BIM 技术在民爆工程中的应用探讨

徐自强,王丽娟,葛贵伟,王韶峰,宋长杰

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司,辽宁 沈阳110015)

0 引言

BIM(building information modeling)是建筑信息模型,旨在面向工程的全生命周期,利用准确信息数据模型,指导工程建设,促进信息共享,达到提高工程质量和工作效率的目的,同时解决工程中面临的高复杂度数据传递、协同管理等问题[1-4]。

民爆行业是为矿山开采、基础建设、城市建(构)筑物的拆除等提供民用爆破器材和工程爆破服务的诸多企业总和[5-6],在国民经济建设中占据重要的地位,素有“能源工业的能源、基础工业的基础”之称,民爆行业工程也是一项高风险、多专业的复杂建筑结构工程[7-10]。

我国已建成“民爆行业生产经营动态监控信息系统平台”,在行业内形成了一套从国家到各个地方的信息化管理体系。 但是,由于各种因素民爆行业信息化技术水平整体偏低,行业的安全生产依然面临较大挑战。 主要体现在:危险性建筑设计、建设施工、交付运营等环节相关信息协同工作管理不足,使民爆行业基础设施建设面临低效率、高成本的问题;在运维阶段业内危险物品的生产、分销、转运、消耗及安全状态监测等实时数据冗杂、管理难度大,有时会出现危险物品无法追踪、使用有效期不清等安全隐患问题。

民爆行业采用BIM 技术可提高工程全生命周期的协同与管理水平,在审批阶段、设计阶段与施工阶段,降低重复、返工、协调等成本,提高工程建设效率。 在运维与管理阶段,依托于BIM 平台信息储存手段并融合物联网技术,增加危险品数量与安全状态监测,降低运维风险,在民爆行业推广BIM 技术具有重大意义。 民爆行业各阶段活动与BIM 技术结合的设想如图1 所示。

图1 BIM 技术在民爆行业的运用

1 BIM 技术在民爆工程中的应用构想

1.1 软件及平台准备

BIM 技术的实施不但需要多个软件协同工作,共同组成软件流,而且需要配备具有完整信息逻辑结构的企业数据库。 因此,在设计项目启动之前需要单位技术质量部或项目负责人提前设置好工程项目工作环境。 在项目启动前,首先,需要建立或选择完整的编码体系,实现一物一码,方便生成施工图及施工材料设备等报表。 其次,在软件平台上为项目配备满足项目需求的数据库。 在设计任务中重复使用的同类对象,应采用建立族对象的方式进行统一管理,减少重复工程量。 如果有大量的类似项目,应当建立标准化的项目工作环境及模块化对象,比如主要的建(构)筑物、主要的设备等,便于新建项目重复利用,减少建模量,提高设计效率。

1.2 三维模型精度匹配

BIM 技术的核心要素与优势是既能将工程项目三维可视化表达,又能集成与项目相关的任意信息。 建设项目是复杂的投入与产出过程,信息种类繁多,信息流巨大,既存在着三维模型设计如何与传统设计阶段相适配的问题,又存在着模型精度的界定问题,即三维模型设计阶段包含项目信息的界定。 根据民爆工程项目的特点,参照其他行业的相关经验,在建筑全生命周期中,三维数字化模型各阶段的精度等级划分见表1。

表1 工程阶段及精度等级

1.3 三维模型设计

民爆企业新建及搬迁项目全厂区设计过程中涵盖的专业包括总图、工艺、建筑、结构、给排水、消防、暖通、电气与防雷等,各专业主要涉及对象如下:

1)总图,包括选址位置的内外部安全距离、场地红线、工艺分区红线、建(构)筑物轮廓、道路、围墙、防护土堤与防爆墙等设施;

2)工艺,包括原料储存与转运、成品储存与转运及辅助设施红线内的所有专业设施;

3)建筑,包括全厂区域内的所有建(构)筑物;

4)结构,包括全厂区域内的所有建(构)筑物的上部结构与基础;

5)给排水、消防和暖通,包括室内外各种架空及埋地管道及其相关设施;

6)电气与防雷,包括强电、弱电相关的电缆沟、电缆通廊、变电箱、防(避)雷装置等设施。

在规划与方案设计阶段,三维模型精度等级适用1 级,如图2 所示。 模型中危险性建(构)筑物内部安全距离线、场地红线、道路、防护土堤及防爆墙等总图设施应能准确表达。 各工艺分区的占地、布局及其内部的主要建(构)筑物、主要工艺设备设施应建立参考模型。 储运、管道、电气及防雷等相关设施,应根据总图设计方案,建立参考模型。 该阶段模型主要用于分析厂区布置方案的合理性,及对可能存在的工艺流程重叠的区域进行提前规划,合理避让。

在初步设计阶段,各专业相关三维模型精度等级为2 级,各独立工艺分区内模型精度可以沿用方案阶段模型,精度为1 级,如图3 所示。 总图设施相关的道路、架空管道、埋地管道、电缆通廊及其建(构)筑物等设施,必须有准确的布置和设计尺寸,在有多专业重叠的区域模型必须做到各种设施详细表达,精确避让。

图2 Civil 3D 生成总图原始地形

图3 Revit 创建的单体模型

在施工图设计阶段,各独立工艺区域模型精度为2 级,厂区各专业相关三维模型精度等级为3级。 该阶段模型是对初步模型进行细节深化的模型,危险品建(构)筑物内的工艺设备应按照工艺流程准确摆放,建筑、结构、水、暖、电等相关专业应按照工艺优先的原则,进行模型优化与调整,从而满足施工图要求,指导现场施工。

深化设计和竣工验收阶段模型精度没有差异,主要差异集中在模型信息饱和度上。 各独立工艺区域模型精度为3 级,厂区各专业相关三维模型精度等级为4 级。 工艺设备提供商应确保设备的传感数据都接入BIM 模型,实现数据实时读取并能做到超限预警。 此外,施工单位应在各个专业施工图模型基础上,按照现场实际施工工艺、设备选用情况等对模型进行深化修改和补充设计。 施工完成的同时,现场负责单位将各设备维护信息、建筑结构维护信息、施工管理信息等输入BIM 模型中,各项参数齐全后方可进行竣工验收。 竣工验收包括施工成果验收和BIM 模型有效性验收。

2 BIM 技术应用于民爆工程需要解决的问题

2.1 软件、图纸之间缺乏有效的数据接口

民爆工程设计所涉专业众多,碰撞检测复杂,协调困难。 在各个专业协调时,不仅需要提取不同设计专业的模型资料,还需要提取不同专业的模型信息。 目前设计阶段出现了多专业软件、图纸、模型无法共享或共享信息丢失的问题,例如建筑类设计软件Bentley 和Revit、结构分析类软件PKPM 和盈建科、给排水工程设计软件天正等专业软件之间缺乏有效的交互接口,不同的专业软件无法统一提取到所需要的模型及信息,使民爆行业设计阶段面临低效的问题。

2.2 建设各参与方难以统一协同工作

在民爆工程建设中,由于各参与方考虑问题的理念不尽一致,施工阶段成本、进度、质量难以全方位协调。 BIM 技术应用到民爆工程施工管理环节中,如何将BIM 模型实施落地,使其有效节约建筑成本、提高工程质量、实现安全管理,进而实现施工阶段工程总体效益最大,是施工阶段需要解决的问题。

2.3 数据交互困难

各类安全监测装置与BIM 软件间的数据交互还存在部分不兼容的情况。 民爆工程运维阶段主要用于生产制备及储存爆炸危险品,具有高风险、长周期等特点。 危险物品的生产、分销、转运和消耗的数量统计、安全状态监测、存放环境状态参数监测与协同管理等都是需要解决的问题,每个环节都至关重要,不容小觑。 例如,如何将建筑结构内部温度、湿度等监测数据导入BIM 平台,实现监控结构内部环境参数变化的同时,做到对异常情况实时预警。

3 结语

将基于精度等级划分的整体建模框架应用于民爆领域工程,既可提高工作质量,又可有效地提高工作效率。 总体来看,目前民爆领域推广BIM存在的问题主要集中在数据交互和模型实施落地两方面。 对于前者,软件之间及软件与各类监测设备之间可采取通用中性数据格式实现数据交互,例如IFC 格式等;对于后者,可借鉴民用建筑领域的模型实施落地措施,例如引入二维码信息管理系统,对防爆结构构件编制全生命周期标识码,将BIM 模型信息通过扫码的形式进行收集和显示等。

尽管BIM 技术在民爆工程领域的推广存在诸多困难,但该技术对民爆工程领域的各个阶段均有着独特的应用价值。 随着BIM 技术在民爆行业的推广,可实现危险化学物品的信息共享,极大地推动民爆行业的信息化发展。