BIM技術(shù)在煤礦巷道設(shè)計中的應(yīng)用研究

何利輝

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司 西安分公司，陜西 西安 710075)

二維CAD時代，圖紙的不直觀性導(dǎo)致沖突檢查困難，設(shè)計錯漏和返工較多，設(shè)計質(zhì)量整體偏低；設(shè)計圖紙無法承載有效設(shè)計數(shù)據(jù)，設(shè)計成果難以在后續(xù)過程有效利用；礦山信息化建設(shè)與數(shù)字化融合不深入，綜合管理效率較低，無法滿足數(shù)字化礦山建設(shè)需求。為了改善上述現(xiàn)狀，煤礦行業(yè)借鑒水利水電、冶金行業(yè)的發(fā)展模式，逐步向工程數(shù)字化過渡[1]。數(shù)字化實施的基礎(chǔ)是基于BIM的三維信息建模技術(shù)，其簡單、快捷高效、表達(dá)直觀、具備全生命周期管理的特點，對提高煤礦設(shè)計質(zhì)量及科學(xué)管理水平具有重要的促進(jìn)作用[2，3]。

國內(nèi)學(xué)者圍繞巷道可視化提出了許多思路，例如斷面中線法[4，5]、基于地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的構(gòu)建方法[6]等，同時也借助Surpac、Dimine等工具進(jìn)行建模[7]，并仿照拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)思想描述了巷道節(jié)點間的拓?fù)潢P(guān)系[8]。該領(lǐng)域研究雖取得一些進(jìn)展并在煤礦或金屬礦山進(jìn)行了初步應(yīng)用[9]，但由于與BIM技術(shù)性質(zhì)的不同，存在目的及建模方式上的根本區(qū)別。BIM設(shè)計不僅僅是可視化展現(xiàn)，最重要的是實現(xiàn)全生命周期內(nèi)的全面應(yīng)用，為數(shù)字化礦山建設(shè)提供全程服務(wù)[10，11]。數(shù)字化時代，煤礦巷道系統(tǒng)需要利用三維多參數(shù)形式來表達(dá)，要重點解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合建模、模數(shù)關(guān)聯(lián)、設(shè)計數(shù)據(jù)的傳遞與交互等難題。

1 開發(fā)平臺選擇

目前市面主流工廠級BIM設(shè)計平臺主要有Autodesk、Aveva、Dassault和Bentley，其中沒有面向煤礦行業(yè)的平臺，煤礦巷道數(shù)字化設(shè)計主要通過二次開發(fā)實現(xiàn)，因此，需從中選擇合適的平臺進(jìn)行二次開發(fā)。各平臺之間的比較見表1。

表1 平臺比較

Bentley軟件在同一協(xié)同平臺下使用同一種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行共享與交互，配合其強大的三維開發(fā)能力可以最大程度解決大型、復(fù)雜工程項目多源異構(gòu)混合型數(shù)據(jù)的融合問題；其特有的EC(Engineering Content)技術(shù)可為三維模型附加圖形數(shù)據(jù)，從而解決模型與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)問題；此外，其產(chǎn)品面向全生命周期，設(shè)計階段的模型與數(shù)據(jù)可以無縫進(jìn)行階段間傳遞以滿足下一階段需求。綜上，優(yōu)先選擇Bentley公司的MicroStation作為巷道設(shè)計系統(tǒng)的二次開發(fā)基礎(chǔ)平臺。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

煤礦巷道數(shù)字化設(shè)計流程如圖1所示，頂層為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，包括中線數(shù)據(jù)、斷面參數(shù)、支護(hù)參數(shù)、布置參數(shù)等，中間層提供三維建模以及模型與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)服務(wù)，底層主要實現(xiàn)設(shè)計成果的多元化應(yīng)用。

圖1 設(shè)計流程

2.2 功能劃分

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計流程，規(guī)劃了巷道設(shè)計系統(tǒng)工作流。其主要的功能模塊包括：

1)巷道參數(shù)化建模。根據(jù)巷道中線、斷面、支護(hù)、布置等設(shè)計數(shù)據(jù)等建立巷道信息模型。設(shè)計數(shù)據(jù)具備多源異構(gòu)特性，數(shù)據(jù)來源主要包括：巷道名稱、圍巖類別等基本參數(shù)；描述巷道幾何特征的斷面控制參數(shù)；描述巷道支護(hù)形式的支護(hù)特征參數(shù)；水溝、臺階、設(shè)備等的布置參數(shù)。為簡化流程，本次設(shè)計僅考慮矩形、半圓拱形、三心圓拱形等標(biāo)準(zhǔn)化斷面，設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2。

表2 巷道設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

巷道信息建模實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)為沿路徑放樣及EC技術(shù)，曲線沿路徑線放樣后形成曲面，曲面放樣后則形成實體，EC既可以在參數(shù)化建模過程中添加，也可后期通過Excel數(shù)據(jù)庫的形式附加，在MicroStation中，選擇附加EC的元素即可查詢自定義的EC屬性。

2)硐室建模。對于變電所、避難所、醫(yī)療等候硐室等硐室工程，先利用巷道參數(shù)化建模工具將主體部分分部建模，然后依次對各主體之間的模型進(jìn)行剪切與布爾運算，最后附加屬性數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)即可得到硐室信息模型。

3)輸出二維圖。MicroStation平臺具備模型動態(tài)剖切技術(shù)，三維信息模型能夠直接關(guān)聯(lián)二維符號，軟件自身優(yōu)秀的尺寸與工程屬性參數(shù)化標(biāo)注功能也可以直接應(yīng)用到開發(fā)過程當(dāng)中，基于該技術(shù)可將三維巷道信息模型按照任意剖切方向一鍵輸出滿足施工需求的二維圖紙，既可以避免人為錯誤，也節(jié)省了后期大量的修改時間。

4)工程算量。由于三維信息模型是模型與信息的綜合體，模型是信息的載體，因此，通過三維模型元素獲取到附加到模型上的屬性數(shù)據(jù)之后，即可進(jìn)行工程量與材料量的統(tǒng)計與計算，并能夠以自主定制的格式進(jìn)行輸出，后期還可以結(jié)合工程定額庫進(jìn)行工程概預(yù)算。BIM算量是三維信息模型的核心應(yīng)用，從三維信息模型里讀取工程量簡便快捷，免去了算量的繁瑣工作，尤其是針對復(fù)雜類工程變更較多的情況下較為適用。

5)施工模擬。施工模擬是將三維信息模型加上時間維度進(jìn)行施工仿真模擬與進(jìn)度管理，亦稱為4D技術(shù)，可以在4D模型中計劃、管理、模擬、跟蹤和審查施工項目，輔助項目實現(xiàn)按時、按預(yù)算施工。4D進(jìn)度管理提高了建設(shè)項目的安全性、可靠性、可預(yù)測性和質(zhì)量，通過避免返工和提前發(fā)現(xiàn)進(jìn)度問題實現(xiàn)成本節(jié)約。4D技術(shù)用于輔助決策，有助于降低發(fā)生問題的風(fēng)險，該功能需結(jié)合Bentley公司的項目進(jìn)度管理軟件SYNCHRO來實現(xiàn)：首先，將Microsoft Project XML或Primavera P6的進(jìn)度計劃文件導(dǎo)入SYNCHRO；然后，將MicroStation的DGN或i-Model文件導(dǎo)入SYNCHRO；最后，在SYNCHRO中依次將BIM模型與計劃任務(wù)相關(guān)聯(lián)后即可按照時間順序進(jìn)行施工進(jìn)度控制與模擬。

6)設(shè)備管理。設(shè)備管理包括設(shè)備布置與分類統(tǒng)計，將BIM技術(shù)納入設(shè)備管理，基于BIM提供設(shè)備添加、查詢、更新等的信息共享及可視化操作平臺，實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的高效管理，既能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動化布置，還可對各專業(yè)設(shè)備的幾何與工程屬性自動統(tǒng)計，后期還可以整合分析設(shè)備運行維護(hù)管理信息，這對于促進(jìn)設(shè)備管理模式的智能化轉(zhuǎn)變具有重要意義。

3 工程應(yīng)用

巷道工程數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)分別在神華神東哈拉溝煤礦以及陜煤集團張家峁煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，據(jù)此建立了三維開拓信息模型。應(yīng)用結(jié)果表明，工程算量快而準(zhǔn)確，二維成圖快且自動化程度高，設(shè)計質(zhì)量及效率得到明顯提升。

同時，利用特殊視聽設(shè)備可以直接對BIM設(shè)計成果進(jìn)行虛擬體驗，為張家峁煤礦設(shè)計的360°全息展示系統(tǒng)，實現(xiàn)了視頻播放、移動端控制、直接操控展示三種模式，滿足了采掘工程方案設(shè)計、人員培訓(xùn)、安全管理、應(yīng)急救援等的多樣化需求，拓展了三維數(shù)字化設(shè)計成果應(yīng)用場景的外延。

在施工方面，利用BIM技術(shù)可模擬現(xiàn)場施工以確定最優(yōu)方案，避免施工返工，并可精確確定不同施工階段的材料用量，實現(xiàn)階段性成本控制，避免材料浪費，規(guī)范及提高整體施工水平；在運營過程中，通過GIS與BIM的融合，利用物理模型、歷史、傳感器等數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)物理空間的全生命周期過程，實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的結(jié)合，提高項目綜合管控能力[12，13]。

4 結(jié) 語

以BIM技術(shù)為依托、參數(shù)化建模方法為指導(dǎo)，在MicroStation平臺下建立的煤礦巷道數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了巷道的參數(shù)化建模、工程算量、一鍵輸出平面圖表以及設(shè)備管理的功能，滿足正向設(shè)計特征，解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計向智能三維設(shè)計過渡的問題。通過實踐驗證，該系統(tǒng)能夠簡化復(fù)雜的建模過程，縮短成圖時間，提高設(shè)計質(zhì)量與出圖效率，并能實現(xiàn)應(yīng)用場景的多維度外延，具備良好的可行性。但仍存在一些問題亟待解決，包括巷道交岔的處理、模型與數(shù)據(jù)的聯(lián)動、BIM模型的數(shù)字化移交等，后續(xù)工作中，應(yīng)結(jié)合BIM技術(shù)的信息集成及可傳遞性特點，綜合GIS構(gòu)建煤礦三維空間信息網(wǎng)共享模型，實現(xiàn)全生命周期各階段的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，積極拓展“互聯(lián)網(wǎng)+煤炭”應(yīng)用空間，促進(jìn)“兩化融合”，推進(jìn)智能化礦山建設(shè)與煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。