孫華云 ，李明晶 ，盧 勇

（1山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博256414；2山東省冶金工業(yè)總公司，山東 濟(jì)南250014）

1 前 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國各類工業(yè)爐窯（不包括鍋爐）約有15萬臺(tái)，主要分布在冶金、建材、機(jī)械和化工等行業(yè)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，二維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，而三維設(shè)計(jì)軟件以其直觀、準(zhǔn)確、動(dòng)畫模擬等優(yōu)勢(shì)越來越被設(shè)計(jì)者所關(guān)注和應(yīng)用。在一些工程設(shè)計(jì)院已開始將三維軟件應(yīng)用到工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)中。盡管如此，工業(yè)窯爐三維模型設(shè)計(jì)仍然沒有擺脫“輔助制圖”單一功能的缺陷。這與近年來全球建筑工程設(shè)計(jì)信息化（BIM）技術(shù)的發(fā)展理念仍然有較大差距。在中國，BIM技術(shù)在建筑工程行業(yè)正在不斷被認(rèn)知和認(rèn)可，工業(yè)窯爐作為工程建設(shè)的一個(gè)重要分支，BIM技術(shù)勢(shì)必也會(huì)成為其設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。作為BIM技術(shù)實(shí)施的第一步，基于BIM技術(shù)的三維模型創(chuàng)建有別于普通三維模型的創(chuàng)建。本研究就工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)與建設(shè)中，基于BIM技術(shù)三維模型的創(chuàng)建進(jìn)行一些有益的探索。

2 BIM概況

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡(jiǎn)稱。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）對(duì)BIM的定義，BIM是指一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目（或一個(gè)設(shè)施）物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；是集成了建設(shè)項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，它綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構(gòu)建性能以及施工進(jìn)度、運(yùn)營分析、維護(hù)管理等過程信息，將一個(gè)建筑項(xiàng)目整個(gè)壽命周期內(nèi)的所有信息整理到一個(gè)獨(dú)立的建筑模型中［1］。

BIM模型的創(chuàng)建基于兩個(gè)基本思想：第一，將設(shè)計(jì)信息以數(shù)字形式保存在數(shù)據(jù)庫中，以便于更新和共享；第二，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間，創(chuàng)建實(shí)時(shí)的、一致性的關(guān)聯(lián)，對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的任何更改，都馬上可以在其他關(guān)聯(lián)的地方反映出來，這樣可以提高項(xiàng)目的工作效率和保證項(xiàng)目的工程品質(zhì)。

3 基于BIM的工業(yè)窯爐三維建模技術(shù)

3.1 建模軟件和硬件配置

1）軟件的選擇。BIM建模軟件是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)，目前，市面上BIM建模軟件有很多。例如，Autodesk公司的Revit系列、Graphisoft/Nemetschek公司的Archi CAD軟件、Bentley公司的 Bentley系列軟件、Gery technology/Dassault公司的 CATIA軟件、Tekla系列軟件以及Google公司的Sketch Up軟件。各主要軟件及特點(diǎn)如表1所示。對(duì)于工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)者來說，目前大多普遍使用Auto CAD二維繪圖，雖然有少量設(shè)計(jì)者開始采用Auto CAD來創(chuàng)建三維模型，但與BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)理念仍然有較大的差距。

在上述軟件中，Revit系列軟件是專門為面向BIM而建，但其數(shù)據(jù)都可以被Autodesk旗下多平臺(tái)軟件所讀取利用，如 3D MAX、Showcase、Navisworks等，具有極強(qiáng)的兼容性。因此，工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)者應(yīng)該首選Revit系列軟件，可以在保留Auto CAD的工作流程的基礎(chǔ)上，通過Revit系列軟件較容易地實(shí)現(xiàn)向先進(jìn)的BIM三維建模過渡。

Archi CAD是最早一個(gè)具有市場(chǎng)影響力的BIM核心建模軟件，被譽(yù)為建筑設(shè)計(jì)師開發(fā)的三維設(shè)計(jì)軟件，但在國內(nèi)僅限于建筑專業(yè)，在工業(yè)窯爐行業(yè)中的應(yīng)用還有待突破。

Bentley系列軟件基于Microstation綜合型的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，功能相當(dāng)強(qiáng)大，能完全替代市面上各種軟件的建模功能，滿足建模階段的各種建模方式的需求；但由于包含大量代表不同特征行為的各種功能模塊，具有大量不同的用戶界面，學(xué)習(xí)不易上手，不太適合初學(xué)者。由于bentley系列軟件的專業(yè)設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)方面性能優(yōu)越，Bentley系列軟件應(yīng)用到工業(yè)窯爐具有廣闊的前景。

2）硬件要求。BIM建模是基于三維設(shè)計(jì)，對(duì)硬件系統(tǒng)的計(jì)算能力和圖形處理能力相比傳統(tǒng)的CAD軟件要高。硬件配置可參考各類BIM建模軟件廠商推薦的硬件配置要求。目前工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)單位配置的硬件設(shè)施一般不能滿足要求。可根據(jù)工業(yè)窯爐的種類、規(guī)模大小等，重點(diǎn)提高計(jì)算機(jī)CPU、內(nèi)存和顯卡的配置。一般采用64位CPU和64位操作系統(tǒng)，內(nèi)存在4G以上，不宜采用集成顯卡，而應(yīng)選擇支持OpenGL1.3或更高版本的獨(dú)立顯卡。

表1 主要BIM建模軟件及特點(diǎn)

3.2 工業(yè)窯爐三維模型構(gòu)件庫的創(chuàng)建

對(duì)于基于BIM技術(shù)的工業(yè)窯爐三維建模，應(yīng)具有工業(yè)窯爐的專業(yè)特性或行業(yè)性，例如窯爐的窯墻、爐門、燃燒室、煙道、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等，這些模型已不再是純粹的幾何圖元，不再是一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的建筑表現(xiàn)，而是通過BIM建模平臺(tái)的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)項(xiàng)目全部要素的“智能構(gòu)件”，這些“智能構(gòu)件”中的參數(shù)以及參數(shù)之間的關(guān)系是有專業(yè)知識(shí)來驅(qū)動(dòng)的，并能夠反映工業(yè)窯爐的工作行為。工業(yè)窯爐的設(shè)計(jì)過程就是不斷確定和修改各種“智能構(gòu)件”的參數(shù)。

對(duì)于工業(yè)窯爐建模的參數(shù)化程度，除了取決于設(shè)計(jì)者的建模能力外，還取決于設(shè)計(jì)者對(duì)工業(yè)窯爐專業(yè)知識(shí)的掌握和理解能力。需要掌握流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃料燃燒、加熱工藝等專業(yè)知識(shí)，例如燃燒室的設(shè)計(jì)，需要懂得根據(jù)使用條件選擇燃燒室的布置、尺寸、大小、耐火材料的選擇類型、材質(zhì)、厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等，后期配套的燒嘴安裝方式、規(guī)格、大小，以及燃料的種類、燃燒特點(diǎn)、火焰分布等。

以Autodesk Revit為例，“智能構(gòu)件”的設(shè)計(jì)是基于族來完成的，類似于CAD“塊”的概念。Autodesk Revit將族分為3個(gè)類型：即系統(tǒng)族、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族、內(nèi)建族。

1）系統(tǒng)族是Autodesk Revit中預(yù)定義的族，包含基本建筑構(gòu)件，例如墻、窗和門。設(shè)計(jì)者可以復(fù)制和修改現(xiàn)有系統(tǒng)族，但不能創(chuàng)建新的系統(tǒng)族。

2）標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族大多存儲(chǔ)在構(gòu)件庫中。設(shè)計(jì)者可以使用族編輯器復(fù)制和修改現(xiàn)有構(gòu)件族，也可以根據(jù)各種族樣板創(chuàng)建新的構(gòu)件族。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族可以位于項(xiàng)目環(huán)境外，且具有.rfa擴(kuò)展名?？梢詫⑺鼈冚d入項(xiàng)目，也可以從一個(gè)項(xiàng)目傳遞到另一個(gè)項(xiàng)目。

3）內(nèi)建族是特定項(xiàng)目中的模型構(gòu)件，只能在當(dāng)前項(xiàng)目中創(chuàng)建內(nèi)建族，它們僅可用于該工業(yè)項(xiàng)目特定的對(duì)象，例如自定義的爐襯、窯墻等。

在Autodesk Revit中，系統(tǒng)族是系統(tǒng)自帶的建筑必要構(gòu)件，能夠修改的權(quán)限比較小，標(biāo)準(zhǔn)族有各種參考樣板、內(nèi)容豐富，參數(shù)多，而內(nèi)建族可以自由修改。相信隨著工業(yè)窯爐BIM建模的開展和深入，會(huì)逐步積累一套自己獨(dú)有的族庫，在以后的工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)工作中，可直接調(diào)用這些族數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)修改，提高工作效率。

根據(jù)通用的制圖規(guī)范圖集、制圖標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合目前工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)部門自備的數(shù)據(jù)庫以及熱工設(shè)備廠家提供的技術(shù)樣本，可以預(yù)見出基于BIM的工業(yè)窯爐三維建模涉及的專業(yè)及各類常用構(gòu)件。

熱工專業(yè)：在熱工計(jì)算的基礎(chǔ)上確定的爐襯、爐門、爐頂、爐底、窯墻、燃燒室等。

土建專業(yè)：基坑、基礎(chǔ)、板、梁、柱、鋼架、爐體、煙囪等。

機(jī)電專業(yè)：燃燒裝置、鼓風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、加料機(jī)、推車機(jī)、卸料機(jī)、窯車、蒸汽（煤氣、空氣、輸油）管道、各種閥門等。

電氣自動(dòng)化：變電設(shè)備、配電設(shè)備、測(cè)量與調(diào)節(jié)儀表（溫度、壓力、流量、煙氣成分、液位等）等。

環(huán)保專業(yè)：空氣預(yù)熱器、余熱廢熱鍋爐、含塵氣體凈化裝置（如旋風(fēng)收塵器、布袋收塵器及電收塵器等）、成品顯熱回收裝置等。

3.3 動(dòng)態(tài)和協(xié)調(diào)建模

一臺(tái)工業(yè)窯爐的設(shè)計(jì)顯著區(qū)別于一般的建筑工程，設(shè)計(jì)過程涉及到熱工、結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、電氣、環(huán)境保護(hù)等專業(yè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)難度比較大。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)首先從工業(yè)窯爐所對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝開始進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如鋼鐵的冶煉、生石灰的煅燒、鐵礦石的燒結(jié)等。工藝技術(shù)人員向其他專業(yè)提交有關(guān)資料，熱工專業(yè)根據(jù)工藝制度要求，在熱工計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，技術(shù)設(shè)計(jì)之后便可進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。在這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中，各專業(yè)人員雖然也相互接觸、相互磋商，力求避免設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各類沖突，但客觀上，由于信息對(duì)接不完善，技術(shù)設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)部位不能詳細(xì)表現(xiàn)等，設(shè)計(jì)中不可避免出現(xiàn)“錯(cuò)漏碰缺”等問題。技術(shù)人員盡管仔細(xì)反查施工圖紙，但有些差錯(cuò)只能等到施工階段才能發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成不必要的返工和浪費(fèi)，更為嚴(yán)重的是有些差錯(cuò)甚至到了運(yùn)營期間才發(fā)現(xiàn)，給運(yùn)維安全埋下隱患。因此，在工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)過程中，各專業(yè)間的相互協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)調(diào)整建模的有關(guān)數(shù)據(jù)顯得尤為重要［2］。

面對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的缺陷，工業(yè)窯爐三維建模采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)理念尤為重要。BIM模型作為項(xiàng)目信息交流和共享的數(shù)據(jù)中心，各專業(yè)設(shè)計(jì)師可以此為平臺(tái)開展多專業(yè)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)建模。每個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)者通過建立自己的本地文件，建立本專業(yè)的數(shù)據(jù)庫，如設(shè)計(jì)規(guī)范、任務(wù)書、圖紙、技術(shù)說明等，并設(shè)置文件編輯權(quán)限，開展模型協(xié)調(diào)和技術(shù)交流。如果資料發(fā)生變更，設(shè)計(jì)者只需在協(xié)同平臺(tái)上及時(shí)發(fā)布更新自己的設(shè)計(jì)成果，并保存到數(shù)據(jù)中，這樣每個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)者都加入到一個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中，所有參與者都從一個(gè)“源”文件中獲得信息，信息不存在重疊、冗余，并能及時(shí)反饋調(diào)整。

4 BIM模型的應(yīng)用分析

基于BIM技術(shù)的工業(yè)窯爐三維建模，不僅僅是幾何特征的表達(dá)。在建模過程中，將非幾何因素也集成到三維工業(yè)窯爐模型中，如爐襯的材料特征、物理特征、力學(xué)參數(shù)、設(shè)計(jì)屬性、價(jià)格參數(shù)、廠商信息等，使得工業(yè)窯爐及其構(gòu)件成為智能的實(shí)體。除了按照出圖規(guī)則自動(dòng)獲得二維圖紙以外，各專業(yè)人員可以根據(jù)技術(shù)要求，提取相應(yīng)的專業(yè)信息，來滿足自己工作的需要。

4.1 在工業(yè)窯爐優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

據(jù)專家介紹，我國工業(yè)爐窯當(dāng)前存在的主要問題是技術(shù)裝備水平整體不高。大部分工業(yè)爐窯在燃燒系統(tǒng)、余熱利用、絕緣保溫、自動(dòng)控制、熱工檢測(cè)等方面技術(shù)性能不完善，能源利用效率較低。在材料的選擇上，由于選擇不當(dāng)，造成材料與運(yùn)行工況不匹配，一些爐窯爐體散熱損失高達(dá)60%以上［3］。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，三維建模為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有利條件。如可以將研制的噴嘴應(yīng)用在三維模型中，利用流體力學(xué)相關(guān)軟件進(jìn)行模擬，測(cè)試燃燒阻力、空燃比、溫度場(chǎng)分布、壓力變化、熱工效率等熱工參數(shù)，采用反求設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)一步優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相信這種基于BIM的設(shè)計(jì)理念將在工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)中會(huì)逐步得以實(shí)現(xiàn)和完善。

4.2 在工業(yè)窯爐控制仿真中的應(yīng)用

基于BIM三維模型的建立，為工業(yè)窯爐傳熱學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真提供了方便。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以利用fluent軟件模擬窯爐的流場(chǎng)及燃料燃燒，進(jìn)行流體傳動(dòng)與傳熱的模擬計(jì)算，分析窯爐內(nèi)氣體流動(dòng)、流速和壓力的分布規(guī)律，分析物料之間以及物料局部換熱的分布特征等［4］，進(jìn)一步基于matalab仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)窯爐控制系統(tǒng)與熱工設(shè)備的聯(lián)合仿真。

4.3 在造價(jià)中的應(yīng)用

由于工業(yè)窯爐的三維信息模型包含了所代表的工業(yè)窯爐的詳盡信息，因此，可以生成各種筑爐材料、熱工設(shè)備、控制儀表等各種清單表格［5］。應(yīng)用這些表格進(jìn)行概預(yù)算、向材料設(shè)備供應(yīng)商提供采購清單等。目前，在建筑工程領(lǐng)域，基于BIM的工程造價(jià)軟件有廣聯(lián)達(dá)、魯班軟件等，這些軟件在工業(yè)窯爐中的應(yīng)用尚處于起步階段。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)BIM技術(shù)的應(yīng)用在建筑全行業(yè)已獲得廣泛關(guān)注，但在工業(yè)窯爐領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于摸索階段，技術(shù)及管理都還不成熟，沒有統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。但隨著BIM相關(guān)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著設(shè)計(jì)部門、使用部門、機(jī)電設(shè)備供應(yīng)部門參與，基于BIM的三維建模將在工業(yè)窯爐領(lǐng)域中不斷得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

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