范正銳，鄭 鵬，馬駿，鮑化坤

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

余熱發(fā)電是利用在生產(chǎn)過程中（工質(zhì)燃燒過程、化學反應(yīng)放熱過程等）多余的熱能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。應(yīng)用余熱發(fā)電不僅節(jié)能，還有助于環(huán)境保護。有色冶煉行業(yè)高溫煙氣的余熱，化學反應(yīng)余熱，廢氣、廢液余熱，低溫余熱（低于200℃）等工質(zhì)中的熱（或可燃質(zhì)）均可作為余熱發(fā)電的熱源來生產(chǎn)蒸汽。余熱發(fā)電站即是通過利用余熱回收設(shè)備產(chǎn)生的蒸汽來發(fā)電的生產(chǎn)站房。

余熱發(fā)電站在有色冶煉行業(yè)應(yīng)用比較廣泛，余熱發(fā)電項目的工程設(shè)計階段的主要任務(wù)有：①完成設(shè)備選型及布置；②完成站房內(nèi)汽水管道設(shè)計；③完成工藝專業(yè)與公輔專業(yè)之間的設(shè)計協(xié)作。另外，在設(shè)計完成后進行對施工方的設(shè)計交底及施工過程中技術(shù)服務(wù)。

常規(guī)的設(shè)計手段存在著以下問題還需進一步解決：

（1）工作效率低。二維手繪圖、料單手工統(tǒng)計、專業(yè)間設(shè)計內(nèi)容不可見、設(shè)計返工多等因素，使得傳統(tǒng)的設(shè)計過程中工作效率較低。

（2）參與方信息交互困難。困難在于展現(xiàn)完整的設(shè)計內(nèi)容，需將分散在多張二維圖紙中的設(shè)計內(nèi)容在大腦中重構(gòu)立體的完整空間關(guān)系。

（3）設(shè)計疏漏多。常規(guī)設(shè)計時由于專業(yè)間缺乏協(xié)作、DN50以下管道不進行管道布置、管道支吊架布置合理性考慮欠缺，使得施工過程中集中暴露設(shè)計問題。

隨著國內(nèi)BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，加快推動新一代信息技術(shù)與建筑工業(yè)化技術(shù)協(xié)同發(fā)展，在項目建設(shè)的全過程加大建筑信息模型（BIM）、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的集成與創(chuàng)新應(yīng)用[1]。BIM常見應(yīng)用如設(shè)計方案可視化、協(xié)同設(shè)計平臺、模型碰撞檢查、工程量統(tǒng)計、BIM模型出圖等功能在工程設(shè)計過程中的應(yīng)用，使得以BIM為核心的三維協(xié)同設(shè)計理念成為項目設(shè)計效率和質(zhì)量提高的新的驅(qū)動力。

圖1 項目BIM布置模型全貌

1 工程實例

某有色冶煉項目余熱發(fā)電站裝機功率12MW，項目采用的飽和蒸汽汽輪發(fā)電機組為德國進口的德萊賽蘭（Dresser-Rand）設(shè)備。整個余熱發(fā)電站由工藝和輔助部分構(gòu)成。

工藝部分由八個部分組成：①主蒸汽系統(tǒng)；②低壓蒸汽系統(tǒng)；③除氧給水系統(tǒng)；④凝結(jié)水系統(tǒng)；⑤抽真空系統(tǒng)；⑥汽封系統(tǒng)；⑦潤滑油系統(tǒng)；⑧輔助管路系統(tǒng)。

同時還有土建、通風、電氣、自控儀表等輔助系統(tǒng)。

該工程系統(tǒng)構(gòu)成多，設(shè)計階段存在多專業(yè)交錯設(shè)計，廠房內(nèi)空間緊湊、管路復雜布置困難，在有限的設(shè)計周期內(nèi)，完成精細化的設(shè)計有較大的挑戰(zhàn)。

2 BIM模型的創(chuàng)建

與傳統(tǒng)的設(shè)計方法不同，BIM技術(shù)的應(yīng)用在模型創(chuàng)建階段不僅需要考量選取應(yīng)用的軟件平臺，同時還需要建立與項目相匹配的管道數(shù)據(jù)庫，以及搭建三維協(xié)同設(shè)計平臺。

2.1 軟件平臺選用

目前國外BIM軟件中，美國Autodesk公司的Revit系列核心工程應(yīng)用建模軟件、美國Bentley的MicroStation、OpenPlant等系列工程應(yīng)用軟件，匈牙利Graphisoft的ArchiCAD，法國Dassault的Catia較為主流。國內(nèi)BIM主流軟件包括廣聯(lián)達系列(自主平臺)、魯班系列(AutoCAD平臺)、神機妙算系列(自主平臺)和品茗系列、天正系列、斯維爾系列、理正系列、浩辰系列、博超系列、PKPM系列等，他們均基于AutoCAD平臺開發(fā)，完全遵循中國工程標準、規(guī)范和建筑設(shè)計師習慣[2]。

在BIM領(lǐng)域Revit和Bentley的覆蓋行業(yè)較廣，應(yīng)用最為普遍。Revit價格低廉，基于CAD基礎(chǔ)，上手容易。主要在民建、市政工程等領(lǐng)域BIM應(yīng)用較為廣泛。Bentley支持任何形體較為復雜的曲面，軟件架構(gòu)思路是用專門的軟件去做專門的事，將一項工程的不同構(gòu)件應(yīng)用同平臺下細分的專業(yè)軟件完成。主要應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)廠房等領(lǐng)域。有色冶煉項目屬于工業(yè)項目，該項目應(yīng)用Bentley軟件平臺較為適合。

該余熱發(fā)電廠房的工程設(shè)計應(yīng)用Bentley系統(tǒng)軟件，應(yīng)用一整套的BIM軟件架構(gòu)對項目涉及到的多專業(yè)、多種模型構(gòu)件在統(tǒng)一的三維協(xié)同平臺上進行設(shè)計工作。

其中應(yīng)用MicroStation進行設(shè)備建模以及項目模型總裝管理及配置圖切圖工作；OpenPlant Modeler用作工藝部分熱力管道、輔助暖通和給排水管道的工程設(shè)計及出圖；Open Building完成項目建筑和結(jié)構(gòu)建模；Open Roads用于廠外道路建模；BRCM完成電氣和自控橋架建模及電纜敷設(shè)；OPSE完成項目管道、橋架的支吊架建模。

圖2 余熱發(fā)電廠房的BIM軟件架構(gòu)

2.2 管道等級庫建立

BIM軟件管道數(shù)據(jù)庫里記載著真實管道元件的數(shù)據(jù)屬性信息，同時又是模擬真實管道元件的外形尺寸的數(shù)字化元件倉庫。管道等級的分類既把繁多的管道元件數(shù)據(jù)進行了有序的梳理，又因為清晰的分類便于設(shè)計者設(shè)計時選取相應(yīng)的管道元件。設(shè)計之初建立項目的管道等級庫的建立有利于設(shè)計材料選用的統(tǒng)一。在應(yīng)用BIM軟件進行管道設(shè)計時工程師根據(jù)設(shè)計需要選取合適的管道等級后進行管道布置。

余熱發(fā)電站中的管道系統(tǒng)一般以設(shè)計壓力1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、10.0MPa為分界點區(qū)分不同壓力等級的管道。另外同樣壓力等級管道按照材質(zhì)分為碳鋼管、合金鋼管、不銹鋼管。例如：主蒸汽管道等級選用100CB，其中100代表公稱壓力10.0MPa，CB為材料代碼代表碳鋼。整個余熱發(fā)電站廠房共分為32個管道等級庫。

圖3 余熱發(fā)電廠房管道等級分類表

2.3 協(xié)同設(shè)計平臺建立

應(yīng)用BIM設(shè)計最大的優(yōu)勢是使用多專業(yè)、多人之間的三維協(xié)同設(shè)計平臺，來增強項目執(zhí)行過程中的交互性。協(xié)同設(shè)計平臺重點解決：唯一的信息入口、唯一的存儲地、唯一的版本。特別是要具備多人并行工作的可能，最大的發(fā)揮協(xié)作的好處。協(xié)作的對象是人和人之間、專業(yè)與專業(yè)間、單位與單位間。好的協(xié)同平臺需要多人同時編輯同一個文件，先后階段上下游之間數(shù)據(jù)要能夠互用，可以跨地域進行遠程異地協(xié)同工作。該項目應(yīng)用Bentley的Projectwise協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)BIM工作的核心，即保證項目準確性、唯一性、一致性、連續(xù)性。通過協(xié)同提高整體效率，相應(yīng)的個體效率也相應(yīng)提高。

ProjectWise在本地的和遠程的設(shè)計團隊成員都可以協(xié)同工作，保證了在全時間段、全部設(shè)計內(nèi)容都是同步進行的。每個人只需在自己的模型中工作，只要及時保存自己的工作文件，其他團隊成員就可以實時看到最新的全廠模型。

圖4 團隊成員協(xié)同設(shè)計模式

3 與傳統(tǒng)設(shè)計相比BIM技術(shù)設(shè)計階段的拓展應(yīng)用

BIM技術(shù)在工程設(shè)計中應(yīng)用在實現(xiàn)和傳統(tǒng)設(shè)計方法相同的工作內(nèi)容及交付成果的同時，其具備的優(yōu)勢可以為工程設(shè)計過程本身帶來更有價值的應(yīng)用。

3.1 碰撞檢測

余熱發(fā)電項目工程設(shè)備管線主要包括工藝管線、強電、弱電、消防噴淋、生產(chǎn)給水、循環(huán)水、潤滑油、壓縮空氣供應(yīng)、通風空調(diào)、防排煙和采暖供熱等，這些管線在該項目廠房內(nèi)錯綜復雜，如果在施工中發(fā)現(xiàn)各種管線、構(gòu)件間發(fā)生碰撞，很容易造成返工、窩工問題。

碰撞檢測分為硬碰撞和軟碰撞兩種。硬碰撞是指實體與實體之間交叉碰撞。軟碰撞實體間實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關(guān)施工要求（安裝、檢修等）。

圖5 典型碰撞問題修改前后對比

項目在設(shè)計過程中硬碰撞經(jīng)常發(fā)生，通過碰撞檢測很容易消除。軟碰撞問題較難消除，往往軟碰撞還需結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗進行判斷。

硬碰撞檢測應(yīng)用Microstation對模型設(shè)置碰撞檢測預設(shè)條件后進行檢測分析，余熱發(fā)電站內(nèi)共檢測碰撞點358處，其中包含工藝管道自身碰撞點127處，多層布置管道與吊架碰撞48處、管道與管道間凈距不滿足碰撞檢測預設(shè)條件87處、不同專業(yè)管道和橋架間碰撞96處。將問題歸類后全部反饋給相應(yīng)設(shè)計人員進行分別處理。

軟碰撞檢測一部分通過上述硬碰撞檢測預設(shè)碰撞條件中包含各構(gòu)件間施工操作空間，以此來避免間距無法滿足施工要求的情況。另一部分主要為操作、檢修空間、安裝通道等空間的軟碰撞問題，通過在模型中設(shè)虛擬占位構(gòu)件的方法進行軟碰撞的判斷。

與傳統(tǒng)設(shè)計相比BIM技術(shù)在設(shè)計過程中的應(yīng)用預先發(fā)現(xiàn)管線碰撞沖突問題，及時將修改反饋在設(shè)計圖紙上，并進行施工方案優(yōu)化等，減少此類圖紙問題產(chǎn)生的變更，避免施工時因設(shè)計問題帶來的停工、返工，對施工時處理類似問題節(jié)約大量溝通成本，同時也為項目精細化管理奠定基礎(chǔ)，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

3.2 深化設(shè)計

與傳統(tǒng)設(shè)計相比BIM技術(shù)的應(yīng)用可以通過更加直觀、便捷的方法達到設(shè)計的深化。余熱發(fā)電項目在設(shè)計階段應(yīng)用BIM技術(shù)主要實現(xiàn)了如下深化設(shè)計內(nèi)容：

（1）BIM技術(shù)進行單專業(yè)、多專業(yè)碰撞檢查、工藝管道與建筑、結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)（包括格構(gòu)柱及鍋爐本體鋼結(jié)構(gòu)）綜合碰撞檢查。

（2）對圖紙中DN50以下及系統(tǒng)圖中未明確路由的管道進行圖紙深化。

（3）通過BIM技術(shù)增強施工的可模擬性更加直觀。

（4）管道支吊架精確建模，使得設(shè)計內(nèi)容更加完備。

（5）汽水管道應(yīng)力分析模型與BIM模型雙向互通，避免常規(guī)設(shè)計與計算“脫節(jié)”問題。

（6）管道保溫建模，使得設(shè)計元素間的凈距更加精確。

圖6 疏放水管道三維模型視圖

3.3 高效出圖

應(yīng)用BIM技術(shù)從模型出圖相較傳統(tǒng)繪制二維圖紙效率大幅提升。模型出圖范圍主要有：各系統(tǒng)P&ID圖、廠房平剖面布置圖、管道平剖面配管圖、管道ISO軸測圖、管道支吊架詳圖、材料明細表等基本涵蓋了余熱發(fā)電站工藝專業(yè)所有出圖范圍。同時公輔專業(yè)的建筑平立剖圖、建筑詳圖、通風管道布置圖、消防水管道布置圖、電纜橋架敷設(shè)圖及電纜導線表等。

模型出圖效率高主要體現(xiàn)在模型出的圖紙與模型的關(guān)聯(lián)性，使得設(shè)計修改過程不用人為修改圖面。另外BIM模型出圖大量的采用自動標注工具，使得設(shè)計圖紙中標記信息自動讀取模型信息，減少了人為輸入信息的工作量。

3.4 二次開發(fā)組合支吊架

管道組合支吊架設(shè)計方法是基于BIM二次開發(fā)技術(shù)對管道組合支吊架的設(shè)計流程進行再造，搭建管道布置、應(yīng)力分析、實體支吊架、支吊架組裝圖之間的數(shù)據(jù)實時互通，從根本上解決設(shè)計方法出圖效率低、出錯率高等問題。管道支吊架設(shè)計系統(tǒng)，包括：邏輯支吊架插入模塊、實體三維支吊架生成模塊、應(yīng)力分析模塊、支吊架設(shè)計模塊、三維碰撞檢查模塊、支吊架出圖模塊。

圖7 主蒸汽管道布置圖

圖8 主蒸汽管道ISO軸測圖

通過應(yīng)用三維的組合支吊架結(jié)合BIM應(yīng)用的碰撞檢查功能，在設(shè)計過程中避免支吊架與其他構(gòu)件的碰撞沖突。實現(xiàn)設(shè)計過程中直接從模型生成每個支吊架生根點的土建條件，便于土建專業(yè)精準的預埋鋼板，減輕了工藝專業(yè)人工統(tǒng)計和繪制預埋板條件的工作，同時也使得土建預埋更加精準。

圖9 汽水管道三維實體組合支吊架模型

3.5 設(shè)計過程三維校審

與標準的國外項目三維設(shè)計30%、60%、90%三維模型審核階段類似，余熱發(fā)電站在進行BIM設(shè)計時同樣需要根據(jù)設(shè)計進展進行不同階段的三維模型審核。在階段審核項目應(yīng)用BIM輕量化平臺各專業(yè)設(shè)計人員均可同時進行日常審核，避免單專業(yè)內(nèi)部可以解決的模型問題等到階段審核時再解決，大幅降低了階段審核的工作量。

在設(shè)計過程中的三維校審工作主要是實現(xiàn)多專業(yè)、多角色、多人之間的協(xié)同設(shè)計，進行無紙化校審，同時可以利用BIM軟件附帶的漫游動畫功能將完整的設(shè)計內(nèi)容以虛擬廠房的形式進行展示，更加直觀的表達出站房內(nèi)工藝專業(yè)和公輔專業(yè)間的空間位置關(guān)系。

與傳統(tǒng)設(shè)計的圖紙會簽不同，BIM技術(shù)的應(yīng)用將找到的問題通過三維校審平臺進行，查找到的問題按照人員及專業(yè)分類，便于分類集中對找到的設(shè)計問題進行處理。

圖10 BIM模型校審界面及校審記錄

4 結(jié)論

BIM技術(shù)在余熱發(fā)電站設(shè)計階段的應(yīng)用，轉(zhuǎn)變了常規(guī)設(shè)計理念及設(shè)計流程，帶來了設(shè)計效率的答復提升及實現(xiàn)了更加精細化設(shè)計。通過實際項目應(yīng)用總結(jié)BIM技術(shù)在設(shè)計階段帶來的好處如下：

（1）該項目設(shè)計過程中將設(shè)計疏漏減少90%以上，相應(yīng)的減少施工階段的設(shè)計變更，節(jié)約23萬元的成本。

（2）通過該項目完整設(shè)計過程應(yīng)用BIM技術(shù)，使施工圖設(shè)計過程所需時間縮短到一個半月，大大提高了設(shè)計效率。BIM設(shè)計保證了施工過程中一次性安裝成功的概率，使得整個安裝周期相應(yīng)縮短。

（3）精確的料單統(tǒng)計。總的來說，將BIM技術(shù)應(yīng)用到余熱發(fā)電項目設(shè)計過程中，對改善傳統(tǒng)設(shè)計存在的問題效果顯著。通過對BIM技術(shù)在余熱發(fā)電站設(shè)計中的應(yīng)用方法進行總結(jié)，明確了BIM技術(shù)是該行業(yè)可持續(xù)發(fā)展及面向數(shù)字化的助推器。使BIM技術(shù)發(fā)揮更大的社會價值，是仍需繼續(xù)不斷研究的方向。