创新BIM技术在大型冶金综合管网项目中的应用

刘丹瑶，张燎原，张学红，蔡全福
（1.中冶南方工程技术有限公司,湖北省武汉市 430074）

摘要：传统BIM技术已在民建、市政类管网项目中广泛应用，然而传统设计软件无法适用于冶金管网体量大、交互要求高等需求，故基于Bentley平台软件，结合冶金项目特点，针对管网各专业软件分别进行创新BIM技术开发及应用，探索适用于冶金管网类项目全流程的BIM技术方案。以“越南和发2榕桔综合管网BIM设计”项目为例，详细介绍创新BIM技术在项目各阶段的应用方式和效果。
关键词：冶金; 综合管网; BIM; 云上交互;定向开发;参数化。

正文
BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术以三维数字技术为基础，是继承了建筑工程项目各种相关信息的数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达[1]。国家住房和城乡建设部2016年发布的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中明确提出了：““十三五”时期，全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力”[2]等发展目标。管网作为建筑、市政工程中重要组成部分，其本身设计的规范性及与建筑结构等空间交互性要求，采用BIM技术更具优势，也已在市政管网工程[3]、民用建筑中配管[4]、城镇燃气输配[5]等类型项目中广泛应用。然而这些项目以传统软件建立BIM模型，进行碰撞检查、施工模拟等，无法适用于“模型体量大、数据交互完整性、及时性要求高”的大型冶金工厂管网项目中。
为保证各专业间数据传递的实时性，基于Bentley平台全专业软件的.dgn格式，及其在ProjectWise平台上协同设计的实时交互性，结合冶金项目特点，针对各专业进行创新BIM技术的开发和应用，探索出针对冶金管网项目的BIM全正向协同设计流程，以“越南和发2榕桔综合管网BIM设计”项目为例，详细介绍其应用方式和效果。

1.项目背景及难点

1.1项目背景
越南和发HPDQ-Ⅱ总体规划设计项目，为越南乃至东南亚地区最大的钢铁基地：1552万t/a料场、2×360m2烧结、200万t/a炼焦、180万t/a球团、100万t/a石灰、2×2500m3超大高炉、2×300t超大转炉、543万t/a连铸、500万t/a热轧等冶炼全流程工艺段提供27种能源介质管道和10~110KV电缆的输送规划，其规划是否经济环保、先进可靠直接影响主体工艺的稳定和能耗。

1.2项目难点
①数据交互难：管网设计涉及从原料到铁钢轧产品的冶炼全流程工艺22处站房、42个TOP、40余家单位间的数据交互，量级大、格式多、需反馈及时、精准可靠，管理难度大。
②全局规划难：项目能源供给面积达2937万㎡（约4114个足球场面积），涉及7960m的高/中压蒸汽、O2、N2、Ar、煤气、天然气、软水、工业水等27种介质管廊，5275m的高、低压、控制电缆通廊的输配优化，其规划是否经济环保、先进可靠直接影响主体工艺的稳定和能耗，常规设计计算方法难以满足要求。
③精细化设计难：地质条件复杂、高差36m；需综合考虑道路、边坡、沟渠与78种不同截面、超宽超高多层支架、桁架的基础、交叉及管线共架要求；海边还需考虑风荷载和防腐等要求；如此大体量、复杂工程采用常规三维设计需大量手动处理，效率极低。
④绿色低碳和数字化交付要求高：项目对标ASME标准，环保及交付标准高；需新技术获取精确数据、成熟的平台用于全过程数字化交付，并需协助业主管理多方提供的模型成果文件。
传统三维BIM技术由于各专业设计软件间、设计与计算模型间的数据壁垒，导致数据不同步；且针对冶金项目存在“功能待完善、设计效率低”等问题，无法满足高效设计、高标准交付要求，故而采用自主开发的“云上更新、流程重构、专业开发、数据管控”创新BIM技术解决上述项目难点。

2.创新BIM技术

2.1构建云上BIM图板
在国产底层架构上研发“中冶南方BIM云平台”，根据项目分阶段功能需求、项目组成员的BIM职责，在云平台上完成本项目软、硬件环境及权限配置（如下图2.1），并根据国家、行业、企业BIM相关标准，统一制订针对项目的“越南和发HPDQ-Ⅱ总体规划设计”BIM实施指南、策划-设计阶段的实施流程、工作环境及15个等级库，以ProjectWise实现对项目BIM工作空间的托管，云上一键更新同步，保证项目数据来源统一；云上交互实现了40多个参与方能实时查看项目成果、异地协同修改，保证在疫情封控期间进度不受影响。

图2.1  项目分阶段、分专业BIM软件配置

2.2高效BIM方案规划
在BIM方案设计阶段，通过自主开发、计算优化、云上交互管理实现方案的快速修改、便捷沟通。
2.2.1自主开发提高BIM规划效率
项目针对综合管网以总图规划设计为核心，而总图专业具有“二维布局快、但难以反映地形、标高”的设计特点，在二维CAD平台和三维OpenRoads Designer（简称ORD）上同步开发插件，插件各功能模块分别提前预置了冶金总图常用的规范、标准、要求等，实现方案设计阶段，调用2D模块，快速绘制平面道路、建筑，导出.jtc中间格式文件，再导入ORD中一键生成三维建筑、道路（图2.2）。“二维快速布局一键三维模型化”，提高了方案设计效率和展示效果，便于业主快速了解设计意图、确定设计方案，方案沟通效率提升50%以上。

图2.2  导入ORD一键生成3D道路、建筑

2.2.2计算优化降低输配能耗
针对项目介质多、管线长的特点，依托BIM智能P&ID技术，自主开发“能量平衡输配系统”（图2.3），针对不同介质主管路上多输入端、用户端的流量、压力进行能量平衡计算（图2.4），根据计算结果，调整管网布局，以减少沿程设备、分支、管道等阻力损失；并进一步地优化管路布局，降低全厂能源介质的输入、稳定输出，减少压损、节能降耗。

图2.3  自主开发“能量平衡输配系统”界面

图2.4  “能量平衡输配系统”模拟计算成果

2.2.3云上交互提高沟通实效
自主开发构建“中冶南方工程数据管控中心DMC”（以下简称DMC），对方案设计阶段各方的线上交互文件实时传递、记录、分发、提醒，提升方案确认效率。以“28#联系函”交互过程为例（图2.5），5天内即完成与业主/相关方间“收、发、问、答、返、存”交互全流程，响应及时、记录完整，提升BIM方案效率和设计资料的准确、实效性。

图2.5  “28#联系函”在DMC上交互全过程

2.3 BIM设计流程优化

2.3.1管网项目传统与优化BIM流程对比
如下图2.6所示，传统BIM设计流程中，专业各自按二维进度提资、设计，结构专业最后受资、最早发图，无法保证正向设计；为此，采用“总图正向建模、提资前置”与“管道调用参数化支架、结构深化设计”的优化BIM流程，一模到底，保证全专业正向设计进度。

图2.6  管网项目传统与优化BIM流程对比图

2.3.2总图提资前置
总图创新性率先建立地膜、正向设计提资，接受管道、电力二维提资的落地支架定位后，调整不符合与周围建构筑物间距要求的支架位置，在ORD中采用开发工具，一键转化为三维支架定位模型并提资给下游专业，使得管道、电力更早具备三维设计条件，提资前置提高整体效率。
2.3.3结构一模到底
创新性管道、电力专业在总图定位3D模型的基础上，调用结构参数化支架模型，以工艺长、宽、高、层参数驱动生成支架模型，提资结构，结构接受模型并深化设计、校核，一模到底，克服下游专业受资晚、发图早、变更多的问题，保证全专业正向设计进度。

2.4专业BIM定向开发提质增效

在BIM流程优化的基础上，针对项目总图、结构、管道、三电专业软件的定向开发，结合碰撞检查优化和云上精细管理，解决专业三维设计痛点、提高各专业设计、审核及项目管理效率。
2.4.1基于ORD的总图定向开发
项目将中冶南方总图设计标准、模板内置到CAD平台和ORD，且二三维联动，已实现：①自动读取CAD平台中道路、建筑参数，匹配预设规则，导入ORD生成合理的场地边界和地模；②自动道路二维信息拾取及交叉口编辑功能，快捷生成三维道路模型及道路工程量统计表；③三维调用预设规则计算、自动修剪建模高宽多变的过路沟道，如：针对本项目中宽1.5~4m、宽度、高度截面不断变化的过路排水沟渠，采用ORD中顶平面放样，调用预设的沟道模板、交叉、过路处理规则计算，并自动修剪形成三维模型（图2.7）；④按模板、样式库自动生成边坡挡墙，例如：本项目在炼钢区域与中央水处理区域间近30m高差坡度上，根据选定“放坡模板”“挡墙样式库”，水平绘制，自动生成多级边坡和挡墙（图2.8）。
解决了总图三维设计中衔接、交叉、过渡等绘制难、建不准、效率低问题，总图设计效率提升50%。

图2.7  ORD中自动修建建模过路沟道

图2.8  ORD中调用样式库自动生成3D挡

2.4.2基于ProStructures的结构参数化开发
针对管网结构，在Open Plant Modeler（简称OPM）和ProStructures上同步开发“结构参数化”工具，实现管道在OPM中调用“参数化结构支架”并以工艺长/宽/高/层参数驱动生成模型提资结构（图2.9）。结构受资后在ProStructures中深化设计，BIM模型导入STAAD并附加风荷载计算（图2.10），生成的终版模型返资管道，并自动切图标注（图2.11）。结构设计一模到底，效率提升15%。

图2.9  管道调用参数化支架提资、结构深化设计过程

图2.10  模型导入STAAD并附加风荷载计算

图2.11  ProStructures中支架切图并标注

2.4.3管道敏捷设计工具集开发
针对项目多介质、多规格、多标准管道设计要求，独立自研“等级库编辑软件”、自主开发“管道敏捷设计工具集”，涵盖管道高效BIM建模、修改及自动切图标注插件，并将设计软件OPM中支架配置与AutoPIPE参数建立自动映射，打通管道BIM高效建库、精确建模、计算优化、自动出图、出料全正向流程（图2.12），管道设计、出图效率提升68%以上。

图2.12  管道建库-建模-计算-检查-出图BIM设计全流程

并以自主开发的“能量平衡输配系统”，结合AutoPIPE管网应力分析，优化详细设计的27类介质管路，降低阻损。

2.4.4基于BRCM的电气工具开发
在Bentley Raceway and Cable Management（简称“BRCM”）上开发的“电气智能设计工具集”，集成管网项目的电气标准、模板，实现多层桥架快速创建、自动匹配，高效出图，三电设计效率提升19%。

2.4.5碰撞检查与云上会审
根据管网超长距离特征，总装模型轴向按100m/段、径向按专业划分检查碰撞，在项目30%、60%、90%节点、精准检查专业模型间碰撞，云上沟通、问题到人、反馈落实，所有会审问题高效解决，会审修改效率提升30%（图2.13）。

图2.13  云上分组碰撞检查-问题到人-高效解决过程

2.4.6依托DMC的云上设计管理
采用自主开发的DMC平台实现对云上设计的进度监测、信息同步、闭环反馈、精细管理。如下图2.14，进度条颜色反馈建模、发图与现场施工进度，进度滞后时提醒到人，以便快速调整保证发图进度。

图2.14  DMC对云上设计进度监测的示例

2.5数据中心集中管控及交付
作为总规院，承担了协助业主对后续多单位、多格式交付文件管理的工作。项目以数据管控中心DMC为依托，实现高效云上会审、阶段交付、变更联动、成果打包、统一托管并指导施工全过程交付管理。
与业主和相关方间的云上会审后，纪要上传、交互文件实时传递到专业，得益于全正向设计、图模一致，调用模型检查10天内即可复核答复、响应高效（图2.15）。

图2.15  多相关方间云上会审、文件交互示例

DMC平台可解析各专业主流设计软件格式（包括但不限于Bentley平台软件OBD、BRCM、OPM、ORD、ProStructures，以及其它平台软件），能将模型、数据、文档统一存储，解决了数字化交付中多源异构模型解析及数据集中管控的难点。

依托DMC还可实现对项目各标段、跨专业材料的精准汇总与管理，现场app端查看对比模型完成情况、指导施工，调取属性列表用于精准领料；并实时反馈现场进度，进行进度精细化管理（图2.16）。

图2.16  依托DMC平台的施工管理示例

以DMC为底座，针对项目开发的智能输配运维平台，可实时监测管网介质和电接点TOP参数，预防潜在故障；根据生产需求优化输配流程；异常数据精准定位并迅速处理，降低输配能耗；模拟生产用量急剧变化造成的流量和压力波动，帮助管理者评估方案、智能决策（图2.17）。

图2.17  依托DMC平台的管网智慧运维页面示例

3.项目成果

3.1 BIM精细化设计模型
通过上述创新BIM技术的应用，项目各专业完成模型精度均达LOD300以上，示例如图3.1。

图3.1  项目BIM管道、支架及道路等模型示例

3.2 专业BIM出图示例
本项目完成BIM正向出图3474A1，占总量85.95%。除与三维无关部分，全正向出图。分专业BIM出图示例如图3.2。

图3.2  项目分专业BIM出图示例

4.结语

针对本项目的开发及实施，获批发明专利2项，软件著作权5项，并获“第六届冶金建设行业BIM大赛”一等奖。以项目的流程级优化和专业级开发攻克专业BIM设计难点，综合提效35%；并结合智能输配、应力分析优化全局规划，实现降本增效；数据中心助力全过程、精细化项目管理，打破多单位、各阶段数据壁垒；项目完善了管网类BIM设计体系，为高标准数字化交付及后续同类项目的BIM实施提供有力支撑。
通过该项目的实施，中冶南方响应国家“一带一路”号召，将“中国技术、中国标准、中国装备”输出海外，树立冶金国家队形象，一期建成后海外合同额增长26亿元，以BIM技术的创新应用促进新质生产力提升！

参考文献：
[1]张洋．基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D]．北京：清华大学土木工程系，2009．
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.2016-2020年建筑业信息化发展纲要[EB/ OL].2016-08-23.
[3]李亭等．管网工程设计中的软件协同BIM技术研究[J]．土木建筑工程信息技术,2021,13(2)：79-85．
[4]于贵书.BIM技术在管网综合设计中的探究与应用[D].大连理工大学,2016.
[5]王勇华等．BIM技术在燃气场站建设管理中的应用[J]．设计与施工,2020,39(10)：1172-1177．