选煤厂土建工程设计应用研究

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随着信息化技术的迅速发展，数字化概念逐渐进入选煤厂工程设计领域。数字化选煤厂是采用数据库的形式对选煤厂进行客观的反映，并覆盖选煤厂的整个生命周期。而作为信息化选煤厂载体的三维模型则称为信息的综合体，而非三维设计初级阶段的可视化模型［1，2］。选煤厂设计是一个复杂的系统工程，需要工艺、土建、机制、水电暖和管道等多个专业相互协作［3］。土建专业在选煤厂设计中服务于工艺，而工艺设备又依附于土建，二者相互支持又相互制约。本文通过分析BIM技术在青海矿业煤基多联产项目选煤厂工程的应用实践，探索分析选煤厂土建专业如何实现三维协同设计，并充分利用三维模型实现工程信息在选煤厂工程中的传递。

1工程概况

青海矿业煤基多联产项目选煤厂工程，位于青海省乌兰县工业园［4］，该项目工程包括：储装运系统设计能力1200万t／a、选煤厂工程设计能力800万t／a。选煤工艺流程为“脱泥无压三产品重介旋流器＋粗煤泥TBS＋细煤泥浮选＋尾煤浓缩压滤”的联合工艺流程。该选煤厂共有60多项单体建筑，包括钢筋混凝土结构，砌体结构和轻钢结构三种结构形式。主要单位工程有主厂房、火车翻车房、浓缩车间及泵房、汽车装车仓、准备车间及20多条输煤栈桥。本文选择几个具有代表性的单体建筑进行介绍，具体分析BIM技术在选煤厂工程中的应用实践。主厂房承担着一座煤矿对原煤进行洗选加工和综合处理的生产任务，是煤矿生产系统的终端环节。该选煤厂主厂房轴线尺寸116􀆰0m×36􀆰0m，檐口高45􀆰76m／55􀆰51m／58􀆰81m。左部分为钢筋混凝土框架结构，屋顶为大跨度网架结构，右部分为钢筋混凝土框架结构，屋面为混凝土屋面。来煤通过铁路运输，在火车翻车房内卸煤，并通过带式输送机转运。该工程火车翻车房分为地下和地上两部分，平面尺寸78􀆰9m×51􀆰0m，地下为钢筋混凝土结构，地上为门式刚架，檐口高21􀆰5m。该工程栈桥众多，共有20多条带式输送机栈桥。

2三维信息模型的建立

该选煤厂包含的单体建筑，既有钢筋混凝土结构，砌体结构，钢结构，又有混凝土结构和钢结构的组合。在钢筋混凝土中，单体建筑的形状有方形结构，圆形结构及斜体的悬空结构。由于不同项目的场地，环境的不同，土建专业需要对单体建筑进行结构计算，从而保证结构安全及人员安全，所以一个三维模型是否能够导出至计算软件进行计算，是选择交互式三维模型首要考虑因素［5］。根据对软件市场的调研与试用，选择了Bentley软件公司。该公司拥有多个三维模型设计软件，包括三维建模软件，三维协同设计平台。并且在数据传输方面不存在导入导出数据不兼容的情况，使得模型的利用率大幅度提高。2􀆰1主厂房的建模流程主厂房形体较复杂，结构同时具有变形缝、大跨度轻钢网架结构、错层和层高较多等难点。针对以上难点，选择了AECOsim软件。三维协同设计需在同一环境下完成设计工作，能够保证项目实施过程中设计需求及设计标准的统一性。Bentley专业设计软件提供一个开放的“WorkSpace”，设计者只需根据行业特性对设计需求进行收集，如：标准样式、文字样式、管道类型等，然后对需求进行定制固化，形成统一的“WorkSpace”。而土建专业需要增加混凝土梁、柱截面库，钢结构构件截面库，门窗规格库，墙体库，楼、屋面板截面等信息［6］。1）坐标系的建立。土建专业构建适用于各个专业的统一的三维模型坐标系。±0􀆰000相当于绝对标高3291􀆰69。2）土建模型的拆分。为了简化模型拆分数量，对变形缝两侧错层采用同一标高，绘制模型时将模型根据图纸情况调整。根据楼层标高的不同将模型分成不同的模型文件，如：变形缝两侧的建筑标高分别为18􀆰910、17􀆰410、19􀆰210􀆰模型文件的标高可设为：19􀆰210。绘制模型时，标高名称定为18􀆰910／17􀆰410／19􀆰210。3）土建模型文件的命名。模型文件的名称由档案号、项目名称、专业及分层标高组成。如：“2366－主厂房－建筑－13􀆰810层－设计人甲􀆰dgn”，“2376＿主厂房＿结构＿18􀆰910／19􀆰210／17􀆰410层＿设计人乙􀆰dgn”。对于屋顶的轻钢网架，单独建模，形成一个独立的模型文件，即：2376＿主厂房＿建筑＿42􀆰160层网架＿设计人。4）建立轴网。轴网是各专业设计的基础，需要由土建专业根据图纸创建基于统一原点坐标的ACS轴网，不同的标高层应建立不同的轴网。轴网依据拆分模型时的标高高度分层确定。如：标高13􀆰810层轴网、标高8􀆰910／19􀆰210／17􀆰410层轴网。5）建立标高。根据主厂房的分层情况，建立对应与各个分层的建筑标高。如：标高13􀆰810层、标高18􀆰910／19􀆰210／17􀆰410层。6）建筑专业与结构专业的模型内容划分。如：对于标高27􀆰910层，建筑专业建模内容：标高27􀆰910层楼面，标高27􀆰910～35􀆰110／33􀆰010间墙体，门窗、墙体洞口、楼梯。结构专业：标高27􀆰910层结构：包括标高27􀆰910层梁及标高22􀆰510～27􀆰910层柱。7）门窗选型的规定。由于AECOsim软件为国外软件，其内置的门窗规格不完全适用于中国规范。而自建的门窗库又不完全有效，需要设计人员根据本工程的实际情况选择类似的内置门窗规格。为了避免不同的设计人员对同一规格的门窗选择的内置门窗规格的不同，需制定统一的门窗规格及选型表，见表1。8）形成各个独立的模型文件。9）形成主厂房整体的土建模型。新建一个空的dgn文件，命名为“2376＿主厂房＿土建＿分装”。使用AECOsim软件的“参考”功能，将所有标高的21模型文件组合，形成土建专业整体模型，如图1所示。2􀆰2火车翻车房的建模简述火车翻车房的设计难点是地上是轻钢结构，地下为钢筋混凝土结构，分属于不同的结构形式。而AECOsim，适用于绘制混凝土结构和砌体结构。轻钢结构的建模需要使用Prostructures软件中的Prosteel模块，该软件有完整的构件截面库，能进行详细的节点设计。上部轻钢结构采用Prostructures设计，形成单独的模型，如：命名为“2376＿火车翻车机房＿结构＿上部钢架＿聂义田”。地下结构采用AECOsim软件，按标高形成不同的模型。依据主厂房形成整体模型的方式，完成最终的火车翻车房的土建分装模型，命名为“2376＿火车翻车房＿土建＿分装”。火车翻车房最终三维模型如图2所示。图2火车翻车房最终三维模型图2􀆰3输煤带式输送机栈桥的建模简述带式输送机栈桥为轻钢结构，建模时候仍然使用AECOsim软件和Prostructures软件中的Prosteel模块。Prosteel软件设计带式输送机栈桥内部钢架，AECOsim软件设计外部的围护结构、门窗等构件［7］。对于占单体建筑较多的带式输送机栈桥，工程设计时积累了较多的标准段库，如10m、15m、20m、25m等长度的带式输送机栈桥。设计非标准段时，可以将较接近的标准段进行长度和角度的修改即可完成设计。带式输送机栈桥最终三维模型如图3所示。

3三维信息模型的结构计算

由于该工程单体建筑较多，三维模型的结构计算以带式输送机栈桥内部的钢结构桁架为例进行介绍。钢结构计算软件为Staad􀆰pro。在该软件中可以完成结构构件的选型，各种荷载的加载，构件的结构计算等。在Staad􀆰pro软件中，完成结构的计算后，将模型导出，另存为dgn格式。利用Prostructures软件，将该模型文件打开，进行节点建模，包括螺栓、锚栓、节点板等。在AECOsim软件中，利用“参考”功能，将钢架部分和围护结构部分组成完整的带式输送机栈桥模型，如图4所示。

4土建专业出施工图

利用AECOsim软件，通过模型切图，直接切图得到平面图、立面图、剖面图和大样详图。通过BIM信息化模型，提取土建专业施工图纸及节点详图，根据需要在任意位置进行立体的视图剖切，克服传统二维图纸中难以发现的设计缺陷和空间盲点。完成建筑结构，不同格式的图纸需求，包括平面、立面、轴测图、阶梯剖，实现施工图纸的无纸化。这里应当注意，三维模型剖切生成的二维图纸是与三维模型关联的，也就是说三维模型中结构布置或者结构构件发生改变的情况下，设计人员不需要重新对三维模型进行再次剖切，原有剖切完成的平面图纸将自动进行更新。31在切出二维图形后，新建图纸文件，使用参考命令对二维模型文件进行参考。移动至相应位置后，形成完整的二维切图文件。标注可使用AECOsim软件的标注工具，对所需要的管理尺寸进行标注，然后添加二维图框，即可生成二维图纸。主厂房三维、二维模型切图如图5、图6所示。

5土建工程量统计

在AECOsim软件中，统计工程量有两种统计方法。可以按构件类型进行统计，也可以根据不同构件类型分类统计———适用于门窗表等统计，生成相应报表。另外，还可以按材料属性进行统计，Part是该统计的核心，确保构件已经被赋予适当的Part信息，如component属性，统计内容由属性定义决定———适用统计大类和统计的内容，如砖墙用量，混凝土用量，即长度、体积、面积等，见表2。

6土建专业构件碰撞检查

AECOsim软件可以进行专业间及专业内部构件的碰撞检查，如：水管道、电缆桥架、通风管道间的碰撞检查，也可以检查设备与土建构件的碰撞问题。同样，对于土建专业内部的构件也可以进行碰撞检查。以主厂房为例，不同设计人员对同一个构件的重复建模、梁与柱交接处的构件重合、上下层墙、柱的位置偏移、梁柱与门窗安装位置的相互影响等设计问题，都可以通过碰撞检查报告发现。该主厂房建模共发现121处土建专业碰撞问题。

7结语

土建专业作为选煤厂设计的重要组成部分，是其他专业设计的依托。本次土建专业基于三维信息模型的应用实践经验，具有很强的可复制性，可应用于同类选煤厂项目的BIM设计。如何利用BIM技术提升土建专业设计的效率和精确度，使土建模型文件更好的服务于选煤厂工程的全生命周期，使选煤厂的数字化程度得到更深层次的发展，是下一步要研究的方向。

作者:聂义田 宋领法 李亚敏 陈绍东 郭金伟 张海涛 单位:中赟国际工程有限公司