BlM技术在余热发电项目设计阶段的应用

范正锐，郑 鹏，马骏，鲍化坤

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

余热发电是利用在生产过程中（工质燃烧过程、化学反应放热过程等）多余的热能转换为电能的技术。应用余热发电不仅节能，还有助于环境保护。有色冶炼行业高温烟气的余热，化学反应余热，废气、废液余热，低温余热（低于200℃）等工质中的热（或可燃质）均可作为余热发电的热源来生产蒸汽。余热发电站即是通过利用余热回收设备产生的蒸汽来发电的生产站房。

余热发电站在有色冶炼行业应用比较广泛，余热发电项目的工程设计阶段的主要任务有：①完成设备选型及布置；②完成站房内汽水管道设计；③完成工艺专业与公辅专业之间的设计协作。另外，在设计完成后进行对施工方的设计交底及施工过程中技术服务。

常规的设计手段存在着以下问题还需进一步解决：

（1）工作效率低。二维手绘图、料单手工统计、专业间设计内容不可见、设计返工多等因素，使得传统的设计过程中工作效率较低。

（2）参与方信息交互困难。困难在于展现完整的设计内容，需将分散在多张二维图纸中的设计内容在大脑中重构立体的完整空间关系。

（3）设计疏漏多。常规设计时由于专业间缺乏协作、DN50以下管道不进行管道布置、管道支吊架布置合理性考虑欠缺，使得施工过程中集中暴露设计问题。

随着国内BIM技术的不断发展，加快推动新一代信息技术与建筑工业化技术协同发展，在项目建设的全过程加大建筑信息模型（BIM）、互联网、物联网、大数据、云计算、移动通信、人工智能、区块链等新技术的集成与创新应用[1]。BIM常见应用如设计方案可视化、协同设计平台、模型碰撞检查、工程量统计、BIM模型出图等功能在工程设计过程中的应用，使得以BIM为核心的三维协同设计理念成为项目设计效率和质量提高的新的驱动力。

图1 项目BIM布置模型全貌

1 工程实例

某有色冶炼项目余热发电站装机功率12MW，项目采用的饱和蒸汽汽轮发电机组为德国进口的德莱赛兰（Dresser-Rand）设备。整个余热发电站由工艺和辅助部分构成。

工艺部分由八个部分组成：①主蒸汽系统；②低压蒸汽系统；③除氧给水系统；④凝结水系统；⑤抽真空系统；⑥汽封系统；⑦润滑油系统；⑧辅助管路系统。

同时还有土建、通风、电气、自控仪表等辅助系统。

该工程系统构成多，设计阶段存在多专业交错设计，厂房内空间紧凑、管路复杂布置困难，在有限的设计周期内，完成精细化的设计有较大的挑战。

2 BIM模型的创建

与传统的设计方法不同，BIM技术的应用在模型创建阶段不仅需要考量选取应用的软件平台，同时还需要建立与项目相匹配的管道数据库，以及搭建三维协同设计平台。

2.1 软件平台选用

目前国外BIM软件中，美国Autodesk公司的Revit系列核心工程应用建模软件、美国Bentley的MicroStation、OpenPlant等系列工程应用软件，匈牙利Graphisoft的ArchiCAD，法国Dassault的Catia较为主流。国内BIM主流软件包括广联达系列(自主平台)、鲁班系列(AutoCAD平台)、神机妙算系列(自主平台)和品茗系列、天正系列、斯维尔系列、理正系列、浩辰系列、博超系列、PKPM系列等，他们均基于AutoCAD平台开发，完全遵循中国工程标准、规范和建筑设计师习惯[2]。

在BIM领域Revit和Bentley的覆盖行业较广，应用最为普遍。Revit价格低廉，基于CAD基础，上手容易。主要在民建、市政工程等领域BIM应用较为广泛。Bentley支持任何形体较为复杂的曲面，软件架构思路是用专门的软件去做专门的事，将一项工程的不同构件应用同平台下细分的专业软件完成。主要应用在基础设施建设、工业厂房等领域。有色冶炼项目属于工业项目，该项目应用Bentley软件平台较为适合。

该余热发电厂房的工程设计应用Bentley系统软件，应用一整套的BIM软件架构对项目涉及到的多专业、多种模型构件在统一的三维协同平台上进行设计工作。

其中应用MicroStation进行设备建模以及项目模型总装管理及配置图切图工作；OpenPlant Modeler用作工艺部分热力管道、辅助暖通和给排水管道的工程设计及出图；Open Building完成项目建筑和结构建模；Open Roads用于厂外道路建模；BRCM完成电气和自控桥架建模及电缆敷设；OPSE完成项目管道、桥架的支吊架建模。

图2 余热发电厂房的BIM软件架构

2.2 管道等级库建立

BIM软件管道数据库里记载着真实管道元件的数据属性信息，同时又是模拟真实管道元件的外形尺寸的数字化元件仓库。管道等级的分类既把繁多的管道元件数据进行了有序的梳理，又因为清晰的分类便于设计者设计时选取相应的管道元件。设计之初建立项目的管道等级库的建立有利于设计材料选用的统一。在应用BIM软件进行管道设计时工程师根据设计需要选取合适的管道等级后进行管道布置。

余热发电站中的管道系统一般以设计压力1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、10.0MPa为分界点区分不同压力等级的管道。另外同样压力等级管道按照材质分为碳钢管、合金钢管、不锈钢管。例如：主蒸汽管道等级选用100CB，其中100代表公称压力10.0MPa，CB为材料代码代表碳钢。整个余热发电站厂房共分为32个管道等级库。

图3 余热发电厂房管道等级分类表

2.3 协同设计平台建立

应用BIM设计最大的优势是使用多专业、多人之间的三维协同设计平台，来增强项目执行过程中的交互性。协同设计平台重点解决：唯一的信息入口、唯一的存储地、唯一的版本。特别是要具备多人并行工作的可能，最大的发挥协作的好处。协作的对象是人和人之间、专业与专业间、单位与单位间。好的协同平台需要多人同时编辑同一个文件，先后阶段上下游之间数据要能够互用，可以跨地域进行远程异地协同工作。该项目应用Bentley的Projectwise协同设计平台，实现BIM工作的核心，即保证项目准确性、唯一性、一致性、连续性。通过协同提高整体效率，相应的个体效率也相应提高。

ProjectWise在本地的和远程的设计团队成员都可以协同工作，保证了在全时间段、全部设计内容都是同步进行的。每个人只需在自己的模型中工作，只要及时保存自己的工作文件，其他团队成员就可以实时看到最新的全厂模型。

图4 团队成员协同设计模式

3 与传统设计相比BIM技术设计阶段的拓展应用

BIM技术在工程设计中应用在实现和传统设计方法相同的工作内容及交付成果的同时，其具备的优势可以为工程设计过程本身带来更有价值的应用。

3.1 碰撞检测

余热发电项目工程设备管线主要包括工艺管线、强电、弱电、消防喷淋、生产给水、循环水、润滑油、压缩空气供应、通风空调、防排烟和采暖供热等，这些管线在该项目厂房内错综复杂，如果在施工中发现各种管线、构件间发生碰撞，很容易造成返工、窝工问题。

碰撞检测分为硬碰撞和软碰撞两种。硬碰撞是指实体与实体之间交叉碰撞。软碰撞实体间实际并没有碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求（安装、检修等）。

图5 典型碰撞问题修改前后对比

项目在设计过程中硬碰撞经常发生，通过碰撞检测很容易消除。软碰撞问题较难消除，往往软碰撞还需结合设计经验进行判断。

硬碰撞检测应用Microstation对模型设置碰撞检测预设条件后进行检测分析，余热发电站内共检测碰撞点358处，其中包含工艺管道自身碰撞点127处，多层布置管道与吊架碰撞48处、管道与管道间净距不满足碰撞检测预设条件87处、不同专业管道和桥架间碰撞96处。将问题归类后全部反馈给相应设计人员进行分别处理。

软碰撞检测一部分通过上述硬碰撞检测预设碰撞条件中包含各构件间施工操作空间，以此来避免间距无法满足施工要求的情况。另一部分主要为操作、检修空间、安装通道等空间的软碰撞问题，通过在模型中设虚拟占位构件的方法进行软碰撞的判断。

与传统设计相比BIM技术在设计过程中的应用预先发现管线碰撞冲突问题，及时将修改反馈在设计图纸上，并进行施工方案优化等，减少此类图纸问题产生的变更，避免施工时因设计问题带来的停工、返工，对施工时处理类似问题节约大量沟通成本，同时也为项目精细化管理奠定基础，创造可观的经济效益。

3.2 深化设计

与传统设计相比BIM技术的应用可以通过更加直观、便捷的方法达到设计的深化。余热发电项目在设计阶段应用BIM技术主要实现了如下深化设计内容：

（1）BIM技术进行单专业、多专业碰撞检查、工艺管道与建筑、结构、钢结构（包括格构柱及锅炉本体钢结构）综合碰撞检查。

（2）对图纸中DN50以下及系统图中未明确路由的管道进行图纸深化。

（3）通过BIM技术增强施工的可模拟性更加直观。

（4）管道支吊架精确建模，使得设计内容更加完备。

（5）汽水管道应力分析模型与BIM模型双向互通，避免常规设计与计算“脱节”问题。

（6）管道保温建模，使得设计元素间的净距更加精确。

图6 疏放水管道三维模型视图

3.3 高效出图

应用BIM技术从模型出图相较传统绘制二维图纸效率大幅提升。模型出图范围主要有：各系统P&ID图、厂房平剖面布置图、管道平剖面配管图、管道ISO轴测图、管道支吊架详图、材料明细表等基本涵盖了余热发电站工艺专业所有出图范围。同时公辅专业的建筑平立剖图、建筑详图、通风管道布置图、消防水管道布置图、电缆桥架敷设图及电缆导线表等。

模型出图效率高主要体现在模型出的图纸与模型的关联性，使得设计修改过程不用人为修改图面。另外BIM模型出图大量的采用自动标注工具，使得设计图纸中标记信息自动读取模型信息，减少了人为输入信息的工作量。

3.4 二次开发组合支吊架

管道组合支吊架设计方法是基于BIM二次开发技术对管道组合支吊架的设计流程进行再造，搭建管道布置、应力分析、实体支吊架、支吊架组装图之间的数据实时互通，从根本上解决设计方法出图效率低、出错率高等问题。管道支吊架设计系统，包括：逻辑支吊架插入模块、实体三维支吊架生成模块、应力分析模块、支吊架设计模块、三维碰撞检查模块、支吊架出图模块。

图7 主蒸汽管道布置图

图8 主蒸汽管道ISO轴测图

通过应用三维的组合支吊架结合BIM应用的碰撞检查功能，在设计过程中避免支吊架与其他构件的碰撞冲突。实现设计过程中直接从模型生成每个支吊架生根点的土建条件，便于土建专业精准的预埋钢板，减轻了工艺专业人工统计和绘制预埋板条件的工作，同时也使得土建预埋更加精准。

图9 汽水管道三维实体组合支吊架模型

3.5 设计过程三维校审

与标准的国外项目三维设计30%、60%、90%三维模型审核阶段类似，余热发电站在进行BIM设计时同样需要根据设计进展进行不同阶段的三维模型审核。在阶段审核项目应用BIM轻量化平台各专业设计人员均可同时进行日常审核，避免单专业内部可以解决的模型问题等到阶段审核时再解决，大幅降低了阶段审核的工作量。

在设计过程中的三维校审工作主要是实现多专业、多角色、多人之间的协同设计，进行无纸化校审，同时可以利用BIM软件附带的漫游动画功能将完整的设计内容以虚拟厂房的形式进行展示，更加直观的表达出站房内工艺专业和公辅专业间的空间位置关系。

与传统设计的图纸会签不同，BIM技术的应用将找到的问题通过三维校审平台进行，查找到的问题按照人员及专业分类，便于分类集中对找到的设计问题进行处理。

图10 BIM模型校审界面及校审记录

4 结论

BIM技术在余热发电站设计阶段的应用，转变了常规设计理念及设计流程，带来了设计效率的答复提升及实现了更加精细化设计。通过实际项目应用总结BIM技术在设计阶段带来的好处如下：

（1）该项目设计过程中将设计疏漏减少90%以上，相应的减少施工阶段的设计变更，节约23万元的成本。

（2）通过该项目完整设计过程应用BIM技术，使施工图设计过程所需时间缩短到一个半月，大大提高了设计效率。BIM设计保证了施工过程中一次性安装成功的概率，使得整个安装周期相应缩短。

（3）精确的料单统计。总的来说，将BIM技术应用到余热发电项目设计过程中，对改善传统设计存在的问题效果显著。通过对BIM技术在余热发电站设计中的应用方法进行总结，明确了BIM技术是该行业可持续发展及面向数字化的助推器。使BIM技术发挥更大的社会价值，是仍需继续不断研究的方向。