基于BIM的礦井工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)研究

高 彬，李 軍，魏 琦，翟強(qiáng)順，張龍正

(1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300；2.中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

1 概 述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維設(shè)計(jì)軟件越來越多地應(yīng)用于工程建設(shè)項(xiàng)目中，可實(shí)現(xiàn)從項(xiàng)目規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)[1，2]。基于BIM的三維設(shè)計(jì)成果，包含有模型和模型信息數(shù)據(jù)，可貫穿建設(shè)項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，為項(xiàng)目運(yùn)行、管理、維護(hù)直至壽命終結(jié)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料[3，4]。

對(duì)于煤炭工業(yè)礦井及選煤廠工程來說，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的達(dá)10余年，參與人員數(shù)十人，不同于一般意義上的土木工程設(shè)計(jì)，具有專業(yè)涉及面廣、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、協(xié)同配合要求高、施工受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響大等特點(diǎn)。因此需要吸收建筑行業(yè)及其他行業(yè)BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究適合煤炭礦井工程的三維協(xié)同設(shè)計(jì)模式。合理、合規(guī)的礦井三維協(xié)同設(shè)計(jì)能充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[5]，提高礦井工程設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的同時(shí)，能為礦井工程施工工藝模擬、項(xiàng)目精細(xì)管理提供技術(shù)及數(shù)據(jù)方面支持[6，7]。

1.1 傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)存在問題

當(dāng)前，國內(nèi)煤炭行業(yè)仍以傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計(jì)為主，存在以下問題：

1)工程信息呈離散狀態(tài)。二維CAD設(shè)計(jì)主要通過二維圖紙、材料量、文字說明及注釋等進(jìn)行工程信息表達(dá)，圖形、信息相互分離。

2)設(shè)計(jì)意圖表達(dá)不直觀。需要專業(yè)人員才能完整解讀圖紙，容易出現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的誤解，且在施工完成前難于發(fā)現(xiàn)這些問題。

3)圖紙中錯(cuò)漏碰缺較多。主要表現(xiàn)為二維設(shè)計(jì)的施工圖紙中，同一專業(yè)不同視圖的沖突和專業(yè)之間的設(shè)計(jì)沖突。這些問題往往到施工完成后才能發(fā)現(xiàn)，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來很大困難，影響施工進(jìn)度，增加變更費(fèi)用。

4)專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)效率低下。設(shè)計(jì)人員單兵工作，線下資料傳遞、溝通，溝通和業(yè)務(wù)脫節(jié)，還需靠人的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行銜接。

5)專業(yè)資料修改過程中，特別在版本較多時(shí)極易出錯(cuò)。

1.2 三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

目前，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)已經(jīng)在國內(nèi)多個(gè)行業(yè)中應(yīng)用，基本可以解決上述二維設(shè)計(jì)中存在的問題，極大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)附加值[8]，為后續(xù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品拓展提供了可能。另外，可基本杜絕現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)圖紙的理解偏差，還可實(shí)現(xiàn)部件工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)直接安裝的施工方式?；贐IM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)：

1)所見即所得，可表達(dá)設(shè)計(jì)所需的信息和附屬信息。所有參與人圍繞同一個(gè)模型，能360°任意剖切平面、立面、斷面圖紙，圖紙能與模型自動(dòng)關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)過程中對(duì)模型的任何修改，都能自動(dòng)反饋到剖切出的圖紙中。

2)可直接從BIM模型中提取工程量、材料量信息。利用BIM技術(shù)的統(tǒng)計(jì)更科學(xué)，工程量?jī)r(jià)更細(xì)致、準(zhǔn)確，生產(chǎn)管理更高效、更到位[9-11]。

3)三維協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)在共同的基礎(chǔ)模型中設(shè)計(jì)，可同步進(jìn)行設(shè)計(jì)；同時(shí)，可隨時(shí)查看其他專業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)專業(yè)間實(shí)時(shí)協(xié)同，優(yōu)化本專業(yè)的設(shè)計(jì)。

4)設(shè)計(jì)成果不但能滿足設(shè)計(jì)需要，還能在施工、運(yùn)維及智慧化礦山建設(shè)方面提供數(shù)據(jù)、模型支撐。

2 三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程探索

2.1 設(shè)計(jì)原則

為了便于三維協(xié)同設(shè)計(jì)體系的落地，在進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)研究時(shí)，制定了如下原則：

1)選擇適合煤炭工程項(xiàng)目特點(diǎn)的軟件平臺(tái)。

2)易于設(shè)計(jì)人員使用。三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)建立后，設(shè)計(jì)人員經(jīng)過培訓(xùn)后能便利地使用，要求界面簡(jiǎn)單、功能齊全。

3)基于三維數(shù)字化模型能易于解決或生成傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)所需的圖紙、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。模型完成后，通過一鍵化操作便可直接導(dǎo)出或經(jīng)簡(jiǎn)單完善就能滿足需要設(shè)計(jì)圖紙、工程量統(tǒng)計(jì)表、設(shè)備清冊(cè)等。

4)以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率為重點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)加載在模型上的各階段工程信息傳遞。

2.2 軟件平臺(tái)確定

基于煤炭行業(yè)而言，國內(nèi)三維協(xié)同設(shè)計(jì)尚屬于起步階段，僅有少數(shù)幾家設(shè)計(jì)單位正在嘗試應(yīng)用[12]。根據(jù)多方軟件比選及測(cè)試，目前國內(nèi)較常見的三維軟件優(yōu)缺點(diǎn)及行業(yè)使用性比較見表1。經(jīng)比較以Bentley公司MicroStation(MS)軟件及以該軟件為基礎(chǔ)開發(fā)的覆蓋多數(shù)專業(yè)領(lǐng)域的三維設(shè)計(jì)軟件，在冶金行業(yè)的鋼鐵廠、冶金礦山和選礦廠等有相對(duì)成熟先例，在水利行業(yè)的大壩、發(fā)電、場(chǎng)地等工程中都有成熟應(yīng)用[13，14]。這些工程與煤炭行業(yè)礦井工程相近度較高，可為研究煤炭礦井工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)提供借鑒。

選用的軟件包括：ProjectWise(PW)協(xié)同管理軟件，專業(yè)軟件有MS、OpenPlant Modeler(OPM)、OpenBuilding Designer(OBD)、LumenRT、Open Road designer、Navigator等。

2.3 設(shè)計(jì)流程確定

以礦井工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，對(duì)包括地上、地下、地質(zhì)等工程進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)探索，按照搭建設(shè)計(jì)環(huán)境、開展協(xié)同設(shè)計(jì)的順序?qū)嵤?/p>

在PW中創(chuàng)建項(xiàng)目涉及的全部單項(xiàng)工程或系統(tǒng)工程文件夾結(jié)構(gòu)，建模和設(shè)計(jì)過程中形成的文檔均放置到對(duì)應(yīng)文件夾中，并為各專業(yè)對(duì)應(yīng)的文件夾分配權(quán)限。

按層級(jí)設(shè)置文件夾結(jié)構(gòu)，文件夾頂層為公司項(xiàng)目類別，其下層級(jí)依次為：工程類別、項(xiàng)目、設(shè)計(jì)階段、各系統(tǒng)、單項(xiàng)工程、專業(yè)等。

各專業(yè)對(duì)應(yīng)的文件夾，本專業(yè)全部成員具有創(chuàng)建文件、修改自己創(chuàng)建的文件的權(quán)限，但不允許刪除放置在PW中的文件。

2.3.2 各專業(yè)軟件工作空間設(shè)置

工作空間的配置，主要是實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)人員在相同的標(biāo)準(zhǔn)下，采用相同的或者兼容的數(shù)據(jù)格式一起工作，提高設(shè)計(jì)的效率。根據(jù)各專業(yè)使用的軟件，配置對(duì)應(yīng)的工作空間，配置的內(nèi)容包括：字體、線性、樣式的設(shè)置，常用設(shè)備、構(gòu)件庫的創(chuàng)建，設(shè)備、構(gòu)件、器材屬性結(jié)構(gòu)的建立，切圖模板、材料統(tǒng)計(jì)模板、設(shè)備清冊(cè)模板、設(shè)計(jì)成品交付標(biāo)準(zhǔn)等的定制，以及參數(shù)化設(shè)備數(shù)據(jù)庫的建立，管道、支吊架、橋架等元件數(shù)據(jù)庫的建立等。

表1 國內(nèi)常見三維軟件比較

2.3.3 制定三維協(xié)同設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

圖3給出了不同濃度碳納米管/高密度聚乙烯復(fù)合材料的介電系數(shù)實(shí)部和虛部.從圖3(a)中可以看出介電系數(shù)實(shí)部隨著壁碳納米管的含量增加而增加.圖3(b)中,當(dāng)碳納米管含量超過逾滲閾值5%,復(fù)合材料的虛部發(fā)生明顯改變,從而改變其導(dǎo)電機(jī)制.

為保證三維協(xié)同設(shè)計(jì)的順利實(shí)施，必須建立一套滿足三維設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)范設(shè)計(jì)深度、建模深度等。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包含《三維協(xié)同設(shè)計(jì)文件夾、文件及model命名規(guī)則》《數(shù)字化設(shè)計(jì)模型質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)》《數(shù)字化設(shè)計(jì)碰撞檢查規(guī)則及工作流程》《數(shù)字化設(shè)計(jì)專業(yè)間提資流程》《數(shù)字化設(shè)計(jì)三級(jí)檢查流程》《墻面與梁、柱L形回切解決方案》《MicroStation單元庫建立標(biāo)準(zhǔn)流程》等。

2.3.4 制定適合煤炭行業(yè)礦山工程特點(diǎn)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程

結(jié)合煤炭工程特點(diǎn)及二維CAD設(shè)計(jì)時(shí)的專業(yè)協(xié)作流程，考慮三維協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)資料表現(xiàn)形式的差異，梳理三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 礦井工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程

工藝專業(yè)完成本專業(yè)三維設(shè)計(jì)后，分別按一定的規(guī)則，將接口資料提供給下游各專業(yè)，同時(shí)工藝專業(yè)在PW中歸檔其三維模型及基礎(chǔ)模型，并作為階段性成果，同時(shí)在PW中發(fā)送相關(guān)信息給下游專業(yè)人員；下游專業(yè)人員接收到信息后，利用工藝專業(yè)創(chuàng)建的基礎(chǔ)模型并參考布置模型，完成本專業(yè)的三維設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)文檔均放置到PW服務(wù)器項(xiàng)目對(duì)應(yīng)文件夾中，專業(yè)之間相互參考模型，可隨時(shí)查看整個(gè)設(shè)計(jì)的進(jìn)展，及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)溝通和優(yōu)化。各專業(yè)模型完成后，進(jìn)行模型匯總并生成滿足當(dāng)前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

通過三維協(xié)同設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則確定后，各專業(yè)可同時(shí)開展工作；工作過程中，可以及時(shí)查看設(shè)計(jì)進(jìn)程，并溝通、優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

3 成果應(yīng)用

以張家峁煤礦設(shè)計(jì)為例進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用探索。包含礦井地面、地下工程全部系統(tǒng)。井下包括巷道工程量約80000m，采掘工程各類設(shè)備，井下各類硐室等；地面包括各類廠房及設(shè)備、行政福利建筑、場(chǎng)地、道路等。

設(shè)計(jì)模型中包括了所需的信息，通過對(duì)模型的剖切，可一鍵生成與模型關(guān)聯(lián)且包含信息的二維圖紙及工程量信息(如圖2所示)，模型中信息的變化，將反饋到二維圖紙中。

圖2 利用模型一鍵生成的二維圖紙及材料量表

4 存在問題

1)設(shè)備庫問題。礦井工程中大量井上、井下設(shè)備多為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)備模型滿足占位及管理需求即可，不需到加工程度。更重要的是設(shè)備要添加大量幾何、管理信息，因此需提前做好設(shè)備分類，建模過程中入庫并添加全部需要的信息。豐富的設(shè)備庫不但能提高設(shè)計(jì)效率，也能提高設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

2)設(shè)計(jì)效率問題。從單個(gè)專業(yè)完成該項(xiàng)設(shè)計(jì)的時(shí)間看，因三維設(shè)計(jì)時(shí)需要錄入大量的信息、對(duì)精細(xì)化程度要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)大部分專業(yè)花費(fèi)的時(shí)間較二維CAD設(shè)計(jì)長(zhǎng)，僅管道、電纜橋架設(shè)計(jì)時(shí)效率高。但三維設(shè)計(jì)過程中各專業(yè)溝通效率高，施工現(xiàn)場(chǎng)能基于三維可視化特點(diǎn)解決傳統(tǒng)依據(jù)二維設(shè)計(jì)施工時(shí)出現(xiàn)的大部分問題。

3)質(zhì)量記錄問題。為了實(shí)現(xiàn)過程質(zhì)量控制，滿足現(xiàn)行ISO9000體系的要求，在三維協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，存在人為增加設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的情況，增加了三維協(xié)同設(shè)計(jì)的管理難度。

4)軟件銜接問題。部分專業(yè)原生的三維設(shè)計(jì)軟件，建模軟件與計(jì)算軟件在煤炭行業(yè)存在接口問題，尚需二次開發(fā)解決。

5)設(shè)計(jì)出圖問題。目前國內(nèi)煤炭行業(yè)施工圖仍采用二維圖的方式，設(shè)計(jì)的三維模型仍需剖切出平、立、剖面圖，軟件尚不能剖切出完全解決煤炭工程需求的圖紙，有些圖紙還需要拆分或合并，后期需定制模板和大量二次開發(fā)。

5 結(jié) 語

結(jié)合張家峁礦井項(xiàng)目的BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)踐，梳理了礦井工程BIM設(shè)計(jì)的平臺(tái)選取，設(shè)計(jì)流程、內(nèi)容劃分及存在的問題。目前礦井工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)仍有一些不完善之處，需要進(jìn)行大量開發(fā)才能更好地滿足行業(yè)需求。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭工程作為周期長(zhǎng)、參與人員單位多、對(duì)安全要求高的行業(yè)，更要認(rèn)識(shí)到BIM的價(jià)值，早日實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的精細(xì)化煤炭工程設(shè)計(jì)，從而更好地服務(wù)于礦井安全生產(chǎn)和智慧礦山建設(shè)。