面向造價管理的煤礦井巷工程BIM平臺集成與應用

煤炭行業(yè)是我國國民經(jīng)濟中的主要傳統(tǒng)行業(yè)之一。煤炭行業(yè)要走新型工業(yè)化道路，實現(xiàn)行業(yè)的跨越式發(fā)展，應廣泛應用先進的信息技術。然而，我國煤炭行業(yè)信息化仍處于初級階段，行業(yè)專用軟件研發(fā)相對滯后，信息化整體水平不高，制約了信息化整體效益的實現(xiàn)，尤其體現(xiàn)在煤礦井巷工程的造價管理領域。目前，在實際煤礦井巷建設工程及技改工程造價管理過程中，仍采用定額計價方式，在當前市場經(jīng)濟條件下，沒有充分發(fā)揮各投標單位的優(yōu)勢，競爭性弱、弊端多。除此之外，煤礦井巷工程及技改工程在施工過程中經(jīng)常遇到淤泥、冒水、冒頂?shù)韧话l(fā)狀況，產(chǎn)生海量工程變更，數(shù)量多、金額大，且均屬于隱蔽工程，存在工程量虛報的情況，造價人員無據(jù)可查。同時，受限于發(fā)包方式，對輔助費的劃分不明確。這些問題給結算工作帶來了很大困難。而由于煤礦井巷工程及技改工程缺乏造價數(shù)據(jù)管理的信息化手段，難以實現(xiàn)對歷史造價信息和關鍵要素的利用、更新及高效管理。

建筑信息模型（BIM）是以三維數(shù)字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數(shù)字化表達[1]。目前，BIM技術在我國的研究和應用中呈現(xiàn)出跨領域特征。除建筑工程外，其他領域如橋梁工程、公路工程、軌道交通工程、鐵路工程、水電工程均已針對BIM技術開展標準化應用試點，甚至部分領域已開始全面應用BIM標準、推廣BIM技術。然而，煤炭行業(yè)的BIM應用才剛剛起步，相關研究較少，尤其是造價管理方面亟須更多重視。

本文針對煤礦井巷工程的造價管理中存在的問題，以BIM技術為核心，引入物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進信息化技術，基于Dassault的軟件體系，研發(fā)煤礦井巷工程BIM平臺，實現(xiàn)造價管理各業(yè)務模塊的無縫集成。通過平臺進行煤礦井巷工程的設計建模、造價管理，實現(xiàn)工程量自動提取、工程變更管理、5D-BIM施工模擬技術，減少信息重復錄入建模，提高造價管理的效率與管理水平，為BIM在煤炭工程中的應用提供一套可行的解決方案，以助力煤炭行業(yè)的進一步信息化建設。

相關研究與應用

造價管理是一項復雜的系統(tǒng)性工程，也是煤礦建設工程中各方關注的重點。相對于其他工程行業(yè)，煤炭行業(yè)的特有問題主要包括[2]-[4]：造價人員水平有待提高、預算編制的初始階段考慮不周、地質(zhì)條件變化容易導致設計變更、對施工過程中的投資控制管理不嚴、工程造價管理體系陳舊。為解決這些問題，已經(jīng)提出的措施有[2]、[4]-[7]：建立高素質(zhì)造價控制管理隊伍；完善造價的數(shù)據(jù)準備；建設過程中采用科學的施工方案控制造價；加強施工過程中的造價控制，并嚴格監(jiān)管變更管理與現(xiàn)場簽證過程；加強竣工驗收的控制；加強各部門之間的協(xié)同合作；實施自查互查的監(jiān)管體系。

為了促進造價管理的標準化與智能化，研究設計出了煤礦建設項目造價管理信息系統(tǒng)[8]，但僅實現(xiàn)了造價管理流程的信息化，并沒有引入類似BIM的工程信息模型，這雖然在一定程度上提高了造價管理的效率與質(zhì)量，但沒有從根本上解決“信息斷層”問題。

BIM是建設領域最新的信息化技術，近年來逐漸成熟，并不斷拓展至橋梁工程、公路工程、軌道交通工程、鐵路工程、水電工程等其他領域。然而與上述行業(yè)相比，煤炭行業(yè)的BIM應用起步晚、研究少、應用淺。有研究針對煤礦行業(yè)建設，利用可視化多專業(yè)協(xié)同設計實現(xiàn)施工仿真模擬。也有研究分析了BIM技術在煤礦開采項目中數(shù)字化仿真中的應用及其優(yōu)勢[9]。鄧大智[10]分析了BIM在煤礦采掘工程全生命期各階段可能存在的應用軟件、數(shù)據(jù)模型標準、應用模式和應用人才問題。胡成軍[11]提出了井工煤礦三維信息模型系統(tǒng)，構建了井工煤礦信息模型，實現(xiàn)了基于BIM的地層地質(zhì)建模、井巷設計、施工管理、生產(chǎn)管理，通過信息共享減少重復建模并提高工效。李德春[12]介紹了中煤邯鄲設計公司研發(fā)的煤礦智能輔助設計系統(tǒng)，包括設計全流程協(xié)同管控、工程計算、方案比選、參數(shù)化繪圖、采礦三維設計等功能模塊。但上述研究均未針對煤炭工程的造價管理領域，沒有解決工程量清單計價推廣不全面、海量工程變更、造價數(shù)據(jù)缺乏積累等問題。

煤礦井巷工程BIM平臺

平臺選型

為制定完整的技術路線，首先對現(xiàn)有成熟BIM平臺進行了調(diào)研和選型，選型過程遵守以下規(guī)則：首先，平臺應包含煤礦井巷工程設計和施工階段的必要應用軟件；其次，平臺應實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫集成。避免中間文件作為數(shù)據(jù)傳遞進而導致數(shù)據(jù)流失和重復建模；最后，平臺應能夠根據(jù)煤礦井巷工程各參與方制定不同的應用模塊。

考慮產(chǎn)品成熟度與通用性，本文選取了Autodesk、Bentley和Dassault3個BIM廠商的軟件平臺作為評價的候選。其中，Autodesk平臺應用最大的障礙在于其協(xié)同管理平臺和云服務不能提供設計階段到施工階段的信息交付。而盡管Bentley平臺內(nèi)部各軟件可以實現(xiàn)基于i-model的無縫信息共享，但其缺少與設計階段相銜接的施工管理、清單算量、變更管理等后續(xù)工程軟件。Dassault平臺提供的全流程BIM/PLM解決方案，不僅可以滿足建筑全生命期各參與方、各階段的應用需求，并且由于有統(tǒng)一的底層數(shù)據(jù)支持，從而可以實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的無縫連接，避免了通過中間格式進行數(shù)據(jù)傳遞而導致數(shù)據(jù)丟失的問題。

特別是對于煤炭行業(yè)，Dassault系統(tǒng)具有成套的解決方案。相關產(chǎn)品涵蓋了從地下三維地質(zhì)建模、采礦設計到地上選煤廠工藝設計、土建設備管道設計、礦區(qū)總體規(guī)劃設計等煤礦設計的各方面，并提供施工仿真模擬、項目和數(shù)據(jù)管理、竣工交付、礦區(qū)運維、儲量計算、品位分析、開采計劃等一系列管理決策工具。因此，本研究以Dassault平臺作為面向造價管理的煤礦井巷工程平臺系統(tǒng)集成的基礎。

自動工程算量

在煤礦井巷建設工程中，費用主要包括直接費用和輔助費用。其中，輔助費用較難界定，因此，本文僅考慮直接費用的自動計算與統(tǒng)計。直接費用的工程算量以標準化的清單與定額標準為基礎?；凇睹禾拷ㄔO工程工程量清單項目及計算規(guī)則》與《煤炭建設井巷工程消耗量定額（2007基價）》，列舉了17種井巷工程中常見的巷道施工對象類型，分別建立了BIM模板，并在其基礎上附加了以定額與清單信息為基準的工程造價信息，如圖1所示。

圖1 矩形巷道斜井井筒噴射混凝土支護BIM模板

在這些BIM模板中，與資源工程量相關的參數(shù)將與該構件的尺寸屬性直接關聯(lián)，從而支持工程量自動提取與清單自動填報。該技術可明顯節(jié)約用于工程量計算的人力投入，并且結果更精確，更能規(guī)避錯誤的發(fā)生。同時，在項目實施過程中，設計方案調(diào)整、深化導致的工程量變更后，只需調(diào)整模型中相應構件的幾何參數(shù)，清單算量表可實現(xiàn)同步更新，保證造價數(shù)據(jù)的真實性與有效性。

系統(tǒng)集成

針對煤礦井巷工程的實際需求，以Dassault系統(tǒng)作為平臺，實現(xiàn)了平臺集成、平臺定制和平臺搭建。平臺集成與定制部分通過選擇配置面向煤炭行業(yè)的流程包，定制開發(fā)有關工具欄，為煤礦井巷工程BIM建模、提取BIM工程量清單、變更管理及5D-BIM模擬等應用提供統(tǒng)一平臺入口。平臺搭建部分則面向不同用戶和角色，配置用戶權限和有關流程，根據(jù)用戶職責提供應用界面和功能。使用3DE自帶的二次開發(fā)工具VBA以及EKL語言進行了平臺開發(fā)和定制。通過唯一的模型和數(shù)據(jù)源進行操作，避免了數(shù)據(jù)的冗余與不一致等問題，并提高了BIM工程量計算的效率。

在統(tǒng)一的平臺下，各模塊分工明確，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，發(fā)揮各自特長，實現(xiàn)相應的業(yè)務工程。各模塊通過統(tǒng)一的平臺相連接，數(shù)據(jù)可以互相打通，形成一個有機的整體，如圖2所示。

統(tǒng)一平臺的應用涵蓋建設項目的規(guī)劃、設計、施工、運維全生命期，各模塊在項目中的應用階段以及主要作用，如表1所示。

表1 平臺集成方案

在集成平臺基礎上，實現(xiàn)“神華BIM清單”工具欄定制開發(fā)。在應用流程較多的模塊中，對平臺進行二次開發(fā)，將各業(yè)務流程清晰地整合到統(tǒng)一工具欄中，一鍵實現(xiàn)各種業(yè)務功能。例如，通過將造價人員經(jīng)常使用的各個功能模塊整合為一個“神華BIM清單”工具欄，為其提供業(yè)務工作的統(tǒng)一入口和平臺，提高工作效率，如圖3所示。

圖2 平臺集成方案

圖3 “神華BIM清單”工具欄

綜上所述，根據(jù)煤炭井巷工程實際需求，搭建了平臺運行環(huán)境，并配置了各模塊及各用戶的權限，控制不同參與方對不同平臺功能及數(shù)據(jù)的使用權限，輔助各參與方協(xié)同工作，形成了面向煤炭行業(yè)井巷工程的BIM平臺，實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)互通和共享，為后續(xù)BIM建模、BIM工程量清單提取、變更管理與5D-BIM施工過程模擬奠定了基礎。

系統(tǒng)應用

本文以神東大柳塔項目為核心展開實地調(diào)研，收集涵蓋地質(zhì)和工程兩大類數(shù)據(jù)，包括采礦證范圍坐標、礦區(qū)的所有鉆孔信息、主要煤層的底板等高線圖、煤層等厚線圖、原始地形地質(zhì)圖、主要巷道平面布置圖等。在此基礎上，針對井巷工程特點，提出骨架建模思路，并以標準模板庫為基礎，通過建立巷道骨架中心線、基于斷面模板形成巷道模型、處理巷道連接點等方式建立了完整的巷道模型。同時，分別基于GEOVIA和CATIA，建立了煤層地質(zhì)模型及地表建筑模型，最后通過模型整合形成了大柳塔礦整體BIM模型。地質(zhì)數(shù)據(jù)建模采用GEOVIA系統(tǒng)Surpac模塊實現(xiàn)。首先，需要收集工程項目原始數(shù)據(jù)，輔助地質(zhì)模型構建。針對大柳塔礦，本研究收集了大柳塔礦井上下對照圖、大柳塔綜合采掘工程平面圖等AutoCAD圖紙資料，并收集了相應的大柳塔礦鉆孔綜合資料數(shù)據(jù)，并以Excel表格形式導入GEOVIA系統(tǒng)。大柳塔礦GEOVIA建模過程主要形成了包含數(shù)據(jù)庫、模型、線串、宏等4個大類共計8種數(shù)據(jù)及模型，以及相關的數(shù)據(jù)展示文件等資料。巷道與地質(zhì)綜合模型，如圖4所示。

本文分析了《煤炭建設工程工程量清單項目及計算規(guī)則》，梳理出大柳塔井巷工程涉及的清單項目，在此基礎上選取了大柳塔礦部分模型對BIM工程量提取結果與人工工程量計算結果進行對比分析，有關數(shù)據(jù)已按照煤炭行業(yè)清單及定額分類進行了歸類輸出。選擇斜井井筒部分，對其暗槽掘進、基巖掘進、混凝土砌碹支護等進行工程量對比，如圖5所示，可以看出總體工程量及各部位工程量偏差均不大，BIM模型工程量提取結果準確性較好，可直接用于后續(xù)工程估算與造價管理等工作。

在上述BIM模型和提取工程量的基礎上，本文梳理了煤炭行業(yè)井巷工程的變更管理流程，并在BIM平臺中建立了相應的流程?；谠撟兏芾砹鞒蹋蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場變更信息提交、變更確認、變更信息上傳、模型位置標識、變更數(shù)據(jù)沉淀積累、變更分析等工作，為工程人員提供了準確可靠的變更結算依據(jù)，從根本上解決了隱蔽工程無據(jù)可查的問題，為實施“日清月結”，即結算與工程同步提供了數(shù)據(jù)支撐。同時，以5D-BIM建模思路和流程為基礎，通過收集、整理，形成了煤礦井巷工程典型施工工藝，并在BIM平臺中建立了5D-BIM施工模擬模型，可動態(tài)展示井巷工程施工過程及工程量信息，為工程人員進行施工進度、造價管理，實施“日清月結”與施工精細化管理提供了方便有效的管理工具。

圖4 巷道與地質(zhì)模型

圖5 BIM模型提取工程量與人工工程量計算結果的對比

結論

針對煤礦井巷工程的實際需求，選擇Dassault系統(tǒng)作為底層支撐BIM平臺，以工程造價管理為主線，本文研究了面向造價管理的煤礦井巷工程BIM平臺集成與應用，取得了以下成果和創(chuàng)新：

(1)定制研發(fā)了井巷工程BIM平臺：在Dassault系統(tǒng)基礎上，通過定制開發(fā)，建立了面向煤炭行業(yè)井巷工程的BIM平臺，以數(shù)據(jù)集成共享為基礎，為設計、施工一體化管理、協(xié)作提供了統(tǒng)一的支撐平臺，實現(xiàn)了標準庫管理、設計BIM建模、工程造價管理、工程變更管理、5D-BIM模擬分析等各業(yè)務數(shù)據(jù)、流程的打通與集成。

(2)建立了基于BIM的井巷工程標準模板庫及建模方法：針對煤礦建設中的井巷工程，通過梳理工程圖紙、規(guī)范及文檔資料，建立了參數(shù)化標準模板庫，并以BIM模型為載體，實現(xiàn)了煤炭行業(yè)工程設計、造價、施工等各專業(yè)知識的集成與統(tǒng)一管理，為企業(yè)知識的重復利用提供了新的思路和模式。骨架建模方法與基于BIM的標準模板庫有機結合，可通過定骨架線、選擇標準斷面、設置參數(shù)等流程實現(xiàn)井巷模型的快速建立，有效提高了工程BIM建模的效率。

(3)面向工程量提取及清單計價，基于現(xiàn)行清單與定額規(guī)范，梳理了大柳塔礦各主要構件類型造價參數(shù)信息，對標準模板庫和BIM模型進行了完善和補充，可利用定制的“神華BIM清單”工具欄實現(xiàn)BIM工程量的快速提取，可直接用于工程造價管理有關工作。

(4)依托ENOVIA平臺建立了工程變更管理流程，實現(xiàn)了工程變更問題發(fā)現(xiàn)、上報、模型標記、分析、處理等工作的跟蹤與處理?；贐IM平臺實現(xiàn)了變更的可視化瀏覽、分析，為工程變更管理和日清月結工作提供了直觀、有效的輔助手段。

(5)將進度計劃、BIM模型與工程量信息有機結合，建立了工程5D-BIM模型，實現(xiàn)了施工過程的可視化模擬分析，為工程管理人員分析工程進度及工程量提供了動態(tài)、直觀的界面和工具，有效提高了工程項目管理效率。

(6)對BIM技術在煤礦井巷工程中的應用提供了有效的技術方案與應用案例。以此為基礎，在煤礦建設工程中實現(xiàn)更深入與更廣闊的BIM應用成為了可能。同時，本次研究成果也為礦山工程進一步的數(shù)字化與智能化提供了一個出發(fā)點。