岳 杰，侯 帥，王得剛，靳 征，張?jiān)姮摚瑮罴仰危ㄖ幸本┱\(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 引言

BIM 技術(shù)被稱(chēng)為建筑行業(yè)的第二次革命，近年來(lái)備受推崇。 國(guó)內(nèi)外行業(yè)專(zhuān)家專(zhuān)門(mén)做了相關(guān)統(tǒng)計(jì)得出，在施工過(guò)程中因設(shè)計(jì)變更產(chǎn)生的工程費(fèi)用約占整個(gè)項(xiàng)目工程費(fèi)用的10～13%，BIM 技術(shù)的應(yīng)用可將項(xiàng)目工程總成本降低約5%。 因此，在工程建設(shè)中應(yīng)用BIM 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目降本增效的目的[1]。

BIM 技術(shù)在我國(guó)的建筑行業(yè)工程中的應(yīng)用實(shí)例也是層出不窮，我們眾所周知的鳥(niǎo)巢體育館、中國(guó)尊、世博館、凌空SOHO、上海中心大廈等都是BIM技術(shù)成功應(yīng)用的亮點(diǎn)案例，國(guó)內(nèi)對(duì)BIM 的發(fā)展預(yù)期日趨明確樂(lè)觀，其影響力和典型案例的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也得到了快速提升[2]。不僅僅在建造行業(yè)，近幾年，BIM技術(shù)在冶金工程項(xiàng)目中也逐漸得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文就BIM 技術(shù)在國(guó)內(nèi)某鋼廠高爐大修工程中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

1 項(xiàng)目概述

某鋼鐵有限公司現(xiàn)有三座高爐，其中3號(hào)高爐已完成大修改造，本次大修改造的對(duì)象是2號(hào)高爐。 2號(hào)高爐大修改造項(xiàng)目的特點(diǎn)是：非標(biāo)設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工期短、利舊設(shè)施多、專(zhuān)業(yè)接口多、設(shè)計(jì)難度大。

雖然2號(hào)高爐與3號(hào)高爐的爐型、 規(guī)模接近，改造內(nèi)容也基本一致，但是采用的設(shè)計(jì)方法不同，3號(hào)高爐采用的是傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法。 而本項(xiàng)目的2號(hào)高爐則采用BIM 技術(shù)用于高爐冷卻壁、 爐體非標(biāo)設(shè)備、帶式輸送機(jī)以及高爐出鐵場(chǎng)非標(biāo)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)了三維智能化設(shè)計(jì)，得到了業(yè)主的高度認(rèn)可與好評(píng)。

2 BIM 技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

2.1 煉鐵設(shè)備參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)歷程

對(duì)于早期三維軟件的應(yīng)用，最初僅限于設(shè)備的簡(jiǎn)單實(shí)體建模。 隨著工程項(xiàng)目的增多，搭建的模型數(shù)量也日益龐大，此時(shí)暴露出了深層問(wèn)題，即某個(gè)設(shè)備模型只適用于一個(gè)項(xiàng)目，若換成其它項(xiàng)目，模型修改工作量很大，數(shù)據(jù)庫(kù)的儲(chǔ)存量也翻倍增長(zhǎng)。為解決這項(xiàng)難題，通過(guò)考察其它設(shè)計(jì)院三維軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及與三維軟件公司技術(shù)人員進(jìn)行深入交流等方式多方面尋求解決方案。 從對(duì)比不同設(shè)計(jì)軟件的使用功能，摸索簡(jiǎn)單零件參數(shù)化設(shè)計(jì)思路開(kāi)始，最終采取了嘗試使用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法解決這類(lèi)問(wèn)題。

探索煉鐵設(shè)備參數(shù)化設(shè)計(jì)的道路，沒(méi)有現(xiàn)成的案例，沒(méi)有可參考的模型，一切從零開(kāi)始。 從搭建草圖，設(shè)置全局變量及鏈接關(guān)系等，到一次又一次地修改草圖、修改變量以及修改參數(shù)化方程式，最終交出合格的參數(shù)化設(shè)計(jì)成果。 對(duì)于復(fù)雜的設(shè)備（例如稱(chēng)量漏斗、帶式輸送機(jī)等），其參數(shù)化設(shè)計(jì)的難度較大，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。

通過(guò)與多個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目相結(jié)合，驗(yàn)證參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的合理性，最終研究出高爐煉鐵典型常用非標(biāo)設(shè)備全部采用參數(shù)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法。

2.2 參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)成果

2.2.1 爐體冷卻壁參數(shù)化設(shè)計(jì)成果

首先，修改參數(shù)表中的冷卻壁高度、 斜率、直徑、塊數(shù)等一系列參數(shù)；然后將表格導(dǎo)入模型，表格即可自動(dòng)驅(qū)動(dòng)模型，自動(dòng)調(diào)整模型的設(shè)計(jì)尺寸；最后，打開(kāi)工程圖，點(diǎn)擊更新按鈕，圖紙將會(huì)自動(dòng)更新，僅需簡(jiǎn)單調(diào)整圖面即可完成出圖工作。 爐體冷卻壁參數(shù)化三維設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 爐體冷卻壁

2.2.2 爐體非標(biāo)設(shè)備參數(shù)化設(shè)計(jì)成果

以風(fēng)口設(shè)備為例。 首先，修改風(fēng)口大套參數(shù)表中的斜率、直徑、長(zhǎng)度等一系列參數(shù)；然后修改風(fēng)口中套、小套、法蘭參數(shù)表中全局變量數(shù)值；分別將表格導(dǎo)入對(duì)應(yīng)模型，表格即可自動(dòng)驅(qū)動(dòng)模型，自動(dòng)調(diào)整模型的設(shè)計(jì)尺寸；最后，打開(kāi)各零件對(duì)應(yīng)的工程圖，點(diǎn)擊更新按鈕，圖紙將會(huì)自動(dòng)更新，僅需簡(jiǎn)單調(diào)整圖面即可完成出圖工作。 風(fēng)口設(shè)備參數(shù)化三維設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 風(fēng)口設(shè)備

2.2.3 帶式輸送機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)成果

帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式多樣，參數(shù)化設(shè)計(jì)難度很大。 目前，已完成了平皮帶、斜皮帶、凸弧皮帶、凹弧皮帶、凹凸狐皮帶五種布置形式的參數(shù)化設(shè)計(jì)工作。 帶式輸送機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括： 頭架、尾架、滾筒、中間架、支腿、托輥、導(dǎo)料槽、驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、膠帶等零部件。

帶式輸送機(jī)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法：首先對(duì)各個(gè)部件建模，并采用設(shè)計(jì)表進(jìn)行參數(shù)化；然后創(chuàng)建總的布局草圖及參考平面，把各個(gè)部件通過(guò)裝配關(guān)系定位；最后通過(guò)添加方程式進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)[3]。帶式輸送機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計(jì)如圖3 所示，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

首先，打開(kāi)零部件參數(shù)表格，修改相應(yīng)的工藝參數(shù)或型號(hào)，修改設(shè)計(jì)表參數(shù)化的零部件；然后修改配置參數(shù)化的零部件，包括頭架、尾架、滾筒，驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置，即在設(shè)計(jì)樹(shù)中選擇配置。

接下來(lái)，打開(kāi)帶式輸送機(jī)總裝配模型對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)表，修改表中帶式輸送機(jī)零部件的位置參數(shù)，例如：水平輸送距離、頭輪中心高、尾輪中心高、圓弧半徑、下料點(diǎn)位置、托輥間距、支腿間距等工藝參數(shù)；然后，將設(shè)計(jì)表導(dǎo)入總裝模型中，即可自動(dòng)驅(qū)動(dòng)模型，得到帶式輸送機(jī)的裝配模型。

最后，打開(kāi)工程圖，點(diǎn)擊更新按鈕，調(diào)整圖面。其中，材料表中的名稱(chēng)、圖號(hào)、材質(zhì)、數(shù)量、單重、總重等參數(shù)與零部件保持鏈接關(guān)系，模型更新后，參數(shù)將隨之更改；工程圖中包含的局部放大圖、向視圖、剖面視圖等也將隨模型自動(dòng)更新，零件序號(hào)自動(dòng)調(diào)整，無(wú)需手動(dòng)修改。

2.2.4 高爐出鐵場(chǎng)結(jié)構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)成果

圖3 帶式輸送機(jī)

高爐出鐵場(chǎng)系統(tǒng)由渣、鐵溝及蓋板組成。 該系統(tǒng)設(shè)備模型采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法：首先對(duì)各個(gè)組件建模，并采用設(shè)計(jì)表進(jìn)行參數(shù)化；然后創(chuàng)建總的布局草圖及參考平面，把各個(gè)組件通過(guò)裝配關(guān)系定位；最后通過(guò)添加方程式進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。 出鐵場(chǎng)溝殼及蓋板參數(shù)化三維設(shè)計(jì)如圖4、圖5 所示。

圖4 出鐵場(chǎng)溝殼及蓋板

圖5 出鐵場(chǎng)溝殼及蓋板

出鐵場(chǎng)渣、鐵溝包括：主鐵溝、支鐵溝、殘鐵溝、渣溝；渣、鐵溝蓋板包括：主鐵溝蓋板、支鐵溝蓋板、殘鐵溝蓋板、渣溝蓋板，以及除塵箱、擋板、方形孔蓋、圓形孔蓋。

主鐵溝蓋板形狀包括：ZT1 和ZT2 兩種；渣、鐵溝蓋板形狀有：長(zhǎng)方形、弧形、梯形和異型等多種類(lèi)型。

2.3 BIM 技術(shù)分析軟件的應(yīng)用

（1）應(yīng)用BIM 技術(shù)，對(duì)爐體、出鐵場(chǎng)等區(qū)域的非標(biāo)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、應(yīng)力分析、碰撞及連接性分析，計(jì)算燃燒能力、校驗(yàn)檢查分布情況，對(duì)壓力容器進(jìn)行應(yīng)力及溫度場(chǎng)分析。

（2） 根據(jù)BIM 分析軟件的分析計(jì)算的結(jié)果，調(diào)整零件數(shù)量及布置、修改結(jié)構(gòu)尺寸、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

BIM 分析截圖圖例如6 所示。

圖6 BIM 分析截圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)探索煉鐵設(shè)備參數(shù)化設(shè)計(jì)的道路，結(jié)合某鋼鐵廠高爐設(shè)備參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)，以及采用BIM技術(shù)分析應(yīng)用實(shí)踐，目前高爐常用典型非標(biāo)設(shè)備已全部具備參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)的能力。

（1）煉鐵非標(biāo)設(shè)備應(yīng)用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化設(shè)計(jì)、內(nèi)嵌模塊化設(shè)計(jì)、配置化設(shè)計(jì)。

（2）通過(guò)參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有創(chuàng)新性和可推廣性，目前該實(shí)踐方案及設(shè)計(jì)模型已推廣到其它工程中，并成功應(yīng)用。

（3）實(shí)踐證明，通過(guò)參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)以及BIM 分析軟件的應(yīng)用，可有效提高了高爐非標(biāo)設(shè)備及結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率。 BIM 技術(shù)在某鋼廠高爐大修改造設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，排除了80%圖紙錯(cuò)誤，減少了60%返工，有效縮短了設(shè)計(jì)工期。