建设阶段选煤厂BIM模型重建方法研究

乔 莎，张树森，郭 瑞，李亚梅

(1.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司，天津 300120；2.中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719000；3.北京龙睿海拓科技发展有限责任公司，北京 100160)

BIM技术通过3D数据推进项目的设计、施工和管理等实现数字化、信息化，推动工程相关参与者提高决策水平和效率，正在成为工程领域的第二次革命[1]。在新工业革命的大背景下，选煤厂智能化势在必行，选煤厂管理也将向数字化、智能化、可视化方向发展[2]。建筑信息模型(BIM)的出现给建设项目全寿命周期管理带来新的契机，它将信息化技术引入项目全寿命周期，通过实现可视化、系统协调、模拟优化、专业出图等一系列功能，高效协调各参建方的沟通，形成了一种以BIM技术为中心的全新项目管理模式[3]。

当下选煤工程BIM设计尚处于探索与初试阶段，只有少数几家设计院搭建了BIM设计平台进行BIM正向设计的尝试，具备提供BIM模型数据的能力，目前大部分煤炭设计院还是以二维图纸进行成果的交付，难免会造成信息传递效率低下、更新不及时、信息交流障碍甚至数据丢失等不良影响[4]，导致选煤厂本身没有足够BIM数据积累，无法支撑基于BIM场景的选煤厂智能化应用[5]，对于处于设计施工阶段需要进行BIM模型重建的选煤厂，通常采用基于图纸的BIM模型重建方法，通过BIM技术可视化的特点，可以对项目中存在的问题进行一定程度的优化[6]。

选煤厂模型重建工作是一个复杂的系统工程，建模过程涉及建筑结构、机制、选煤、工艺管道、暖通、电气等多个专业[7]，利用BIM技术关联各专业信息，能够大大减少工作量和差错[8]。目前市场常用BIM模型重建方法主要有两种，一种是软件基于图纸自动翻模，另一种是利用建模软件基于图纸进行建模，这两种方法均存在技术门槛低、流程管控粗糙以及完全参考图纸盲目建模等问题，无法保证建模质量[9]。本文通过应用Bentley BIM协同设计平台，将协同建模工作流应用到基于图纸的选煤厂BIM模型重建工作中，研究出一套高效率高质量的选煤厂BIM模型重建与模型校核方法，并在实际工程中进行应用，通过该方法的应用，建模质量与建模效率得到了提升，避免了设备管道碰撞问题，通过协同设计理念与标准化协同建模流程的运用，推进设计人员由二维设计转向三维设计。

1 技术概况

1.1 BIM模型

BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的简称。这种建筑信息模型是一种包含项目工程全生命周期内的构件和非构件三维信息的资源库[10]。从本质上来说，BIM是一种三维技术，是以三维建模的方式，将收集到的相关数据及信息进行立体化呈现，使相关工作人员更直观、立体地进行数据的可靠性、流通性分析，为相关项目的管理人员建立更完善的信息共享平台[11]。近年来，对三维渲染的应用，基本都是对于项目的效果展示，仅仅是外观，比较常见的是由3D Max创建的网格模型。虽然渲染效果出色，但是缺乏真实性，尤其是无法实现对场景细部的表现以及内部的描述。BIM模型以计算机三维数字技术为基础结构框架，用数字化形式完整表达建设项目的实体和功能，能够系统准确地集成工程项目所有信息和数据，具有全面性、相互关联性、三维可视等特点，成为了数据最好的载体[12]，基于BIM的可视化、智能化全生命周期管理模式也开始在煤炭行业进行推广应用，在建设工程项目的任何阶段都可以为各参与方提供技术支持和协同作业帮助[13]。

1.2 基于图纸的BIM建模

虽然现在各大设计院，都开始推广正向设计，但是BIM正向设计就目前发展形势来看，它单独工作运行的效率仍不及成熟的CAD二维设计，所以正向设计并未在国内得到推广。在正向设计成熟之前，基于图纸的模型重建是当前阶段BIM应用绕不开的一项工作[14]。但是建模协同方式及模型检核在整个过程中的重要性仍不容忽视，为了让BIM模型更好地服务于选煤厂数字化运维管理，发挥其数据的最大价值，充分表达实际生产中存在的问题，就要保证其模型数据是完整、可靠、详实的。传统基于图纸的翻模由于门槛低，翻模人员按照图纸盲目进行建模，存在建模工具不全面以及对流程的不重视等问题，没有在流程和工具上对建模质量和建模效率进行把控。由于建模图纸存在制图原则不规范、图纸精确度不足、模型更新频繁等问题，常常出现BIM模型质量及精细度不符合后期应用要求的情况[15]。虽然BIM正向建模受限于经验与技术应用成熟度限制，无法得到高效应用，但是也要认识到三维协同设计与碰撞检测在BIM建模中的作用，通过将协同建模理念与碰撞检测技术与基于图纸的建模技术相结合能够更好地发挥出各自的优势，尤其适合设计施工阶段的复杂选煤厂建模项目，能够让其在建模流程、效率及质量等多方面得到提升。

2 基于图纸的选煤厂BIM协同建模流程

BIM模型重建后，会作为基础数据在选煤厂全生命周期中进行数字化应用，所以需要保证模型准确。处于设计阶段与建设阶段的选煤厂建模，此时的图纸是在随着施工过程进行变更，图纸是唯一的建模数据，且图纸相对准确，但是也会不可避免地出现图纸错误及变更等问题，经研究此阶段选煤厂BIM模型数据特点，制定了相应的建模路线与校核流程，如图1所示。从建模任务上主要分为三个部分，分别是协同建模环境配置、各专业模型重建与模型检核装配。

以上建模路线对建模过程与质量进行了合理把控，充分发挥了BIM协同建模与碰撞检测在BIM模型重建中的优势，对于有建模标准与编码标准的工程项目，可以遵循按照建模标准与设备标识编码标准进行各专业细化模型的创建，规范了建模过程。此建模方法在大海则选煤厂BIM模型重建工程中进行了应用，应用效果良好。

图1 基于图纸的BIM协同建模流程

3 工程应用实例

3.1 工程概况

大海则选煤厂是大海则矿井的配套选煤厂，建设规模为15.0Mt/a，属矿井型动力煤选煤厂，目前处于建设阶段。建模范围包括：主厂房、浓缩车间、原煤仓、地销仓及矸石仓、产品仓、转载点、栈桥等三十个单体的选煤工艺、机制、工艺管道、建筑、结构、电气、给排水、暖通等模型。建模对象系统性较强，且内部空间结构复杂，设备管道分布密集，除常规建筑结构外，主要包括大型选煤设备、机制设备、工艺管道、配电柜、电缆桥架、给排水以及暖通管道等建模对象，建模对象复杂、建模工作量大，重建后的BIM模型主要应用于基于BIM的三维可视化管理平台建设。

3.2 选煤厂BIM数据类型

大海则选煤厂目前主体设施基本建造完成，选煤厂建设后状态基本与设计施工图纸保持一致，支撑建模数据主要有各专业设计文件资料、设计图纸、施工图纸，施工变更记录、设备说明书及设备安装布置资料等。

统计后得到图档资料共计11050件，主要包括各专业设计施工图、施工图纸、设备使用说明、设备图档等，其中有30%图纸可用于BIM模型构建，支撑各构筑物主体建筑结构以及部分设备BIM模型重建；资料统计情况见表1。

表1 大海则选煤厂图纸资料汇总

3.3 大海则选煤厂BIM模型构建

3.3.1 协同建模平台环境配置

Project Wise工作环境配置管理是三维协同设计的核心部分，通过统一的协同建模环境配置，能够保证各专业设计人员在设计过程中，利用同一套标准来完成设计任务，这也是三维协同设计提高工作效率和工作质量的关键[16]，主要包括工作环境配置、工作流程定制、人员角色定义、协同建模管理目录制定等。本次建模专业涉及建筑、结构、选煤、机制、暖通、电气以及给排水等专业，遵从专业间协同建模原则，为各专业配备建模工程师进行模型构建。人员配置情况见表2。

表2 建模资源配置

制定适合大海则BIM建模的管理目录结构，对项目装配方案进行说明，将厂区模型按照单体功能区域进行一级拆分，利用专业进行二级拆分，对单体设施，除选煤、机制专业外其他专业按照层级区块进行管理。

3.3.2 协同建模平台

对于选煤厂BIM模型的三维系统重建工作，工具及平台的选择至关重要。针对选煤工程特点，采用Bentley软件平台对BIM模型进行重建。整个软件基于Project Wise设计项目管理平台，实现项目的数字化协同建模设计，是面向全专业的三维设计软件，实现对工艺/设备/管道/结构/电气/暖通等专业的三维数字化设计，包括土建建模模块Openbuilding Designer、电气专业建模模块 Bentley Raceway and Cable Management、管道设备模块Openplant Modler、结构详细建模模块ProStructureProSteel、总图设计模块Openroads Designer等[17]。Bentley各专业功能齐全，且都基于MicroStation图形平台，各模型之间能进行无缝参考协同，同时能够通过ProjectWise更有效地对项目及协同设计进行管理，在协同设计与建模专业覆盖方面优势明显。Bentley选煤厂建模解决方案软件架构如图2所示。

图2 Bentley选煤厂建模解决方案软件架构

3.3.3 专业间协同建模

各专业人员基于图纸，分别利用各专业建模软件进行模型重建，设备模型在建模的同时，需要将设备主要技术参数添加到模型属性中。

专业建模完成后进行各专业组装，需要进行专业内碰撞检测与专业间碰撞检测，发现碰撞后，首先由各专业对照图纸进行检查，如果是建模工程师导致的错误则直接进行模型修改更新，若发现图纸本身设计过程中存在碰撞，则可以将结果反馈给设计方，设计方进行修改。直至专业模型不存在碰撞后依次进行专业组装、区域组装、厂区总装，直至建模工作完成，建模过程中碰撞多为管道与设备方面的碰撞。

大海则BIM模型重建，共完成30个单体全专业模型的建立，包括选煤、机制、工艺管道、建筑、结构、电气、给排水、暖通、总图等专业，其中大型工艺设备500台。

4 BIM模型成果应用

BIM技术具有良好的模拟特性，不仅可以模拟外观形态，还可以模拟内部结构。同时技术人员还可以在模型上，对各类参数的信息进行灵活调整[18]。通过BIM技术，将模型进行细化及深化之后，配合项目的全生命周期一体化管理平台进行模拟演示，模型之中不但可以查看构件信息，还可以进行360°旋转以及局部的放大等细节演示，让项目各方对建筑整体及细节都有了解，配合VR等技术可以实现虚拟现实的演示，增加业主或相关人员的真实体验感。另外，BIM技术能够对本地数据、单机数据、传感器等信息流进行采集，有些信息流由于自身的特殊性，需进行人工录入，人工录入和自动采集形成的基础数据会根据需要上传到服务器[19]。由专业的技术人员对信息流数据进行检查和维护，不断更新，并将关系模型融到整个信息流系统中。这些信息流可供各单位调用，让相关单位准确了解相关信息，实现信息流共享[20]。基于数字化重建过程中获取的厂区设备设施的外形和空间位置，工程属性和拓扑连接关系等粒度达到零部件级别的精度，完成对大海则选煤厂密集资产的三维数字化，为关键设备资产管理三维应用提供数字模型支撑。

5 结 语

伴随着国内外先进的物联网、大数据、云计算、人工智能、机器人等技术在能源企业的进一步推广应用，选煤厂生产运营管理也必将走可视化、数字化、智能化的道路，BIM技术应用的范围也会随着行业需求而逐步延伸，选煤厂工程信息模型的信息架构正是用来发展BIM全生命周期应用的基础，当下在建、已建却没有BIM模型的选煤厂所占比例较大，选煤厂BIM模型重建将长期存在市场需求，本文以解决问题为出发点，将协同建模流程与校核流程融入BIM模型重建工作中，保证了建模质量效果，同时也在一定程度上影响BIM模型重建作业方式，优化了整体BIM模型建模重建流程，为BIM模型重建提供了有效的方法，无论是在设计行业还是工程技术服务行业都有广阔的应用前景。