BIM技術在地下礦山三維協同設計中的應用探索*

甘懷營，淡永富

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 引言

建筑信息模型（Building Information model，BIM）在建筑行業的應用充分證明其技術先進和方法優越。在礦山工程項目中，基于BIM技術將工程信息數據三維可視化，可以將工程各參與方緊密地聯系在一起，形成高效的組織結構模型，優化作業流程，實現工程信息模型數據共享[1]。

對于 BIM 技術在礦山工程的應用，于潤滄[2]等提出了礦山信息模型（Mine Information model，MIM）的概念，充分闡述MIM在礦山設計、建設、運營等各階段的重要價值，同時基于礦山工程項目建設特點，MIM的建設是一項既復雜又艱巨的系統工程，需要整體統一規劃及分步實施。MIM理念的提出對于 BIM 技術在礦山行業的推廣應用指明了發展方向，然而地采礦山工程設計要實現三維協同還存在一些問題。

1 BIM技術在地下礦山三維協同設計中存在的主要問題

基于 BIM 技術的廠房及建筑三維協同設計取得了矚目的成就，然而，由于地下礦山工程項目復雜特殊，地采礦山工程BIM技術推廣應用進展較為緩慢，主要原因有以下兩點。

（1）缺乏專業級平臺軟件。地采礦山工程項目 BIM 建模工作選擇的平臺軟件目前還缺乏成型規范的族與構建庫可用。對于地采礦山工程來說都必須利用軟件中的自開發工具，建立模型所需的基本構件族庫。針對不同專業適用的BIM軟件有所不同，文件格式及所帶屬性也有所不同，這為信息模型的整合及數據傳遞帶來難度，也為各專業間的協同帶來困難。

（2）地采礦山項目涉及領域多專業組成。地采礦山項目需要搭建多專業、多領域的BIM技術應用體系。建模工作內容涵蓋民用建筑、工業建筑、礦井建設、地質勘察等領域，涉及采礦、井建、礦機、建筑、地質、給排水、暖通、供電等專業。

因此，要實現地下礦山三維協同設計，需要選擇成熟的BIM平臺進行專業軟件開發，實現巷道參數化三維建模，然后利用該BIM平臺進行各專業的協同設計。

2 基于BIM技術巷道參數化建模二次開發

2.1 平臺選擇

主流BIM三維協同設計有Bentley、Revit及達索等平臺。各種軟件各有優點，而 Bentley平臺其建筑、結構和設備系列產品在石油、化工、電力、醫藥等工廠設計和道路、橋梁、市政、水利等基礎設施領域有無可爭辯的優勢，在解決非標工業性場合、地理信息系統、處理點云的能力上，一馬當先獨樹一幟[3-5]。因此本文采用Bentley平臺作為二次開發的應用平臺。

2.2 二次開發目標

二次開發目標旨在開發實用、創新的巷道參數化建模系統。該系統通過巷道斷面參數和巷道中心線，在Bentley平臺構建巷道帶屬性的三維模型，可對相關工程量和材料消耗量進行統計并生成報表，然后利用Bentely平臺實現三維協同設計。

2.3 系統架構

根據地采礦山的專業特點，基于 MicroStation基礎平臺軟件進行二次開發，能夠與 MicroStation三維設計軟件無縫連接，模型數據直接從三維設計平臺中提取，同時將系統中的巷道參數化建模成果寫入到三維設計文件中。并通過調用 MicroStation專業軟件的API接口、定制開發Bentley巷道參數化建模系統，解決礦山專業巷道的三維建模、工程量以及材料消耗量統計問題。最后利用 Bentely平臺的Project Wise實現三維協同設計，二次開發系統架構見圖1。

2.4 技術方案

2.4.1 插件技術

計算機軟件中的插件技術，指在不修改程序主體的情況下，利用公開的插件接口對軟件功能進行擴展與加強，實現“即插即用”軟件開發過程，基于插件的應用系統具有較好的可定制性、可擴充性和可維護性。平臺插件軟件結構一般有2個部分，一部分為程序的主體或主框架，另一部分為功能擴展或補充模塊（即插件），見圖2。

圖1 二次開發系統架構

圖2 插件技術

2.4.2 MDL編程技術

基于Bentley公司MicroStation基礎平臺，采用當前最主流和成熟的MDL NativeCode（C++）編程技術。MDL（MicroStation Development Language）是MicroStation的“應用引擎(Application Engine)”，可以直接在MicroStation中運行并且表現為Micro-Station本身的一部分，程序本質是Windows動態連接庫（DLL程序），可直接調用及訪問MicroStation的核心函數、數據庫的核心數據結構和代碼，以便擴展MicroStation固有的類及功能。

3 TIM系統功能實現

3.1 TIM系統功能概述

開發完成的巷道信息模型系統（Tunnel Information Model，TIM）通過安裝，直接以菜單及工具欄方式加載到Microstation，使用鼠標操作實現相關功能。TIM系統目前可以實現2大主要功能，分別為巷道建模、軸線坐標表及工程量表等報表導出，如圖3。

圖3 TIM系統功能界面

3.2 巷道建模

點擊“巷道建模”命令，選擇需要建模的中心線，左鍵點擊確認后彈出圖4界面，依次輸入巷道名稱、巷道參數、斷面輪廓、支護、管道、線纜及水溝等參數后，點擊繪制實現巷道三維參數化建模，建立的模型具有材料類型、工程量、尺寸、體積及工況等屬性參數，巷道參數化建模效果見圖5。

圖4 巷道建模界面

圖5 巷道參數化建模效果

TIM系統巷道參數機軌類型有單軌、雙軌及無軌，軌道羅列了礦山常用的型號，軌道型號參數可進行維護。斷面輪廓參數斷面形狀包含常用的三心拱、圓弧拱、矩形及梯形斷面，巷道寬及墻高由巷道設備參數進行配置，高跨比可選1/3，1/4及1/5等。

設計的巷道支護需要根據巷道所穿過不同的工程地質巖層，而選擇對應的支護方式，TIM系統可增加不同段的支護方式，其起終點可以輸入或通過鼠標圖形確定，支護方式可通過下拉方式進行選取設置好的支護參數。支護參數通過設置，主要需要確定支護形式、支護厚度、錨桿等參數，其中錨桿數量根據設置參數自動計算，其余凈斷面、掘進斷面、砼及噴砼等數據自動計算，支護的參數可通過導入導出進行維護。

3.3 報表導出

報表導出主要根據地采礦山設計標準及要求，導出巷道工程量表及選定軸線坐標表。

4 結論

根據對 BIM 技術在地下礦山三維協同設計中的應用分析，BIM技術在廠房及建筑三維協同設計取得了矚目的成就，由于涉及領域多專業組成以及缺乏專業級平臺軟件而使得地采礦山工程 BIM 技術推廣應用進展緩慢。本文通過在 Bentely平臺完成巷道信息模型系統（TIM）的二次開發，實現井下巷道參數化三維建模，利用Bentely平臺Project Wise進行各專業的協同設計。

（1）基于Bentely平臺的二次開發是實現地采礦山工程三維協同設計便捷的方式，是全面推進BIM技術在地采礦山工程應用的重要途徑，對于企業提高技術水平、降低成本、形成專有技術是行之有效的手段。

（2）本文開發的TIM系統形成完整的礦山工程BIM技術專業設計插件，滿足地采礦山工程三維設計要求，可實現具有專業特性的三維井巷的快速建模，實現 Bentely平臺地采礦山工程專業程序新的突破。