基于BIM技术的导热油炉装配式设计施工应用_郑常春.pdf

ANZHUANG2023年第6期52机 电 安 装 Electromechanical Installation郑常春1 李正斌2 刘长雨1（1.中机中联工程有限公司 重庆 400039；2.重庆太湖锅炉股份有限公司 重庆 400041）摘 要：装配式模块化设计是当前工程设计发展的趋势。本文采用BIM技术对导热油炉进行模块化设计、预制化加工、装配化施工，可提高设计精度，提升安装效率，确保安装质量，加快建设速度，为工程设计与建设带来了巨大的价值。关键词：导热油炉 模块化设计 标准化 装配化施工中图分类号：TK229 文献标识码：B 文章编号：1002-3607（2023）06-0052-05 基于BIM技术的导热油炉装配式设计施工应用*在国家和地方政策的持续推动下，装配式施工在工程行业快速发展，数字化技术与装配式技术已成为当今工程行业的热点。在化工工程项目中，大型设备受设计周期、现场加工条件、安装施工工期、安装成本影响，常采用模块化集成设计，模块化设计已是化工工程行业技术发展 的趋势1-4。模块化集成设备由于空间布局紧凑，管线布置集中，二维设计无法直观表达内部设备管线的空间关系，更无法模拟内部设备管线的组装情况，组装中常常会出现碰撞或预制加工不准确，造成返工、影响安装质量、费时费料等问题。为实现导热油炉产业模式从粗放型向集约型转变，向着高质量方向发展，利用BIM技术对导热油炉设备进行装配式模块化、标准化设计不仅加快了导热油炉工程建设数字化进程，更是助力导热油炉设计安装提质增效。1 工程概况某200万kcal导热油炉项目（见图1）位于重庆市铜梁区，锅炉额定输出功率2.3MW（200104 kcal/h），设计压力1.0MPa，锅炉热效率80%，300设计出油温度340，回油温差25。由于项目工期紧张，业主为减少设备采购与安装中间环节的风险，要求交付模块化的导热油炉设备。为确保各模块在现场的顺利组装，这对导热油炉系统预制加工精度提出了更高的要求。与传统项目相比，模块化交付还需要满足布局紧凑性、组装便利性和运输可行性等要求。为实现高精度预制加工及模块化设计，项目运用BIM技术对导热油炉系统进行了管线图1 项目照片*2022年度重庆市建设科技计划项目“装配式机电系统关键技术研究与工程示范”（城科字2022第3-14号）。深化与模块化设计，导出预制加工图、安装大样图、材料明细表用于材料采购与工厂预制加工，通过轻量化模型进行可视化施工交底，指导现场装配化施工。2 基于BIM技术的导热油炉装配式模块化设计安装应用2.1 应用流程装配式模块化设计最主要的特点就是将施工阶段的工作提前到设计阶段解决，设计模式由“设计，现场施53INSTALLATION2023.6Electromechanical Installation 机 电 安 装工，提出更改，设计变更，现场施工”转变为“设计，工厂加工，现场安装”的新模式5。借助BIM技术将项目建造阶段可能出现的问题提前到设计阶段解决，将建造信息提前整合到设计图纸中，形成模块化设计、预制化加工、装配化施工的设计安装流程（见图2）。工厂预装配工厂预制加工设计数据准备现场装配BIM深化设计图2 基于BIM的装配式模块化设计安装流程图3 膨胀管弯曲角度示意图4 钢架模块化设计图5 钢架模块连接大样钢架模块3-4：罐组模块钢架模块3-3：罐组模块钢架模块3-2：罐组模块钢架模块1：锅炉底座钢架模块2：循环泵组底座钢架模块3-1：储油罐底座考虑到成本和安装便捷性，在满足运行工况并留有余量后，尽量简化钢架的形式。在钢架侧面支撑设计时，根据受力分析，采用30圆钢成品斜拉杆，通过螺栓与钢架连接，既节省了钢材用量，又实现了螺栓装配的要求。钢架上高位设备、阀门的操作与维护往往是用户关注的重点，在传统钢架设计中，常采用检修爬梯的形式用于登高检修，使用体验较差。在导热油炉钢架设计中采用了随钢接膨胀罐膨胀管120120接油气分离器2.2 设计数据准备装配式模块化设计与安装对BIM模型的准确性和精度有严格的要求。在设计前期，除了根据工艺需求确定导热油炉系统各主要设备工艺参数以外，还需提前确定项目施工所选用的各类机械设备、阀部件、管道、管件的产品样册，例如：锅炉本体、空气预热器、循环泵、鼓风机等，建立与产品样册几何尺寸、接口大小、接口位置等信息一致的BIM族库，确保后续预制加工精度。2.3 BIM技术深化设计2.3.1 设备布局比选通过设计准备阶段完成的BIM族库，利用BIM三维可视化的特点，在Revit软件中进行主要设备的多方案布置，设备布置时需考虑工艺要求，同时结合设备尺寸、检修空间、支吊架设置、模块拆分等因素，比选出布置合理，管线连接顺畅，检修方便的设备布局方案。例如，整个导热油炉系统按功能分区通常分为锅炉本体部分、循环泵组部分、储油罐和膨胀罐部分，导热油炉系统的膨胀罐应设置在系统最高点，使其能够吸收因导热油温度的升高而产生的体积膨胀量。2.3.2 管线深化装配式模块内部空间极为有限，在这有限的空间中需要合理考虑设备、阀门、管道、支架、仪表的安装位置，传统二维设计无法直观表达各模块内构件的空间关系。在前述比选出的BIM模型中，对导热油炉系统内各类管道进行综合设计，管道应尽可能简短，避免环绕和冗余，排布整齐，层次分明，支吊架设置合理；阀件及仪表安装位置应方便操作和检修，应优先满足有特殊安装要求的管道附件或设备。锅炉管网系统与膨胀罐连接的膨胀管需要转弯时，弯曲角度不应小于120（见图3）；流量计需满足上游直管段长度不小于10倍管道直径，下游直管段长度需满足不小于5倍管道直径。2.3.3 钢架设计钢框架设计是装配式模块化设计中必不可少的部分。为满足模块拆分与运输条件要求，需合理设计钢架形式与连接方式。例如，整个导热油炉系统按功能分区，设计三个通过螺栓连接的钢架底座（见图4），同时考虑到运输条件，将高达10m用于放置储油罐和膨胀罐的钢架设计成可拆分的四段，每部分之间均采用螺栓连接固定（见图5）。ANZHUANG2023年第6期54机 电 安 装 Electromechanical Installation架一体化设计的检修楼梯，各梯段均采用螺栓与钢架连接，装配与拆卸便捷，同时可将需要操作和检修的阀部件设置在楼梯平台等易于操作的位置，提高了使用品质。2.3.4 模块拆分装配式模块化设计除了要求高精度外，还要求合理的模块拆分。在项目BIM建模及设备布置阶段就应确定模块拆分的原则。导热油炉的装配式模块化拆分需遵循：尽量按功能分区进行模块拆分，使各功能分区设备布局合理、紧凑；根据运输车辆尺寸、运输路线限高或限重条件、现场吊装孔大小、起重设备参数等确定模块拆分尺寸及重量，确保运输安全、顺利；考虑各模块结构的合理性及各模块间连接的便利性；尽量形成规格统一的构件，减少构件种类，便于标准化预制加工；确保管件间有足够的短接长度，满足焊接要求；构件拆分应便于支吊架设置；保证使用功能的前提下，可将多个管道附件直接通过法兰连接，减少焊口与法兰数量；在现场设备、钢结构等的安装偏差未定的情况下，预留安装调节段或调节余量，在安装时现场实测后现场精确下料。图6 安装大样图图7 预制管段平、立及三维图2.3.5 BIM出图BIM模型是按照各构件实际尺寸进行建模，与传统二维设计相比，Revit软件中BIM模型与各视图具有联动性，能确保设计数据变化时，各视图可以自动更新，可有效避免平面图与大样图不一致的情况。BIM模型进行模块拆分后，可以在Revit软件中直接生成安装大样图（见图6）及预制管段的平面图、立面图和三维图（见图7），还可以导出准确的材料明细表，这些材料明细表与预制加工图纸可直接用于采购、生产和加工，实现了BIM设计数据的有效传递。2.4 预制化加工传统设计图纸无法直接用于预制加工，工人需通过平面图纸进行加工下料，增加了下料准备时间与难度，而且现场预制加工设备机具条件不如工厂，预制加工效率及质量不高，安装方式比较粗放，需要的工人数量多，施工周期较长。采用基于BIM技术的装配式模块化设计安装模式，预制加工厂可根据BIM图纸完成下料、喷砂除锈、管道组对、焊接、试压、喷漆、贴编号标签等生产流程。预制加工厂应尽量采用机械设备进行55INSTALLATION2023.6Electromechanical Installation 机 电 安 装自动化加工，确保加工精度和质量。例如，采用管道自动切割机进行管道切割、开坡口等（见图8），采用组对平台将多个管段或法兰进行准确组对拼接并点焊；采用悬臂式管道自动焊机将组对后的管段进行自动焊接。程管理人员应通过BIM模型及BIM图纸对安装人员进行三维可视化技术交底，帮助安装工人理解设计图纸，明确施工工序及质量要求。各模块通过吊装设备进行安装就位，模块间采用螺栓连接固定，对于预制管段，安装人员根据构件编号按照装配图纸进行装配（见图10）。图8 管道切断坡口机图10 现场安装照片图9 模块运输2.5.1 装配式模块化设计安装优点（1）BIM模块化设计有助于产品标准化。导热油炉设备具有内部构造相对固定，产品具有系列化的特点。通过BIM技术对导热油炉设备进行装配式集成化、模块化设计，形成固定的空间布局与模块组。针对不同的项目需求，只需调整部分设备、管道尺寸，便能快速完成图纸设计，减少了大量的重复设计工作，缩短了图纸设计周期，还可有效降低图纸出错率4139，规模效应明显。（2）BIM技术提升设计质量。BIM技术具有可视化、协调性、模拟性等特点6，通过BIM技术建立导热油炉设备一比一模型，可直观展示设备、阀门及管线的空间位置关系，有助于设备布局优化，便于充分考虑安装及检修空间。与传统设计模式相比，基于BIM技术的导热油炉模块化设计，可提前模拟导热油炉模块化安装过程，规避组装中可能出现的各种问题，提高后期组装效率，减少设计变更。（3）BIM技术确保预制化加工精度。按确定的模块、管段拆分原则，借助BIM软件导出预制加工图，包含了平面图、剖面图与三维图。由于BIM模型构件与设备材料尺寸一致，保证了预制加工图的准确性，预制加2.5 装配化施工 项目现场应根据BIM技术深化后的基础图纸进行设备基础浇筑，确保与BIM模型协调一致。项目工程管理人员应提前编制设备安装作业指导书，提前规划材料堆放场地、运输路线、施工工序、安装机械等施工组织内容。工所有预制管段、构件、模块加工完毕后，需进行管道的预装配，若发现不可避免的下料以及焊接应力等导致的累积误差已经不满足配装要求，则应立即调整。待预装配完成后，再将预制管段、构件、模块拆除，进行成品包装运输至项目现场（见图9）。ANZHUANG2023年第6期56机 电 安 装 Electromechanical Installation工厂只需按照BIM预制加工图进行下料生产即可，避免盲目依靠经验进行预制加工，导致预制加工不准确，现场无法装配的现象7。（4）BIM装配化施工提升安装效率。传统安装模式下，安装工人需根据设备定位进行大量的现场测量，确定各管段长度进行下料，效率低且可能存在较大误差，影响安装效率。装配化施工模式下，将管段组、模块和设备组件编号后运输至项目现场，通过BIM三维模型进行可视化交底，BIM三维模型使得导热油炉系统内部管线空间关系直观可见，有助于安装工人理解设计图纸8。安装工人只需按照对应编号进行组装即可。装配化施工对安装工人技术水平要求更低，同时安装指导图纸由二维平面图转变为包含组件编号的BIM三维视图，避免了现场加工可能出现的返工问题，大大提高了现场安装效率，有效缩短了项目施工周期。3 应用成效3.1 经济效益与传统安装模式相比，通过BIM装配式模块化设计后导出的预制加工图纸，具有准确的预制加工信息，有效减少了传统预制加工可能带来的返工、费料等问题，缩短了下料准备时间，提高了预制加工效率。项目现场利用BIM三维图纸或三维模型对工人进行可视化交底，工人对照预制件编号对模块与管道组进行组装，减少了现场下料加工、焊接等环节，受项目现场环境影响小，安装效率高，节约了施工工期，有效降低了工程安装成本。BIM装配式技术对导热油炉项目周期的影响见表1，由于所有管道均在工厂内预制加工，与传统项目相比增加了工厂内的预制加工时间，但是现场安装时间明显减少。场通过螺栓进行组装，减少了现场焊接动火作业和噪声污染9，作业环境较好，符合建设行业大力提倡的低碳环保理念。同时BIM技术整合了工程项目信息，可实现工程建设数字信息化管理，符合建设行业数字化转型升级的发展趋势。4 结语采用BIM技术的模块化设计、预制化加工、装配化施工的工程应用模式具有提高设计质量和精度、提升安装质量和效率、缩短施工周期等优势，有利于打造标准化、模块化产品，为工程项目设计和安装带来了一定的经济和社会效益，值得同类设备的借鉴与推广。但是装配式模块化设计与安装对项目管理提出了更高的要求，在项目前期的产品标准化、模块化设计阶段，需要投入更多的精力用于梳理和整合工程设计与建造信息，达到一定的项目数量规模后，经济效益才能更加显著。参考文献：1张春燕，朱明高，刘承昭.浅谈气田集输撬装模块化、标准化设计的优越性J.天然气与石油，2009，29（6）：10-11.2杨祥祥.模块化设计的特点及在工程中的应用J.化学工程与装备，2022，（2）：177-178.3汤林，白晓东，孙铁民.油气田地面工程标准化设计的实践与发展J.石油规划设计，2009，20（2）：1-3.4马春稳，高亮，胡均志，等.导热油炉撬装系统在SM天然气处理厂建设及运行中的应用J.化学工程与装备，2017（2）：139-140.5叶浩文.装配式建筑机电系统设计指南M.北京：中国建筑工业出版社，2019.6杨卜一.住宅建筑设计中BIM技术的应用J.中外企业家，2015（21）：231-232.7纪鑫，李丰，胡海燕，等.浅谈大型民用单体锅炉机房设计施工一体化J.施工技术，2016（S2）：890-892.8张建平，李丁，林佳瑞，等.BIM在工程施工中的应用J.施工技术，2012，41（371）：10-17.9丁涛，张生龙，马海林，等.机电安装工程预制装配式施工技术J.建筑安全，2022，37（4）：14-16.表1 BIM装配式技术对导热油炉项目周期的影响项目BIM装配式技术阶段工日/天总工日/天200万kcal导热油炉1否工厂加工70190现场安装120重庆铜梁某200万kcal导热油炉是工厂加工135163现场安装283.2 社会效益与传统安装模式相比，装配式模块化设计安装模式由于已经在预制加工厂内预制为集成化模块与管组，现