范正銳，鄭 鵬，馬駿，鮑化坤

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

余熱發(fā)電是利用在生產過程中（工質燃燒過程、化學反應放熱過程等）多余的熱能轉換為電能的技術。應用余熱發(fā)電不僅節(jié)能，還有助于環(huán)境保護。有色冶煉行業(yè)高溫煙氣的余熱，化學反應余熱，廢氣、廢液余熱，低溫余熱（低于200℃）等工質中的熱（或可燃質）均可作為余熱發(fā)電的熱源來生產蒸汽。余熱發(fā)電站即是通過利用余熱回收設備產生的蒸汽來發(fā)電的生產站房。

余熱發(fā)電站在有色冶煉行業(yè)應用比較廣泛，余熱發(fā)電項目的工程設計階段的主要任務有：①完成設備選型及布置；②完成站房內汽水管道設計；③完成工藝專業(yè)與公輔專業(yè)之間的設計協作。另外，在設計完成后進行對施工方的設計交底及施工過程中技術服務。

常規(guī)的設計手段存在著以下問題還需進一步解決：

（1）工作效率低。二維手繪圖、料單手工統計、專業(yè)間設計內容不可見、設計返工多等因素，使得傳統的設計過程中工作效率較低。

（2）參與方信息交互困難。困難在于展現完整的設計內容，需將分散在多張二維圖紙中的設計內容在大腦中重構立體的完整空間關系。

（3）設計疏漏多。常規(guī)設計時由于專業(yè)間缺乏協作、DN50以下管道不進行管道布置、管道支吊架布置合理性考慮欠缺，使得施工過程中集中暴露設計問題。

隨著國內BIM技術的不斷發(fā)展，加快推動新一代信息技術與建筑工業(yè)化技術協同發(fā)展，在項目建設的全過程加大建筑信息模型（BIM）、互聯網、物聯網、大數據、云計算、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術的集成與創(chuàng)新應用[1]。BIM常見應用如設計方案可視化、協同設計平臺、模型碰撞檢查、工程量統計、BIM模型出圖等功能在工程設計過程中的應用，使得以BIM為核心的三維協同設計理念成為項目設計效率和質量提高的新的驅動力。

圖1 項目BIM布置模型全貌

1 工程實例

某有色冶煉項目余熱發(fā)電站裝機功率12MW，項目采用的飽和蒸汽汽輪發(fā)電機組為德國進口的德萊賽蘭（Dresser-Rand）設備。整個余熱發(fā)電站由工藝和輔助部分構成。

工藝部分由八個部分組成：①主蒸汽系統；②低壓蒸汽系統；③除氧給水系統；④凝結水系統；⑤抽真空系統；⑥汽封系統；⑦潤滑油系統；⑧輔助管路系統。

同時還有土建、通風、電氣、自控儀表等輔助系統。

該工程系統構成多，設計階段存在多專業(yè)交錯設計，廠房內空間緊湊、管路復雜布置困難，在有限的設計周期內，完成精細化的設計有較大的挑戰(zhàn)。

2 BIM模型的創(chuàng)建

與傳統的設計方法不同，BIM技術的應用在模型創(chuàng)建階段不僅需要考量選取應用的軟件平臺，同時還需要建立與項目相匹配的管道數據庫，以及搭建三維協同設計平臺。

2.1 軟件平臺選用

目前國外BIM軟件中，美國Autodesk公司的Revit系列核心工程應用建模軟件、美國Bentley的MicroStation、OpenPlant等系列工程應用軟件，匈牙利Graphisoft的ArchiCAD，法國Dassault的Catia較為主流。國內BIM主流軟件包括廣聯達系列(自主平臺)、魯班系列(AutoCAD平臺)、神機妙算系列(自主平臺)和品茗系列、天正系列、斯維爾系列、理正系列、浩辰系列、博超系列、PKPM系列等，他們均基于AutoCAD平臺開發(fā)，完全遵循中國工程標準、規(guī)范和建筑設計師習慣[2]。

在BIM領域Revit和Bentley的覆蓋行業(yè)較廣，應用最為普遍。Revit價格低廉，基于CAD基礎，上手容易。主要在民建、市政工程等領域BIM應用較為廣泛。Bentley支持任何形體較為復雜的曲面，軟件架構思路是用專門的軟件去做專門的事，將一項工程的不同構件應用同平臺下細分的專業(yè)軟件完成。主要應用在基礎設施建設、工業(yè)廠房等領域。有色冶煉項目屬于工業(yè)項目，該項目應用Bentley軟件平臺較為適合。

該余熱發(fā)電廠房的工程設計應用Bentley系統軟件，應用一整套的BIM軟件架構對項目涉及到的多專業(yè)、多種模型構件在統一的三維協同平臺上進行設計工作。

其中應用MicroStation進行設備建模以及項目模型總裝管理及配置圖切圖工作；OpenPlant Modeler用作工藝部分熱力管道、輔助暖通和給排水管道的工程設計及出圖；Open Building完成項目建筑和結構建模；Open Roads用于廠外道路建模；BRCM完成電氣和自控橋架建模及電纜敷設；OPSE完成項目管道、橋架的支吊架建模。

圖2 余熱發(fā)電廠房的BIM軟件架構

2.2 管道等級庫建立

BIM軟件管道數據庫里記載著真實管道元件的數據屬性信息，同時又是模擬真實管道元件的外形尺寸的數字化元件倉庫。管道等級的分類既把繁多的管道元件數據進行了有序的梳理，又因為清晰的分類便于設計者設計時選取相應的管道元件。設計之初建立項目的管道等級庫的建立有利于設計材料選用的統一。在應用BIM軟件進行管道設計時工程師根據設計需要選取合適的管道等級后進行管道布置。

余熱發(fā)電站中的管道系統一般以設計壓力1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、10.0MPa為分界點區(qū)分不同壓力等級的管道。另外同樣壓力等級管道按照材質分為碳鋼管、合金鋼管、不銹鋼管。例如：主蒸汽管道等級選用100CB，其中100代表公稱壓力10.0MPa，CB為材料代碼代表碳鋼。整個余熱發(fā)電站廠房共分為32個管道等級庫。

圖3 余熱發(fā)電廠房管道等級分類表

2.3 協同設計平臺建立

應用BIM設計最大的優(yōu)勢是使用多專業(yè)、多人之間的三維協同設計平臺，來增強項目執(zhí)行過程中的交互性。協同設計平臺重點解決：唯一的信息入口、唯一的存儲地、唯一的版本。特別是要具備多人并行工作的可能，最大的發(fā)揮協作的好處。協作的對象是人和人之間、專業(yè)與專業(yè)間、單位與單位間。好的協同平臺需要多人同時編輯同一個文件，先后階段上下游之間數據要能夠互用，可以跨地域進行遠程異地協同工作。該項目應用Bentley的Projectwise協同設計平臺，實現BIM工作的核心，即保證項目準確性、唯一性、一致性、連續(xù)性。通過協同提高整體效率，相應的個體效率也相應提高。

ProjectWise在本地的和遠程的設計團隊成員都可以協同工作，保證了在全時間段、全部設計內容都是同步進行的。每個人只需在自己的模型中工作，只要及時保存自己的工作文件，其他團隊成員就可以實時看到最新的全廠模型。

圖4 團隊成員協同設計模式

3 與傳統設計相比BIM技術設計階段的拓展應用

BIM技術在工程設計中應用在實現和傳統設計方法相同的工作內容及交付成果的同時，其具備的優(yōu)勢可以為工程設計過程本身帶來更有價值的應用。

3.1 碰撞檢測

余熱發(fā)電項目工程設備管線主要包括工藝管線、強電、弱電、消防噴淋、生產給水、循環(huán)水、潤滑油、壓縮空氣供應、通風空調、防排煙和采暖供熱等，這些管線在該項目廠房內錯綜復雜，如果在施工中發(fā)現各種管線、構件間發(fā)生碰撞，很容易造成返工、窩工問題。

碰撞檢測分為硬碰撞和軟碰撞兩種。硬碰撞是指實體與實體之間交叉碰撞。軟碰撞實體間實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關施工要求（安裝、檢修等）。

圖5 典型碰撞問題修改前后對比

項目在設計過程中硬碰撞經常發(fā)生，通過碰撞檢測很容易消除。軟碰撞問題較難消除，往往軟碰撞還需結合設計經驗進行判斷。

硬碰撞檢測應用Microstation對模型設置碰撞檢測預設條件后進行檢測分析，余熱發(fā)電站內共檢測碰撞點358處，其中包含工藝管道自身碰撞點127處，多層布置管道與吊架碰撞48處、管道與管道間凈距不滿足碰撞檢測預設條件87處、不同專業(yè)管道和橋架間碰撞96處。將問題歸類后全部反饋給相應設計人員進行分別處理。

軟碰撞檢測一部分通過上述硬碰撞檢測預設碰撞條件中包含各構件間施工操作空間，以此來避免間距無法滿足施工要求的情況。另一部分主要為操作、檢修空間、安裝通道等空間的軟碰撞問題，通過在模型中設虛擬占位構件的方法進行軟碰撞的判斷。

與傳統設計相比BIM技術在設計過程中的應用預先發(fā)現管線碰撞沖突問題，及時將修改反饋在設計圖紙上，并進行施工方案優(yōu)化等，減少此類圖紙問題產生的變更，避免施工時因設計問題帶來的停工、返工，對施工時處理類似問題節(jié)約大量溝通成本，同時也為項目精細化管理奠定基礎，創(chuàng)造可觀的經濟效益。

3.2 深化設計

與傳統設計相比BIM技術的應用可以通過更加直觀、便捷的方法達到設計的深化。余熱發(fā)電項目在設計階段應用BIM技術主要實現了如下深化設計內容：

（1）BIM技術進行單專業(yè)、多專業(yè)碰撞檢查、工藝管道與建筑、結構、鋼結構（包括格構柱及鍋爐本體鋼結構）綜合碰撞檢查。

（2）對圖紙中DN50以下及系統圖中未明確路由的管道進行圖紙深化。

（3）通過BIM技術增強施工的可模擬性更加直觀。

（4）管道支吊架精確建模，使得設計內容更加完備。

（5）汽水管道應力分析模型與BIM模型雙向互通，避免常規(guī)設計與計算“脫節(jié)”問題。

（6）管道保溫建模，使得設計元素間的凈距更加精確。

圖6 疏放水管道三維模型視圖

3.3 高效出圖

應用BIM技術從模型出圖相較傳統繪制二維圖紙效率大幅提升。模型出圖范圍主要有：各系統P&ID圖、廠房平剖面布置圖、管道平剖面配管圖、管道ISO軸測圖、管道支吊架詳圖、材料明細表等基本涵蓋了余熱發(fā)電站工藝專業(yè)所有出圖范圍。同時公輔專業(yè)的建筑平立剖圖、建筑詳圖、通風管道布置圖、消防水管道布置圖、電纜橋架敷設圖及電纜導線表等。

模型出圖效率高主要體現在模型出的圖紙與模型的關聯性，使得設計修改過程不用人為修改圖面。另外BIM模型出圖大量的采用自動標注工具，使得設計圖紙中標記信息自動讀取模型信息，減少了人為輸入信息的工作量。

3.4 二次開發(fā)組合支吊架

管道組合支吊架設計方法是基于BIM二次開發(fā)技術對管道組合支吊架的設計流程進行再造，搭建管道布置、應力分析、實體支吊架、支吊架組裝圖之間的數據實時互通，從根本上解決設計方法出圖效率低、出錯率高等問題。管道支吊架設計系統，包括：邏輯支吊架插入模塊、實體三維支吊架生成模塊、應力分析模塊、支吊架設計模塊、三維碰撞檢查模塊、支吊架出圖模塊。

圖7 主蒸汽管道布置圖

圖8 主蒸汽管道ISO軸測圖

通過應用三維的組合支吊架結合BIM應用的碰撞檢查功能，在設計過程中避免支吊架與其他構件的碰撞沖突。實現設計過程中直接從模型生成每個支吊架生根點的土建條件，便于土建專業(yè)精準的預埋鋼板，減輕了工藝專業(yè)人工統計和繪制預埋板條件的工作，同時也使得土建預埋更加精準。

圖9 汽水管道三維實體組合支吊架模型

3.5 設計過程三維校審

與標準的國外項目三維設計30%、60%、90%三維模型審核階段類似，余熱發(fā)電站在進行BIM設計時同樣需要根據設計進展進行不同階段的三維模型審核。在階段審核項目應用BIM輕量化平臺各專業(yè)設計人員均可同時進行日常審核，避免單專業(yè)內部可以解決的模型問題等到階段審核時再解決，大幅降低了階段審核的工作量。

在設計過程中的三維校審工作主要是實現多專業(yè)、多角色、多人之間的協同設計，進行無紙化校審，同時可以利用BIM軟件附帶的漫游動畫功能將完整的設計內容以虛擬廠房的形式進行展示，更加直觀的表達出站房內工藝專業(yè)和公輔專業(yè)間的空間位置關系。

與傳統設計的圖紙會簽不同，BIM技術的應用將找到的問題通過三維校審平臺進行，查找到的問題按照人員及專業(yè)分類，便于分類集中對找到的設計問題進行處理。

圖10 BIM模型校審界面及校審記錄

4 結論

BIM技術在余熱發(fā)電站設計階段的應用，轉變了常規(guī)設計理念及設計流程，帶來了設計效率的答復提升及實現了更加精細化設計。通過實際項目應用總結BIM技術在設計階段帶來的好處如下：

（1）該項目設計過程中將設計疏漏減少90%以上，相應的減少施工階段的設計變更，節(jié)約23萬元的成本。

（2）通過該項目完整設計過程應用BIM技術，使施工圖設計過程所需時間縮短到一個半月，大大提高了設計效率。BIM設計保證了施工過程中一次性安裝成功的概率，使得整個安裝周期相應縮短。

（3）精確的料單統計?？偟膩碚f，將BIM技術應用到余熱發(fā)電項目設計過程中，對改善傳統設計存在的問題效果顯著。通過對BIM技術在余熱發(fā)電站設計中的應用方法進行總結，明確了BIM技術是該行業(yè)可持續(xù)發(fā)展及面向數字化的助推器。使BIM技術發(fā)揮更大的社會價值，是仍需繼續(xù)不斷研究的方向。