冶金矿山模块化建造BIM探索应用

石永刚

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

随着近些年我国改革开放的不断深入，“一带一路”基本原则的贯彻实施，各大企业纷纷采取“走出去”的政策，希望在海外项目中分得一杯羹，期间我国的各大设计院承揽了诸多海外的冶金矿山总承包项目。在项目的执行中，为海运提供方便和降低施工人力成本，大多数设备和钢结构采取在国内预制组装再通过海上运输到项目目的地进行模块安装。基于这一背景，提出冶金矿山模块化建造的概念。为实现模块化建造，尽可能的模拟现场环境和厂区布置，为项目从策划、设计、采购、施工、使用等全生命周期实现精细化管理，需要通过BIM技术建立三维数字实体信息模型来实现。

BIM技术通过建模能够直观并精确的反映出冶金矿山项目现场的实战模型，减少不同专业之间图纸矛盾而导致的更多额外费用的产生。因此，BIM技术在冶金矿山模块化建造中发挥着非常重要的作用。

1 相关技术概述

1.1 BIM技术及BIM软件概述

1.1.1 BIM技术

建筑信息模型(Building Information Modeling)，简称BIM，起源于美国，由Chuck Eastman博士于20世纪末提出的建筑计算机模拟系统发展而来，是目前建筑行业、冶金矿山行业等工程类行业的一种新型作图三维工具。它能够将工程项目中的各个信息数据集成在一个工程模型中，该模型能够使得各个专业协同工作。

由于BIM能够全面描述工程项目的信息，项目的各参与方都能够通过模型获取到所需的信息，可以使得从规划、设计、采购、施工等项目全生命周期的信息达到一致，由此其具备以下几个优点：

1)能够进行碰撞检查，节省由于碰撞而带来的变更费用。

在冶金项目中，各个专业涉及到的设备数量和种类繁多，还存在大量的管道、电缆等线路。在传统的设计中，管道和电缆的走向与厂房结构均由各专业独自设计完成，不可避免会出现碰撞的问题。尤其是发生大尺寸的管道与主要厂房结构的梁柱碰撞时，就会面临返工困难，资金浪费严重的情况。那么，通过BIM三维设计模式，各专业之间协同办公，在设计本专业的构件时会看到其他专业的管线走向，从而主动避开；在设计完成后，BIM还能从整体上进行碰撞检查，在施工前发现问题并及时解决，避免了施工后才发现问题造成返工的现象。因此，通过使用BIM技术，可以优化设计方案、材料量统计准确、备品备料做成标准通用、降低现场变更来减少返工费用等方面，节省项目的总投资。

2)各专业协同工作，缩短项目建设周期。

采用BIM设计模式，所有专业的模型信息都存在一个数据库中，不同专业的工程师在同平台同模型中进行设计，设计时能够及时了解到其他专业的修改情况，同时对自己的设计进行优化和调整，设计的准确性得到了很大的提高。同时，在BIM设计模式下，能够使得制造厂的加工周期缩短、现场返工现象减少；根据模型指导现场施工，定位准确，安装速度快，安装顺序和分工统一规划，以此来达到缩短工期的目的。

3)对项目进行模块化划分，提高工程质量。

BIM设计执行三次模型审查工作，执行对碰撞检查，其中包括硬碰撞、软碰撞、检修通道和吊装空间。BIM中每个构件均带有强度、材料、供货商等实际属性，可以为项目提供详细的材料清单和数据信息，为运营维护提供效率。通过BIM模型，工程师可以直观的判断出模型的拆分部位，按照拆分部分将模型进行拆分，拆分后还可以利用BIM对拆分模块进行模拟拼装，提高成品模块到达现场后安装的准确性，从而提高工程质量。

1.1.2 BIM软件

BIM模型和信息都是通过BIM软件来实现的，随着计算机技术和互联网技术在近些年的蓬勃发展，BIM设计软件也得到了更多的追捧，越来越多的设计院开始使用BIM软件进行设计。目前，工业设计的三维设计软件有PDMS、PDS、Smart Plant和Open PLANT。本文所述的三维软件设计平台为Open PLANT系统。

Bentley Open PLANT是一个绘图的平台，能够兼容所有专业的数据和信息，利用多个参数化的工具和信息化手段，将三维结构模型快速搭建起来，进而用三维模型切出二维的施工图纸，生成材料量表。该平台还能提供更加强大的功能接口，如工程图形引擎和数据接口，保证数据信息的一致性、精准性和可扩展性，以此来整合设计的各个阶段，提高设计效率和质量。

1.2 模块化建造概述

模块化建造，是指在设计开始阶段，将厂区按照一定的拆分方法分割成多个功能相对独立的模块，模块化部件进行加工和集成后再运输到项目建设的目的地进行拼装，拼装为能够满足工艺需求的各个车间以完成整个工矿项目的一种建设方法。

模块化建造最初应用在海洋工程中，海洋工程由于其地理位置的特殊性，海上作业相较陆地有较多的不确定性，风险相对也较大。因此，在19世纪末期海洋工程中提出了模块化建造的方法，之后这一做法慢慢发展到陆地的工矿项目中。将一个整体的项目分成多个模块，先在陆地上对模块进行预制、组装，之后再运输到海上进行模块安装，这就是模块化建造的雏形。这个做法大幅度降低了海上作业的风险系数，同时加快了工程进度，因此获得业界一致认可。后来模块化建造也逐步应用到交通运输不便、施工条件差的工况项目中。

模块化建造模式大概包括以下几个步骤：模块的划分设计、模块预制、模块运输、模块的起吊拼装。模块化的建造方法与常规项目方法差异很大，模块化建造需要在设计开始就考虑到模块如何分解，加工制作过程基地的选择、运输方式的确定，这样就要在设计之初对车间的布置方案进行优化，从而有利于模块化的分解。

2 澳大利亚罗伊山项目介绍

本文基于BIM的模块化建造以澳大利亚罗伊山超细铁矿选矿项目为依托。罗伊山铁矿位于西澳大利亚黑德兰港以南约277公里，皮尔巴拉奇切斯特区东侧。罗伊山铁矿处理能力5 500 万t/a，有配套能力的采矿、选矿厂和港口设施，产品为块矿和粉矿直接装船矿，尾矿浓缩后排入尾矿库堆存。为提高资源利用率，增加效益，并解决尾矿堆存占地问题，罗伊山启动超细铁矿选矿项目来回收罗伊山铁矿的尾矿。处理罗伊山铁矿洗矿工艺的尾矿，厂址紧邻罗伊山铁矿筛分洗选厂，便于工序衔接。罗伊山超细铁矿选矿项目处理能力1 000 万t/a，铁精矿500 万t/a，采用浓缩-旋流器脱泥-弱磁-强磁工艺，入选的尾矿品位50%～58%，精矿品位62%以上。

3 BIM在模块化中的应用

3.1 模块方案的制定

该项目模块化方案的制定，是在基于工艺流程、工期、海上运输因素的基础上制定的。模块划分是一个复杂的过程，遵循工艺完整、结构稳定、运输可行和现场安装工作量等的原则，从工艺设计的各个角度对整个工程的各个车间进行基本的模块划分。

根据工作范围，该项目的选别车间划分了七个单元进行设计，如图1所示。

图1 模块划分布置图

为节省国内运输费用，本项目将模块加工和安装设置在了大连某港口，完成后通过海运运输到澳大利亚港口，再通过陆地运输至项目现场拆卸。本项目总重量约为6 250 t，体积约59 000 m3。每个单元划分了六个模块，分三船运输到澳大利亚港口。列举其中四个单元的数据，来体现模块划分的方案，见表1、图2。

表1 模块方案

图2 Unit1三维图

3.2 BIM在模块化建造中的应用

模块化建造BIM设计将设备、管道、钢结构、混凝土、电缆桥架的模型都建立完成，并组装在一个模型中，形成项目的整体模型。

1)相关专业在同一模型中进行协同工作，利用三维模型生成施工图，即工艺布置图、设备布置图、管道GA图和管道ISO图、结构布置图和电缆桥架布置图，见图3。

图3 管道布置图

2)检查碰撞。在已建立的模型上进行碰撞检查并导出碰撞统计表，根据碰撞点对模型及图纸进行修改；BIM设计中的碰撞检查是模块化实施的根本，如不进行碰撞检查，各种碰撞点的检查将会严重影响项目进度和不必要资金的投入。

3)统计管道材料量清单。通过BIM设计在已建立模型的数据库中提取准确的材料明细表，更快、更准确的提出材料预算及采购清单，起到节约成本、压缩采购周期、缩短工期等作用。

4)管道模块化，模块内所有的焊接、打孔、喷漆、安装都在加工厂内完成。贴有标签，标注该管道的安装位置和属性信息，运往现场，现场施工省时省力，并且确保管道的加工质量，见图4。

图4 管道模块化图

5)利用云技术，现场使用移动设备读取整个工程的模型信息，指导施工，见图5。

图5 利用云技术现场指导施工

4 结语

通过一个特定的海外冶金矿山项目，介绍了BIM技术在模块化建造中的应用。由此可以看出，BIM技术是模块化建造的核心，BIM技术中相关专业协同设计、碰撞检查、管道模块化等为模块化建造的方案制定提供了技术支持。特别是在海外项目中，更加能够体现出BIM技术为模块化建造带来的施工周期短、经济效益高等优势。