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【本期聚焦•科研与技革】BIM在散料储运工程设计中的应用

港口科技2018-06-19 02:49:15

BIM在散料储运工程设计中的应用

杨 聪 李添添 左永明 周 宇

(泰富重装集团有限公司, 湖南 湘潭 411100

摘要:  介绍BIM技术的概念和应用现状,分析散料储运工程特点,归纳BIM技术在散料储运工程各设计阶段中可应用推广的价值点。介绍、总结BIM技术在散料储运工程设计中的应用实例、存在的不足和重点应用方向。

关键词:  BIM技术;散料储运;工程设计


1BIM技术

建筑信息模型Building Information ModelingBIM)是以三维数字技术为基础,集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型。BIM是对工程项目设施实体和功能特性的数字化表达。1个完善的信息模型能够连接项目生命周期不同阶段的数据、过程和资源,是对工程对象的完整描述,可被建筑项目各参与方普遍使用。BIM具有单一工程数据源,可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题,支撑建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享。BIM同时又是1种应用于设计、建造和管理的数字化方法,这种方法支持建筑工程的集成管理环境,可以使建筑工程在其整个进程中提高效率和减少风险。

1.1BIM技术在建筑行业的应用现状

BIM理念正逐步为我国建筑行业知晓,国内先进的建筑设计机构纷纷成立BIM技术小组,中国建筑设计研究院、上海现代设计集团等均已实现复杂建筑全BIM化设计。

与此同时,北京、上海和广州等地的专业BIM咨询公司在建筑项目生命周期的各个阶段(策划、设计、招投标、施工、运营维护和改造升级等)都开始应用BIM技术。

1.2 散料储运工程特点

1)卸料、装料、输送、堆取料、破碎筛分加工和辅助等工艺设备类型多。

2)涵盖行业多,应用于火力发电、钢铁冶金、水泥、港口、矿山、建材及粮食等多个行业。

3)应用于大型冶金原料厂和矿山长距离运输项目。

4)为多单体组合工程,通过皮带机等输送设备串联。

5)没有复杂的建筑物,混凝土结构比较简单,以钢结构类居多。

1.3BIM技术在散料储运工程设计中的发展趋势

目前,BIM技术大都应用在民用建筑设计领域,在工业工程设计领域的应用还刚刚起步,而在散料储运工程方面的研究与应用几乎是空白。

由于散料储运工程涉及到火力发电、钢铁冶金、水泥、港口、矿山、建材及粮食等多个领域,BIM技术在散料储运工程设计领域有较大的发展空间。未来BIM可以在散料储运工程方案设计、初步设计和施工图设计等各个阶段中发挥作用,展现其三维可视化、模块参数化驱动、协同工作和三维碰撞检查等优点。

2BIM技术在散料储运工程设计中的应用

2.1 方案设计阶段

在散料储运工程的方案设计阶段,在图纸和数据的基础上,利用BIM技术能够构造整个散料储运工程项目的三维模型,包括地形、道路桥梁、工艺设备和已有建筑物等。在可行性分析研究的基础上,通过调用工艺布置模型,勾勒出散料储运工程项目的布局情况,为项目招投标提供简单明了的三维可视化BIM模型。

2.2 初步设计阶段

在散料储运工程的初步设计阶段,三维模型进一步细化到建筑物和设备的类型以及定位和尺寸要求。通过建立、收集和整理散料储运工程BIM族库,形成1套储运工程系统里常用类型的土建结构、工艺设备、料堆模型和水暖等三维模型。这些模型均可方便参数化驱动,通过主要参数的修改,再调用到相应项目,就能满足初步设计精度及出图要求。例如:常用的工艺设备库可以划分为卸料设备、装料设备、输送设备、堆场设备、加工设备、除尘设备、起重设备和辅助设备等多个子项;输送设备根据不同结构形式划分为通用带式输送机、特种带式输送机等。

2.3 施工图设计阶段

在散料储运工程的施工图设计阶段,BIM技术中所谓的“协同设计”就是全专业在同一个工作平台下工作,共同建立1个集成所有模型、信息和图纸的总项目文件。不同的单体设备或者建筑文件,与这个总项目文件采取链接的方式;而每1个单体设备或者建筑将创建1个中心文件,各专业设计人员创建各自的本地文件并使用工作集进行权限划分,当任何本地文件有新创建或修改的信息时,点击与中心文件同步,则自动将新的信息添加到中心文件。这个中心文件就是建筑信息模型,各专业都可以在此模型中查看其他专业构件的布置及信息,从而实现信息共享。施工图设计阶段协同设计原理见图1


假设建立1个包含转运站的散料储运系统,结构工程师、设备工程师等在转运站中心文件下协同工作,结构工程师在指定工作集中完成梁、板、柱、屋顶等建模,设备工程师在指定工作集中完成水、暖、电及消防等建模。通过协同设计和修改,得到转运站的中心文件,工艺工程师则将最终的转运站中心文件链接到总项目文件相应位置,实现整体项目的总装。

散料储运工程涉及多个专业,项目跨度较大,设备与设备、设备与建筑对接处繁多,通过二维图纸很难直观反映干涉、碰撞等方面的问题。在整个散料储运工程设计完成后,BIM还能利用三维漫游或者碰撞检测对整个系统进行校验,避免建筑内部、建筑与设备、设备与设备以及系统与周边地形环境之间的相互干涉。

3BIM技术在散料储运工程设计中的应用实例

3.1 池州石灰石建筑骨料工程码头堆场方案设计

该项目为年产6 000t石灰石建筑骨料生产线,包含矿区开采、骨料加工系统、长距离胶带机运输线和码头等4大部分,其中后方陆域设2块堆场,用于堆存从矿区运来的矿建材料,分两期建设。每块堆场设27 000 t/h堆料机,用于进场堆料,堆场地面下设4条带宽1.8 m,带速4 m/s,输送能力5 000 t/h的带式输送机,通过地面上的电动弧门将矿建材料漏至带式输送机上。考虑环保要求,整个料场采用封闭钢结构网架。

基于自身开发的储运工程方案设计系统,根据项目实际情况,从设计系统中调用相应的可参数化驱动的料堆、转运站、输送设备、堆取料机设备和堆场辅助设备等模型,生成所需要的可视化方案设计。当方案需要进行变更时,只需简单修改主要控制参数或者在模型区域拖拽控制点,即可完成修改设计。方案设计流程:地形导入→场地平整→道路规划→工艺参数计算→料堆放置→转运站放置→输送设备放置→输送设备支撑放置→堆取料机设备放置→堆场辅助设备放置→工艺设备清单生成→图纸打印输出。

池州石灰石建筑骨料工程码头堆场方案总体效果图见图2


3.2 河北大唐蔚县电厂输煤系统项目初步设计

河北大唐蔚县电厂2×660 MW机组新建工程输煤系统EPC总承包工程项目包括所有配套的输煤系统及相关辅助系统的土建工程、输煤系统和辅助系统的设备设施的安装工程以及系统设备设施的附属、辅助设备等。

根据二维土建初步设计图,建立项目内建筑物BIM模型,并在BIM软件内生成工程图,与初步设计图纸进行对比,满足初步设计图纸要求;建立并简化项目中工艺设备BIM模型,并根据项目变更情况参数化驱动工艺设备模型;将所有的土建、设备、场地及辅助设备等总装,得到工艺初步设计模型。卸煤沟和入炉采样间BIM模型见图3


入炉采样间平面图见图4


工艺设备参数化BIM模型见图5


工艺总装模型见图6


3.3 湘潭湘竹砂石转运筛分输送系统项目施工图设计

湘竹砂石场物料输送项目码头年卸砂量为300t,日卸砂量峰值约10t。项目共设2个独立厂房(独立运营商),即2个独立生产线。项目主体均为皮带机钢结构输送桁架、立柱和转运站。

各专业工程师在BIM单体模型中心文件的基础上协同设计,完成施工图阶段模型及图纸设计。不同专业设计人员协同设计的成果通过与中心文件同步,能实时体现在中心文件模型上,方便各专业设计人员查看,提高整个设计团队的效率。湘竹砂石项目协同设计模型见图7


在完成整个项目BIM模型设计后,利用BIM软件对整个项目进行实地漫游和碰撞检查,查看项目各个细节的空间和位置情况,能直观地反映出项目可能存在的问题,也能排查出项目中的安全隐患。BIM模型漫游及碰撞检查界面见图8


4BIM技术应用总结

4.1BIM实施规划和人才培养

BIM技术的应用应当有计划、有步骤地进行,从自身业务需求、行业动态以及BIM团队培养等方面考虑,制定长远的BIM实施规划。合理的BIM团队应由熟悉散料储运工程工艺设计的各专业设计人员组成,主要包括结构、水暖和电气等专业。同时,团队成员应从简单项目入手,从理顺BIM应用流程、技术标准开始,逐步形成完整的BIM应用体系。

4.2BIM软件平台选择

目前,建筑行业主要采用的是Autodesk公司的Revit平台;在工业行业,主要有Bentley基于MicroStation平台的BIM解决方案、AVEVA公司的PDMSIntergraph公司的PDS等。

在选择软件平台时需要考虑自身原有的三维设计软件,同时兼顾公司业务产品特点及主要市场份额是在国内还是国外等情况,满足业主方对3D数据的交付要求,尽量减少数据多次转换。

4.3 族库的规划、积累和管理

族文件的建设需要前期做好规划,建立族库建模模板,并通过不同专业人员的会审。大型项目应该有1个专业的BIM族库团队先行,对项目内特殊领域建立相应的族库,项目的工作效率才能得到保证,BIM的优势才能得到充分体现。整个行业也应该共享行业内的基础族库,实现BIM在整个行业的推广应用。

散料储运行业需要特别关注工艺设备族库的建设,其族库可以参考建筑行业比较成熟的族库。

4.4 参数化设计应用

参数化设计最先在机械产品设计中提出,但在建筑行业得到广泛推广应用。在储运行业,利用参数化设计,可以满足前期方案设计的快速工艺布置设计,也能进行多方案比选;在后期施工图设计阶段,能重复利用原有项目的模型和三维生成的工程图,调整主要参数,快速生成现有项目的模型和工程图,提升设计效率。

参数化设计不仅仅是利用参数驱动模型,还需要加入工程的相关属性和行业的知识,例如:加入各个工艺设备的材料和造价等信息,方案设定后能快速进行概算;链接相关工艺计算模块,工艺计算完成后的结果能自动驱动参数化模型;增加项目经验记忆功能,就能形成1个储运智能设计系统。

4.5 带式输送机的线路布置设计

输送设备是散料储运工程中必不可少的1种工艺设备,它将各个工艺环节串联起来,让物料的流动成为可能。根据不同的输送系统,输送设备也存在多种结构形式,应用最广的是带式输送机,其具有结构简单、布置方便的特点。但带式输送机根据地形的变化,其线路布置的合理性和经济性会影响到整个散料储运系统。

带式输送机长距离线路布置就是1个技术难点。在传统的设计流程中,在CAD环境下,根据地形图进行平面的线路布置,然后根据平面的线路布置描出线路的断面地形图,最后根据地形断面图进行皮带机立面上的布置设计。在这个过程中,线路平面布置和断面布置这2个重要环节均靠设计者个人经验完成,并且设计的线路不一定是最优结果。

运用BIM技术之后,能将地形进行立体还原,形成地形曲面,然后根据设计要求,确定输送线路的起点和终点,给出实际的多种边界约束条件(例如:设定皮带机线路的最大爬坡和下运倾角;有转弯的,设定最小弯曲半径;限定皮带机高出地面的最大高度;当跨越河流、铁路和道路时,尽量垂直走线;尽量避开峡谷、居民区和耕地等),寻求多耦合算法,以最短距离和最少投资得出最优线路解。


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