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浅谈BIM技术在火力发电厂大件吊装施工中的应用

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：陈卓

[导读] 摘要：建筑信息模型（ＢＩＭ）的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑师的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息。

        中国能源建设集团江苏省电力建设第三工程有限公司江苏镇江 212003
        摘要：建筑信息模型（ＢＩＭ）的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑师的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息。随着建筑业信息化、智能化的飞速发展，很多火力发电厂项目也都开始运用ＢＩＭ技术。
        关键词：BIM技术；火力发电厂大件吊装施工；
        项目成败影响因素较多，大件吊装因其工作量大，高空作业多，特别部位空间受限，安全风险大，对机具需求要求高，工期长，客观上已成为影响项目成败的主要因素。因此必须重视施工吊装技术方面的上的研究。在确保安全，满足施工需求的前提下，通过吊装技术的改进和提高，以降低项目施工成本，从而增强竞争力。
        一、BIM 技术简介
        BIM中文直译为建筑信息模型。BIM 模型可以包含一个建筑工程项目从概念设计到项目拆除全生命周期的各专业的信息。基于传统CAD 技术的各专业之间的工作成果的相对独立，使很多需要各专业协同配合才能完成的任务进行起来较为复杂。也就是说，传统的CAD技术无法有效解决“信息孤岛”的问题。BIM 定义的模型不是一个简单的图形，不仅包括了几何信息( 图形显示) ，还包括了物理信息( 构件材料属性、边界条件) 和社会经济信息( 成本、工期) 。既可以被建筑师用来建立三维模型，并定义构件，也可以被结构师用来设计分析，同时还可以被电气、设备、景观、施工等各专业所共用。在一个全面运用BIM 技术的工程项目中，由于各专业实际上用的是同一个( 或同一类) 模型文件，因此可以很容易地实现成果的互用，从而完成很多难以完成的任务，如碰撞检测、施工模拟、动态成本控制、快速出施工图、全生命周期管理等。
        二、BIM技术在火力发电厂大件吊装施工中的应用
        1.吊装施工仿真模拟平台。设计方的工作焦点主要在建筑物最终状态下的设计合理，往往忽略建造过程可能产生危险状态，而考虑这些问题的任务就落到了施工方手中。施工单位要想准确把握施工过程的每个危险状态更不容易，施工单位可能会遇到的危险因素要比设计单位多很多，不仅各个构件、模块单独吊装的过程要保证受力合理、变形小，而且也要避免吊装运输施工过程中可能发生的建筑物、设备等的碰撞。尤其是吊装重大特殊项目，所使用的多台履带起重机抬吊，抬吊的最大重量达100t-300t，它在吊装施工过程中遇到的问题如果不进行动态仿真模拟，则难以发现，而一旦产生事故将损失重大，所以进行吊装施工过程的动画仿真模拟意义重大。吊装施工仿真模拟平台可以规划施工方案，生成施工模拟动画，进行动态结构分析和碰撞冲突检测。由于BIM 技术的应用，各模块之间是可以即时交换数据的。比如，进行结构分析后，获得吊装物和吊具( 吊索、吊耳) 变形后的数据，将这些数据反馈到动画中，使生成的动画可以真实地反映吊装施工情况。在动画模拟过程中，某个时刻发生了物体之间的碰撞冲突( 如吊车与周围建筑或堆积物体的冲突) ，将会记录相关空间和时间坐标信息，并向技术人员发出警告，以便继续调整施工方案。当吊装施工方案全过程仿真模拟无误后，平台可以根据BIM 模型记录下的相关数据自动为技术人员生成施工方案。由此可见，引入BIM 技术的施工仿真模拟平台将更加科学合理、高效直观。
        2.基于BIM 的施工仿真模拟平台的功能及要素。搭建一个基于BIM 的施工仿真模拟平台，是为了利用全信息整合的BIM 模型来进行整个施工过程的动画模拟，并对构件、模块进行受力分析，以及吊装、运输过程中的碰撞检测。该平台至少具备三维建模功能、施工方案规划功能、三维动画自动创建功能、结构分析功能和碰撞检测功能。为了利用现有的非BIM 模型文件，还应具备模型转换功能，将外部模型转换为BIM 模型。

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基于目前的BIM技术搭建该平台需要的要素，首先包括BIM 技术的基本要素———工业基础类别IFC 标准。IFC 标准让不同专业间的数据交互共用成为可能。为了利用比较专业的三维动画制作软件3DS Max 来渲染三维模拟动画，以及利用ANSYS 等有限元分析软件来进行结构分析，该平台还需要具备适合这些软件的数据接口。除此之外，BIM 模型建成后，平台本身还应具备对施工方案的全面规划功能。本平台要实现的一个重要功能是吊装施工过程的动画模拟，考虑采用专业的三维动画制作软件3DS Max 来渲染动画。3DS Max 并不是一个操作简单的软件，对于一般的施工技术人员来讲上手难度很大; 而且即便是一个对3DS Max 精通的人，如果仅限于窗口界面操作，也难以精准地把握和调整动画中物体的三维坐标和时间间隔。总之，对于施工技术人员来讲，直接运用3DS Max 软件制作动画是一个学习成本高而且效率低的做法。现在，由于BIM 模型的引入，它本身可以包括制作动画所需要的空间坐标和时间两个重要变量，当用户通过本平台自带的施工规划功能简单地规划好吊车运动路径后，平台将自动计算相关的坐标和时间信息，并通过3DS Max 的二次开发接口来导入数据渲染动画。对吊装施工过程几个危险状态的结构分析是保证施工安全的重要手段。结构分析最困难的部分在于根据实际工况准确地建立分析模型。这里的模型既包括三维几何模型，又包括有限元分析模型。由于BIM 模型本身可以包括这些信息，所以只要能正确地开发出与有限元分析软件的接口，就可以方便快速地导出有限元分析文件来进行结构分析。对于软件，支持命令流操作，有完整的命令流规则，所以可以开发出BIM 模型信息转换到命令流文件的接口来实现BIM 结构分析信息到软件的传递; 同时产生的结果文件也可以开发相应的接口导入到BIM 模型中，让BIM 模型信息更丰富，以完成其他任务。
        3.从火电厂锅炉钢结构安装效率来看，BIM工程师针对火电厂锅炉钢结构安装关键节点设计对应的BIM节点做法模型，同时可以制作相应的工艺演示视频，针对广大施工人员实施对应的技术交底。此外，还可以将对应的资料制作为二维码，将其粘贴到现场构件，将其应用于参观展览、检测验收。当项目竣工之后，BIM工程师制作一套有关火电厂锅炉钢结构施工节点做法的详细手册，能够作为未来有关火电厂锅炉钢结构施工方面的技术参考。对质检员来说，其在开展质量检查工作的流程中，可以综合使用移动终端上传对应的质量问题图片或者视频，平台则能够进行推送，要求相关负责人开展整改工作，且能够应用于会议汇报工作，使得质量管理流程更为高效。首先利用BIM技术模拟演示项目钢构件吊装施工组织，针对细节部分进行系统的讨论，明确对应的优化方案。针对构件吊点、吊具以及钢柱临时爬梯等历程设计BIM图，根据BIM图分析进行安全交底。分别针对各个阶段的成本堆放位置、构件拼装位置、机械摆放位置等实施BIM分析，通过分布图进行安全性分析，并针对隐患进行排查。实际施工进程中，现场人员通过移动终端的及时利用，能够及时上传安全图片至服务器，并与模型关联，实现现场管理与计算机信息管理的互动，加强施工过程中的安全管控，切实保障火电厂锅炉钢结构安装安全管理的效果。
        本文针对吊装施工过程存在吊装方案制订、吊装过程动态模拟及吊装运输碰撞检测等多重问题，由于BIM 包括了几何信息、物理信息和社会经济信息，它所搭建出来的平台可以完成很多传统CAD 难以实现的任务。但是，由于国内的BIM 发展还处于起步阶段，所以有必要在平台开发过程中注意与传统CAD 软件的兼容。相信随着BIM 技术的发展，人们将能更高效更精确地完成整个工程项目，并有可能创造更多的工程建设奇迹。
        参考文献：
        [1]何关培，王软群，应宇垦. BIM 总论[M]. 北京: 中国建筑工业出版社，2018.
        [2]王珺，张人友. BIM 三维与四维建模实例[J]. 工业建筑，2017，42( 7) : 139 － 141.
        [3]邱奎宁，张汉义，王静，等. IFC 标准及实例介绍[J]. 土木建筑工程信息技术，2017，2( 1) : 68 － 71.