，審查的重點是設備、閥門、儀表的觀察、維護和更換，確認檢修平臺、欄桿等，確保通行寬度。審核可以提高設計質量，但是較大程度上延緩設計進度，大幅增加設計重復量，需要在設計前期注意考慮檢修平臺，且符合業主要求的標準或者項目所在國家的標準。

3.3.3 其他重要交付文件

(1)ISO圖，即管道軸側圖。通過管道模型生成，生成的管道信息清晰，數據精準，可滿足工廠準確加工制作、現場準確安裝的需求。

(2)GA圖，即平面布置圖。為清楚表達各層平臺的工藝設備布置，按不同平臺標高出圖。設計時通常應清楚表達本平面在設計單元所處位置的關鍵平面圖。平面圖中除軸號、標注尺寸外，圖中的所有工藝設備布置、梁、柱、梯子等內容均用實線表示。預留建筑或已有建筑、主要管線走向等設計內容用灰色點劃線表示。如本平面圖只是設計單元的局部，用高亮點劃線將本平面圖嚴格按分界線圈出。每條分界線上均應給出與本平面圖接界的設計圖圖號。如與本平面圖接界內容屬于設計范圍外，也請予以注明。文字標注內容包括圖中所有設備編號且編號與P&ID一致。

4 模塊化設計

BIM技術應用的高級模式可以實現模塊化設計。模塊化設計是指將鋼結構、設備、管道、儀表及電纜橋架等按照工藝要求有序地布置在項目所在地之外的特定空間內，每個特定空間稱作一個模塊，然后通過設計的運輸方式將模塊運輸至項目施工現場，這些模塊之間通過連接件進行現場連接。對于一些對運輸有特別要求(如一些儀表)和其它無法放入模塊內的單體大型設備及零散管件可考慮一并運輸到現場再安裝。與傳統的施工方法相比，模塊化的建設模式有著許多傳統建設模式無法比擬的有點，主要表現在以下方面：

(1)施工更加安全，由于模塊加工場地條件好，子模塊作業都是在地面完成，減少了大量的 高處作業和腳手架的作業量，降低了安全風險，減輕了現場管理的負荷量。

(2)可以同時開展幾個模塊加工，不用像傳統施工那樣必須沿高度按順序施工，可大幅加快施工進度。

(3)由于模塊化施工，主要的工作都是在地面上進行，鋼結構的幾何尺寸和焊接質量更容易 保證，也便于檢查控制，這就大幅提高了工程質量。

(4)由于模塊化的加工可選擇在人力及材料成本相對較低的地方，這樣就大幅減少工程造價。

此外，模塊化設計可更好的實現施工組織設計的過程的安裝模擬，進行安裝全過程預演，驗證施工安裝的流程、工序，確定合理的施工方案來指導施工。同時，提供相關數據報告，使施工人員更清楚、透徹掌握施工過程，大幅減小返工和整改，提高施工安裝效率，降低施工安裝成本。

5 三維協同設計及信息共享在BIM設計中的重要性分析

隨著企業計算機技術運用的不斷深入，協同設計管理手段是目前應用在企業中最多、最高效的管理手段[1]。BIM設計就是在同一平臺下工作，實現協同設計和信息共享。

建立統一的共享管理平臺，可以優化管理，解放人力，改善混亂的設計流程中出現的各種問題，包括，數據的存儲和備份，數據的歸檔、查詢和共享，滿足上下游專業委托的規范性以及專業內部的統籌協調安排，將文控的數據庫能夠整合進入管理平臺，不僅可以避免數據的遺失和更新不及時問題，也可以較好的保證文控的規范性和數據的共享，由于平臺的存在可以方便管理。平臺數據的歸檔工作，可以方便設計圖紙的借閱，也可以明確設計進度的狀態，設計人員在這個平臺上可以看到所有與項目相關的不同版本(包括最新版本)的委托資料、設備資料、與業主的來往文件、SDDL等，保證各專業設計基礎的正確性和一致性。

6 結語

通過分析BIM技術在選礦工程中的應用可以看出：

(1)BIM技術是國際通用的設計手段，是選礦行業設計領域的發展方向。

(2)BIM技術優勢明顯，是實現精細化設計，提升設計水平的最佳手段。

(3)BIM技術應用需要系統化的管理和組織，不止是三維工具的使用，需要企業從管理、組織、培訓及信息化建設方面等方面大家堅實的基礎作為保障。

(4)BIM技術是模塊化設計的基礎保障手段，是模塊化得以實現的技術基礎。

(5)BIM技術的應用需要在協同設計管理手段下實現。

(6)將BIM技術應用到我國建設項目當中,可以有效地加快項目的施工進度,同時確保項目的總體施工質量,給其成本管理等層面提供更加科學性的依據支撐[2]。