拓展數字化設計 推進智能化建設

文｜何利輝 李朝軍

二維CAD 時代，一個完整的煤礦設計項目需要大量圖紙才能描述完整，圖紙的不直觀性導致沖突檢查困難，設計錯漏和返工較多，設計質量整體偏低；設計圖紙無法承載有效設計數據，設計成果不能實現后續過程的有效利用。礦山信息化建設與數字化融合不深入，綜合管理效率較低，無法滿足數字化礦山的建設需求。為了改善上述現狀，煤礦行業借鑒水利水電、冶金行業的發展模式，逐步向工程數字化過渡。數字化實施的基礎則是基于BIM 的三維信息建模技術，由于三維信息建模簡單、快捷高效、表達直觀、具備全生命周期管理的特點，對提高煤礦設計質量及科學管理水平具有重要的促進作用。

作為煤礦工程數字化設計的重要內容，國內學者圍繞巷道可視化提出了許多思路，例如斷面中線法、基于地理信息系統和虛擬現實技術的構建方法等，同時也借助Surpac、Dimine等工具進行建模，并仿照拓撲數據結構思想描述了巷道節點間的拓撲關系。關于這方面的研究雖取得一些進展并在煤礦或金屬礦山進行了初步應用，但由于與BIM 技術性質的不同，存在目的及建模方式上的根本區別，BIM 設計不僅僅是可視化展現，最重要的是要實現全生命周期內的全面應用，為數字化礦山建設提供全程服務。在數字化時代，煤礦巷道系統需要利用三維多參數形式來表達，需要重點解決多源異構數據融合建模、模數關聯、設計數據的傳遞與交互等難題。

開發平臺選型

目前市面主流工廠級BIM 設計平臺主要有Autodesk、Aveva、Dassault 和Bentley，從開發周期與難易程度上考慮，煤礦巷道數字化設計主要通過二次開發實現，因此，需從中選擇合適的平臺進行二次開發。各平臺之間的比較見表1。

表1 平臺比較

與其他平臺相較，Bentley 公司致力于為業主提供促進基礎設施可持續發展的綜合解決方案，它的所有軟件在同一協同平臺下使用同一種數據格式進行共享與交互，并配合其三維開發能力可以最大程度解決大型、復雜工程項目多源異構混合型數據的融合問題。同時，它具備的特有EC（Engineering Content）技術可為三維模型附加圖形數據，從而解決模型與數據的關聯問題。此外，Bentley 的產品是面向全生命周期的，設計階段的模型與數據可以無縫進行階段間傳遞以滿足下一階段的使用需求。綜上，優先選擇MicroStation 作為巷道設計系統的二次開發基礎平臺。

系統設計

設計流程。煤礦巷道數字化設計流程如圖1所示，頂層為基礎數據層，包括中線數據、斷面參數、支護參數、布置參數等；中間層提供三維建模以及模型與數據的關聯服務；底層主要實現設計成果的多元化應用。

圖1 設計流程

功能劃分。根據系統設計流程，規劃的巷道設計系統工作流及工具欄界面如圖2所示。

圖2 工作流界面

其中，主要的功能模塊如下：

巷道參數化建模。該功能是根據巷道中線、斷面、支護、布置等設計數據建立巷道信息模型。設計數據具備多源異構特性，數據來源主要包括：巷道名稱、圍巖類別等基本參數，描述巷道幾何特征的斷面控制參數，描述巷道支護形式的支護特征參數，水溝、臺階、設備等的布置參數。為簡化流程，本次設計僅考慮矩形、半圓拱形、三心圓拱形等標準化斷面，設計數據結構如表2所示。

表2 巷道設計數據結構

根據以上數據結構設計的巷道信息建模界面如圖3所示。該實現過程利用的關鍵技術為沿路徑放樣及EC（Engineering Content，工程內容）技術，曲線沿路徑線放樣后形成曲面，曲面放樣后則形成實體。EC 既可以在參數化建模過程中添加，也可以在后期通過Excel 數據庫的形式附加，在MicroStation 中，選擇附加EC 的元素即可查詢自定義的EC 屬性，可視化效果如圖4所示。

圖3 巷道信息建模界面

圖4 EC 屬性

硐室建模。對于變電所、避難所、醫療等候硐室等硐室工程，先利用巷道參數化建模工具將主體部分分步建模，然后依次對各主體之間的模型進行剪切與布爾運算，最后附加屬性數據庫數據即可得到硐室信息模型。

輸出二維圖。MicroStation 平臺具備模型動態剖切技術，三維信息模型能夠直接關聯二維符號，軟件自身優秀的尺寸與工程屬性參數化標注功能也可以直接應用到開發過程當中。基于該技術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，也節省了后期大量的修改時間。

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在模型上的屬性數據之后，即可進行工程量與材料量的統計與計算，并能夠以自主定制的格式進行輸出，后期還可以結合工程定額庫進行工程概預算。BIM 算量是三維信息模型的核心應用，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，尤其是針對復雜類工程變更較多的情況下較為適用。

施工模擬。施工模擬是將三維信息模型加上時間維度進行施工仿真模擬與進度管理，亦稱為4D 技術，我們可以在4D 模型中計劃、管理、模擬、跟蹤和審查施工項目，輔助項目實現按時、按預算施工。4D 進度管理提高了建設項目的安全性、可靠性、可預測性和質量可控性，通過避免返工和提前發現進度問題實現成本節約。

4D 技術用于輔助決策，有助于降低發生問題的風險，該功能需結合項目進度管理軟件SYNCHRO 來實現。首先，將Microsoft Project XML 或Primavera P6 的進度計劃文件導入SYNCHRO；然后，將MicroStation 的DGN或i-Model文件導入SYNCHRO；最后，在SYNCHRO 中依次將BIM 模型與計劃任務相關聯后即可按照時間順序進行施工進度控制與模擬。

設備管理。設備管理包括設備布置與分類統計，將BIM 技術納入設備管理，基于BIM提供設備添加、查詢、更新等信息共享及可視化操作平臺，實現設備設施的高效管理，既能夠實現設備的自動化布置，還可對各專業設備的幾何與工程屬性自動統計，后期還可以整合分析設備運行維護管理信息，這對于促進設備管理模式的智能化轉變具有重要意義。

工程應用

巷道工程數字化設計系統分別在神華神東哈拉溝煤礦以及陜煤集團張家峁煤礦進行了應用，據此建立的三維開拓信息模型如圖5所示。應用結果表明，工程算量快而準確，二維成圖快且自動化程度高，設計質量及效率得到明顯提升。

圖5 開拓模型

同時，利用特殊視聽設備可以直接對BIM設計成果進行虛擬體驗，詳見圖6所示的為張家峁煤礦設計的360 全息展示系統。實現了視頻播放、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計、人員培訓、安全管理、應急救援等多樣化需求，拓展了三維數字化設計成果應用場景的外延。

圖6 全息投影展示系統

此外，在施工方面，利用BIM 技術可對現場施工方案進行模擬以確定最優化方案，避免施工返工，并可精確確定不同施工階段的材料用量，實現階段性成本控制，避免材料浪費，規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、傳感器等數據，在數字空間中完成映射，從而反映相對應物理空間的全生命周期過程，實現虛擬世界與現實世界的結合，提高項目綜合管控能力。

以BIM 技術為依托、參數化建模方法為指導，在MicroStation 平臺下建立的煤礦巷道數字化設計系統，實現了巷道的參數化建模、工程算量、一鍵輸出平面圖表以及設備管理的功能，滿足正向設計特征，解決了傳統二維設計向智能三維設計過渡的問題。通過實踐驗證，該系統能夠簡化復雜的建模過程，縮短成圖時間，提高設計質量與出圖效率，并能實現應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、模型與數據的聯動、BIM 模型的數字化移交等。后續工作中，應結合BIM 技術的信息集成及可傳遞性特點，綜合GIS 構建煤礦三維空間信息網共享模型，實現全生命周期各階段的數據互聯互通，促進“兩化融合”。