孫再征

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

近年來，在國家政策、產(chǎn)業(yè)政策、市場共同引導(dǎo)和推動下，BIM技術(shù)受到了設(shè)計行業(yè)重視，并得到推廣。我國建筑、電力、化工等行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用相對成功[1]，而選煤行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用還處于起步階段[2，3]。在選煤廠設(shè)計中，BIM技術(shù)主要用于“翻?！痹O(shè)計[4-6]和輔助二維CAD“伴隨”設(shè)計中。BIM伴隨設(shè)計和翻模設(shè)計的核心和主體未擺脫CAD二維設(shè)計的束縛，BIM模型只是二維設(shè)計的信息載體或者附屬部分。翻模設(shè)計重現(xiàn)了設(shè)計成果，基本能解決設(shè)計“有什么”的問題，但卻無法解答“為什么”的問題，更無法說明“怎么樣”。它只是BIM技術(shù)發(fā)展初期，為探索BIM技術(shù)而采取的臨時手段，雖然可體現(xiàn)BIM技術(shù)的部分屬性，卻給設(shè)計人員帶來“二次設(shè)計”負(fù)擔(dān)，違背了BIM技術(shù)的初衷。針對這些弊端，本文以選煤廠項目為例研究了BIM的正向設(shè)計。

1 BIM正向設(shè)計

“正向設(shè)計”主要是針對“翻模設(shè)計”和“伴隨設(shè)計”而言的[7，8]，是在三維環(huán)境中直接開展設(shè)計的行為，包括分析項目需求、工程方案比選、結(jié)構(gòu)樹搭建、設(shè)計進(jìn)程管理、非標(biāo)建模、機(jī)電建模、土建建模、施工方案模擬、設(shè)計成果輸出等基本過程。一般認(rèn)為，BIM正向設(shè)計是傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計流程的三維化升級，是傳統(tǒng)設(shè)計方式向數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)變的過程[7]，是設(shè)計行業(yè)的一次技術(shù)革命，也是真正以BIM模型為中心，將不同維度的相關(guān)信息進(jìn)行集成統(tǒng)一的設(shè)計方式。

1)BIM正向設(shè)計優(yōu)勢：①“先建模，后出圖”。工藝、總圖、機(jī)制、建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電等專業(yè)全部采用BIM平臺直接設(shè)計，根據(jù)模型自動出圖；②“全專業(yè)協(xié)同”。在三維環(huán)境下，實現(xiàn)模型參數(shù)化關(guān)聯(lián)，有效提高優(yōu)化方案的效率，實現(xiàn)真正意義上全專業(yè)協(xié)同工作[9，10]；③“全三維，無死角”BIM設(shè)計。設(shè)計直觀高效，施工模擬精準(zhǔn)到位，材料統(tǒng)計誤差小，準(zhǔn)確對接后續(xù)施工。

2)BIM正向設(shè)計難點：①設(shè)計師建模水平限制，建模軟件操作復(fù)雜，學(xué)習(xí)難度大，投入時間多；②當(dāng)前操作效率低，不同的BIM設(shè)計軟件，設(shè)計理念差別大，行業(yè)未形成明確指導(dǎo)方法，因此現(xiàn)階段操作過程中易出現(xiàn)返工的問題；③軟件不成熟，CAD平臺擁有完善的二次開發(fā)工具，可提高設(shè)計效率，而現(xiàn)有的BIM設(shè)計平臺均來自國外，存在“水土不服”的問題，需進(jìn)行二次開發(fā)[11，12]；④設(shè)計理念不同，BIM協(xié)同設(shè)計與二維設(shè)計規(guī)則完全不同[13，14]，多數(shù)設(shè)計人員尚不理解BIM協(xié)同設(shè)計的理念，部分設(shè)計人員無法適應(yīng)BIM正向設(shè)計。

2 BIM正向設(shè)計方法探索

2.1 資源配置

采用Dassault 3DE平臺進(jìn)行BIM正向設(shè)計，設(shè)計全生命周期在3DE平臺進(jìn)行管理，各專業(yè)采用CATIA進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，采用Simulia進(jìn)行專業(yè)計算仿真，采用Delimia進(jìn)行施工方案模擬，項目及設(shè)計數(shù)據(jù)采用ENOVIA進(jìn)行管理。硬件配置主要包括兩臺服務(wù)器、一臺存儲器和多臺高性能工作站。

2.2 依托項目

為了探索BIM正向設(shè)計方案是否適合選煤廠三維設(shè)計，選擇一座工藝流程復(fù)雜、廠房結(jié)構(gòu)具有代表性、設(shè)備多、非標(biāo)形式多樣的煉焦煤選煤廠為依托項目。

該選煤廠采用“塊煤(200～0mm)動篩排矸+末煤(50～0mm)兩產(chǎn)品重介旋流器主再洗+粗煤泥(1～0.25mm)TBS”分選+煤泥(0.5～0mm)浮選+尾煤(0.5～0mm)壓濾聯(lián)合流程。主廠房為多層建筑，結(jié)構(gòu)主體和外圍護(hù)脫開，主體采用混凝土框架結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)采用鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)體系。主廠房內(nèi)設(shè)備約170臺，非標(biāo)件約260個。

2.3 正向設(shè)計方法研究

2.3.1 正向設(shè)計流程

BIM正向設(shè)計有別于傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計，現(xiàn)有的二維設(shè)計流程不能直接應(yīng)用于BIM正向設(shè)計中。針對選煤廠設(shè)計特點和Dassault 3DE平臺的功能特性，全專業(yè)研究形成了全BIM正向設(shè)計流程，如圖1所示。

圖1 BIM正向設(shè)計流程

在BIM設(shè)計中，設(shè)計人員基于同一平臺協(xié)同工作，可隨時了解不同專業(yè)的進(jìn)展情況，有人認(rèn)為BIM設(shè)計可以省略“提資料”環(huán)節(jié)，但為了確保設(shè)計質(zhì)量和責(zé)任追溯，研究認(rèn)為BIM正向設(shè)計中仍須保留“提資料”和“三級校審”工作，只不過該過程不同于二維設(shè)計，均在3DE平臺內(nèi)進(jìn)行，系統(tǒng)自動記錄所有操作。

本研究中，正向設(shè)計流程仍保留了二維設(shè)計的部分內(nèi)容，前期由工藝(選煤)專業(yè)和總圖專業(yè)完成主體方案布置，方案布置完成后，發(fā)布模型，其他專業(yè)在土建模型的基礎(chǔ)上開展協(xié)同工作。這一點有別于“翻模”設(shè)計中的全專業(yè)協(xié)同設(shè)計。

2.3.2 項目實施流程

全專業(yè)的工作流程確定后，進(jìn)入BIM正向設(shè)計實施階段，該階段項目實施流程如圖2所示。

圖2 項目實施流程

在項目實施過程中，各階段主要完成以下工作：

1)設(shè)計策劃。選煤專業(yè)項目負(fù)責(zé)人策劃整個項目實施方案、協(xié)同設(shè)計、碰撞檢查及設(shè)計成品等工作。

2)合作區(qū)創(chuàng)建。選煤專業(yè)項目負(fù)責(zé)人創(chuàng)建項目合作區(qū)、確定設(shè)計專業(yè)及分配設(shè)計權(quán)限。

3)項目搭建及任務(wù)分解?；陧椖抗芾砥脚_搭建詳細(xì)的工作計劃及任務(wù)指派，確保設(shè)計人員保質(zhì)、按時完成設(shè)計任務(wù)。

4)結(jié)構(gòu)樹搭建。保證各專業(yè)設(shè)計人員既能單獨進(jìn)行各自專業(yè)的三維正向設(shè)計，也能在平臺中基于結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行不同專業(yè)之間的協(xié)調(diào)和更改。

5)設(shè)備庫創(chuàng)建。創(chuàng)建設(shè)備庫和設(shè)計工程模板，將各專業(yè)的設(shè)備統(tǒng)一管理，便于選煤方案布置快速調(diào)用。

6)方案布置。工藝(選煤)專業(yè)進(jìn)行方案布置，通過軸系“相合”命令將不同設(shè)備布置到不同的樓層和不同的位置。

7)協(xié)同設(shè)計。各專業(yè)根據(jù)設(shè)計權(quán)限基于同一平臺開展BIM協(xié)同設(shè)計，數(shù)據(jù)由平臺統(tǒng)一管控，保證數(shù)據(jù)源的唯一性和安全性。

8)設(shè)計成果。根據(jù)BIM模型輸出二維圖紙、計算工程量和施工模型等，對模型進(jìn)行積極應(yīng)用。2.3.3 模型創(chuàng)建

模型分為設(shè)備模型和方案布置模型。設(shè)備模型根據(jù)設(shè)備參數(shù)之間的關(guān)系和設(shè)備的復(fù)雜程度，采用不同的建模方法。對于控制參數(shù)多且參數(shù)之間無關(guān)聯(lián)關(guān)系的設(shè)備(如分級篩、浮選機(jī)等)，直接采用Part Design模塊進(jìn)行創(chuàng)建。對于控制參數(shù)少或者控制參數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的設(shè)備(如水泵、罐體等)，采用“知識工程”進(jìn)行參數(shù)化建模，這種建模方式可快速生成不同控制參數(shù)的設(shè)備，提高設(shè)備建模效率。

方案布置建模是BIM正向設(shè)計探索的重點和核心內(nèi)容。在3DE環(huán)境中，方案布置建模采用“骨架+工程模板實例化”的總體設(shè)計模式[15]。該模式是一種“自頂向下”和“自底向上”相結(jié)合的混合設(shè)計建模方式。首先，總圖和工藝(選煤)專業(yè)協(xié)作確定總平面的“骨架”，此時骨架主要包括控制原點、各單體的平場標(biāo)高、各單體的位置控制軸系等。然后工藝(選煤)專業(yè)參照總圖提供的骨架創(chuàng)建各單體自身骨架(如軸網(wǎng)、標(biāo)高、設(shè)備的預(yù)定位軸系等)，采用“相合”的命令將設(shè)備布置到關(guān)聯(lián)軸系上，調(diào)整軸系位置對方案進(jìn)行優(yōu)化和定位。最后采用“工程模板技術(shù)”創(chuàng)建同類型構(gòu)件和非標(biāo)件參數(shù)化工程模板，以“自底向上”的方式批量生成非標(biāo)件，從而完成整個項目模型創(chuàng)建及布置。

方案布置完成后，工藝專業(yè)發(fā)布布置方案，土建專業(yè)采用3DE平臺內(nèi)的BDS和BDP土建模塊在結(jié)構(gòu)樹土建節(jié)點下創(chuàng)建土建模型替換工藝(選煤)專業(yè)創(chuàng)建的廠房土建模型。土建模型總體框架創(chuàng)建完畢后，發(fā)布模型，開展后續(xù)的土建詳細(xì)設(shè)計。

工藝(選煤)、總圖、機(jī)制、給排水、暖通、電氣等專業(yè)根據(jù)土建專業(yè)發(fā)布的模型，在結(jié)構(gòu)樹各自設(shè)計節(jié)點下，協(xié)同開展專業(yè)間的施工圖設(shè)計。

2.3.4 資料互提流程

BIM正向設(shè)計在提資料階段并未生成二維圖紙，提資料環(huán)節(jié)有別于傳統(tǒng)二維設(shè)計方式。

以工藝(選煤)專業(yè)提資料為例。三維廠房雖能夠直觀展現(xiàn)出廠房內(nèi)的布置情況，但受廠房內(nèi)樓板、設(shè)備遮擋等因素影響，審查人員并不能清楚了解上下游設(shè)備的位置關(guān)系，因此在BIM正向設(shè)計中，資料互提環(huán)節(jié)還需借助二維設(shè)計中的剖面和平面概念，利用軟件的剖切功能，生成三維平面和剖面圖。工藝(選煤)提資料具體操作流程如圖3所示。

在提資料之前，工藝(選煤)專業(yè)，首先創(chuàng)建各個樓層及軸網(wǎng)間的剖切視圖和平面視圖。其次采用三維尺寸標(biāo)注及文本注釋對設(shè)備進(jìn)行定位和注釋說明。最后在3DE平臺中的項目管理模塊中發(fā)起方案的審查流程。

資料審查過程中，審查人員如果認(rèn)為方案可行，直接批準(zhǔn)通過，系統(tǒng)自動推送至下游專業(yè)；如果方案存在優(yōu)化空間，采用Design Review模塊對資料進(jìn)行批注說明，并將批注信息反饋至審核人員和設(shè)計人員，便于設(shè)計人員查看、校對、修改調(diào)整，并且保留審查、修改痕跡，保證資料的追溯性。

2.3.5 二維出圖及報表統(tǒng)計

目前國家并未出臺BIM模型的三維交付標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計成品交付仍采用二維圖紙形式，因此需對BIM二維出圖進(jìn)行研究。模型創(chuàng)建完畢后，各專業(yè)基于BIM模型直接生成二維圖紙，但二維標(biāo)注不能滿足設(shè)計需求，需手動調(diào)整圖紙中不合理的定位標(biāo)注；對于需要添加報表的圖紙，可直接添加所需物料清單，并且清單具備自動更新功能。

2.3.6 數(shù)字化交付

3DE平臺支持多種格式的文件，提供多種模型查看方式。業(yè)主或領(lǐng)導(dǎo)可通過客戶端詳細(xì)查看模型，也可通過網(wǎng)頁輕量化瀏覽三維模型及結(jié)構(gòu)樹，在輕量化瀏覽模式下可根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)注、測量及批注說明等操作。交付的模型能夠滿足業(yè)主施工、運維管理和后期改擴(kuò)建的需求。

本文主要探索了BIM正向設(shè)計的流程和建模方法，下階段將開展模型的BIM正向設(shè)計模型的深度應(yīng)用(如運維數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)、智能化選煤廠的可視化等)，回歸BIM正向設(shè)計的初衷，進(jìn)一步挖掘BIM正向設(shè)計的潛能和價值。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

方案比選和方案布置是BIM正向設(shè)計亟需解決的核心問題，核心問題攻關(guān)后，可對BIM模型開展深度的應(yīng)用，進(jìn)一步挖掘BIM正向設(shè)計的潛能。目前研究已經(jīng)摸清了Dassault 3DE平臺功能特點及存在的“水土不服”的問題，找到了適合選煤廠BIM正向設(shè)計的工作流程，診斷出了方案布置存在問題，探索出了選煤廠BIM正向設(shè)計的方法，但是還存在不足之處，下階段將繼續(xù)優(yōu)化建模方法，提高BIM設(shè)計效率，并開展后續(xù)的施工模擬、進(jìn)度管理、運維數(shù)據(jù)與模型的動態(tài)融合等研究及深度應(yīng)用工作，進(jìn)一步挖掘BIM正向設(shè)計的價值。

3.2 展望

1)基于BIM云的應(yīng)用。借助云技術(shù)強(qiáng)大的計算能力，云服務(wù)多方共享和協(xié)同能力，加強(qiáng)項目各方之間的協(xié)同工作，最大限度地減少傳統(tǒng)信息溝通方式帶來的效率低和準(zhǔn)確性不足的問題。

2)基于BIM的智能化工廠。采用5G技術(shù)、傳感器、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段，將選煤廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)與BIM模型深度融合，實時了解設(shè)備的工作狀態(tài)和選煤廠的生產(chǎn)情況，實現(xiàn)以BIM模型為載體的三維可視化智能工廠。

3)全生命周期管理。BIM設(shè)計完成后，將選煤廠施工、運維、經(jīng)營等數(shù)據(jù)融合至BIM模型中，實現(xiàn)BIM模型的全生命周期管理。