BIM技术在矿山工程结构设计中的应用

耿 璐 李卫华 郝 哲

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

BIM(Building Information Modeling)是建筑信息模型的简称，是以数据为基础，建立建筑模型，通过数字仿真来模拟建构筑物所具有的信息的一种设计技术，能够有效地实现信息的3D表达，是模型与信息的共同体，能够帮助设计方、施工方和业主方直观地理解与掌握建设项目的设计进度，检查设计空间冲突，辅助进行结构分析等功能[1-3]，能够做到项目全寿命周期的综合应用。BIM的使用被视为建筑领域的第二次技术革命[4]。

BIM是沟通协作式的工作方式，以统一的信息模型作为基础，使不同专业和不同地点的设计人员可以在一个统一的信息模型上协同工作，创造了一种新型的协作和项目管理模式。集成化的设计模型区别于传统设计方法的最重要的特征就是交互的载体，传统设计方法专业间是以资料及设计条件图纸为设计依据，设计单位交付给施工单位的设计成果为设计图纸；BIM设计则是以统一的结构信息模型代替了传统的图纸媒介，将所有的信息集成到了建筑模型中，贯穿设计施工及后期维护的全过程，BIM模型成为建筑信息的唯一载体。

1 BIM技术与矿山工程结构设计结合的必要性

目前，BIM在民用建筑领域已经得到了相对广泛的应用，尤其是复杂工程项目，BIM技术基本实现了全部的覆盖，北京奥运会场馆鸟巢、水立方及中央商务区Z15中国尊和上海的中心大厦及迪士尼乐园等，均采用了BIM技术。但是对于工业建筑设计领域，尤其是矿山工程，BIM的应用却起步较晚。矿山工程中的建筑主要是为生产服务的，参与专业众多，规模和投资较大，各种设备和管线布置非常复杂，设计和施工中稍有不慎就会有碰撞的情况发生[3]，而BIM技术特性恰恰满足了矿山工程建筑设计的特点，两者如果结合起来，不仅能够解决专业之间的协同、管线碰撞等问题，而且能够为后期的生产、维护及管理工作提供详细的数据信息，所以将BIM与矿山工程设计相结合是非常必要的。

2 BIM技术在某矿山工程中的应用

2.1 工程概况

国外某铅锌矿选矿厂磨矿车间的结构平面布置如图1所示。该车间为开敞式结构，长82.5 m，宽24 m，柱距7.5 m，厂房内设有1台半自磨机和1台球磨机，半自磨机及球磨机周围设工作检修平台，厂房顶部设1台检修吊车，轨顶标高24 m。整个项目涉及结构、建筑、选矿、水道、管道、电力、自控等多专业协同设计，非常适合BIM技术的应用。以Bentley系列软件作为工作平台完成模型的最终集成工作，各专业模型通过ProjectWise协同设计平台完成模型建立及共享。

图1 结构平面布置图(单位：mm)

2.2 BIM建模流程

为了使三维模型既要与最终的施工图相吻合，又不能与计算模型存在过大的差异，本项目采用了多种三维建模方法来进行比较。对于三维结构计算，Bentley平台自身包含有STAAD.PRO结构计算模块，但由于STAAD.PRO在国内应用并不十分广泛，对国标规范支持不全面，故本次并未采用STAAD.PRO进行结构计算分析，而是采用了国内目前较为常用的结构计算软件盈建科YJK。YJK软件具有丰富的外部文件接口，可以与Revit、PKPM、Midas、Bentley等软件之间实现模型的互导，且对国标规范支持较好，方便设计人员使用。在三维设计中，通过第三方计算软件设计，并导入三维交互平台进行校核也是常用的做法[5]。

2.2.1 结构建模及分析

YJK软件自带格构式组合截面库，对格构式厂房柱及支撑可以直接选取热轧H型钢格构式组合截面。对磨机检修平台，采用热轧H型钢框架结构形式，结构整体模型如图2所示。该项目所在地50年超越概率为10%地震峰值加速度为0.1 g，风荷载为0.7 kN/m2，由于是开敞结构，作用在结构上的风荷载按照构件的实际挡风面积计算，磨机检修平台检修荷载为10 kN/m2，其余部位检修荷载均按照5 kN/m2计算,顶部设1台40 t吊车，工作级别为A5，最大轮压为28 t。

通过结构整体计算分析，结构整体应力及位移均满足设计要求，吊车荷载作用下柱顶吊车轨道标高处横向水平位移为H/1050(H为地面至吊车轨顶标高处高度)。

图2 结构整体模型

2.2.2 结构模型导入设计平台

结构模型调整完毕后，需通过YJK- Bentley接口将YJK软件计算模型.yjk文件转化为中间文件.ydb文件，通过Bentley系列软件中的AECOsim Building Designer将计算模型转化为Bentley软件的.dgn模型。在转化模型过程中，由于YJK与Bentley对截面的定义不同，YJK软件中定义的格构式组合截面无法正确显示在Bentley模型中，需要对导入的模型进行进一步的补充和完善，才能够满足三维设计的要求。模型的补充可以通过AECOsim Building Designer直接完成，本项目采用了Tekla补充建模的方式，在Tekla软件内建立了格构式钢柱及格构式柱间支撑的模型，通过.ifc文件导入AECOsim Building Designer作为YJK软件的补充，形成完整的结构三维模型,如图3所示。模型满足三维设计碰撞检查及后期生成钢结构构件详图的要求。

图3 结构整体三维模型

2.2.3 交互设计及碰撞检查

BIM设计的优势在于“交互”与“协同”，MicroStation为交互设计提供了软件平台，各专业以工艺设备配置为基础，在统一的ProjectWise协同设计平台下，通过各个专业模块建立三维模型，同时由于各个专业模块都是以Microstation平台为基础，所以可以通过ProjectWise参考相关专业的模型，确定各自设备及构件所在的空间位置，如设备专业模型(图4)、管道专业模型(图5)和建筑专业模型(图6)，通过Microstation平台将各个专业的模型进行组装(图7)，形成总装模型；然后通过Microstation平台的冲突校核功能对总装模型进行检查和校核，在碰撞检查的同时可以进行批注设置，Bentley Navigation模块可以很好地解决。MEP的碰撞检查在BIM设计中是最常见的。通过碰撞检查，可以很大程度上避免管线的交叉及设备的碰撞；同时，检查出现的问题，或者在模型浏览中出现的问题，都可以进行批注[6]。

图4 设备模型

图5 管道模型

图6 建筑模型

图7 总装模型

3 结束语

在项目实施过程中，通过在矿山工程结构设计中采用BIM技术，能够更好地使结构设计与工艺设计相结合，将原有的二维设计升级为三维交互设计，通过直观的三维模型更容易提高设计效率，有效避免在施工过程中出现设备、管线与结构构件的冲突。但是同时也需要认识到，当前的应用成果主要表现在BIM技术手段的提升和局部价值的展现上，局限于设计阶段的各专业协同，并未从根本上体现出BIM为工业设计带来的整体价值和变革作用[7]，BIM技术的精髓是在于将建筑信息贯穿到项目的整个生命周期，对项目的施工建造和后期运营管理同样具有非常重要的意义，BIM的全寿命周期综合应用仍然任重道远。