基于BIM技術(shù)的數(shù)字化礦山建模研究

陳 鎮(zhèn)，陳孝乾，劉 萍，賈毅超，羅 暢(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

煤礦開采是一個不斷變化的動態(tài)過程，煤礦井下地質(zhì)條件多樣，環(huán)境惡劣，煤礦工程過程復(fù)雜，參與方眾多，但交互溝通方面信息堵塞，項目生產(chǎn)過程中存在管理水平差、資源浪費嚴(yán)重、工作效率低等問題[1]。

李建良等[2]分析了我國煤礦數(shù)字化礦山建設(shè)現(xiàn)狀，提出了煤礦全息數(shù)字化礦山平臺的設(shè)計思路；黃賀[3]將BIM技術(shù)運用于大柳塔煤礦，利用BIM技術(shù)完成從設(shè)計模型到施工模型應(yīng)用，并通過精細(xì)施工仿真模擬實現(xiàn)項目整體進度管理；王青薇等[4]分析了基于BIM技術(shù)進行工程投資的控制理論，結(jié)合集成管理思想，探討了BIM技術(shù)進行投資控制的可行性；鄧大智[5]研究了BIM技術(shù)在煤礦采掘工程中的應(yīng)用，分析了BIM技術(shù)在煤礦開采過程中的實用性，得出BIM技術(shù)對于采掘工程施工效率具有正向作用；齊聰?shù)萚6]利用Revit軟件為內(nèi)核的ODBC數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，基于Revit軟件建筑信息模型現(xiàn)狀，分析了Revit軟件進行二次開發(fā)的可行性，比較了其他工程量計算軟件的特點，提出了一種基于BIM技術(shù)的新工程量計算軟件開發(fā)模式；李梅等[7]研究了三維可視化技術(shù)，通過智慧礦山研究提出礦山三維可視化技術(shù)的組成，剖析了三維數(shù)據(jù)獲取與建模、三維技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢，并為三維可視化提出了若干思路。

國內(nèi)BIM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，最常見的是建筑、結(jié)構(gòu)、管道、橋梁道路等領(lǐng)域[8]，但是真正應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域的案例相對較少，開發(fā)程度較低，許多研究依舊停在理論階段，而國內(nèi)數(shù)字化礦山建設(shè)已初步實現(xiàn)局部生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化，但是仍未建立真正意義上的數(shù)字化礦山工程[9]。針對此類問題，本文利用BIM技術(shù)對貴州省某礦區(qū)礦井創(chuàng)建數(shù)字化礦山模型進行探究及討論。

1 BIM技術(shù)在數(shù)字化礦山中的應(yīng)用

數(shù)字化礦山主體工程可以簡化為真實仿真世界，三維可視化是用于描述和理解礦山地下及地面上諸多現(xiàn)象的一種工具[10]。BIM技術(shù)三維可視化可以利用WEBGL等3D技術(shù)實現(xiàn)零客戶端B/S方式大體量加載和游覽，BIM技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)通過實時生成的數(shù)據(jù)采集、關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、GIS技術(shù)、傳感器等相關(guān)技術(shù)設(shè)備實現(xiàn)大規(guī)模三維地理信息游覽。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息的交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[11]。通過多個層面協(xié)作可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時控制和游覽礦山工作效果等功能，提高數(shù)字化礦山的商業(yè)應(yīng)用和決策支撐[12]。BIM技術(shù)各個平臺軟件詳細(xì)介紹見表1，本文主要采用Autodesk旗下的三款軟件Revit、Civil3D、Dynamo作為主要研究軟件[13]。

表1 BIM技術(shù)各個平臺軟件介紹Table 1 Introduction to BIM technology platform software

2 數(shù)字化礦山模型參數(shù)化創(chuàng)建

2.1 工程概況

貴州省織金縣某煤礦位于織金縣縣城北東約25 km處，地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°57′04″～105°57′35″，北緯26°43′21″～26°44′09″。該礦區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為一個走向北西-南東向、傾向北東-南西向的單斜構(gòu)造，礦區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀有一定變化，地層傾角一般為16°～23°，平均約為20°，開拓方式為斜井開拓；有主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井三條，+1 150 m水平布置石門、+1 150 m軌道石門、+1 150 m膠帶輸送機石門和+1 150 m回風(fēng)石門通過聯(lián)絡(luò)巷連接形成系統(tǒng)，并在井底布置了中央變電所及水泵房、水倉、永久避難硐室等。該礦山占地面積較大，傳統(tǒng)的全站儀等設(shè)備難以快速測量礦山的地質(zhì)地貌，井下巷道也眾多，安全監(jiān)管難度大，礦山數(shù)據(jù)信息共享效率低，一定程度上制約了井下的生產(chǎn)效率。

2.2 創(chuàng)建地質(zhì)模型及其井田開拓定位軸線

Dynamo For Revit程序是Revit軟件中的一個可視化編程插件，能將點坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)化為礦區(qū)地質(zhì)模型。本文通過經(jīng)緯坐標(biāo)取整，將貴州省某礦整個地質(zhì)地貌三維可視化后，取點將數(shù)據(jù)整理成Excel表格形式，利用BIM軟件自帶的Dynamo自動建模功能，對Excel表格中的數(shù)據(jù)進行讀取，進行節(jié)點編寫組成操作程序，然后將生成的Dynamo圖形集于Revit軟件上。

首先將該礦整個地質(zhì)地貌通過坐標(biāo)取值整理為Excel表格，然后選擇Dynamo的節(jié)點組成創(chuàng)建。Dynamo中常見節(jié)點組成以point.Bycoordinates為例，由節(jié)點名稱、節(jié)點輸入項、節(jié)點輸出項、連綴圖標(biāo)、節(jié)點主體組成，核心功能為設(shè)置連綴狀態(tài)、選擇預(yù)覽、運行等操作。Dynamo界面下的節(jié)點閱讀順序默認(rèn)為從左向右，其運算結(jié)果連綴方式有3種：①最長，數(shù)據(jù)流連接到整個項目完成為止；②最短，數(shù)據(jù)流一一對應(yīng)，直到項目完成為止；③交叉，兩兩數(shù)據(jù)流都相互連接其連接效果(圖1)。

完成Dynamo節(jié)點連接后，由于Dynamo讀取Excel坐標(biāo)后無法直接生成圖像，需要通過一定排列整理后才可讀取，所以需要依靠節(jié)點Point.ByCoordinates功能將Excel表格轉(zhuǎn)化為2 761組有序點集合。 最后利用節(jié)點Topography.ByPoints將有序點坐標(biāo)在Dynamo生成點集合，再將生成的Dynamo點集合集中在Revit上，并利用實體曲線繪制的方式連接得到礦區(qū)地形曲線，生成的地形曲線如圖2所示，其中，圖2(a)為Dynamo界面，圖2(b)為Revit界面。

初步生成該礦的地質(zhì)模型后，利用Revit軟件巷道繪制標(biāo)準(zhǔn)高軸網(wǎng)和繪制定位線，Revit軟件中實現(xiàn)精準(zhǔn)定位工具有標(biāo)高、參照平面、軸網(wǎng)。標(biāo)高系統(tǒng)的創(chuàng)建確定了每個構(gòu)件在豎直方向上的標(biāo)高，確認(rèn)標(biāo)高后依次建立軸網(wǎng)系統(tǒng)以及參照平面，軸網(wǎng)系統(tǒng)與標(biāo)高系統(tǒng)可以共同組成空間中的三點坐標(biāo)(X，Y，Z)，參照平面可以確定其改變方向以及位置?；诮⒍ㄎ还ぞ呖梢钥刂拼蟛糠謽?gòu)件，如巷道、傳送帶、猴車、工作面等構(gòu)件。基于Revit工作原理，利用相同方法在Civil3D上創(chuàng)建定位軸線，如圖3所示。繪制線的過程可利用Revit軟件的插件Dynamo在體量的工作環(huán)境下對整個模型的定位線進行精準(zhǔn)的控制。

圖1 節(jié)點連接方式Fig.1 Node connection mode

圖2 初步實體地質(zhì)模型生成步驟Fig.2 Preliminary solid geological model generation steps

圖3 巷道定位軸線Fig.3 Axis of roadway positioning

2.3 創(chuàng)建礦山工程模型

該礦的主要構(gòu)件有主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井、運輸石門、回風(fēng)石門、工作面、瓦斯抽放巷、中央變電所及水泵房、水產(chǎn)、永久避難硐室等。在Revit軟件自帶族中不存在煤礦工程的幾何模型，因此需要先制作煤礦工程的幾何模型。在Revit軟件中常規(guī)的幾何圖源和空心圖源的創(chuàng)建方式可以通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、融合、空心融合、放樣、放樣融合等方式的組合實現(xiàn)，Revit軟件API中支持以上幾種方式的實體創(chuàng)建和剪切創(chuàng)建。以拱形巷道斷面為例，首先，在Revit軟件上通過礦井圖紙繪制巷道斷面幾何模型；其次，在族參數(shù)界面找到煤礦工程下方拱形斷面的參數(shù)屬性選項卡，輸入族參數(shù)類型為長度，參數(shù)名稱為拱形巷道；再次，切換族類型選項卡設(shè)置如人行道寬度、拱形巷道凈寬、拱高、運輸設(shè)備寬度、設(shè)備間距等所需要的數(shù)據(jù)，并與原圖進行綁定；最后，依據(jù)作圖完成的拱形巷道斷面，通過修改參數(shù)數(shù)據(jù)得到需要的拱形巷道斷面，如主斜井、井底車場、永久避難硐室等。參數(shù)屬性及族類型界面如圖4所示，生成的模型如圖5所示。

圖4 Revit軟件中族參數(shù)屬性設(shè)置界面Fig.4 Interface for setting family parameter properties in Revit software

圖5 Revit軟件生成拱形巷道模型Fig.5 Revit software generates arched roadway models

由圖5可以看出，巷道模型會根據(jù)參數(shù)設(shè)置的數(shù)值而生成，使用者可以根據(jù)煤礦巷道斷面實際情況來設(shè)定參數(shù)，但所有的參數(shù)都應(yīng)依照參數(shù)平面設(shè)置，因此需要在拱形巷道斷面的前提下進行修改，才能得到需要的巷道模型，至此拱形斷面巷道族的部分參數(shù)初步完成。將這個方法運用到其他類別的巷道斷面上，同樣可以完成梯形斷面巷道參數(shù)族，如圖6所示。

圖6 梯形斷面巷道參數(shù)族Fig.6 Parameter family of trapezoidal section roadway

基于上述的巷道斷面族模型，可依次建立主斜井、井底車場、永久避難硐室、綜采工作面運輸巷、回風(fēng)巷等模型，如圖7所示。

將制作完成的族文件加載入Civil3D中，建立該礦實際的BIM工程。以“搭積木”方式搭接該礦的BIM模型。為方便后續(xù)建模的流程，創(chuàng)建管理族庫，將族文件進行整合并上傳保存，以備在需要時重復(fù)導(dǎo)入使用，不必重新繪制創(chuàng)建，族庫如圖8所示。

利用所創(chuàng)建的地質(zhì)模型，建立井田開拓軸線和模塊參數(shù)化模型，初步生成該礦的數(shù)字化礦山模型，數(shù)字化模型局部圖如圖9所示。

由圖9可以看出，BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化礦山是可行的，不僅可以將礦山模型三維化輸出，還可以在模型上看到眾多數(shù)據(jù)，如巷道性質(zhì)、采區(qū)長度、巷道高度、巷道寬度、斜井屬性等，還可以得出工程量、工程造價等一系列工程數(shù)據(jù)。上傳至族庫中的參數(shù)化模型，在其他相同條件的煤礦中也可以使用，大大縮短了設(shè)計的耗時?；贐IM系統(tǒng)的信息傳輸功能，利用Dynamo程序輸出參數(shù)功能，還可以輸出圖中的各類族統(tǒng)計表。 BIM系統(tǒng)還能夠?qū)π畔⒒Ｐ蜆?gòu)件的工程量進行修改、 插入、更新和提取，實時監(jiān)測煤礦工程中各個階段工程發(fā)生的實際變化，在一定程度上加強了煤礦實時決策的能力，對煤礦施工和運營過程具有重要意義。

圖9 數(shù)字化模型局部圖Fig.9 Partial view of digital model

3 結(jié) 論

1) 使用BIM技術(shù)進行巷道軸網(wǎng)布置、族庫構(gòu)建、BIM地質(zhì)模型建立，初步驗證了BIM技術(shù)在煤礦數(shù)字化礦山建模工程中的可行性。研究結(jié)果表明，該技術(shù)在煤礦領(lǐng)域有著很強的適用性，能夠加速數(shù)字化礦山可視化研究進程，可以作為實現(xiàn)數(shù)字化礦山的重要手段。

2) BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化礦山不僅可以使得傳統(tǒng)煤礦設(shè)計時間大大縮短，還可以對于礦井建設(shè)、礦井安全、生產(chǎn)效益、主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)和作業(yè)場所環(huán)境、生產(chǎn)狀況等進行全面可視化監(jiān)測，進而實現(xiàn)高速提效、安全管理及災(zāi)害預(yù)防。但煤礦BIM技術(shù)依舊處于初步探索階段，實際工程項目案例較少，使用經(jīng)驗匱乏，因此BIM技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的使用還需要進一步探索。