BIM在方坯连铸工程全过程中的应用与实践

高文星，张 钊，陈中华

（中冶南方连铸技术工程有限责任公司，湖北武汉 430073）

引言

在钢铁冶金行业，总承包模式是目前大型项目中常采用的一种运作模式，该模式可充分发挥设计在整个工程中的作用，并避免了设计、采购、制造商、施工及业主间相互脱节的矛盾。但也存在以下几个问题：项目施工周期长，众多因素如甲方新要求、施工环境等导致基础资料易发生变化；其次，虽有设计人员驻扎现场，但设计中涉及多专业，不同专业、不同设计人员对图纸的理解也不尽相同[1]；项目管理部与设计主体部门异地办公，二维蓝图不能生动形象的展示设计成果，且对不同专业图纸间的碰撞问题仅能依赖人工进行校核。

BIM 技术即建筑信息模型技术，随着信息时代的到来，建筑模型可以被赋予越来越多的信息。该技术起源于上世界70年代的美国，2007年全美建筑科学院推出BIM 标准“全美BIM 标准”。2007 年我国建设部发布行业产品标准《建筑对象数字化标准》。2008年，上海标志建筑上海中心项目采用BIM技术，近些年BIM 技术在国内发展开始加速。以BIM为核心理念的三维设计技术和三维协同理念的出现，给工程建设行业，尤其是大型设计企业的生产率的提升提供了新的驱动力。对于冶金行业，BIM 的含义是通过三维信息模型技术，建立冶金行业领域的多专业三维信息模型，各专业协同工作，涵盖设计、建造、运维全生命周期业务需求的过程。设计方面，先进的模型可以更准确的控制设计过程，进行可视化设计、参数化设计，同时进行碰撞检测、分析；项目采购、施工和工程费用的精确控制、以及项目后期的运营维护管理都将会发挥巨大的推动作用。连铸工程专业性强、复杂程度高、施工环境和影响因素多、建设工期紧张，涉及包括勘测、连铸工艺、设备、电气、建筑、结构、给水排水、暖通等多专业领域，利用BIM 技术进行全过程应用，可极大提升设计生产效率和设计质量，降低后期施工难度[2]。BIM 中精细化的设计和精确统计可为连铸生产企业运作连铸工程项目提供帮助。本文以柳钢防钢基地方坯连铸工程运用为例，详细介绍BIM技术在方坯连铸工程全过程中的应用与实践，为后续项目提供借鉴。

1 工程概况

防城港钢铁基地位于广西防城港市东南部的企沙临海工业园区，该项目总投资600多亿元，该项目是国家钢铁产业结构调整、布局优化和转型升级的重大项目，是国家新一轮西部大开发的重点工程，是广西北部湾经济区全面开发开放的标志性工程。能满足两广、西南以及东南亚等地对中高档、各类钢材产品的需求，也是中冶集团2019年二十大项目之一。其中方坯连铸工程工期紧张，技术难度大，科技含量高，且施工中克服了新冠肺炎疫情期间，武汉封城、人员外出受影响等困难。

该项目采用中冶南方连铸公司自主创新、国内领先的核心技术成果“第二代高效方坯连铸技术”，该技术具有高拉速、全自动出坯、直送直轧，轻压下等特点，目前该项目三台十流高效方坯连铸机均已顺利投产运行。

2 BIM应用情况

2.1 软件方案

经过近年来对各软件的学习与对比，本项目采用的软件平台如表1。

表1 各专业设计软件及平台

Autodesk Revit软件作为综合三维设计平台，可进行建筑、结构、水道的精细化建模，可将各软件模型在此平台拼装整合，基于各专业深化设计完成墙体留洞、设埋件、楼板预留孔洞位置、车间配管之间的避让与协调等内容，做到多专业综合协调及图纸审核。Autodesk Inventor 软件用来辅助复杂连铸系统非标设备的设计和建模，能够在三维加载原有的二维DWG 文件，同时可进行连铸本体设备的三维配管，并通过二次开发，进行自动二维投影的自动标注，加大出图效率。Autodesk MEP 软件用于通风管道的设计制图。Bentley OPM 软件用于连铸本体水冷系统设计，根据工艺流程图预设的标准化选择器，规定了管道编号、材料等级、管径等信息，可以直接绘制管线的方式，也支持中心线布管方式（即先绘制表示管子走向的直线，再给直线赋予管道信息，并沿直线放置直管和弯头）。绘制过程智能化，能够自动匹配管件，转弯处自动匹配弯头，分支处自能连接分支，法兰连接处自动匹配螺栓垫片。快速导出所需的工程量清单，材料统计简单智能，为现场物增补及采购提供可靠依据。Navisworks 软件能集成各种软件平台的模型与信息。能够生成整体项目视图，进行整合后模型的漫游和全面审阅，进行碰撞检查并形成报告。Fuzor 软件能够与Revit软件的实时双向同步，为专业人员提供更直观的设计环境，同时可进行简单地施工进度模拟。Twinmotion 软件进行3D 实时渲染软件，为业主提供实时沉浸式的视觉体验。也可以做成以轻量级可执行文件，为设计审查和项目投标的方案展示提供帮助。Autodesk 3DMax 形成最终的最终的项目建成后的效果图与漫游视频等。

2.2 专业运用情况

2.2.1 设备专业

设备专业完成了连铸各单体设备的三维建模与装配、本体配管工作。同时将模型导入应力分析软件，对其进行全应力分析，计算应力分布情况、位移分布情况。优化结构，确保设备安全、长期稳定运行。大包回转台设备三维模型与应力分析模型如图1所示。

图1 设备三维模型与应力分析模型

2.2.2 建筑、结构及钢结构专业

建筑专业按照工艺资料直接绘制方坯连铸建筑图。使用的族库文件内容丰富，完全满足工业建筑的BIM 设计需求。同时绘制结构模板图。在结构图的基础上进行钢平台图设计，最终形成钢结构详图，供制造厂生产制造。连铸主平台建筑、结构、工艺钢平台如图2所示。

图2 建筑、结构、钢结构的三维模型

2.2.3 配管专业

配管专业完成了本体水系统配管中的三维建模工作。并对配管进行了路径优化与管线分析、对开孔开洞等进行校核确认[3-5]。连铸机本体配管如图3所示。

图3 水配管三维模型和碰撞检查

3 BIM应用效果

通过BIM 的全过程应用，实现整体建设项目的可视化。具体体现在以下四方面。

3.1 设计阶段

对具体设备模型进行结构分析和优化，确定设计的可靠合理性。实现实时进入设计模型与漫游模型，在模型漫游中发现三维建模中错误并优化处理，模型文件实时更新。连铸设备专业设计完全实现正向设计，非常有助于复杂设备的精准设计。建筑专业已实现正向设计，直接导出建筑二维图纸，提升出图效率与准确性。钢平台出详细制造图。自动导出零件号、标注尺寸，未出现因设计原因产生的制造返工的情况。连铸工艺设备总图，通过自动生产平立剖面，视图表达上达到了出图深度要求。配管专业精确的进行管道设计与优化，相比于二维绘图更直观的展示复杂的三维空间，平立面同步修改。可更便捷地发现图纸问题，避免返工，节约成本。自动生成净空报告，在现场设置合理的限高、危险警示牌等。自动生成错误与安全报告。提醒进行错误修改、注意安全，促进现场安全文明施工。如图4所示，由于工艺设备三维模型涵盖设备、建筑、结构等专业，可进行漫游和碰撞检查。

图4 工艺设备三维模型和漫游

此外，BIM 技术在连铸方坯的应用还不成熟，需根据项目设计要求、标准图集、项目特殊性等制定适合本项目的族库及设计样板文件，此类族库包含参数，扩充了连铸族库，可有效提高后续项目BIM设计效率。

3.2 施工采购阶段

该项目工期紧张，受新冠肺炎疫情影响。该项目众多设计人员均在武汉居家办公，正是因为该工程采用了BIM 正向设计，相比于传统的二维蓝图，施工方、项目现场人员可直观生动的通过三维模型图纸展示设计意图，并在现场通过电脑对图纸及模型进行查阅，出现问题时，便于项目现场人员与远在武汉的设计人员进行有效沟通，快速解决施工遇到的疑惑和现场出现的问题。项目设备制造商根据每套二维加工图旁的三维零件模型展示也可以准确理解设计要求，便于各方沟通。出现问题修改模型，各设计人员及各方均可实时清楚最新设计意图，高真实度地传递现场信息，设计人员通过网络远程协助、不在现场的情况下加快处理流程，提升了各方的工作效率，促使该工地初步成为智慧工地的部分运用[6-8]。施工方也可以根据总体模型判断施工顺序，优化施工组织设计，有效避免重复施工，优化施工工序，加快施工进度。

3.3 运行阶段

施工完毕，最终的模型，方便制作设备拆装与运行视频，让业主更快更直观地了解设备构造，操作、运行情况,便于业主对连铸机的维护、运行管理和人员培训等。

3.4 建立标准

通过防港钢铁基地方坯连铸工程全过程中的BIM 应用与实践，建立了三项公司级标准：《三维数字化（BIM）设计建模标准》《机械设备三维数字化（BIM）设计建模标准》《管道三维数字化（BIM）设计标准》。

（1）《三维数字化（BIM）设计建模标准》适用于公司采用BIM 技术进行的新建、扩建、改建等冶金类工程项目的设计，包括总则、术语和释义、基本规定（模型单元的组织层级、文件编码与命名规则、颜色设置规则）、模型单元表达（几何信息表达、属性信息表达）等内容。

（2）《机械设备三维数字化（BIM）设计建模标准》适用于冶金工厂三维数字化（BIM）协同设计中，设备三维模型与其他相关专业协同设计模型的传递、参考、使用等过程。表面处理、通风、流体专业的设备BIM 设计可参考本标准执行，包括总则、术语和释义、设备模型单元组成、BIM协同设计对设备模型单元的要求、设备模型单元标识、设备模型单元表达深度要求、设备模型单元的碰撞检查等内容。

（3）《管道三维数字化（BIM）设计标准》用于公司资质范围内的管道三维数字化（BIM）设计，包括但不限于压力管道，包括总则、术语和释义、综合管道三维数字化、管道模型单元等级及出图等内容。这些标准为加快打造智慧连铸数字化进程打下了坚实基础。

4 结论

（1）项目采用BIM 技术工程应用模式，对于总承包形式的连铸方坯工程，通过BIM 进行设计，有效改善设计质量，提高了出图的准确性，保证了信息传递的真实性，也更便于设计方、施工方、业主方的交流沟通；

（2）基于此次工程实践应用与实践，创立了公司三项BIM标准，建立了适合连铸的BIM操作流程，扩充了针对连铸的族库，为加快公司BIM 的普及应用奠定了基础。

（3）BIM 技术的运用有效保证施工进度，节约资金，有效降低项目施工风险，缩短项目工期，同时也利于业主后期运行连铸机，延续了BIM 的使用周期。