喬 莎，張樹森，郭 瑞，李亞梅

(1.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司，天津 300120；2.中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000；3.北京龍睿海拓科技發(fā)展有限責任公司，北京 100160)

BIM技術(shù)通過3D數(shù)據(jù)推進項目的設(shè)計、施工和管理等實現(xiàn)數(shù)字化、信息化，推動工程相關(guān)參與者提高決策水平和效率，正在成為工程領(lǐng)域的第二次革命[1]。在新工業(yè)革命的大背景下，選煤廠智能化勢在必行，選煤廠管理也將向數(shù)字化、智能化、可視化方向發(fā)展[2]。建筑信息模型(BIM)的出現(xiàn)給建設(shè)項目全壽命周期管理帶來新的契機，它將信息化技術(shù)引入項目全壽命周期，通過實現(xiàn)可視化、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、模擬優(yōu)化、專業(yè)出圖等一系列功能，高效協(xié)調(diào)各參建方的溝通，形成了一種以BIM技術(shù)為中心的全新項目管理模式[3]。

當下選煤工程BIM設(shè)計尚處于探索與初試階段，只有少數(shù)幾家設(shè)計院搭建了BIM設(shè)計平臺進行BIM正向設(shè)計的嘗試，具備提供BIM模型數(shù)據(jù)的能力，目前大部分煤炭設(shè)計院還是以二維圖紙進行成果的交付，難免會造成信息傳遞效率低下、更新不及時、信息交流障礙甚至數(shù)據(jù)丟失等不良影響[4]，導致選煤廠本身沒有足夠BIM數(shù)據(jù)積累，無法支撐基于BIM場景的選煤廠智能化應用[5]，對于處于設(shè)計施工階段需要進行BIM模型重建的選煤廠，通常采用基于圖紙的BIM模型重建方法，通過BIM技術(shù)可視化的特點，可以對項目中存在的問題進行一定程度的優(yōu)化[6]。

選煤廠模型重建工作是一個復雜的系統(tǒng)工程，建模過程涉及建筑結(jié)構(gòu)、機制、選煤、工藝管道、暖通、電氣等多個專業(yè)[7]，利用BIM技術(shù)關(guān)聯(lián)各專業(yè)信息，能夠大大減少工作量和差錯[8]。目前市場常用BIM模型重建方法主要有兩種，一種是軟件基于圖紙自動翻模，另一種是利用建模軟件基于圖紙進行建模，這兩種方法均存在技術(shù)門檻低、流程管控粗糙以及完全參考圖紙盲目建模等問題，無法保證建模質(zhì)量[9]。本文通過應用Bentley BIM協(xié)同設(shè)計平臺，將協(xié)同建模工作流應用到基于圖紙的選煤廠BIM模型重建工作中，研究出一套高效率高質(zhì)量的選煤廠BIM模型重建與模型校核方法，并在實際工程中進行應用，通過該方法的應用，建模質(zhì)量與建模效率得到了提升，避免了設(shè)備管道碰撞問題，通過協(xié)同設(shè)計理念與標準化協(xié)同建模流程的運用，推進設(shè)計人員由二維設(shè)計轉(zhuǎn)向三維設(shè)計。

1 技術(shù)概況

1.1 BIM模型

BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的簡稱。這種建筑信息模型是一種包含項目工程全生命周期內(nèi)的構(gòu)件和非構(gòu)件三維信息的資源庫[10]。從本質(zhì)上來說，BIM是一種三維技術(shù)，是以三維建模的方式，將收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)及信息進行立體化呈現(xiàn)，使相關(guān)工作人員更直觀、立體地進行數(shù)據(jù)的可靠性、流通性分析，為相關(guān)項目的管理人員建立更完善的信息共享平臺[11]。近年來，對三維渲染的應用，基本都是對于項目的效果展示，僅僅是外觀，比較常見的是由3D Max創(chuàng)建的網(wǎng)格模型。雖然渲染效果出色，但是缺乏真實性，尤其是無法實現(xiàn)對場景細部的表現(xiàn)以及內(nèi)部的描述。BIM模型以計算機三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架，用數(shù)字化形式完整表達建設(shè)項目的實體和功能，能夠系統(tǒng)準確地集成工程項目所有信息和數(shù)據(jù)，具有全面性、相互關(guān)聯(lián)性、三維可視等特點，成為了數(shù)據(jù)最好的載體[12]，基于BIM的可視化、智能化全生命周期管理模式也開始在煤炭行業(yè)進行推廣應用，在建設(shè)工程項目的任何階段都可以為各參與方提供技術(shù)支持和協(xié)同作業(yè)幫助[13]。

1.2 基于圖紙的BIM建模

雖然現(xiàn)在各大設(shè)計院，都開始推廣正向設(shè)計，但是BIM正向設(shè)計就目前發(fā)展形勢來看，它單獨工作運行的效率仍不及成熟的CAD二維設(shè)計，所以正向設(shè)計并未在國內(nèi)得到推廣。在正向設(shè)計成熟之前，基于圖紙的模型重建是當前階段BIM應用繞不開的一項工作[14]。但是建模協(xié)同方式及模型檢核在整個過程中的重要性仍不容忽視，為了讓BIM模型更好地服務(wù)于選煤廠數(shù)字化運維管理，發(fā)揮其數(shù)據(jù)的最大價值，充分表達實際生產(chǎn)中存在的問題，就要保證其模型數(shù)據(jù)是完整、可靠、詳實的。傳統(tǒng)基于圖紙的翻模由于門檻低，翻模人員按照圖紙盲目進行建模，存在建模工具不全面以及對流程的不重視等問題，沒有在流程和工具上對建模質(zhì)量和建模效率進行把控。由于建模圖紙存在制圖原則不規(guī)范、圖紙精確度不足、模型更新頻繁等問題，常常出現(xiàn)BIM模型質(zhì)量及精細度不符合后期應用要求的情況[15]。雖然BIM正向建模受限于經(jīng)驗與技術(shù)應用成熟度限制，無法得到高效應用，但是也要認識到三維協(xié)同設(shè)計與碰撞檢測在BIM建模中的作用，通過將協(xié)同建模理念與碰撞檢測技術(shù)與基于圖紙的建模技術(shù)相結(jié)合能夠更好地發(fā)揮出各自的優(yōu)勢，尤其適合設(shè)計施工階段的復雜選煤廠建模項目，能夠讓其在建模流程、效率及質(zhì)量等多方面得到提升。

2 基于圖紙的選煤廠BIM協(xié)同建模流程

BIM模型重建后，會作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在選煤廠全生命周期中進行數(shù)字化應用，所以需要保證模型準確。處于設(shè)計階段與建設(shè)階段的選煤廠建模，此時的圖紙是在隨著施工過程進行變更，圖紙是唯一的建模數(shù)據(jù)，且圖紙相對準確，但是也會不可避免地出現(xiàn)圖紙錯誤及變更等問題，經(jīng)研究此階段選煤廠BIM模型數(shù)據(jù)特點，制定了相應的建模路線與校核流程，如圖1所示。從建模任務(wù)上主要分為三個部分，分別是協(xié)同建模環(huán)境配置、各專業(yè)模型重建與模型檢核裝配。

以上建模路線對建模過程與質(zhì)量進行了合理把控，充分發(fā)揮了BIM協(xié)同建模與碰撞檢測在BIM模型重建中的優(yōu)勢，對于有建模標準與編碼標準的工程項目，可以遵循按照建模標準與設(shè)備標識編碼標準進行各專業(yè)細化模型的創(chuàng)建，規(guī)范了建模過程。此建模方法在大海則選煤廠BIM模型重建工程中進行了應用，應用效果良好。

圖1 基于圖紙的BIM協(xié)同建模流程

3 工程應用實例

3.1 工程概況

大海則選煤廠是大海則礦井的配套選煤廠，建設(shè)規(guī)模為15.0Mt/a，屬礦井型動力煤選煤廠，目前處于建設(shè)階段。建模范圍包括：主廠房、濃縮車間、原煤倉、地銷倉及矸石倉、產(chǎn)品倉、轉(zhuǎn)載點、棧橋等三十個單體的選煤工藝、機制、工藝管道、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、給排水、暖通等模型。建模對象系統(tǒng)性較強，且內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備管道分布密集，除常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)外，主要包括大型選煤設(shè)備、機制設(shè)備、工藝管道、配電柜、電纜橋架、給排水以及暖通管道等建模對象，建模對象復雜、建模工作量大，重建后的BIM模型主要應用于基于BIM的三維可視化管理平臺建設(shè)。

3.2 選煤廠BIM數(shù)據(jù)類型

大海則選煤廠目前主體設(shè)施基本建造完成，選煤廠建設(shè)后狀態(tài)基本與設(shè)計施工圖紙保持一致，支撐建模數(shù)據(jù)主要有各專業(yè)設(shè)計文件資料、設(shè)計圖紙、施工圖紙，施工變更記錄、設(shè)備說明書及設(shè)備安裝布置資料等。

統(tǒng)計后得到圖檔資料共計11050件，主要包括各專業(yè)設(shè)計施工圖、施工圖紙、設(shè)備使用說明、設(shè)備圖檔等，其中有30%圖紙可用于BIM模型構(gòu)建，支撐各構(gòu)筑物主體建筑結(jié)構(gòu)以及部分設(shè)備BIM模型重建；資料統(tǒng)計情況見表1。

表1 大海則選煤廠圖紙資料匯總

3.3 大海則選煤廠BIM模型構(gòu)建

3.3.1 協(xié)同建模平臺環(huán)境配置

Project Wise工作環(huán)境配置管理是三維協(xié)同設(shè)計的核心部分，通過統(tǒng)一的協(xié)同建模環(huán)境配置，能夠保證各專業(yè)設(shè)計人員在設(shè)計過程中，利用同一套標準來完成設(shè)計任務(wù)，這也是三維協(xié)同設(shè)計提高工作效率和工作質(zhì)量的關(guān)鍵[16]，主要包括工作環(huán)境配置、工作流程定制、人員角色定義、協(xié)同建模管理目錄制定等。本次建模專業(yè)涉及建筑、結(jié)構(gòu)、選煤、機制、暖通、電氣以及給排水等專業(yè)，遵從專業(yè)間協(xié)同建模原則，為各專業(yè)配備建模工程師進行模型構(gòu)建。人員配置情況見表2。

表2 建模資源配置

制定適合大海則BIM建模的管理目錄結(jié)構(gòu)，對項目裝配方案進行說明，將廠區(qū)模型按照單體功能區(qū)域進行一級拆分，利用專業(yè)進行二級拆分，對單體設(shè)施，除選煤、機制專業(yè)外其他專業(yè)按照層級區(qū)塊進行管理。

3.3.2 協(xié)同建模平臺

對于選煤廠BIM模型的三維系統(tǒng)重建工作，工具及平臺的選擇至關(guān)重要。針對選煤工程特點，采用Bentley軟件平臺對BIM模型進行重建。整個軟件基于Project Wise設(shè)計項目管理平臺，實現(xiàn)項目的數(shù)字化協(xié)同建模設(shè)計，是面向全專業(yè)的三維設(shè)計軟件，實現(xiàn)對工藝/設(shè)備/管道/結(jié)構(gòu)/電氣/暖通等專業(yè)的三維數(shù)字化設(shè)計，包括土建建模模塊Openbuilding Designer、電氣專業(yè)建模模塊 Bentley Raceway and Cable Management、管道設(shè)備模塊Openplant Modler、結(jié)構(gòu)詳細建模模塊ProStructureProSteel、總圖設(shè)計模塊Openroads Designer等[17]。Bentley各專業(yè)功能齊全，且都基于MicroStation圖形平臺，各模型之間能進行無縫參考協(xié)同，同時能夠通過ProjectWise更有效地對項目及協(xié)同設(shè)計進行管理，在協(xié)同設(shè)計與建模專業(yè)覆蓋方面優(yōu)勢明顯。Bentley選煤廠建模解決方案軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Bentley選煤廠建模解決方案軟件架構(gòu)

3.3.3 專業(yè)間協(xié)同建模

各專業(yè)人員基于圖紙，分別利用各專業(yè)建模軟件進行模型重建，設(shè)備模型在建模的同時，需要將設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)添加到模型屬性中。

專業(yè)建模完成后進行各專業(yè)組裝，需要進行專業(yè)內(nèi)碰撞檢測與專業(yè)間碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)碰撞后，首先由各專業(yè)對照圖紙進行檢查，如果是建模工程師導致的錯誤則直接進行模型修改更新，若發(fā)現(xiàn)圖紙本身設(shè)計過程中存在碰撞，則可以將結(jié)果反饋給設(shè)計方，設(shè)計方進行修改。直至專業(yè)模型不存在碰撞后依次進行專業(yè)組裝、區(qū)域組裝、廠區(qū)總裝，直至建模工作完成，建模過程中碰撞多為管道與設(shè)備方面的碰撞。

大海則BIM模型重建，共完成30個單體全專業(yè)模型的建立，包括選煤、機制、工藝管道、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、給排水、暖通、總圖等專業(yè)，其中大型工藝設(shè)備500臺。

4 BIM模型成果應用

BIM技術(shù)具有良好的模擬特性，不僅可以模擬外觀形態(tài)，還可以模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時技術(shù)人員還可以在模型上，對各類參數(shù)的信息進行靈活調(diào)整[18]。通過BIM技術(shù)，將模型進行細化及深化之后，配合項目的全生命周期一體化管理平臺進行模擬演示，模型之中不但可以查看構(gòu)件信息，還可以進行360°旋轉(zhuǎn)以及局部的放大等細節(jié)演示，讓項目各方對建筑整體及細節(jié)都有了解，配合VR等技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的演示，增加業(yè)主或相關(guān)人員的真實體驗感。另外，BIM技術(shù)能夠?qū)Ρ镜財?shù)據(jù)、單機數(shù)據(jù)、傳感器等信息流進行采集，有些信息流由于自身的特殊性，需進行人工錄入，人工錄入和自動采集形成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)會根據(jù)需要上傳到服務(wù)器[19]。由專業(yè)的技術(shù)人員對信息流數(shù)據(jù)進行檢查和維護，不斷更新，并將關(guān)系模型融到整個信息流系統(tǒng)中。這些信息流可供各單位調(diào)用，讓相關(guān)單位準確了解相關(guān)信息，實現(xiàn)信息流共享[20]。基于數(shù)字化重建過程中獲取的廠區(qū)設(shè)備設(shè)施的外形和空間位置，工程屬性和拓撲連接關(guān)系等粒度達到零部件級別的精度，完成對大海則選煤廠密集資產(chǎn)的三維數(shù)字化，為關(guān)鍵設(shè)備資產(chǎn)管理三維應用提供數(shù)字模型支撐。

5 結(jié) 語

伴隨著國內(nèi)外先進的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、機器人等技術(shù)在能源企業(yè)的進一步推廣應用，選煤廠生產(chǎn)運營管理也必將走可視化、數(shù)字化、智能化的道路，BIM技術(shù)應用的范圍也會隨著行業(yè)需求而逐步延伸，選煤廠工程信息模型的信息架構(gòu)正是用來發(fā)展BIM全生命周期應用的基礎(chǔ)，當下在建、已建卻沒有BIM模型的選煤廠所占比例較大，選煤廠BIM模型重建將長期存在市場需求，本文以解決問題為出發(fā)點，將協(xié)同建模流程與校核流程融入BIM模型重建工作中，保證了建模質(zhì)量效果，同時也在一定程度上影響B(tài)IM模型重建作業(yè)方式，優(yōu)化了整體BIM模型建模重建流程，為BIM模型重建提供了有效的方法，無論是在設(shè)計行業(yè)還是工程技術(shù)服務(wù)行業(yè)都有廣闊的應用前景。