崔 兵 尹 越 李 順

(1.天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072； 2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300350；3.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400)

引言

工業(yè)建筑是服務(wù)于人類生產(chǎn)活動(dòng)的建筑物或構(gòu)筑物。傳統(tǒng)的工業(yè)建筑主要是指各種廠房。隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)水平的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)建筑的種類和規(guī)模不斷豐富和發(fā)展，本文所研究的水泥預(yù)熱器塔架就是其中之一，和其他工業(yè)建筑一樣，水泥預(yù)熱器塔架建設(shè)的首要目標(biāo)是滿足生產(chǎn)工藝的要求。復(fù)雜的設(shè)備管線和眾多的專業(yè)配合是水泥工廠預(yù)熱器塔架項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

BIM為建筑行業(yè)提供了一個(gè)數(shù)據(jù)信息的共享平臺(tái)，其最大優(yōu)勢(shì)在于縮短信息傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)各方協(xié)同管理[1]。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，BIM不僅僅是一個(gè)3D模型，也不僅僅是一個(gè)軟件產(chǎn)品，它注重的是生成、交流以及分析建筑信息模型的過(guò)程，而不是“建筑信息模型”本身[2，3]。在這一信息整合的過(guò)程中，水泥工廠預(yù)熱器塔架項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題將得到解決。

1 工程概況

由某設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的某5000TPD雙系列水泥預(yù)熱器塔架，如圖1所示。

Revit著色模型 實(shí)拍圖圖1 某水泥預(yù)熱器塔架

該塔架平面尺寸為25.6m×17.0m，塔架結(jié)構(gòu)共8層，總高100.76m。首層為混凝土框架結(jié)構(gòu)體系； 二層及以上為鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系，為便于管線穿越和設(shè)備安裝，圓鋼管混凝土柱僅沿結(jié)構(gòu)四周布置。塔架承載的設(shè)備主要有喂料室、分解爐以及六級(jí)旋風(fēng)筒，設(shè)備之間由風(fēng)管和下料管相連接，利用廢氣余熱對(duì)入窯生料進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)干法水泥生產(chǎn)線起到提高質(zhì)量和節(jié)能降耗的作用。

2 BIM技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)階段

2.1.1 專業(yè)協(xié)同

本項(xiàng)目在Revit 2018的基礎(chǔ)上進(jìn)行了BIM的正向設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了BIM—Design for Everything的設(shè)計(jì)理念。項(xiàng)目參與方涉及工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、電力等眾多專業(yè)，各專業(yè)通過(guò)“中心模型—工作集”的方式進(jìn)行協(xié)同，如圖2所示。

圖2 各專業(yè)BIM模型協(xié)同設(shè)計(jì)框架

各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)者建立自己的本地模型，管理者通過(guò)工作集的方式賦予設(shè)計(jì)人員文件編輯權(quán)限。如果某一專業(yè)修改了設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)人員只需要將修改結(jié)果同步到中心模型，其他專業(yè)設(shè)計(jì)人員就可以同時(shí)查看設(shè)計(jì)變更。

2.1.2 碰撞分析

碰撞即為兩個(gè)不同構(gòu)件之間的空間沖突。兩個(gè)構(gòu)件既可以來(lái)自不同專業(yè)的模型，也可以是同一專業(yè)模型的不同單元； 空間沖突既可以是兩個(gè)物體實(shí)際相交導(dǎo)致的硬碰撞，也可以是兩個(gè)對(duì)象凈距離小于最小間距要求導(dǎo)致的間隙碰撞[4]。

碰撞分析直接體現(xiàn)了BIM可視化的優(yōu)勢(shì)，也是BIM各專業(yè)之間協(xié)同和平衡的重要依據(jù)[5]。在本工程中，需要重點(diǎn)考慮的是設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的碰撞。在Navisworks進(jìn)行設(shè)備模型與結(jié)構(gòu)模型的硬碰撞檢測(cè)，如圖3所示。此外，還可以通過(guò)為碰撞結(jié)果指定責(zé)任人等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞結(jié)果的管理，并支持自動(dòng)生成各種格式的檢測(cè)報(bào)告，如圖4所示。

(a)空氣炮與梁碰撞 (b)旋風(fēng)筒與梁碰撞圖3 設(shè)備與結(jié)構(gòu)模型碰撞檢測(cè)結(jié)果

圖4 Navisworks碰撞分析報(bào)告

2.1.3 清單算量

BIM建模實(shí)際上就是面向?qū)ο蟮膮?shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程，在這一過(guò)程中抽象的族文件實(shí)例化為具體的構(gòu)件對(duì)象，對(duì)象中包含了構(gòu)件的幾何、位置、功能等諸多參數(shù)信息[6]。

Revit提供了材料明細(xì)表統(tǒng)計(jì)的功能，它通過(guò)對(duì)關(guān)鍵字的篩選、提取并匯總同一類型對(duì)象的工程量。鋼框架槽鋼梁的明細(xì)表見(jiàn)表1。

表1 鋼框架槽鋼梁明細(xì)

明細(xì)表工程量的結(jié)果準(zhǔn)確度很高，但是由于它由美國(guó)公司開(kāi)發(fā)，其體積扣減、工程計(jì)量等規(guī)則并不能與我國(guó)造價(jià)行業(yè)的習(xí)慣和規(guī)范相匹配[7，8]，因此，Revit明細(xì)表也不能按照規(guī)范考慮人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、管理費(fèi)等工程價(jià)格構(gòu)成要素，這限制了Revit明細(xì)表在國(guó)內(nèi)的使用。

Revit明細(xì)表統(tǒng)計(jì)得出的工程量實(shí)際上是凈工程量，僅代表構(gòu)件的幾何和物理屬性，并不符合造價(jià)行業(yè)的計(jì)量規(guī)則。因此，在本項(xiàng)目中Revit明細(xì)表算量的結(jié)果僅用作設(shè)計(jì)階段的工程量統(tǒng)計(jì)和初步的工程量概算，從而在設(shè)計(jì)階段對(duì)工程成本有一個(gè)及時(shí)、概括的把握。

2.2 施工階段

2.2.1 虛擬施工

虛擬施工就是在計(jì)算機(jī)上對(duì)實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行模擬。Navisworks Manage提供了模型整合、碰撞檢測(cè)、實(shí)時(shí)漫游、模型動(dòng)畫(huà)和4D模擬等功能，是目前行業(yè)內(nèi)兼容性最好、功能最穩(wěn)定、應(yīng)用最廣泛的虛擬施工軟件。

在本工程中，在Navisworks 2018平臺(tái)下進(jìn)行了虛擬施工，如圖5所示。使用Animator制作第二層某鋼管混凝土柱的生長(zhǎng)動(dòng)畫(huà)(縮放比例從0逐漸增長(zhǎng)為1)，反映混凝土的澆筑過(guò)程； 使用TimeLiner在相應(yīng)的工程實(shí)體上關(guān)聯(lián)project進(jìn)度計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度的可視化； 使用漫游工具，對(duì)模型進(jìn)行第三人稱漫游審閱，并根據(jù)需求選擇合適的真實(shí)模擬效果，包括重力、蹲伏以及碰撞等效果； 在漫游過(guò)程中，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題可以隨時(shí)標(biāo)注并記錄，這些批注將被保存在Navisworks的視點(diǎn)信息中。

(a)鋼管混凝土柱生長(zhǎng)動(dòng)畫(huà) (b)次梁虛擬施工

(c)首層樓梯漫游 (d)視點(diǎn)中的批注信息圖5 Navisworks中的虛擬施工

2.2.2 施工場(chǎng)地布置

傳統(tǒng)的以2D圖紙表示的施工場(chǎng)地布置方案是在項(xiàng)目投標(biāo)階段，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的情況和以往的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行編制。通常情況下施工人員并不會(huì)完全依照先前的施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行場(chǎng)地布置，而是依據(jù)實(shí)際情況自行安排。這也就導(dǎo)致了設(shè)計(jì)與施工的脫節(jié)，設(shè)計(jì)方并不能給出具有指導(dǎo)意義的施工場(chǎng)地布置方案，而施工方依據(jù)經(jīng)驗(yàn)自行安排的方案往往也缺乏全局的考慮。

而B(niǎo)IM虛擬施工則提供了一個(gè)施工預(yù)演的手段。在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以將各個(gè)施工階段的機(jī)械布置、運(yùn)輸路徑、臨時(shí)設(shè)施位置等情況與時(shí)間參數(shù)關(guān)聯(lián)，從而發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中機(jī)械、工程結(jié)構(gòu)和臨時(shí)設(shè)施之間可能存在的空間沖突情況或危險(xiǎn)因素[9]。因此，基于虛擬施工的施工場(chǎng)地布置充分考慮了施工過(guò)程中的問(wèn)題，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)布置有著更加明確的指導(dǎo)作用。

本論文重點(diǎn)研究了水泥塔架主體結(jié)構(gòu)施工和設(shè)備安裝過(guò)程，因此施工場(chǎng)地模型主要包括擬建塔架、現(xiàn)場(chǎng)辦公場(chǎng)所、工作人員生活場(chǎng)所、材料堆放與加工場(chǎng)地、臨時(shí)用電用水設(shè)施、機(jī)械設(shè)備、場(chǎng)內(nèi)道路等要素。場(chǎng)地布置模型如圖6所示。

圖6 BIM施工場(chǎng)地模型

在BIM施工模型中，對(duì)施工機(jī)械與運(yùn)輸車輛的工作路徑進(jìn)行模擬演示，從而評(píng)價(jià)場(chǎng)地布置的合理性。使用Navisworks模擬塔吊回轉(zhuǎn)，從構(gòu)件與設(shè)備堆場(chǎng)、地面預(yù)組裝位置分別吊裝到預(yù)定安裝位置，如圖7(a)、(b)所示。模擬施工機(jī)械和運(yùn)輸車輛的會(huì)車、轉(zhuǎn)彎、掉頭等過(guò)程，得到車輛與道路模型的沖突位置點(diǎn)，如圖7(c)、(d)所示。模擬結(jié)果顯示，施工現(xiàn)場(chǎng)的主道路存在寬度窄、轉(zhuǎn)彎半徑小的問(wèn)題，需要針對(duì)性地優(yōu)化道路布置方案。

(a)塔吊到塔架最遠(yuǎn)角點(diǎn) (b)塔吊到設(shè)備堆場(chǎng)

(c)運(yùn)輸車輛會(huì)車碰撞 (d)混凝土罐車轉(zhuǎn)彎碰撞圖7 BIM施工模型模擬演示

2.2.3 吊裝方案的優(yōu)化

前期準(zhǔn)備只是開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)才是重頭戲。因?yàn)閯倮麥y(cè)井公司是最晚進(jìn)入該市場(chǎng)的隊(duì)伍，于是李淑榮被安排到了最后一個(gè)進(jìn)行匯報(bào)。幾家測(cè)井公司匯報(bào)的解釋結(jié)果幾近于標(biāo)準(zhǔn)化答案，勝利測(cè)井能有什么秘密法寶？從甲方領(lǐng)導(dǎo)眼中，李淑榮看到了一絲疑慮。早在承接這個(gè)項(xiàng)目前，李淑榮就對(duì)甲方在該區(qū)域的勘探規(guī)劃、設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)了解，她的匯報(bào)不僅建立在這口井的具體解釋分析上，而且從區(qū)域勘探、地質(zhì)研究等宏觀方面給出了中肯的建議。當(dāng)看到評(píng)委臉上充滿贊許,甚至競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都流露出贊同欣賞的目光時(shí),李淑榮知道，她們成功了。

預(yù)熱器塔架是裝配化程度非常高的項(xiàng)目，其施工工作主要是結(jié)構(gòu)和設(shè)備的吊裝與固定。水泥塔架和預(yù)熱器的吊裝采用結(jié)構(gòu)設(shè)備交叉施工的方法，每一層的安裝都遵循由下而上、由里而外、先大后小的原則，對(duì)于跨層的大型設(shè)備則采取分段吊裝再連接的方式進(jìn)行安裝。施工安裝順序如圖8所示。

圖8 水泥塔架和預(yù)熱器安裝施工順序

本文以喂料室和旋風(fēng)筒的安裝為例模擬吊裝施工過(guò)程，并從避免空間沖突的角度進(jìn)行優(yōu)化。

(1)喂料室吊裝

本工程喂料煙室總重約為6.6t。考慮到其總重較輕、精度要求較高、垂直吊裝距離短的特點(diǎn)，可采用地面預(yù)拼裝、整體起吊再找正的安裝方案。為了避免設(shè)備吊裝過(guò)程中與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的碰撞，通過(guò)Navisworks施工模擬決定在框架梁安裝完成后，次梁安裝之前進(jìn)行喂料煙室的吊裝，如圖9所示。在本層施工過(guò)程中，可以將所需構(gòu)件提前吊到位，并集中堆放在一層樓板上。在層設(shè)備與構(gòu)件安裝完成后，最后再進(jìn)行樓梯與平臺(tái)欄桿的安裝。

圖9 一層喂料室安裝模擬

(2)旋風(fēng)筒吊裝

旋風(fēng)筒是預(yù)熱器中數(shù)量最多的設(shè)備，共有6級(jí)14個(gè)。各級(jí)旋風(fēng)筒體積都比較大，分為上、中、下三部分供貨。安裝之前首先要在地面進(jìn)行預(yù)組對(duì)，然后再依次吊裝連接。如前所述，在第三至五層塔架中，分解爐直筒與旋風(fēng)筒同時(shí)存在，則先安裝旋風(fēng)筒再安裝分解爐； 在第六至七層塔架，主要設(shè)備只有旋風(fēng)筒。

圖10 旋風(fēng)筒與框架梁發(fā)生沖突

2.3 信息管理

2.3.1 數(shù)據(jù)交互與鏈接

BIM技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于建筑信息的整合與共享，而信息管理平臺(tái)是解決“BIM怎么用”的關(guān)鍵[10]。

從技術(shù)底層上講，BIM信息管理平臺(tái)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是在數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、改、查等操作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

通過(guò)Revit DB Link插件可以在Revit模型和數(shù)據(jù)庫(kù)之間建立雙向關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)模分離式管理，如圖11所示。

(a)流程框圖 (b)操作實(shí)例圖11 基于ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互圖

模型中的數(shù)據(jù)信息可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)便捷的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)可以用來(lái)修改更新Revit模型。數(shù)模分離的方式實(shí)現(xiàn)了專業(yè)的數(shù)據(jù)交互和便捷的數(shù)據(jù)管理，極大地提高了數(shù)據(jù)管理的效率。

除了雙向的數(shù)模分離，還可以使用Navisworks的DataTools工具在模型上鏈接數(shù)據(jù)表格。相比于Revit軟件，Navisworks的突出優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的模型整合能力，它為超過(guò)170種格式的不同專業(yè)的模型提供了統(tǒng)一的操作平臺(tái)。因此依托于Navisworks的DataTools工具不再只局限于Revit模型的數(shù)據(jù)類型，能夠?yàn)槎鄦挝?、多專業(yè)提供統(tǒng)一的信息管理平臺(tái)。圖12所示為使用DataTools鏈接質(zhì)量檢查表。

(a)新建DataTools鏈接 (b)在Navisworks中查看鏈接的質(zhì)量信息圖12 DataTools鏈接質(zhì)量檢查表格

2.3.2 輕量化平臺(tái)

在很多應(yīng)用場(chǎng)景下，項(xiàng)目的相關(guān)方并不具備專業(yè)的BIM使用條件和能力，BIM從業(yè)者也不可能要求其他人員在Revit等專業(yè)軟件中查看模型并獲取信息。在這種背景下，BIM模型輕量化的理念成為了發(fā)展趨勢(shì)。輕量化就是利用模型數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、架構(gòu)云端服務(wù)器等技術(shù)手段，從而精簡(jiǎn)模型數(shù)據(jù)的體量、降低終端設(shè)備算力要求的門檻。

BIM協(xié)同平臺(tái)集成的功能需求可以分為兩種。一種是“協(xié)同”，即模型的輕量化展示、批注和共享等。這部分的需求比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上的重點(diǎn)在于模型的輕量化，包括如何壓縮模型的大小、降低計(jì)算機(jī)硬件門檻等。而另一種需求是使用BIM解決工程問(wèn)題，它涵蓋了工程項(xiàng)目全過(guò)程的各項(xiàng)工作，例如進(jìn)度管理、費(fèi)用控制、合同和文檔管理等。這部分功能實(shí)際上是將其他工程軟件的功能集成到在線平臺(tái)，在Web BIM端實(shí)現(xiàn)諸如Microsoft Project、數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件的功能，它回答了“如何使用BIM模型”的問(wèn)題。

以2020年3月25日上線的騰訊云微瓴BIM協(xié)同平臺(tái)為例。該平臺(tái)采用了B/S結(jié)構(gòu)和大象云SME渲染引擎，在服務(wù)器端進(jìn)行計(jì)算然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器端進(jìn)行展示，體現(xiàn)了網(wǎng)速換性能的理念。通過(guò)Web或微信小程序在該平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同工作，平臺(tái)提供了在線裝配、文檔關(guān)聯(lián)、模型漫游、視點(diǎn)批注、模型分享等功能，如圖13所示。

(a)Web端 (b)小程序端 (c)視點(diǎn)批注圖13 騰訊云微瓴BIM平臺(tái)協(xié)同工作

3 結(jié)語(yǔ)

本論文以水泥工廠預(yù)熱器塔架工程為背景，從設(shè)計(jì)、施工和信息管理的角度分析并提出BIM技術(shù)的若干應(yīng)用點(diǎn)，主要成果如下：

(1)從設(shè)計(jì)的角度，提出了各專業(yè)協(xié)同工作的建模方式，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)與設(shè)備模型的碰撞分析以及結(jié)構(gòu)主體工程量的快速計(jì)算。

(2)從施工的角度，利用Navisworks軟件進(jìn)行虛擬施工，并從避免空間沖突的角度進(jìn)行施工場(chǎng)地布置和施工方案的優(yōu)化。

(3)從信息管理的角度，提出了兩種數(shù)據(jù)交互和鏈接的技術(shù)路線，然后在輕量化協(xié)同平臺(tái)上進(jìn)行信息展示、查詢、管理和共享。