選煤廠土建工程設計應用研究

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隨著信息化技術的迅速發展，數字化概念逐漸進入選煤廠工程設計領域。數字化選煤廠是采用數據庫的形式對選煤廠進行客觀的反映，并覆蓋選煤廠的整個生命周期。而作為信息化選煤廠載體的三維模型則稱為信息的綜合體，而非三維設計初級階段的可視化模型［1，2］。選煤廠設計是一個復雜的系統工程，需要工藝、土建、機制、水電暖和管道等多個專業相互協作［3］。土建專業在選煤廠設計中服務于工藝，而工藝設備又依附于土建，二者相互支持又相互制約。本文通過分析BIM技術在青海礦業煤基多聯產項目選煤廠工程的應用實踐，探索分析選煤廠土建專業如何實現三維協同設計，并充分利用三維模型實現工程信息在選煤廠工程中的傳遞。

1工程概況

青海礦業煤基多聯產項目選煤廠工程，位于青海省烏蘭縣工業園［4］，該項目工程包括：儲裝運系統設計能力1200萬t／a、選煤廠工程設計能力800萬t／a。選煤工藝流程為“脫泥無壓三產品重介旋流器＋粗煤泥TBS＋細煤泥浮選＋尾煤濃縮壓濾”的聯合工藝流程。該選煤廠共有60多項單體建筑，包括鋼筋混凝土結構，砌體結構和輕鋼結構三種結構形式。主要單位工程有主廠房、火車翻車房、濃縮車間及泵房、汽車裝車倉、準備車間及20多條輸煤棧橋。本文選擇幾個具有代表性的單體建筑進行介紹，具體分析BIM技術在選煤廠工程中的應用實踐。主廠房承擔著一座煤礦對原煤進行洗選加工和綜合處理的生產任務，是煤礦生產系統的終端環節。該選煤廠主廠房軸線尺寸116􀆰0m×36􀆰0m，檐口高45􀆰76m／55􀆰51m／58􀆰81m。左部分為鋼筋混凝土框架結構，屋頂為大跨度網架結構，右部分為鋼筋混凝土框架結構，屋面為混凝土屋面。來煤通過鐵路運輸，在火車翻車房內卸煤，并通過帶式輸送機轉運。該工程火車翻車房分為地下和地上兩部分，平面尺寸78􀆰9m×51􀆰0m，地下為鋼筋混凝土結構，地上為門式剛架，檐口高21􀆰5m。該工程棧橋眾多，共有20多條帶式輸送機棧橋。

2三維信息模型的建立

該選煤廠包含的單體建筑，既有鋼筋混凝土結構，砌體結構，鋼結構，又有混凝土結構和鋼結構的組合。在鋼筋混凝土中，單體建筑的形狀有方形結構，圓形結構及斜體的懸空結構。由于不同項目的場地，環境的不同，土建專業需要對單體建筑進行結構計算，從而保證結構安全及人員安全，所以一個三維模型是否能夠導出至計算軟件進行計算，是選擇交互式三維模型首要考慮因素［5］。根據對軟件市場的調研與試用，選擇了Bentley軟件公司。該公司擁有多個三維模型設計軟件，包括三維建模軟件，三維協同設計平臺。并且在數據傳輸方面不存在導入導出數據不兼容的情況，使得模型的利用率大幅度提高。2􀆰1主廠房的建模流程主廠房形體較復雜，結構同時具有變形縫、大跨度輕鋼網架結構、錯層和層高較多等難點。針對以上難點，選擇了AECOsim軟件。三維協同設計需在同一環境下完成設計工作，能夠保證項目實施過程中設計需求及設計標準的統一性。Bentley專業設計軟件提供一個開放的“WorkSpace”，設計者只需根據行業特性對設計需求進行收集，如：標準樣式、文字樣式、管道類型等，然后對需求進行定制固化，形成統一的“WorkSpace”。而土建專業需要增加混凝土梁、柱截面庫，鋼結構構件截面庫，門窗規格庫，墻體庫，樓、屋面板截面等信息［6］。1）坐標系的建立。土建專業構建適用于各個專業的統一的三維模型坐標系?！?􀆰000相當于絕對標高3291􀆰69。2）土建模型的拆分。為了簡化模型拆分數量，對變形縫兩側錯層采用同一標高，繪制模型時將模型根據圖紙情況調整。根據樓層標高的不同將模型分成不同的模型文件，如：變形縫兩側的建筑標高分別為18􀆰910、17􀆰410、19􀆰210􀆰模型文件的標高可設為：19􀆰210。繪制模型時，標高名稱定為18􀆰910／17􀆰410／19􀆰210。3）土建模型文件的命名。模型文件的名稱由檔案號、項目名稱、專業及分層標高組成。如：“2366－主廠房－建筑－13􀆰810層－設計人甲􀆰dgn”，“2376＿主廠房＿結構＿18􀆰910／19􀆰210／17􀆰410層＿設計人乙􀆰dgn”。對于屋頂的輕鋼網架，單獨建模，形成一個獨立的模型文件，即：2376＿主廠房＿建筑＿42􀆰160層網架＿設計人。4）建立軸網。軸網是各專業設計的基礎，需要由土建專業根據圖紙創建基于統一原點坐標的ACS軸網，不同的標高層應建立不同的軸網。軸網依據拆分模型時的標高高度分層確定。如：標高13􀆰810層軸網、標高8􀆰910／19􀆰210／17􀆰410層軸網。5）建立標高。根據主廠房的分層情況，建立對應與各個分層的建筑標高。如：標高13􀆰810層、標高18􀆰910／19􀆰210／17􀆰410層。6）建筑專業與結構專業的模型內容劃分。如：對于標高27􀆰910層，建筑專業建模內容：標高27􀆰910層樓面，標高27􀆰910～35􀆰110／33􀆰010間墻體，門窗、墻體洞口、樓梯。結構專業：標高27􀆰910層結構：包括標高27􀆰910層梁及標高22􀆰510～27􀆰910層柱。7）門窗選型的規定。由于AECOsim軟件為國外軟件，其內置的門窗規格不完全適用于中國規范。而自建的門窗庫又不完全有效，需要設計人員根據本工程的實際情況選擇類似的內置門窗規格。為了避免不同的設計人員對同一規格的門窗選擇的內置門窗規格的不同，需制定統一的門窗規格及選型表，見表1。8）形成各個獨立的模型文件。9）形成主廠房整體的土建模型。新建一個空的dgn文件，命名為“2376＿主廠房＿土建＿分裝”。使用AECOsim軟件的“參考”功能，將所有標高的21模型文件組合，形成土建專業整體模型，如圖1所示。2􀆰2火車翻車房的建模簡述火車翻車房的設計難點是地上是輕鋼結構，地下為鋼筋混凝土結構，分屬于不同的結構形式。而AECOsim，適用于繪制混凝土結構和砌體結構。輕鋼結構的建模需要使用Prostructures軟件中的Prosteel模塊，該軟件有完整的構件截面庫，能進行詳細的節點設計。上部輕鋼結構采用Prostructures設計，形成單獨的模型，如：命名為“2376＿火車翻車機房＿結構＿上部鋼架＿聶義田”。地下結構采用AECOsim軟件，按標高形成不同的模型。依據主廠房形成整體模型的方式，完成最終的火車翻車房的土建分裝模型，命名為“2376＿火車翻車房＿土建＿分裝”?；疖嚪嚪孔罱K三維模型如圖2所示。圖2火車翻車房最終三維模型圖2􀆰3輸煤帶式輸送機棧橋的建模簡述帶式輸送機棧橋為輕鋼結構，建模時候仍然使用AECOsim軟件和Prostructures軟件中的Prosteel模塊。Prosteel軟件設計帶式輸送機棧橋內部鋼架，AECOsim軟件設計外部的圍護結構、門窗等構件［7］。對于占單體建筑較多的帶式輸送機棧橋，工程設計時積累了較多的標準段庫，如10m、15m、20m、25m等長度的帶式輸送機棧橋。設計非標準段時，可以將較接近的標準段進行長度和角度的修改即可完成設計。帶式輸送機棧橋最終三維模型如圖3所示。

3三維信息模型的結構計算

由于該工程單體建筑較多，三維模型的結構計算以帶式輸送機棧橋內部的鋼結構桁架為例進行介紹。鋼結構計算軟件為Staad􀆰pro。在該軟件中可以完成結構構件的選型，各種荷載的加載，構件的結構計算等。在Staad􀆰pro軟件中，完成結構的計算后，將模型導出，另存為dgn格式。利用Prostructures軟件，將該模型文件打開，進行節點建模，包括螺栓、錨栓、節點板等。在AECOsim軟件中，利用“參考”功能，將鋼架部分和圍護結構部分組成完整的帶式輸送機棧橋模型，如圖4所示。

4土建專業出施工圖

利用AECOsim軟件，通過模型切圖，直接切圖得到平面圖、立面圖、剖面圖和大樣詳圖。通過BIM信息化模型，提取土建專業施工圖紙及節點詳圖，根據需要在任意位置進行立體的視圖剖切，克服傳統二維圖紙中難以發現的設計缺陷和空間盲點。完成建筑結構，不同格式的圖紙需求，包括平面、立面、軸測圖、階梯剖，實現施工圖紙的無紙化。這里應當注意，三維模型剖切生成的二維圖紙是與三維模型關聯的，也就是說三維模型中結構布置或者結構構件發生改變的情況下，設計人員不需要重新對三維模型進行再次剖切，原有剖切完成的平面圖紙將自動進行更新。31在切出二維圖形后，新建圖紙文件，使用參考命令對二維模型文件進行參考。移動至相應位置后，形成完整的二維切圖文件。標注可使用AECOsim軟件的標注工具，對所需要的管理尺寸進行標注，然后添加二維圖框，即可生成二維圖紙。主廠房三維、二維模型切圖如圖5、圖6所示。

5土建工程量統計

在AECOsim軟件中，統計工程量有兩種統計方法?？梢园礃嫾愋瓦M行統計，也可以根據不同構件類型分類統計———適用于門窗表等統計，生成相應報表。另外，還可以按材料屬性進行統計，Part是該統計的核心，確保構件已經被賦予適當的Part信息，如component屬性，統計內容由屬性定義決定———適用統計大類和統計的內容，如磚墻用量，混凝土用量，即長度、體積、面積等，見表2。

6土建專業構件碰撞檢查

AECOsim軟件可以進行專業間及專業內部構件的碰撞檢查，如：水管道、電纜橋架、通風管道間的碰撞檢查，也可以檢查設備與土建構件的碰撞問題。同樣，對于土建專業內部的構件也可以進行碰撞檢查。以主廠房為例，不同設計人員對同一個構件的重復建模、梁與柱交接處的構件重合、上下層墻、柱的位置偏移、梁柱與門窗安裝位置的相互影響等設計問題，都可以通過碰撞檢查報告發現。該主廠房建模共發現121處土建專業碰撞問題。

7結語

土建專業作為選煤廠設計的重要組成部分，是其他專業設計的依托。本次土建專業基于三維信息模型的應用實踐經驗，具有很強的可復制性，可應用于同類選煤廠項目的BIM設計。如何利用BIM技術提升土建專業設計的效率和精確度，使土建模型文件更好的服務于選煤廠工程的全生命周期，使選煤廠的數字化程度得到更深層次的發展，是下一步要研究的方向。

作者:聶義田 宋領法 李亞敏 陳紹東 郭金偉 張海濤 單位:中赟國際工程有限公司