中国二十冶集团有限公司 上海 201900
摘要：本文将就BIM技术在冷轧硅钢工程快速安装施工中研究和应用进行介绍。我们通过消化吸收冶金工程安装新工艺，不断创新发展，研发新型配套工装，改进施工方法，通过运用BIM技术对冷轧硅钢轧机牌坊安装工艺进行模拟优化分析提高安装效率、缩短了安装时间，解决了施工难题，提升了我们在冷钢硅钢工程施工技术领域的技术水平。增强了企业综合竞争实力，促进了硅钢工程建设的发展。
关键词：BIM技术；轧机牌坊吊装
一、主要研究工作内容
本课题主要研究BIM技术在冷轧硅钢酸连轧机牌坊吊装技术中的研究和应用。
在常熟烨辉冷轧酸连轧机组施工过程中，五机架连轧机牌坊单片重85吨，厂房内只配置一台起重能力35吨的行车，无法完成轧机牌坊吊装工作。采用大型汽车吊进行轧机牌坊吊装作业，汽车吊只能站位于换辊侧基础上，但换辊侧基础不平整深坑较多。钢结构厂房屋面梁下翼缘距地面只有21米吊装空间受限，大型汽车吊能否完全展开不能确定，与屋面钢结构是否存在干涉也是未知因素。在这样狭小的空间里要完成10片轧机牌坊的吊装，大型汽车吊如何站位，吊装顺序如何安排。这些问题使用传统的施工技术分析方法均不能有效予以解决。
轧机牌坊吊装过程中采用BIM技术分析钢结构屋面对吊装的干涉问题如图7所示，运用BIM技术构建吊装环节的三维等比例实体模型，对模型进行防碰撞检查，通过轨迹设置模拟吊装过程，准确查找到碰撞点，确定了正确出杆与吊装角度。
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图7 轧机牌坊吊装平台
轧机牌坊吊装过程，大型汽车吊如何站位，10片牌坊吊装顺序如何安排，运用传统的技术分析方法都无法有效解决，通过运用BIM技术进行虚拟站位模拟，有效的解决了10片牌坊的吊装顺序。
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图8 轧机牌坊吊装平台
与传统轧机牌坊吊装方法相比，基于BIM技术的连轧牌坊吊装技术建立了参数化模型，在三维模型场景中，确定吊装站位、分析吊装轨迹，实现吊装过程的可视化模拟如图8所示，完全排除了吊装过程中的不确定性，为轧机牌坊吊装方案的制定，提供了充分的理论依据如图9所示。
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图9 轧机牌坊吊装平台
1、BIM技术的酸连轧轧机牌坊吊装方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，使用AutoCAD建立模型原点及控制网文件。
步骤二，使用AutoCAD建模软件建立三维模型。
步骤三，使用Navisworks对模型整合、进行防碰撞检查、吊装轨迹检查。
步骤四，根据模拟情况确认吊车站位、吊装顺序。使用Fuzor进行吊装现场漫游，输出高清图片应用于施工方案编制。
2、模型原点及控制网文件其特征在于：吊装环节中各项要素的三维等比例实体模型均需在此文件上构建，才能保证在Navisworks中图像文件的正确加载定位。本发明不使用Navisworks自带的移动定位功能。
3、模型文件在原点文件上可以直接绘制，也可绘制块采用插入的方式定位在控制网的相关位置上其特征在于：模型文件不能都建在一个文件里，需按专业分开建立独立文件，可以保证每个模型文件体积都较小，便于快速打开与操作。构建较多的模型文件不会影响在Navisworks中的整合，Navisworks具有强大的模型文件压缩整合能力。
4、每个模型文件构建时应使用图层特性管理器，建立的模型都要置于新图层上其特征在于：新建模型都要置于属于自己的图层上，并单独命名，这样才能使全部模型加载到Navisworks中后可以实现模型的单独显示控制。对于使用插入的模型中的块需炸开，置于新图层上，随块带入的图层应与以删除或改变名称，保证模型的单独显示控制。
5、使用完全开放的共享软件，便于共享协同作业其特征在于：不同工程技术人员进行图像文件交换时采用FBX文件格式，它是Navisworks生成的一种图形缓存文件，不能修改能很好保护设计人员利益。
6、使用Fuzor输出高清图片应用于施工方案的编制中其特征在于：Navisworks自带图像输出功能太弱，输出像素、格式均不能满足施工方案的编制要求。而Fuzor输出功能强大，直接可输出JPG格式高清图片。没有安装Fuzor软件的可使用Bullzip PDF Printer虚拟打印机选择打印JPEG格式进行打印生成高清图片。
步骤一，大型汽车吊选型：
根据单片轧机牌坊85吨重量，结合现有可使用汽车吊资源，选择中联QAY350汽车吊为原型建立大型350吨汽车吊模型。从吊车性能表中作业半径和起重量上看初步能够满足吊装要求的有4种工况。主臂15.6米情况下工况1作业半径10米可吊110吨、工况2半径12米可吊90吨，其主臂20.7米情况下工况3作业半径10米可吊105吨、工况4半径12米可吊88吨，以这4种工况为建模对象运用BIM技术进行研究。牌坊运输车辆采用重型拖车为原型建模，用于模拟卸车状态。
步骤二，坐标原点及控制网文件的建立：
使用AutoCAD绘制坐标原点及控制网文件，该文件是全部模型的定位基础，控制网中包含厂房钢结构柱中心、轧机牌坊中心。
步骤三，大型汽车吊建模：
使用AutoCAD绘制块，插入块的建模方法，对汽车吊进行模型分块，建立车身模块，车身模块包括汽车底盘、支腿组成，此模块参数根据汽车吊性能表尺寸进行绘制，此模块参数在水平x-y平面可以任意赋值控制其方向，吊装初始位置汽车吊站位于3#机架换辊基础边缘，方向设定车尾朝向6点钟方向。回转体模块包括配重、回转装置，此模块参数在水平x-y平面可以任意赋值控制其方向，吊装初始方向设定配重朝向12点钟方向。主臂模块需分别建立15.6米主臂模块与20.7米主臂模块，此模块参数在y-z平面可以任意赋值控制其角度。
步骤四，模型吊装半径的确定：
吊车回转半径为4600mm，吊车站位于轧机基础换辊侧边1500mm处，操作侧牌坊中心距换辊基础边1800mm，吊车回转中心距操作侧牌坊中心距为4600+1500+1800=7900mm。
传动侧牌坊中心线距轧机基础换辊侧边3160mm+1800mm=4960mm，吊车回转中心距传动侧牌坊中心距为4600+1500+4960=11060mm。
建模4种工况建模半径确认为如下：
工况1主臂15.6米作业半径7.9米、工况2主臂15.6米作业半径11米、工况3主臂20.7米作业半径7.9米、工况4主臂20.7米作业半径11米。
步骤五，吊装现场土建基础建模：
使用AutoCAD构建轧机基础。建模方法在坐标原点文件中插入土建轧机基础顶部平面图，在平面图上使用实体建模拉伸工具按各部位标高值生成各部位矩形块，再使用实体建模中差集工具，形成轧机基础模型。
步骤六，吊装现场钢结构厂房建模：
使用AutoCAD绘制块，插入块的建模方法，建立钢结构厂房柱、屋面钢结构、屋架梁模型，建模开始导入以坐标原点为基础建模，在控制网每个柱基础中心上插入模块钢结构厂房柱，以钢结构厂房柱柱头为插入点导入屋架梁模块，以屋架梁上表面为插入点导入屋面钢结构，在屋面梁间架设屋面钢结构。
步骤七，吊装现场轧机牌坊建模：
使用AutoCAD制作块，插入块的建模方法，建立轧机牌坊模块。在坐标原点及控制网文件中，在连轧机五机架轧机中心上分别插入轧机牌坊。
步骤八，轧机换辊侧基础铺设路基箱建模：
轧机基础换辊侧需满铺路基板，由于支撑换辊基础较深，需制作支撑台架进行支撑，分别建立路基板与支撑台架模型块，使用插入方式导入坐标原点及控制网文件中如图10所示。
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图10 轧机换辊侧基础吊装平台搭设
步骤九，吊具索具建模：
为缩短吊装索具长度，使用快速吊装工具，吊装索具选用米吊带，尽可能缩短吊装索具长度。分别建立快速吊装工具及吊带模型如图11所示。
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图11 轧机牌坊吊装索具选择示意图
步骤十，模型文件的导入：
在Navisworks中加载步骤二—步骤八形成的模型文件，形成吊装作业现场吊装三维实体模型。分别加载初始设置的2种主臂长度、2种作业半径共计4种作业工况，在三维模型中观察发现4种工况的吊装能力如下：
工况1主臂15.6米作业半径7.9米只能完成操作侧相邻2片牌坊吊装；
工况2主臂15.6米作业半径11米不能进行牌坊吊装吊装所需垂直高度不够；
工况3主臂20.7米作业半径7.9米不能进行吊装主臂与屋面太近有干涉；
工况4主臂20.7米作业半径11米只能完成传动侧相邻2片牌坊吊装。
通过4种工况下的吊装能力模拟分析，要完成5机架10片轧机牌坊的吊装大型350吨汽车吊需进行3次站位才能完成。初步得到3次站位的大概位置为第一次站位于1机架与2机架间轧机基础换辊侧上完成1#、2#机架4片牌坊吊装，第二次站位于4机架与5机架间轧机基础换辊侧上完成4#、5#机架4片牌坊吊装，第三次站位于3机架轧机基础换辊侧上完成3#机架2片牌坊吊装。
步骤十一，模拟汽车吊主臂与屋面防碰撞检查
在Navisworks中动画功能对每片轧机牌坊吊装的汽车吊回转体进行旋转模拟，观察屋面钢结构与干涉情况。选择屋架梁与大型350吨汽车吊主臂进行碰撞检查，设置距离从500mm-1000mm进行检查。利用三维模型特性改变定位参数设置屋面钢结构、屋架梁定位标高比设计值低1000mm进行观察，发现3次汽车吊站位进行传动侧牌坊吊装时，汽车吊主臂与3#机架上方屋架梁干涉碰撞。干涉460mm由于屋面结构标高下降1000mm，在正常高度是不影响汽车吊回转的如图12所示。
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图12 汽车吊出杆与屋面结构碰撞检查示意图
步骤十二，第一次吊车站位吊装模拟：
模拟吊装4片牌坊顺序：
第一片牌坊吊装1#机架传动侧牌坊使用主臂20.7米作业半径11米完成吊装如图13所示；
第二片牌坊吊装1#机架操作侧牌坊使用主臂15.6米作业半径7.9米完成吊装；
第三片牌坊吊装1#机架传动侧牌坊使用主臂20.7米作业半径11米完成吊装；
第四片牌坊吊装1#机架操作侧牌坊使用主臂15.6米作业半径7.9米完成吊装如图13所示。
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图13 汽车吊第一次站位就位1#机架操作侧牌坊示意图
步骤十三，第二次吊车站位吊装模拟：
第五片牌坊吊装5#机架传动侧牌坊使用主臂20.7米作业半径11米完成吊装；
第六片牌坊吊装5#机架操作侧牌坊使用主臂15.6米作业半径7.9米完成吊装如图14所示；
第七片牌坊吊装4#机架传动侧牌坊使用主臂20.7米作业半径11米完成吊装；
第八片牌坊吊装4#机架操作侧牌坊使用主臂15.6米作业半径7.9米完成吊装。
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图14 汽车吊第二次站位就位5#机架操作侧牌坊示意图
步骤十四，第三次吊车站位吊装模拟
第九片牌坊吊装3#机架传动侧牌坊使用主臂20.7米作业半径11米进行吊装模拟时发现已就位的4#机架操作侧牌坊挡住吊装路径，4#机架操作侧牌坊只能在3#机架2片牌坊就位完成后最后就位；
修定后的第八片牌坊吊装3#机架传动侧牌坊使用主臂20.7米作业半径11米完成吊装如图15所示；
修定后的第九片牌坊吊装3#机架操作侧牌坊使用主臂15.6米作业半径7.9米完成吊装；
修定后的第十片牌坊吊装4#机架操作侧牌坊使用主臂15.6米作业半径7.9米完成吊装。
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图15 汽车吊第三次站位就位3#机架传动侧牌坊示意图
步骤十五，Fuzor渲染：
在电脑中正确安装Fuzor软件后，会在Navisworks辅助工具条中生成一个快捷键，按下后Navisworks会自动把模型导入到Fuzor，通过高度逼真的场景漫游，对吊装细节部位进行查看，每一视点均可直接导出高像素图片，用于施工方案的编制。
二、结语
BIM技术研究成果应用于工程实施，解决了工程难题，实现了现场轧机牌坊安装的快速施工，各项工程质量指标完成情况良好，顺利完成工程目标。本工程所采用的研发形成的施工技术成果与传统的施工方法相比，加快了施工进度，提高了施工安全性，降低了工程成本，有效节约了水资源，节约人工费、机械费约80万元。缩短工期、提前投产创造利润约30万元。获得了业主及监理单位的一致好评，为企业创造了良好的经济效益、环境效益和社会效益。