基于BIM的井下水泵房三維建模技術(shù)研究及應(yīng)用

溫星星

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司 西安分公司，陜西 西安 710075)

目前，煤礦設(shè)計(jì)過程及最終的交付成果都采用傳統(tǒng)的二維圖紙方式，這種交付方式雖然在一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率，但用二維的手段來表達(dá)龐大復(fù)雜的煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)并不符合人的認(rèn)知和思維習(xí)慣，無法達(dá)到“可見即所得”的可視化效果，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)需要在腦海中將三維空間的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為二維呈現(xiàn)在圖紙之上。二維圖紙不能直觀的給業(yè)主及施工方呈現(xiàn)所表達(dá)的內(nèi)容，將影響到工程的建設(shè)進(jìn)度與質(zhì)量，浪費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力[1-4]。

BIM三維建模技術(shù)能夠有效地避免傳統(tǒng)二維圖紙所帶來的缺點(diǎn)，盡可能發(fā)揮設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念[5-7]。BIM技術(shù)已經(jīng)在建筑、市政、水利水電等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，然而煤炭行業(yè)對(duì)于BIM技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他行業(yè)。因此，煤炭行業(yè)需要盡快借鑒建筑及其他行業(yè)的BIM三維設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探索出一條適合本行業(yè)的BIM三維設(shè)計(jì)模式，來提高本行業(yè)的設(shè)計(jì)效率，并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理由粗放管理向精細(xì)管理轉(zhuǎn)變。本文以煤礦井下水泵房為建模對(duì)象，對(duì)于水泵房硐室模型，采用Bentley公司Microstation平臺(tái)軟件進(jìn)行創(chuàng)建；水泵房中的管道模型采用Bentley公司 OpenPlant Modeler軟件創(chuàng)建；水泵房中的設(shè)備模型，統(tǒng)一采用Dassault公司SolidWorks軟件創(chuàng)建模型。通過建立水泵房硐室模型、設(shè)備模型和管道模型，探索分析煤礦行業(yè)如何推行BIM技術(shù)，并利用三維模型所能實(shí)現(xiàn)的功能，將模型所屬信息在工程應(yīng)用中傳遞。

1 水泵房三維建模的流程

煤礦水泵房的設(shè)計(jì)需要涉及采礦、機(jī)械機(jī)制等專業(yè)的參與，通過各專業(yè)的相互配合從而實(shí)現(xiàn)建模任務(wù)。水泵房設(shè)計(jì)由機(jī)械機(jī)制專業(yè)選擇相應(yīng)排水設(shè)備并布置好位置，確定吸水井深度等，在此基礎(chǔ)上，采礦專業(yè)完成泵房的設(shè)計(jì)，將泵房模型創(chuàng)建完成后，將模型放置于三維協(xié)同平臺(tái)中。機(jī)械機(jī)制專業(yè)通過協(xié)同平臺(tái)以采礦專業(yè)所建立的硐室模型為參考，布置好本專業(yè)設(shè)備及管道模型。不同專業(yè)將模型建立完畢后，在統(tǒng)一的平臺(tái)上參考組裝，進(jìn)行碰撞檢查等內(nèi)容，后期再進(jìn)行渲染。水泵房模型的創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 水泵房模型創(chuàng)建流程

2 水泵房三維模型的創(chuàng)建

本文以煤礦井下水泵房為例，利用Microstation軟件、OpenPlant軟件及SolidWorks軟件創(chuàng)建水泵房硐室、管路及設(shè)備等模型，為煤礦井下系統(tǒng)整體建模提供思路。

2.1 水泵房硐室模型創(chuàng)建及屬性定義

煤礦井下巷道的空間位置由巷道導(dǎo)線點(diǎn)的三維坐標(biāo)確定，每條巷道的導(dǎo)線點(diǎn)是構(gòu)建巷道模型的一項(xiàng)數(shù)據(jù)源。如果將井田范圍內(nèi)的每條巷道抽象成一條線，這條線就是巷道的中心線。然而對(duì)于井下巷道而言，構(gòu)建三維實(shí)體巷道，僅靠巷道中心線是不能完成的。每條巷道依據(jù)其所屬用途不同，其斷面形狀也不同，因此巷道的斷面數(shù)據(jù)也是構(gòu)建巷道三維模型的另一項(xiàng)數(shù)據(jù)源[8-12]。在確定好巷道中心線和斷面形狀后，即可沿中心線方向拉伸生成三維實(shí)體巷道模型。

基于以上三維實(shí)體巷道創(chuàng)建的原理，水泵房硐室模型以巷道中心線和巷道斷面形狀為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Microstation軟件創(chuàng)建巷道大致可分為以下步驟：①創(chuàng)建水泵房各硐室中心線，確保硐室中心線各拐點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性；②在硐室中心線端點(diǎn)創(chuàng)建巷道斷面形狀；③利用Microstation軟件中的拉伸功能沿中心線生成硐室模型；④對(duì)各硐室相交處以及硐室中需要開孔部位利用軟件中的相關(guān)功能進(jìn)行處理。按照上述步驟可建立水泵房硐室模型，所生成的水泵房硐室模型如圖2所示。

圖2 水泵房硐室模型

對(duì)于煤炭行業(yè)而言，目前并無專業(yè)的建模軟件，上述方法僅利用Microstation軟件自身所具有的功能進(jìn)行創(chuàng)建，此方法創(chuàng)建巷道模型需要人工干預(yù)流程較多，后續(xù)可考慮在Microstation軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，以提高設(shè)計(jì)人員建模效率。

在Microstation軟件中創(chuàng)建的井巷模型不帶屬性信息，為了實(shí)際需求，要對(duì)其添加屬性，添加的井巷工程屬性信息見表1。通過Microstation軟件的項(xiàng)類型建立水泵房屬性定義項(xiàng)類型庫，在庫文件中添加巷道屬性定義，由此，巷道屬性定義完成，在模型中對(duì)不同類型巷道進(jìn)行屬性添加，將屬性信息賦予巷道模型。另外，若有其他屬性信息，也可繼續(xù)添加并完善與井巷模型有關(guān)的屬性信息。

表1 巷道屬性定義

2.2 水泵房管道模型構(gòu)建

管道模型的創(chuàng)建采用OpenPlant Modeler軟件，其基于等級(jí)數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)建模，包含配管、設(shè)備、支吊架、儀表、HVAC 等模塊，以確保項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)模型的交付。

管道數(shù)據(jù)庫是OpenPlant Modeler軟件設(shè)計(jì)中創(chuàng)建管道模型的前提。水泵房三維管道建模時(shí)，所有管道元件的尺寸、材質(zhì)、規(guī)格、型號(hào)等數(shù)據(jù)必須提前定制，才能實(shí)現(xiàn)管道元件的外形精確構(gòu)建、連接匹配和材料準(zhǔn)確報(bào)表。目前，OpenPlant Modeler軟件自身具有的管道數(shù)據(jù)庫不能滿足每個(gè)工程項(xiàng)目的需求，因此，必須建立完善的適用于具體工程項(xiàng)目的管道數(shù)據(jù)庫，定制適用于具體工程項(xiàng)目的等級(jí)庫，來確保管道三維建模工作。等級(jí)庫是按照不同管道材料等級(jí)篩分成不同的數(shù)據(jù)文件，使用等級(jí)庫建模，選定管道材料等級(jí)和公稱直徑，在管道類中選擇管道元件放置時(shí)，組件屬性是確定的，其能夠提高管道建模工作的精確性和效率。對(duì)于水泵房管道，也需定制相應(yīng)的等級(jí)庫來進(jìn)行管道建模工作。

管道數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建完成后，就可用于三維管道建模，建模的前提是要有管道路徑。以創(chuàng)建的泵房硐室模型作為參考，勾畫出管道的路徑。管道路徑完成后，即可利用管道數(shù)據(jù)庫中不同的管道類型選擇相應(yīng)路徑創(chuàng)建管道。所創(chuàng)建的管道模型自身帶有材質(zhì)類型、管道直徑、管道用途、管道專業(yè)等屬性，不再需要人工進(jìn)行屬性添加。

2.3 水泵房設(shè)備模型構(gòu)建

SolidWorks軟件將設(shè)備模型創(chuàng)建完成后，通過Microstation軟件創(chuàng)建單元庫，將所有的設(shè)備模型統(tǒng)一建立成單元并存放于單元庫中。然而設(shè)備模型需要以硐室模型為參照進(jìn)行放置，因此，需建立一個(gè)獨(dú)立的文件，用于存放水泵房中的設(shè)備模型，在調(diào)用單元庫放置單元時(shí)通過共享單元方式放置，以減小文件的大小。

2.4 水泵房整體模型組裝及渲染

在創(chuàng)建完水泵房硐室模型、管道模型及設(shè)備模型后，統(tǒng)一在Microstation平臺(tái)軟件進(jìn)行組裝并渲染。

利用Microstation軟件建立一個(gè)空文件，分別參考水泵房硐室模型、管道模型和設(shè)備模型，確定各模型的嵌套深度，完成水泵房模型的組裝，組裝完成后進(jìn)行渲染。組裝并渲染的模型如圖3所示。

圖3 水泵房組裝及渲染模型

3 三維模型的功能

利用Microstation軟件、OpenPlant軟件自身功能，煤礦井下水泵房模型創(chuàng)建完成后有以下作用：

1)獲取所查看巷道或者硐室的屬性信息。在三維井巷模型中，選擇相應(yīng)的巷道，就可通過屬性信息查看與該巷道有關(guān)的信息，通過查詢信息就可掌握所屬巷道用途及相關(guān)參數(shù)。

2)通過切圖功能獲取井巷二維圖紙。利用Microstation軟件的切圖功能對(duì)硐室模型進(jìn)行處理，可將模型的平面、剖面、斷面剖切成二維圖，對(duì)二維圖經(jīng)過標(biāo)注、添加文字說明等處理后，可生成二維圖紙，以滿足施工需要。

3)利用井巷模型做碰撞檢測(cè)。在井巷模型中布置的管道和設(shè)備等是否與井巷有碰撞，可通過軟件的碰撞檢測(cè)功能進(jìn)行測(cè)試，如果有碰撞發(fā)生，則可調(diào)整設(shè)備或者管道的位置，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。二維平面設(shè)計(jì)中，巷道、管路、設(shè)備等是否發(fā)生交匯，一般難以發(fā)現(xiàn)，通過三維模型可以快速定位此類問題，為設(shè)計(jì)人員提高效率。

4)通過模型獲取設(shè)備報(bào)表及工程量。根據(jù)設(shè)備模型自帶的屬性信息，可以生成煤礦井下水泵房的管道、管件、閥門和設(shè)備報(bào)表。利用井巷三維模型可以精確獲取井巷工程量，比傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)人工計(jì)算更節(jié)省時(shí)間。

5)通過三維模型優(yōu)化井巷布置。首先，采掘巷道與巖體之間的空間形態(tài)通過三維實(shí)體井巷模型全方位、可視化、動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)出來，為合理確定礦山開拓系統(tǒng)、優(yōu)選采礦方法提供了良好基礎(chǔ)，大大提高工程設(shè)計(jì)、分析的能力。其次，建立三維實(shí)體巷道模型不僅能確保巷道資料管理工作的準(zhǔn)確性，減少工作量，提高管理人員的工作效率，而且能提高企業(yè)決策的科學(xué)性和生產(chǎn)過程的可控性。

4 結(jié) 語

基于煤礦井下水泵房，進(jìn)行了三維模型創(chuàng)建，給出了三維模型創(chuàng)建的流程及方法，通過三維模型能夠全面地了解實(shí)際的工程狀況，獲取巷道所屬信息及井巷二維圖紙，得到設(shè)備報(bào)表及井巷工程量，為礦井設(shè)計(jì)行業(yè)帶來新的思路。同時(shí)，BIM三維建模技術(shù)方便了不同專業(yè)間的溝通，能夠幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。因此，煤炭行業(yè)要加快推進(jìn)BIM技術(shù)在礦井工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。