露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)BIM正向設(shè)計(jì)

武迪俊，王忠鑫，2，肖 兵，黃月軍

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015； 2.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽露天采礦技術(shù)研究分院，遼寧 沈陽 110015； 3.神華北電勝利能源有限公司 勝利一號露天煤礦，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

數(shù)字礦山是指以計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)為手段[1-3]，把礦山的所有空間和有用屬性實(shí)現(xiàn)數(shù)字化儲存、傳輸、表述和深加工，應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中，以達(dá)到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學(xué)化的目的[4，5]。在數(shù)字化礦山變革的大趨勢下，BIM技術(shù)的應(yīng)用勢必成為煤礦設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型升級的核心[6-10]。BIM技術(shù)(Building Information Modeling)是一種集設(shè)計(jì)、施工、后期管理于一體的管理工具[11-13]，BIM正向設(shè)計(jì)是相對于“翻模設(shè)計(jì)”而言的，翻模設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上建立三維模型，不僅設(shè)計(jì)效率低同時(shí)也無法發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)化性等優(yōu)勢。三維協(xié)同正向設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)相關(guān)所有專業(yè)利用協(xié)同平臺同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可大幅提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量[14-17]。

BIM技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用處于起步階段，本文利用Bentley軟件以伊敏露天礦煤炭生產(chǎn)補(bǔ)套完善項(xiàng)目為例，研究BIM技術(shù)在露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用與BIM正向設(shè)計(jì)流程的探討，實(shí)現(xiàn)所有專業(yè)的正向協(xié)同設(shè)計(jì)[18，19]。

1 露天煤礦BIM正向設(shè)計(jì)流程

BIM三維協(xié)同正向設(shè)計(jì)可應(yīng)用于設(shè)計(jì)的不同階段，如可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段，本文僅討論施工圖設(shè)計(jì)階段，其工作流程如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目工作流程

首先，根據(jù)BIM正向設(shè)計(jì)流程完成設(shè)計(jì)平臺的搭建制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建協(xié)同工作區(qū)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人制定項(xiàng)目計(jì)劃，并根據(jù)計(jì)劃制定各專業(yè)負(fù)責(zé)人同時(shí)分配各設(shè)計(jì)人的權(quán)限。工藝專業(yè)進(jìn)行方案布置，并給相關(guān)專業(yè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。各專業(yè)通過設(shè)計(jì)依據(jù)在協(xié)同平臺中共同完成本專業(yè)的設(shè)計(jì)，同時(shí)完成單體專業(yè)總裝工作并負(fù)責(zé)各專業(yè)間的碰撞檢查工作。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)各個單體專業(yè)總裝完成項(xiàng)目全廠的總裝工作。根據(jù)出圖標(biāo)準(zhǔn)，以三維模型為基礎(chǔ)完成二維出圖工作，得到施工模型并計(jì)算出項(xiàng)目的工程量。

2 露天礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 工程簡介

伊敏露天礦位于大興安嶺西坡，伊敏河中下游地區(qū)，行政區(qū)劃屬內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗管轄。露天礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)煤卡車向3號半移動式破碎站受料倉卸料，一次破碎后原煤粒度為0～300mm，轉(zhuǎn)載至排料帶式輸送機(jī)，將原煤輸送到三號二次破碎車間，三號二次破碎車間內(nèi)布置一臺雙齒輥破碎機(jī)，破碎機(jī)能力為3000t/h，二次破碎后原煤粒度為0～50mm。破碎后的產(chǎn)品煤通過801帶式輸送機(jī)輸送至7號緩沖倉倉上，再通過配倉帶式輸送機(jī)將產(chǎn)品煤輸送至7號和8號圓筒倉內(nèi)儲存，再通過倉下布置的16臺插板給料機(jī)將煤轉(zhuǎn)載進(jìn)入802帶式輸送機(jī)，進(jìn)入裝車站內(nèi)，通過鐵路裝車外運(yùn)。項(xiàng)目建成后露天礦達(dá)產(chǎn)27Mt/a。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程

2.2.1 合作區(qū)的創(chuàng)建

工程分解結(jié)構(gòu)是根據(jù)露天礦工程項(xiàng)目的工藝流程或者空間布置分區(qū)，按照一定的分類和編號規(guī)則進(jìn)行組織、形成可分層級顯示各個單項(xiàng)工程及專業(yè)的樹狀結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)搭建的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺制定項(xiàng)目工作計(jì)劃，根據(jù)工程分解結(jié)構(gòu)制定各專業(yè)設(shè)計(jì)人工作計(jì)劃。然后總圖專業(yè)和工藝專業(yè)協(xié)同制定地面生產(chǎn)系統(tǒng)的各個位置的坐標(biāo)、標(biāo)高。

2.2.2 模型的建立

露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括的設(shè)備主要為破碎站、帶式輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載站。工藝專業(yè)根據(jù)總圖制定的位置標(biāo)高，完成工藝設(shè)備模型的建立同時(shí)給相關(guān)專業(yè)提供設(shè)計(jì)資料。水暖電土建等專業(yè)根據(jù)工藝專業(yè)的設(shè)計(jì)資料完成各自專業(yè)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立BIM模型如圖2所示。同時(shí)完成工藝設(shè)備的單體總裝。在完成的設(shè)備模型中，可以給設(shè)備添加自定義屬性，方便后續(xù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目工程量等工作。

圖2 帶式輸送機(jī)三維模型

2.2.3 協(xié)同設(shè)計(jì)

水暖電土建專業(yè)根據(jù)工藝專業(yè)的設(shè)計(jì)資料完成各自專業(yè)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時(shí)需要完成碰撞檢查(圖3)，碰撞檢查是各個專業(yè)間的硬碰撞檢查和軟碰撞檢查(安全間距)的統(tǒng)稱[20，21]，各個專業(yè)完成設(shè)計(jì)后由專業(yè)負(fù)責(zé)人進(jìn)行匯總完成單項(xiàng)工程的分裝，同時(shí)對單項(xiàng)工程進(jìn)行碰撞檢查。碰撞檢查完成后，專業(yè)內(nèi)部發(fā)生碰撞的由專業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人進(jìn)行更改；專業(yè)間發(fā)生碰撞的由發(fā)生碰撞的相關(guān)專業(yè)負(fù)責(zé)人溝通協(xié)調(diào)，確定修改原則直到完全通過碰撞檢查。

圖3 暖通專業(yè)和消防專業(yè)的碰撞

待各個單項(xiàng)工程全部完成后，將各個單項(xiàng)工程模型進(jìn)行全廠的模型總裝。全廠總裝后的三維模型可根據(jù)需求完成環(huán)境渲染和生成動畫，完成數(shù)字化交付，對全廠及各個單項(xiàng)工程以不同的角度制作動畫，更加直觀、更加形象、更加詳細(xì)的展示設(shè)計(jì)成果。最后各專業(yè)可以根據(jù)Bentley模型生成二維圖紙，滿足施工要求。

3 露天煤礦BIM正向設(shè)計(jì)特征

3.1 優(yōu)勢

1)可視化。以往二維設(shè)計(jì)的圖紙，真正的構(gòu)造需要看圖紙的人自己去想象，而BIM正向設(shè)計(jì)中直接展示露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的三維模型，給人直觀的感受。不僅僅在項(xiàng)目展示方面，在設(shè)計(jì)過程中的方案設(shè)計(jì)討論也更加直接。

2)協(xié)同設(shè)計(jì)。在地面生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要許多專業(yè)互相配合完成，在二維設(shè)計(jì)中，往往都是各自專業(yè)獨(dú)自完成本專業(yè)設(shè)計(jì)，這就造成了由于溝通不暢造成專業(yè)間互相沖突的問題，例如檢修間中暖通專業(yè)的管道和消防專業(yè)的消防箱發(fā)生碰撞，二維設(shè)計(jì)中通常要到施工中才會發(fā)現(xiàn)。BIM三維正向設(shè)計(jì)各個專業(yè)共享設(shè)計(jì)平臺，各個專業(yè)都在相同平臺下協(xié)同設(shè)計(jì)，可解決多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同問題。同時(shí)，在BIM正向設(shè)計(jì)中，單一專業(yè)設(shè)計(jì)存在的安全距離和安全間隙等軟碰撞協(xié)調(diào)問題也一并得到了解決。

3)優(yōu)化性。設(shè)計(jì)是一個優(yōu)化的過程，BIM三維正向設(shè)計(jì)更是如此，BIM三維正向設(shè)計(jì)構(gòu)造一個真實(shí)的模型，是后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。BIM正向設(shè)計(jì)可以直觀的反應(yīng)露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)各單項(xiàng)中存在的問題，將問題暴露于設(shè)計(jì)過程中，避免在施工中出現(xiàn)問題，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)變更，大大縮短項(xiàng)目建設(shè)期，有效降低露天煤礦企業(yè)成本。

4)精細(xì)化。由于三維模型計(jì)算工程量的準(zhǔn)確性，提供更加準(zhǔn)確的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，露天煤礦企業(yè)可以更加準(zhǔn)確地計(jì)算出工程項(xiàng)目所需要的工程量，得到更加精細(xì)化的工程造價(jià)，為項(xiàng)目后期管理提供數(shù)據(jù)支撐。露天煤礦企業(yè)可以制定更加精確的人員、材料、機(jī)械計(jì)劃，從而避免了人力資源、倉儲環(huán)節(jié)和物流運(yùn)輸?shù)睦速M(fèi)，提升了露天煤礦總承包項(xiàng)目管理水平，進(jìn)而有效控制項(xiàng)目管理成本。BIM模型為露天煤礦全生命周期管理提供真實(shí)、可靠的模型基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的提升有助于露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)管理的精細(xì)化，避免了大量的重復(fù)勞動。

3.2 面臨的問題

1)BIM技術(shù)在我國煤礦行業(yè)中還處于起步階段。在我國露天煤礦企業(yè)中，BIM技術(shù)還沒有被廣泛應(yīng)用，在實(shí)際項(xiàng)目中，露天煤礦企業(yè)對BIM技術(shù)要求較少。BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)單位中處于摸索階段，煤礦企業(yè)、施工企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)、造價(jià)企業(yè)并沒有應(yīng)用BIM技術(shù)，因此BIM技術(shù)在露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)中的項(xiàng)目全生命周期優(yōu)勢僅僅在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中得到了體現(xiàn)，并沒有充分體現(xiàn)BIM正向設(shè)計(jì)的價(jià)值。

2)BIM軟件基于露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備庫并不完善。露天礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的主要設(shè)備庫不完善，在BIM正向設(shè)計(jì)中無法從“設(shè)備庫”中調(diào)取相應(yīng)的設(shè)備，無形當(dāng)中增加了設(shè)計(jì)任務(wù)導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率降低，延長了設(shè)計(jì)周期，甚至影響整個項(xiàng)目建設(shè)期。

3.3 應(yīng)用前景

BIM技術(shù)應(yīng)用于露天煤礦是大勢所趨，隨著未來在煤炭行業(yè)中制定BIM正向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范，同時(shí)在數(shù)字化礦山和智慧礦山等國家政策的鼓勵下，BIM技術(shù)三維正向設(shè)計(jì)在露天礦的應(yīng)用一定會得到高速發(fā)展，BIM三維正向設(shè)計(jì)對于二維設(shè)計(jì)是一次劃時(shí)代的技術(shù)革命，BIM技術(shù)的優(yōu)勢會在露天煤礦工程項(xiàng)目的全生命周期得到徹底體現(xiàn)，BIM技術(shù)對露天煤礦企業(yè)完成信息化管理、精細(xì)化管理起到至關(guān)重要的作用。工程設(shè)計(jì)企業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)會增加企業(yè)在市場中的競爭力，BIM正向設(shè)計(jì)也一定會廣泛地應(yīng)用于露天煤礦。

4 結(jié) 語

1)結(jié)合伊敏露天礦煤炭生產(chǎn)補(bǔ)套完善項(xiàng)目的BIM正向設(shè)計(jì)，建立了露天煤礦BIM正向設(shè)計(jì)流程的方法，形成了全專業(yè)在協(xié)同平臺共同完成正向設(shè)計(jì)的體系。

2)露天礦BIM應(yīng)用起步較晚，并沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)建立統(tǒng)一的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思路和習(xí)慣，在露天煤礦中充分發(fā)揮BIM正向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。BIM正向設(shè)計(jì)具備可視化、設(shè)計(jì)協(xié)同性、精確化、優(yōu)化性等優(yōu)勢，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，BIM正向設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山的重要手段。面對新的市場發(fā)展環(huán)境和市場要求，發(fā)展數(shù)字化設(shè)計(jì)和移交是設(shè)計(jì)單位提升市場競爭力、保持行業(yè)領(lǐng)先地位的必然途徑。