基于BIM技術(shù)的化工管道應(yīng)力分析與施工管理研究

摘要：隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，管道系統(tǒng)作為化工生產(chǎn)的重要組成部分，其設(shè)計、施工和管理的科學(xué)性和安全性顯得尤為重要。研究了基于建筑信息模型（BIM）技術(shù)的化工管道應(yīng)力分析與施工管理方法。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，可在三維環(huán)境中準(zhǔn)確模擬管道布局，進(jìn)行應(yīng)力分析，預(yù)測并優(yōu)化管道系統(tǒng)的力學(xué)性能。同時，BIM技術(shù)的協(xié)同管理功能能有效提升施工管理的效率，減少施工中的錯誤與浪費(fèi)，提高工程質(zhì)量和安全性。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；化工管道應(yīng)力分析；施工管理

化工管道系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中占有十分重要的地位，是整個化工工藝過程順利實(shí)施和運(yùn)行的關(guān)鍵，也是化工企業(yè)安全管理的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計與施工方法存在如信息孤島、設(shè)計與施工脫節(jié)、施工過程不透明等問題，導(dǎo)致管道系統(tǒng)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、材料浪費(fèi)以及施工質(zhì)量不高等現(xiàn)象。近年來，建筑信息模型（BIM）技術(shù)因其強(qiáng)大的三維建模能力和信息集成與共享功能，在建筑和工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，BIM技術(shù)不僅能提供精確的三維模型，還能進(jìn)行動態(tài)模擬和分析，從而為管道設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。

1基于BIM技術(shù)的化工管道應(yīng)力分析技術(shù)內(nèi)容1.1技術(shù)特點(diǎn)

1.1.1將二維轉(zhuǎn)化為三維，具有可視化直觀效果

通過BIM技術(shù)構(gòu)建的三維管道模型，使設(shè)計和工程人員能直觀地查看和分析整個管道系統(tǒng)。該三維模型可準(zhǔn)確反映管道的布局和結(jié)構(gòu)，幫助技術(shù)人員在設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)潛在的問題。例如，管道的長度、直徑、曲率和連接方式都能在三維空間中清晰展示，避免了傳統(tǒng)二維設(shè)計中容易忽略的細(xì)節(jié)。可視化的方式，使設(shè)計人員能更好地理解管道的復(fù)雜性，并做出更為優(yōu)化的設(shè)計決策。

1.1.2多專業(yè)BIM模型閉合，確定優(yōu)化設(shè)計方案

在化工管道工程中，涉及眾多專業(yè)，如機(jī)電、建筑、結(jié)構(gòu)等，傳統(tǒng)的二維設(shè)計由于各專業(yè)之間的溝通不暢，導(dǎo)致設(shè)計方案在實(shí)施過程中出現(xiàn)各種沖突。而通過BIM技術(shù)，各技術(shù)可在同一個三維模型中協(xié)同工作，實(shí)時查看其他專業(yè)的設(shè)計成果，并進(jìn)行沖突檢測。這樣一來，設(shè)計團(tuán)隊便能提前發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保各專業(yè)之間的設(shè)計無縫銜接，提高整體設(shè)計的準(zhǔn)確性和效率。

1.2與多種軟件結(jié)合深化設(shè)計

1.2.1基于BIM的數(shù)字化管道深化設(shè)計

在BIM模型的基礎(chǔ)上，管道設(shè)計不僅僅是簡單的幾何建模，更包含了詳細(xì)的工程信息，如管道的直徑、壁厚、材質(zhì)、配件規(guī)格、閥門類型等信息都被存儲在數(shù)字化模型庫中。通過該方式，工程人員可快速查找和調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化的管道組件，進(jìn)行精確的設(shè)計和分析，有助于提高設(shè)計效率，確保設(shè)計的一致性和規(guī)范性。

1.2.2移動式管道生產(chǎn)線裝備集成技術(shù)

在現(xiàn)代化工管道工程中，采用移動式生產(chǎn)線裝備能大大提高施工效率和質(zhì)量，通過“管道焊接管理+BIM協(xié)同平臺+構(gòu)件成品追蹤管理平臺+PDSOFT”軟件的集成，工程人員可實(shí)現(xiàn)對管道生產(chǎn)和安裝全過程的數(shù)字化管理。如管道焊接管理系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)控焊接質(zhì)量，BIM協(xié)同平臺能協(xié)調(diào)各施工環(huán)節(jié)，成品追蹤管理平臺則記錄和追蹤每個管道組件的生產(chǎn)和安裝情況，確保整個過程透明可控［1］。

1.2.3對預(yù)制或安裝完成的管道進(jìn)行信息標(biāo)記

利用Revit插件對預(yù)制管道進(jìn)行分段，同時生成數(shù)字化模型信息，該過程提高了管道管理的精細(xì)化水平。在預(yù)制階段，每段管道都會被分配一個唯一的標(biāo)識碼，該標(biāo)識碼包含了管道的詳細(xì)信息，如材質(zhì)、尺寸、生產(chǎn)時間、安裝位置等。在安裝過程中，工人通過掃描標(biāo)識碼，快速獲取管道的相關(guān)信息，確保安裝的準(zhǔn)確性，此外，數(shù)字化信息還可用于后期的維護(hù)和管理，方便工程人員對管道進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和維修。

2基于BIM技術(shù)的化工管道施工管理研究

2.1建立不同的專業(yè)模型

在化工管道施工管理中，BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著提高項目的設(shè)計、施工和運(yùn)營效率，BIM技術(shù)通過建立詳細(xì)的三維模型，將各專業(yè)信息集成在一個平臺上，確保各專業(yè)之間的信息傳遞和協(xié)同工作。在此背景下，提出一種基于BIM的化工管線綜合管理系統(tǒng)框架，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)化工管道工程特點(diǎn)確定系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，制定出適用于化工管道工程設(shè)計及運(yùn)行維護(hù)等方面的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)化工管線全生命周期信息化管理。化工管道專業(yè)模型是基于BIM技術(shù)建立的，用于表示化工管道系統(tǒng)的三維數(shù)字化模型，該模型不僅包括管道的幾何信息，還包含管道的材料、規(guī)格、安裝位置、維護(hù)要求等詳細(xì)信息［2］。通過建立化工管道專業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)管道設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)全過程的信息集成與共享，可有效縮短管道建設(shè)周期，減少管道事故發(fā)生頻率，同時為管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新提供依據(jù)，降低管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新成本。

在建立化工管道專業(yè)模型之前，需進(jìn)行充分的前期準(zhǔn)備工作，一方面，明確項目設(shè)計要求和施工規(guī)范，收集相關(guān)設(shè)計資料、施工圖紙和設(shè)備參數(shù)等信息，選定適合的BIM軟件，如Revit、Navisworks等；另一方面，在BIM軟件中創(chuàng)建新項目文件，并設(shè)置項目基本參數(shù)，如坐標(biāo)系、單位等，將前期收集的設(shè)計資料和施工圖紙導(dǎo)入BIM軟件，作為建立三維模型的基礎(chǔ)，完成三維建模后，再利用Midas Gen Creator軟件對模型進(jìn)行裝配仿真分析，得到完整的化工管道施工圖，從而保證最終形成的設(shè)計方案能滿足項目建設(shè)需求。

2.2BIM管線綜合施工技術(shù)的應(yīng)用

BIM技術(shù)在施工前期的設(shè)計優(yōu)化中起到了關(guān)鍵作用。通過BIM模型進(jìn)行三維可視化設(shè)計，將傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維模型，從而直觀地展示管道的布置情況。該過程提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性和可行性，使不同的施工方案得以直觀對比，從而選取最優(yōu)方案。利用BIM技術(shù)，設(shè)計人員可在模型中進(jìn)行管道的碰撞檢查（Clash Detection），提前發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計沖突，避免施工過程中因設(shè)計問題引起的返工和延誤。通過BIM模型進(jìn)行四維（4D）施工進(jìn)度模擬，將時間維度引入三維模型中，動態(tài)模擬施工進(jìn)度，使得各工序的施工順序和時間安排得以精確控制，并預(yù)測和解決施工中的潛在問題，避免工序間的干擾。此外，BIM模型應(yīng)與施工進(jìn)度計劃（如MS Project、Primavera等）結(jié)合，實(shí)時更新進(jìn)度信息，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，便于及時掌握現(xiàn)場施工狀態(tài)，以便合理安排工期，降低資源浪費(fèi)。

BIM技術(shù)在施工質(zhì)量管理中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在施工過程的實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄上。通過BIM模型，能實(shí)時監(jiān)控施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，將實(shí)際施工數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行比對，及時發(fā)現(xiàn)并糾正施工偏差。此外，BIM技術(shù)還可將質(zhì)量檢驗(yàn)和驗(yàn)收記錄直接錄入模型中，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理的數(shù)字化和信息化。例如，通過BIM技術(shù)可以生成施工質(zhì)量報告和驗(yàn)收記錄，確保施工質(zhì)量符合設(shè)計要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，有效減少返修和拖延。當(dāng)發(fā)生質(zhì)量事故時，BIM技術(shù)能快速查找出原因，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，指導(dǎo)維修或更換零部件［3］。對工程特殊部位的處理也提供了有力支撐，保證工程施工安全有序，節(jié)約成本，提高效率。

2.3預(yù)估施工作業(yè)空間

預(yù)估施工作業(yè)空間的理論基礎(chǔ)主要包括施工組織設(shè)計理論、施工空間管理理論和三維建模技術(shù)。施工組織設(shè)計理論通過對施工任務(wù)、施工流程和施工資源的系統(tǒng)規(guī)劃，確定各施工環(huán)節(jié)的空間需求。施工空間管理理論則強(qiáng)調(diào)，施工過程中空間的動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化，確保施工順利進(jìn)行，而三維建模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)施工空間可視化和動態(tài)模擬的關(guān)鍵手段，運(yùn)用BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場進(jìn)行三維建模，能直觀地展示施工作業(yè)空間的布局和變化情況。

BIM技術(shù)通過對施工現(xiàn)場的三維建模，精確模擬化工管道的布局和走向。在此基礎(chǔ)上，對各施工環(huán)節(jié)展開分析，確定每個環(huán)節(jié)所需的作業(yè)空間。例如，在管道安裝過程中，需要考慮施工人員的操作空間、設(shè)備安裝空間以及材料堆放空間等，利用三維模型的可視化展示，直觀地了解各施工作業(yè)空間的布局，便于提前規(guī)劃和調(diào)整。

在施工過程中，不同工序之間的作業(yè)空間需求可能會發(fā)生沖突。例如，管道安裝與電纜敷設(shè)可能在同一空間內(nèi)進(jìn)行，導(dǎo)致空間擁擠和操作困難。BIM技術(shù)則通過動態(tài)模擬，提前發(fā)現(xiàn)和解決這些潛在的空間沖突，模擬不同工序的施工過程，分析各工序之間的空間需求和時間節(jié)點(diǎn)，確定合理的施工順序和空間布局，避免空間沖突的發(fā)生。

基于BIM技術(shù)的施工作業(yè)空間預(yù)估方法還包括對各施工環(huán)節(jié)空間需求的精確計算和優(yōu)化。通過對施工現(xiàn)場的三維建模，精確計算出每個施工環(huán)節(jié)所需的空間面積和體積。例如，在管道焊接過程中，需要預(yù)留足夠的操作空間和通風(fēng)空間，確保施工人員的安全和施工質(zhì)量。通過對各施工環(huán)節(jié)空間需求的精確計算，科學(xué)合理地規(guī)劃施工現(xiàn)場，確保各環(huán)節(jié)空間需求的充分滿足。

在施工過程中，實(shí)際的空間需求可能會隨著施工進(jìn)度和現(xiàn)場情況的變化而發(fā)生變化。基于BIM技術(shù)的施工現(xiàn)場管理，有助于實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整施工作業(yè)空間。例如，在管道安裝過程中，由于現(xiàn)場條件的變化，會臨時調(diào)整施工方案和作業(yè)空間，而通過BIM技術(shù)的實(shí)時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)整，則能及時發(fā)現(xiàn)和解決施工作業(yè)空間問題，確保施工順利進(jìn)行［4］。

3結(jié)語

BIM技術(shù)不僅能提升管道應(yīng)力分析的精度與效率，還能有效優(yōu)化施工管理過程，降低施工風(fēng)險，提升項目整體質(zhì)量和安全性。在應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)力分析時，應(yīng)利用其三維建模和數(shù)據(jù)集成能力，全面了解管道系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況，預(yù)防潛在問題；而在施工管理方面，BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同作用、實(shí)時監(jiān)控和精確管理，加快施工進(jìn)度和成本控制效果。總之，BIM技術(shù)在化工管道領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大潛力，對于推動我國化工行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。未來的研究可以進(jìn)一步探索BIM技術(shù)在復(fù)雜化工項目中的深度應(yīng)用及其與其他前沿技術(shù)的融合。

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［4］張勇.基于石油化工管道安裝新技術(shù)的要點(diǎn)分析［J］.化工設(shè)計通訊，2020，46（12）：18-19.

作者簡介：王冠儒，男，北京人，工程師，本科，研究方向：管道應(yīng)力。