BIM技術(shù)在某石化項目深化設(shè)計及專業(yè)協(xié)同中的應(yīng)用研究

楊 博 王思琦

(1.廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院,茂名 525000;2.茂名瑞派石化工程有限公司,茂名 525000 )

隨著BIM技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的BIM項目順利實施，并取得較好的經(jīng)濟價值[1-2]。很多化工設(shè)計及施工單位都開始利用信息技術(shù)進行管廊項目設(shè)計和施工管理，這其中用到的BIM軟件就包括Revit和Tekla。本文以某化工項目為例，借助BIM軟件完成管廊結(jié)構(gòu)深化及協(xié)同設(shè)計等工作，為相關(guān)項目應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 利用Revit及Tekla進行協(xié)同設(shè)計及施工應(yīng)用介紹

Autodesk Revit是目前主流的多專業(yè)BIM設(shè)計軟件，可以實現(xiàn)與其他BIM軟件的數(shù)據(jù)共享，支持信息存儲及修改，被廣泛應(yīng)用于各種工程項目中。但對于化工工程及鋼結(jié)構(gòu)工程項目， Revit軟件目前的版本中并未包括化工鋼結(jié)構(gòu)管架設(shè)計相關(guān)功能，只是利用其中心文件進行協(xié)同設(shè)計，同時還存在如下問題：

(1)Revit中沒有鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點，需手動繪制節(jié)點；

(2)不能夠生成鋼結(jié)構(gòu)清單料表；

(3)無法按照焊接或栓接節(jié)點生成鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點大樣，給出圖及生產(chǎn)加工帶來一定困難；

(4)結(jié)構(gòu)工程師利用PKPM及SAP2000等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件時，與Revit 之間數(shù)據(jù)傳導(dǎo)會出現(xiàn)差異，很多參數(shù)不能夠結(jié)構(gòu)化，導(dǎo)致修改模型工程量變大。

而Tekla Structures正好彌補了這些缺陷，軟件在鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計方面具有強大的優(yōu)勢，通過建立鋼結(jié)構(gòu)3D模型，利用軟件自有節(jié)點庫及二次開發(fā)功能可以完成深化設(shè)計組件節(jié)點、進行碰撞檢查查找設(shè)計紕漏、匯總零件及構(gòu)件清單并按照加工及施工要求創(chuàng)建圖紙等工作。

因此，利用Revit及Tekla兩種軟件各自之優(yōu)勢能夠高效、完整、細致的進行項目協(xié)同設(shè)計及施工管理，體現(xiàn)其應(yīng)用價值。

2 項目簡介

某擴建石化庫區(qū)工藝管廊項目，用地面積360畝，管廊長度2 400m，包括鋼筋混凝土活動架及固定架180個， 15～29m不同跨度的鋼結(jié)構(gòu)桁架(桁架式管架)13個，項目鋼桁架總重約1 000多t，包括桁架上下弦桿、水平支撐、腹桿、連接板、預(yù)埋件、高強螺栓等。

圖1 項目管架部分BIM模型效果圖

該工程項目在設(shè)計及施工中有以下諸多問題需提前解決：

(1)設(shè)計要求高：架體數(shù)量多、鋼桁架跨度大、所有構(gòu)件都是散件出廠，并在現(xiàn)場進行連接拼裝，對深化設(shè)計、現(xiàn)場拼裝精度及施工質(zhì)量要求高；

(2)參與專業(yè)多：土建、給排水、電氣、自控、工藝、儲運等專業(yè)需協(xié)同設(shè)計，避免專業(yè)間沖突，減少后期施工中的設(shè)計變更，控制成本；

(3)安裝要求精度高：現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)涉及到鋼結(jié)構(gòu)安裝及管道焊接、防火防腐蝕工程，露天、高溫室外環(huán)境加之工藝管道介質(zhì)為易燃易爆原材料，現(xiàn)場連接危險性較高，對鋼結(jié)構(gòu)焊接及工藝管道連接要求較為苛刻。

鑒于以上問題，項目設(shè)計團隊采用BIM技術(shù)進行深化協(xié)同設(shè)計，解決上述難題。

3 深化設(shè)計技術(shù)介紹

3.1 Tekla鋼結(jié)構(gòu)深化

3.1.1 工作環(huán)境、參數(shù)信息確定并建立族庫

Tekla軟件為國際通用軟件，提供了中國及歐洲等工作環(huán)境，分別對應(yīng)不同國家標準規(guī)范、型鋼規(guī)格及螺栓型號等。本項目在國內(nèi)，設(shè)計采用我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準[3]，選擇China作為工作環(huán)境。進入軟件后，在開始建模之前需要按照設(shè)計規(guī)定[4]、施工方及業(yè)主要求對構(gòu)件進行參數(shù)化，包括截面型材、材質(zhì)、設(shè)計制造及安裝參數(shù)等(如圖2)。同時為了滿足本化工項目建模需要，配合其他專業(yè)深化設(shè)計，建立了部分常用鋼結(jié)構(gòu)族庫，包括：角鋼錨筋預(yù)埋件、管道支托、檢修爬架及平臺等。

3.1.2 建立結(jié)構(gòu)專業(yè)模型

利用軟件智能讀取功能導(dǎo)入CAD軸網(wǎng)，然后依次建立獨立基礎(chǔ)、管架柱和梁、桁架上下弦桿、交叉腹桿及支撐、桿件連接板、加勁肋等構(gòu)件，最終完成整個模型創(chuàng)建，如圖3所示部分管架模型。

圖2 確定工作環(huán)境及參數(shù)信息

圖3 20m跨鋼桁架及兩側(cè)鋼筋混凝土活動架

3.1.3 節(jié)點及細部深化

初步模型完成后，需對模型節(jié)點及細部進行深化，本項目節(jié)點數(shù)目較多，包括弦桿與腹桿連接節(jié)點、水平支撐節(jié)點、預(yù)埋件及其他連接板件等，連接方式主要采用高強度螺栓現(xiàn)場連接，也有部分特殊結(jié)構(gòu)如檢修爬架等采用現(xiàn)場焊接。Tekla軟件自帶大量常用節(jié)點庫，可以滿足常規(guī)模型的創(chuàng)建，但對于本化工項目，還需要利用軟件開放式接口及二次開發(fā)功能，編制程序語言開發(fā)一些適合本項目的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點[5-6]。

本項目多數(shù)節(jié)點在設(shè)計時需單獨繪制連接板、預(yù)埋件、弦桿等連接桿件，然后再進行定位組裝，建模時間較長而且可能出現(xiàn)定位偏差。為解決這些問題，通過API接口，編寫函數(shù)語言完成自定義節(jié)點創(chuàng)建[7]，實現(xiàn)了上弦桿與支座腹桿和預(yù)件三者的智能連接。圖4所示為桁架端部連接自建節(jié)點及變量語言設(shè)置。

圖4 自建節(jié)點圖示、函數(shù)語言設(shè)置及修改

3.2 Revit協(xié)同設(shè)計

3.2.1 項目中心文件平臺建設(shè)、多專業(yè)協(xié)同

由于該項目設(shè)計周期較短，需采用多用戶建模方式進行設(shè)計。不同專業(yè)工程師對混凝土管架、鋼結(jié)構(gòu)桁架、工藝設(shè)備管道等進行分專業(yè)建模，利用多用戶服務(wù)器，同時訪問提交或修改模型，提高建模效率。

為充分發(fā)揮各軟件優(yōu)勢，本項目采用Tekla創(chuàng)建結(jié)構(gòu)專業(yè)模型，Revit進行設(shè)備等專業(yè)模型創(chuàng)建。由于工程涉及到專業(yè)較多，特別是設(shè)備管線部分較為復(fù)雜，需通過Revit軟件進行專業(yè)模型鏈接并進行協(xié)同設(shè)計。根據(jù)不同專業(yè)的設(shè)計要求，在Revit軟件中各專業(yè)創(chuàng)建各自的“工作集”(如圖5)，并將其上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，完成“中心文件”的創(chuàng)建，再通過鏈接整合各專業(yè)模型(如圖6)，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)平臺的信息共享，避免各專業(yè)通過紙質(zhì)文檔或電子版文件互提資料審核效率低下、文件存儲混亂及設(shè)計糾紛等問題，具體協(xié)同流程見圖7。

圖5 專業(yè)協(xié)同設(shè)計——工作集創(chuàng)建

圖6 專業(yè)協(xié)同設(shè)計——模型鏈接

圖7 專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程

3.2.2 碰撞檢查

本項目由BIM專業(yè)負責人完成對模型整合、信息檢查、碰撞檢查等工作。在化工項目中由于管架及管道較多，容易出現(xiàn)管道、構(gòu)件之間的碰撞，這些不但會影響構(gòu)件的加工制作，同時也會造成管件在現(xiàn)場的布置、安裝、焊接困難，因此需提前做出設(shè)計方案的修改。利用BIM技術(shù)，本項目共檢查出碰撞問題50多處，包括：管道標高和鋼管架標高偏差(現(xiàn)場施工與設(shè)計圖紙存在差異)、桁架現(xiàn)場焊接施工空間不足、管道穿過鋼結(jié)構(gòu)桁架、工藝管道轉(zhuǎn)角處碰撞、管架基礎(chǔ)與原管廊基礎(chǔ)相碰、不同介質(zhì)管道互相交叉碰撞、預(yù)埋件及操作平臺設(shè)置不足(擬建管墩上消防水管與原有地面構(gòu)筑物碰撞)等，針對這些問題與專業(yè)設(shè)計師溝通后修改設(shè)計方案、調(diào)整模型，提前完成設(shè)計變更，使工程施工免受影響。項目部分問題描述及解決方法如圖8所示。

圖8 碰撞問題描述及解決措施

4 施工應(yīng)用

利用Tekla軟件進行施工管理是通過數(shù)據(jù)模型，生成可視化圖形、報表等參數(shù)信息，制定最優(yōu)化施工方案，對過程進行跟蹤和控制。

該項目管廊共312條軸線，鋼結(jié)構(gòu)桁架安裝量大，現(xiàn)場施工組織及安全管理難度較大，且鋼構(gòu)件由廠家預(yù)制后運輸?shù)焦さ?，在現(xiàn)場進行單片起吊及焊接安裝。工程師利用BIM模型，完成了如下工作：

(1)根據(jù)構(gòu)件廠加工及現(xiàn)場施工的需要，生成材料匯總清單、型鋼清單、螺栓清單、預(yù)埋件清單等；

(2)按照施工進度要求確定合理供貨時間和順序并對場地材料的疊放進行規(guī)劃；

(3)鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點可視化，模擬現(xiàn)場施工并為施工人員提供3D安裝效果圖等。最終實現(xiàn)該項目可視化技術(shù)交底，保證項目安全、有計劃地順利實施。

圖9 鋼構(gòu)件材料加工圖及材料進場時間表

圖10 節(jié)點連接施工模擬

5 結(jié)論

本項目使用Tekla及Revit軟件將各專業(yè)設(shè)計進行高效整合，利用信息化平臺建立數(shù)據(jù)庫模型，完成優(yōu)化設(shè)計、協(xié)同管理、合理資源配置等關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)生一定效益價值：

(1)將結(jié)構(gòu)、工藝、給排水等專業(yè)串聯(lián)起來，實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同，提高設(shè)計效率及準確性，并將原計劃六個月的設(shè)計周期縮短至四個月；

(2)提高設(shè)計交底可視化、節(jié)省用鋼量、降低施工誤差、保障項目后續(xù)施工有計劃的進行；

(3)在項目運行過程中培養(yǎng)了一批優(yōu)秀BIM專業(yè)工程師，為后續(xù)其他BIM項目的順利實施提供技術(shù)保障。

BIM技術(shù)為該項目設(shè)計、施工及運維帶來極大的便利，在得到業(yè)主及施工單位認可的同時也為同類化工項目提供一定的借鑒價值。