張龍正，李正虎，劉建浩

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120；2.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型，最早由美國(guó)Chuck Eastman博士提出的“建筑描述系統(tǒng)”演化而來(lái)。隨著技術(shù)發(fā)展，BIM已被國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的行業(yè)和單位所重視[1]。目前BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用已經(jīng)成熟，在國(guó)內(nèi)水利、水電、冶金等基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)也得到廣泛應(yīng)用[2]。BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)三維可視化直觀設(shè)計(jì)、智能聯(lián)動(dòng)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)[3]。BIM模型集成大量信息的特點(diǎn)，在信息管理、成本控制、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、信息溝通等方面有極大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能用于復(fù)雜工程的項(xiàng)目管理、虛擬仿真、工程數(shù)字化應(yīng)用等方面[4，5]。煤炭行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，井下開(kāi)采又相對(duì)危險(xiǎn)，理論上對(duì)BIM技術(shù)需求更甚。但受近年來(lái)行業(yè)景氣度差、行業(yè)傳統(tǒng)粗放發(fā)展的影響，BIM技術(shù)研究、應(yīng)用相對(duì)水利、冶金等行業(yè)都較滯后，加之沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的煤田地質(zhì)、巷道、硐室BIM設(shè)計(jì)軟件，井下巷道斷面相對(duì)長(zhǎng)度不成比例，煤炭設(shè)計(jì)單位多且規(guī)模較小，使得BIM技術(shù)在礦井工程中的應(yīng)用難度更高。因此研究BIM技術(shù)在采掘設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)于整個(gè)煤炭行業(yè)的技術(shù)變革，從粗放管理向精細(xì)管理轉(zhuǎn)變，保證礦井的安全生產(chǎn)具有重要的意義[6]。

1 工程概況

張家峁礦井位于陜西省榆林市神木縣北部，核定生產(chǎn)能力10.0Mt/a。礦井主采3-1、4-2和5-2三個(gè)煤層，另有2-2煤層為局部可采煤層，相鄰可采煤層間距25～70m，各煤層均是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力、工業(yè)氣化以及建材工業(yè)用煤。礦井采用平硐開(kāi)拓方式，工業(yè)場(chǎng)地布置有主、副兩條平硐，主、副平硐見(jiàn)5-2號(hào)煤層后沿地方煤礦開(kāi)采區(qū)邊界東西向布置各煤組開(kāi)拓大巷?；仫L(fēng)井場(chǎng)地內(nèi)布置一條回風(fēng)斜井落底于5-2煤層，二盤(pán)區(qū)風(fēng)井場(chǎng)地內(nèi)布置有一對(duì)二盤(pán)區(qū)進(jìn)、回風(fēng)斜井，二盤(pán)區(qū)進(jìn)風(fēng)斜井井底落底于4-2煤層，二盤(pán)區(qū)回風(fēng)斜井井底落底于5-2煤層。全礦井一個(gè)主水平開(kāi)拓，大巷沿5-2煤層布置。隨著井下開(kāi)采向西推移，在2煤組、3煤組及4煤組分別布置輔助水平大巷。經(jīng)過(guò)10余年大規(guī)模開(kāi)發(fā)井下開(kāi)采范圍大幅增加，而各可采煤層中均布置有巷道、硐室等，井下巷道連接錯(cuò)綜復(fù)雜。礦井采掘工作是一個(gè)動(dòng)態(tài)推進(jìn)過(guò)程，每年新增各類(lèi)巷道硐室掘進(jìn)工程量在3000m以上，新增的開(kāi)拓、開(kāi)采巷道如何避開(kāi)小煤窯危險(xiǎn)源，與現(xiàn)有巷道如何經(jīng)濟(jì)、安全的連接，采用二維設(shè)計(jì)方式難度越來(lái)越大。

因此采用BIM技術(shù)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，利用其所見(jiàn)即所得的可視化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中可以很方便的避開(kāi)各類(lèi)危險(xiǎn)源；借助三維地質(zhì)模型及現(xiàn)有巷道分布，找到最經(jīng)濟(jì)合理的新開(kāi)拓開(kāi)采巷道布置走向；利用設(shè)備與巷道硐室的協(xié)同作業(yè)，布置最經(jīng)濟(jì)合理的巷道斷面；利用BIM模型還可以任意剖切二維圖紙，精確計(jì)算工程量材料量，在保證安全施工的前提下，還可以節(jié)省大量施工費(fèi)用。同時(shí)利用BIM模型中附帶的大量信息，可服務(wù)于工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段，項(xiàng)目施工后業(yè)主可得到一份和真實(shí)工程一致的數(shù)字化資產(chǎn)。

2 BIM模型建立

張家峁礦采掘工程BIM模型主要有煤層模型、井巷及硐室模型、設(shè)備模型及其他模型組成，模型精細(xì)度按LOD300(施工圖級(jí)別)考慮。項(xiàng)目采用Bentley公司Microstation(以下簡(jiǎn)稱(chēng)MS)軟件作為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)模型的建立、組裝及應(yīng)用。BIM設(shè)計(jì)中各專(zhuān)業(yè)模型通過(guò)參考方式建立聯(lián)系，這種模式由傳統(tǒng)信息化手段協(xié)同中基于文件架構(gòu)轉(zhuǎn)向了基于構(gòu)件、元素模型的協(xié)同，對(duì)數(shù)據(jù)架構(gòu)和形式有了更深入的要求[7，8]。

2.1 BIM模型建立流程

一個(gè)完整的采掘工程BIM模型，包含數(shù)萬(wàn)個(gè)各類(lèi)模型元素，建模過(guò)程又需團(tuán)隊(duì)協(xié)作、專(zhuān)業(yè)分工。為保障模型符合需求，參與人員共享同一個(gè)工作環(huán)境，并制定合理的模型建立流程，如圖1所示。

圖1 采掘工程BIM模型建立流程

2.2 煤層模型建立

傳統(tǒng)三維地質(zhì)建模軟件如Surpac、3DMine等都是針對(duì)金屬類(lèi)塊狀模型，不能較好適應(yīng)煤炭層狀模型，因此基于MS二次開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)針對(duì)煤炭層狀模型的建模插件。該插件可基于地質(zhì)報(bào)告中煤層底板等高線、鉆孔綜合成果表、井田邊界線及生產(chǎn)過(guò)程中巷探或鉆探數(shù)據(jù)等，通過(guò)空間插值計(jì)算進(jìn)行煤層參數(shù)化建模，煤層中包含的斷層等構(gòu)造采用布爾運(yùn)算結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行建模[9]。建立的地質(zhì)模型能自動(dòng)剖切、算量，為巷道布置提供支持。

2.3 巷道及硐室模型建立

礦井采掘工程BIM設(shè)計(jì)中，工作量最大部分即為各類(lèi)巷道及硐室建模。目前市場(chǎng)上能滿足煤礦巷道及硐室施工圖深度的建模軟件比較少，并且都采用網(wǎng)格Mesh組合成體方式，造成建立的巷道模型內(nèi)無(wú)法精確布置設(shè)備、管道。考慮數(shù)據(jù)兼容，也采用MS平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)插件方式進(jìn)行巷道及硐室參數(shù)化實(shí)體建模。插件中包含斷面形式、斷面特征、支護(hù)形式等參數(shù)，參數(shù)化建模大幅提高了井巷及硐室建模效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度?？紤]巷道、硐室中支護(hù)材料如錨桿錨索、金屬網(wǎng)片數(shù)量多，實(shí)體占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存高，以實(shí)體顯示必要性不強(qiáng)等因素，該類(lèi)模型僅以邏輯方式顯示，但體現(xiàn)布置方式、間距等屬性，從而實(shí)現(xiàn)了建模過(guò)程中能自動(dòng)統(tǒng)計(jì)材料消耗量，又輕量化設(shè)計(jì)模型。參數(shù)化建立的井巷及硐室模型如圖2所示。

圖2 參數(shù)化建立巷道、硐室模型

2.4 設(shè)備模型建立

井下設(shè)備非標(biāo)件較少，大多為成品設(shè)備，設(shè)備建模不考慮設(shè)備加工制造，只考慮站位及信息管理需要，設(shè)備模型利用MS建立。設(shè)備建模應(yīng)符合以下幾點(diǎn)：外形尺寸準(zhǔn)確；設(shè)備安裝對(duì)應(yīng)螺栓、專(zhuān)業(yè)接口、開(kāi)孔等準(zhǔn)確定位；設(shè)備模型應(yīng)放置在cell庫(kù)中建成設(shè)備單元并掛接標(biāo)準(zhǔn)化屬性，設(shè)備放置時(shí)采用共享單元方式；各類(lèi)設(shè)備都應(yīng)盡量輕量化(采掘工程設(shè)備模型多，容量占比70%左右，不輕量化處理后期模型匯總后會(huì)比較卡頓)，因此即使復(fù)雜模型如采煤機(jī)單臺(tái)模型文件大小也不要超過(guò)2MB。工作面設(shè)備模型渲染后如圖3所示。

圖3 渲染后的工作面設(shè)備模型

2.5 管材、裝備等其他模型建立

采掘工程中其他模型包括輸水管路，巷道、硐室內(nèi)設(shè)備安裝，各種安全設(shè)施等，除管路可以用Bentley的OpenPlant軟件參數(shù)化建模外，其他模型也通過(guò)MS建模入庫(kù)再調(diào)用。采用該方式建立的井下水泵房模型如圖4所示，包含有托管梁、管路、密閉門(mén)、爬梯等。

圖4 水泵房?jī)?nèi)部模型

3 BIM模型的應(yīng)用

BIM作為基于信息及模型的集成技術(shù)，利用三維幾何模型對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行精確表達(dá)，具有直觀性、可分析性、可共享性和可管理性的特征[10，11]。BIM模型在采掘工程中的應(yīng)用圍繞這幾個(gè)方面。

3.1 利用BIM技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)協(xié)同

多專(zhuān)業(yè)協(xié)同合作是BIM設(shè)計(jì)核心。專(zhuān)業(yè)實(shí)時(shí)協(xié)同就能提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，這種模式加快了信息傳遞速度，減少了溝通工作量，有效避免二維設(shè)計(jì)的錯(cuò)、漏、碰、缺。由模型可以看出，二盤(pán)區(qū)進(jìn)風(fēng)井因位置不合適，造成每次穿煤層時(shí)和進(jìn)風(fēng)巷道連接需臨近回風(fēng)大巷繞開(kāi)躲避，4組回風(fēng)大巷共計(jì)增加工程量120m，采用BIM技術(shù)左移井筒15m就可避免該類(lèi)問(wèn)題，如圖5所示。

圖5 BIM設(shè)計(jì)優(yōu)化井巷布置

3.2 直接生成二維圖紙

地質(zhì)模型與井巷模型匯總后，可任意剖切生成地質(zhì)剖面，井巷平、剖面圖，設(shè)備布置圖。能夠做到360°剖切需表達(dá)模型的任意位置，保證出圖的有效性，不會(huì)出現(xiàn)人為剖切錯(cuò)誤[12]。對(duì)相關(guān)圖紙進(jìn)行文字、圖例說(shuō)明及添加標(biāo)注后，即可滿足施工需要。同時(shí)施工過(guò)程中模型信息可以直接讀取，隨時(shí)掌握煤層、構(gòu)造信息，對(duì)影響施工安全的因素提前解決。

3.3 專(zhuān)業(yè)內(nèi)、外碰撞檢查

匯總模型可通過(guò)軟件自帶碰撞檢查功能進(jìn)行專(zhuān)業(yè)內(nèi)、專(zhuān)業(yè)間軟碰撞(如人行道寬度不低于1.0m)和硬碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)碰撞改正。采掘工程的各種主要巷道、聯(lián)絡(luò)巷等，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種管線交匯，二維設(shè)計(jì)中難以表達(dá)，施工現(xiàn)場(chǎng)要放樣，施工周期延長(zhǎng)，質(zhì)量也難以保證。在BIM環(huán)境中這類(lèi)空間為題可以快速解決并準(zhǔn)確表達(dá)，為施工方案提供幫助，如圖6所示。

圖6 帶式輸送機(jī)機(jī)頭硐室布置圖

3.4 工程量材料量精確統(tǒng)計(jì)，快速生成報(bào)表

利用BIM模型可對(duì)各部分進(jìn)行工程量提取，包括硐室端墻、巷道相交點(diǎn)，使得工程量材料量統(tǒng)計(jì)更準(zhǔn)確。本項(xiàng)目中通過(guò)BIM模型統(tǒng)計(jì)的工程量材料量，比傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手工計(jì)算節(jié)省3%。利用BIM模型對(duì)各類(lèi)量快速統(tǒng)計(jì)，可與施工隊(duì)每月進(jìn)行成本、材料消耗分析，及時(shí)掌握材料使用、調(diào)配情況，對(duì)施工過(guò)程成本管控有重要價(jià)值。

3.5 工程數(shù)據(jù)集成，關(guān)聯(lián)模型，實(shí)時(shí)查詢

采掘工程BIM設(shè)計(jì)中，模型關(guān)聯(lián)了圖紙、報(bào)表、設(shè)備安裝等工程信息，用戶可通過(guò)模型直接打開(kāi)關(guān)聯(lián)文件，訪問(wèn)查詢相關(guān)資料，也可以把施工過(guò)程中施工方法、安全隱患加進(jìn)去。生產(chǎn)期間若井下發(fā)生安全問(wèn)題可以快速定位事故點(diǎn)相關(guān)所有信息，大幅縮短應(yīng)急決策反映時(shí)間。

3.6 基于BIM模型的移動(dòng)端利用

張家峁礦采掘工程BIM模型及相關(guān)信息最后均以i-model形式輕量化發(fā)布，利用移動(dòng)端、PC機(jī)進(jìn)行模型漫游展示，設(shè)計(jì)交底，供現(xiàn)場(chǎng)決策會(huì)商。

4 存在的問(wèn)題

BIM技術(shù)進(jìn)入國(guó)內(nèi)多年來(lái)，雖然在化工、水利等行業(yè)得到了普遍應(yīng)用，通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)施，雖然驗(yàn)證了BIM技術(shù)在煤炭行業(yè)應(yīng)用技術(shù)上可行，但實(shí)際應(yīng)用中還存在眾多問(wèn)題，表現(xiàn)如下：

1)沒(méi)有適合煤炭地質(zhì)層狀模型建模的專(zhuān)用三維軟件，而地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存又是井下開(kāi)拓開(kāi)采巷道布置首要影響因素。

2)與采掘巷道長(zhǎng)度相比，巷道斷面及煤層厚度不成比例，而各類(lèi)三維軟件視圖范圍又有限制，造成巷道斷面、煤層厚度可視化效果不好。

3)缺少針對(duì)采掘工程需求的族庫(kù)及參數(shù)化建模、模型相交處理功能，90%以上的建模及巷道交岔處理靠人工，大幅增加設(shè)計(jì)人員工作量，降低了設(shè)計(jì)效率。

4)采掘工程和建筑類(lèi)工程相比標(biāo)準(zhǔn)化程度低，因此要對(duì)BIM軟件進(jìn)行大量二次開(kāi)發(fā)，內(nèi)嵌煤炭行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算、管理等需求，才能提高BIM設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)BIM軟件在煤炭行業(yè)落地，但這對(duì)傳統(tǒng)煤炭設(shè)計(jì)院提出了重大挑戰(zhàn)。

5)業(yè)主對(duì)BIM需求不足，行業(yè)政策支持不夠，軟件費(fèi)用高，學(xué)習(xí)使用難度大，對(duì)硬件要求高，使得設(shè)計(jì)單位缺少動(dòng)力，設(shè)計(jì)人員有抵觸心理，阻礙著B(niǎo)IM技術(shù)在礦井工程中的深入應(yīng)用研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

從本項(xiàng)目的實(shí)施看，采掘工程利用BIM理念設(shè)計(jì)技術(shù)上是可行的，能大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。井下采掘是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，BIM模型不僅直觀、逼真，同時(shí)集成了大量信息，因此BIM設(shè)計(jì)成果在施工、生產(chǎn)階段價(jià)值更能體現(xiàn)價(jià)值，特別是發(fā)生災(zāi)害時(shí)能大幅縮短應(yīng)急救援時(shí)間。但BIM技術(shù)在煤炭行業(yè)落地，必須解決三維地質(zhì)建模問(wèn)題，并通過(guò)大量二次開(kāi)發(fā)提高BIM設(shè)計(jì)效率，同時(shí)挖掘BIM成果在施工、生產(chǎn)及智慧礦山建設(shè)方面的價(jià)值，才能助推BIM技術(shù)在礦井工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。