摘要:参考国内外BIM技术发展、推广、使用情况，结合BIM技术在选煤厂设计中的应用流程，介绍了选煤厂设计中选煤、机制、水暖电、建筑等专业的BIM使用情况，分析了BIM技术在选煤厂工程设计中应用的主要优势与挑战。结果表明，BIM技术在协同化、设备参数化及专业间碰撞检测等方面具有显著优势，同时也面临着BIM技术尚不健全，行业软件壁垒等挑战。通过选煤厂设计实际工程应用，为BIM技术在选煤厂及类似工业工程设计，施工、运维提供借鉴经验。
关键词:选煤厂设计;建筑信息模型;数字化;碰撞检测;协同设计
美国乔治亚理工大学ChuckEastman博士1975年提出BIM的概念—对建筑物智能模拟的计算机系统，即信息的共享建筑模型。1986年，RobertAish提出的BIM(BuildingInformationModeling)概念。2002年Autodesk公司正式提出BIM理念和技术，建筑信息模型。美国国家BIM标准NBIMS给出的定义为［1］:BIM是某一设施的外形及功能特点，作为该设施的共享知识资源，为其全生命周期中的决策提供可靠依据，并且自其筹划直至设施拆除始终存在。随着信息技术的高速发展，BIM技术在建筑工程中的应用愈加广泛，设计方式也逐渐形成从传统二维设计到三维设计的革命性转变。BIM由美国、欧洲、日、韩、新加坡等发达国家向全世界传播［2］，目前国内BIM技术发展和应用达到了一定水平。
1BIM技术进展
1.1国外BIM技术进展
美国对BIM的研究与应用［3］都走在世界前列。各种BIM协会制定了相应的BIM标准。根据McGrawHill的报告［4］，工程建设行业采用BIM的比例在5年内(2007—2012)增长了43%。GSA从整个项目生命周期的角度来探索BIM的应用［5］，通过各领域的BIM指南以及标准，引导适合BIM的计算机软件和硬件技术标准的开放，逐渐形成BIM应用的基础环境［6，7］。在北欧，企业(如Tekla和Solibri软件公司)自主推动BIM的应用，要求使用BIM进行三维建模，并进行碰撞检查［8］。英国内阁办公室要求到2016年，全面使用协同的3D－BIM技术，并将全部的工程文件纳入BIM信息化管理［5］。新加坡政府为推动BIM技术发展［9，10］，设立基金，鼓励大学开设BIM课程，设立BIM专业学位，同时要求政府部门项目必须运用BIM技术。韩国政府部门在2010年12月—2012年4月，并更新了《设施管理BIM应用指南》［11］及《建筑领域BIM应用指南》，针对设计、施工等阶段中的BIM应用进行指导。至2010年，日本33%的企业已经应用BIM。日本建筑学会于2012年7月了日本BIM指南［12］。
1.2国内BIM技术进展
国内学者针对BIM技术的开发与应用开展了卓有成效的研究。清华大学侧重BIM标准框架研究及实施，2010年，参考NBIMS，清华大学提出了面向IT的技术标准［5］与面向用户的实施标准［13］的中国建筑信息模型标准框架(CBIMS)。上海交通大学的BIM研究中心致力于BIM关键技术的深入研究，解决BIM应用中存在的突出共性问题。上海大学BIM中心的宗旨是打造产学研一体的BIM平台，培养高水平的BIM专业人才，提高BIM技术在工程中的应用水平。国内高校通过研究和培养BIM技术人才，推动BIM技术在国内的蓬勃发展与应用。BIM技术通过几十年的发展，出现丰富的软件支持技术。建筑项目所适用的BIM核心建模软件也有区别:AutoRevit软件多用于规则的民用建筑，基于Bentley平台［14］的MS、OBD－CE、Openplant、Openroad等软件技术多用于复杂的工业建筑，满足工业建筑对工艺较高的要求，完全异形的项目则也可用Digital或CATIA软件［15］。
2BIM技术在选煤厂设计中的协同应用及技术优势
选煤厂设计过程中工艺流程繁杂，专业跨度广泛，需要多方面协同调度。BIM技术可通过对选煤、土建、机电、水暖、总图等各个专业的协同化建模，实现设计方案可视化、设计流程协同化和3D模拟。通过3D几何模型实现厂房实体模型直观判断，完成各专业管道、电缆桥架、溜槽、带式输送机、振动筛等设备的布置。借助BIM可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图的特性实现三维设计，优化工程质量，提高设计效率。运用Bentley协同平台，选煤专业首先根据工艺流程确定整个厂区内厂房布置，厂房之间连接关系，厂房模块位置，建筑轴网及建筑轮廓，布置设备。机制专业根据工艺需求，布置相应的设备，埋件。标准化的设备直接从设备库中调用，非标设备，机制专业首先自己定制，然后放置设备。土建专业根据选煤专业布置的建筑轴网及建筑轮廓优化调整建筑物详细信息。根据设备荷载，设备放置方式以及设备流程，参考以往设计及工程经验，土建工程师完成建筑物的墙，门、窗以及建筑外立面设计。进一步完成建筑内的梁、柱、板、次梁以及牛腿等附属的结构构件设计。水暖等专业根据工艺需求，在建筑物找到合适位置完成水暖管道的布置及暖气片放置位置。同时完成上下层楼板的管线穿越及开洞。电气专业根据设备需求，参考已完成的各专业设备布置方式，进行电缆桥架的布置，同时铺设电缆、放置灯具，如图1所示。土建专业根据后期根据各设备需求，穿层管道，电缆桥架走向、轴流风机位置，进行次梁调整，各层楼板，墙上开洞。检查行人通道的宽度及高度，如有设备碰撞，通知相关专业修改调整相应设备或管线的布置。各专业完成布置后，通过BIM平台中的专业碰撞检测模块，按照定制的数字化碰撞检测［15］规则，实现专业之间碰撞检测。例如选煤专业振动筛和机电专业桥架的碰撞、带式输送机和水暖管道的碰撞，机电与水暖专业的碰撞。各专业设备与土建专业梁、板、柱、墙的碰撞。同时通过数字化规则设置，实现本专业内部的碰撞检测，如水暖专业的管道碰撞。选煤厂工艺流程复杂，设备布置较多，管道及机电桥架走向复杂，通过BIM自动碰撞检测后，可以避免人为错误，提高设计准确性和设计流程整体效率。通过数字化规则制定后的BIM自动碰撞检测，极大地提高了碰撞检测精度［16］。结合大量选煤厂厂房BIM应用，通过碰撞检测及模拟分析［17］，BIM技术在选煤厂设计中可实现:电缆桥架的净高分析，行人走道净空的空间校核，设备布置合理性分析，结构梁和选煤、水暖管道的碰撞分析，复杂空间结构搭接分析，工程量统计等。通关各专业模块的整合，BIM技术可以实现项目设计、采供、施工、后期运维［18］等整个过程的全信息化的全生命周期管控。例如在选煤厂从方案策划、初步设计、评审、施工图设计、招标、施工单位原材料、设备采供，设备供配件配备，后期的设备运维、修理，以及到使用年限后厂房设备拆除更换等整个生命周期都能在3D平台上查询、操作。通过先进的数字化信息模型，指导工程的整个生命周期内运转的过程。各种信息始终整合于一个BIM三维模型中，BIM模型可以让甲方、设计、监理、管理人员、维修人员都能了解整个厂房、设备的任何过往信息，便于施工进度管理、质量控制、成本控制、优化资源配置，提高工作效率、优化资源、避免成本浪费。以实现绿色、高效、可持续发展，同时为智能化、智慧工业园区提供基础平台。通过各专业多次迭代完善的建筑模型，在碰撞检测完成后，各专业进行切图工作，形成施工图所需的平面布置图、立面图和剖面图，完成建筑图纸的出图工作。
3BIM技术在选煤厂应用的挑战
BIM技术的应用市场不成熟［19］，与传统绘图方式完全不同，应用流程不顺畅。国内大型工业院最近一直推广应用基于Bentley平台的BIM技术。鉴于Bentley平台技术的局限性，不同专业在选煤厂厂房设计中存在如下问题:
3.1选煤机制专业
非标准件的设计制约着机制专业设计效率［20］。选煤厂溜槽、工作台设计难以实现标准化，而在选煤厂设计中，非标准件的设计工作占机制专业施工图设计工作量的60%～70%。目前采用的二维CAD设计手段及工作流程效率较低，单个非标准件的设计周期在1～2个工作日，选煤厂全厂非标准件设计周期一般在1～2个月左右。在选煤厂工程数字化BIM设计中，基于Bentley设计平台中OpenBuildingsDesignerCONNECTEdition的现有版本三维建模方法存在建模效率低、耗时长，模块操作不流畅，对BIM正向设计工作产生一定的阻碍。选煤专业在方案、初步设计阶段，软件还不能达到快速建模，也是迫切解决的新问题。
3.2水暖电专业
OBD软件能完成一般简单水暖管道［21］模型，但特殊阀门模型库需要自己手动定制，如雨淋报警阀组以及选煤厂常用的风机、除尘设备、加药设备，浓缩机等设备，需要水暖工程师自己绘制模型;暖通专业的热负荷计算以及电气的电缆桥架三维铺设目前还不能走通。
3.3建筑专业
OBD－CE版软件从模型抽取的二维立面图，是由墙、梁、板、柱、门窗等构件轮廓组成的复合面。组成立面的构件part样式不同，抽图得到的立面二维图必然会有多余的线条，需要在后期整理图纸时手动删除。如图2、图3所示。混凝土楼梯不能参数化直接放置，楼梯平台不能通过修改参数直接生成。对于层高较高的厂房，楼梯梯段为3～5段时，楼梯布置时长度调整存在问题，不能流畅建模。作为疏散钢梯不能直接调用出需要的钢梯类型，不能修改钢梯构件截面，无法调整钢梯角度。BIM平台和结构软件存在不兼容的情况，在从BIM平台OBD－CE版本建筑模型向国内主流计算软件导入过程中，特别一些复杂特殊构件，例如牛腿及牛腿梁，在计算软件中不能读出。转换过程中，模型层间会出现紊乱现象，Bentley楼层管理器中楼层标高无法和结构计算软件模型的层高功能流畅互认，例如钢结构中的斜撑出现穿层、梁出现部分点中间打断、错层，梁柱构件没有执行结构模型逻辑。结构计算分析后的模型，梁柱构件一般会进行调整，模型后期再返回Bentley时，和原模型会出现不一致的现象。
4结语
BIM在工程领域的广泛应用，颠覆了以往的生产方式，大幅提高生产效率。BIM技术能够把图纸上错误控制在5%以内，通过碰撞检测等3D功能，及时发现处理工程设计、施工中存在的问题，把控施工进度，提高效益。BIM在我国的研究与应用将会成为科技、工程行业不断探索的一个重要课题。目前，鉴于BIM的推广还面临着诸多技术难题及应用挑战，BIM技术发展需要从以下方面着手:1)研究完善BIM技术标准，根据实际应用情况不断修正BIM技术应用指南。2)加强BIM技术自主研发，解决BIM现存的一系列突出问题，如参数化快速建模，各专业软件接口不融洽，软件接口标准不统一，解决使用中的一些列瓶颈问题，便于各专业协同交互使用。3)注重BIM技术相关软件及模型的开发，促进完善BIM中国建筑信息模型标准框架有关内容。
作者：姚满喜 王磊 单位：中煤科工集团北京华宇工程有限公司 山西天地王坡煤业有限公司