基于BIM的井下水泵房三维建模技术研究及应用

温星星

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司 西安分公司，陕西 西安 710075)

目前，煤矿设计过程及最终的交付成果都采用传统的二维图纸方式，这种交付方式虽然在一定程度上提高了设计效率，但用二维的手段来表达庞大复杂的煤矿井下生产系统并不符合人的认知和思维习惯，无法达到“可见即所得”的可视化效果，设计者在设计时需要在脑海中将三维空间的系统转化为二维呈现在图纸之上。二维图纸不能直观的给业主及施工方呈现所表达的内容，将影响到工程的建设进度与质量，浪费大量的人力、物力及财力[1-4]。

BIM三维建模技术能够有效地避免传统二维图纸所带来的缺点，尽可能发挥设计者的设计理念[5-7]。BIM技术已经在建筑、市政、水利水电等行业得到广泛的应用，然而煤炭行业对于BIM技术的应用远远落后于其他行业。因此，煤炭行业需要尽快借鉴建筑及其他行业的BIM三维设计经验，探索出一条适合本行业的BIM三维设计模式，来提高本行业的设计效率，并实现项目管理由粗放管理向精细管理转变。本文以煤矿井下水泵房为建模对象，对于水泵房硐室模型，采用Bentley公司Microstation平台软件进行创建；水泵房中的管道模型采用Bentley公司 OpenPlant Modeler软件创建；水泵房中的设备模型，统一采用Dassault公司SolidWorks软件创建模型。通过建立水泵房硐室模型、设备模型和管道模型，探索分析煤矿行业如何推行BIM技术，并利用三维模型所能实现的功能，将模型所属信息在工程应用中传递。

1 水泵房三维建模的流程

煤矿水泵房的设计需要涉及采矿、机械机制等专业的参与，通过各专业的相互配合从而实现建模任务。水泵房设计由机械机制专业选择相应排水设备并布置好位置，确定吸水井深度等，在此基础上，采矿专业完成泵房的设计，将泵房模型创建完成后，将模型放置于三维协同平台中。机械机制专业通过协同平台以采矿专业所建立的硐室模型为参考，布置好本专业设备及管道模型。不同专业将模型建立完毕后，在统一的平台上参考组装，进行碰撞检查等内容，后期再进行渲染。水泵房模型的创建流程如图1所示。

图1 水泵房模型创建流程

2 水泵房三维模型的创建

本文以煤矿井下水泵房为例，利用Microstation软件、OpenPlant软件及SolidWorks软件创建水泵房硐室、管路及设备等模型，为煤矿井下系统整体建模提供思路。

2.1 水泵房硐室模型创建及属性定义

煤矿井下巷道的空间位置由巷道导线点的三维坐标确定，每条巷道的导线点是构建巷道模型的一项数据源。如果将井田范围内的每条巷道抽象成一条线，这条线就是巷道的中心线。然而对于井下巷道而言，构建三维实体巷道，仅靠巷道中心线是不能完成的。每条巷道依据其所属用途不同，其断面形状也不同，因此巷道的断面数据也是构建巷道三维模型的另一项数据源[8-12]。在确定好巷道中心线和断面形状后，即可沿中心线方向拉伸生成三维实体巷道模型。

基于以上三维实体巷道创建的原理，水泵房硐室模型以巷道中心线和巷道断面形状为基础数据，利用Microstation软件创建巷道大致可分为以下步骤：①创建水泵房各硐室中心线，确保硐室中心线各拐点坐标的准确性；②在硐室中心线端点创建巷道断面形状；③利用Microstation软件中的拉伸功能沿中心线生成硐室模型；④对各硐室相交处以及硐室中需要开孔部位利用软件中的相关功能进行处理。按照上述步骤可建立水泵房硐室模型，所生成的水泵房硐室模型如图2所示。

图2 水泵房硐室模型

对于煤炭行业而言，目前并无专业的建模软件，上述方法仅利用Microstation软件自身所具有的功能进行创建，此方法创建巷道模型需要人工干预流程较多，后续可考虑在Microstation软件平台上进行二次开发，以提高设计人员建模效率。

在Microstation软件中创建的井巷模型不带属性信息，为了实际需求，要对其添加属性，添加的井巷工程属性信息见表1。通过Microstation软件的项类型建立水泵房属性定义项类型库，在库文件中添加巷道属性定义，由此，巷道属性定义完成，在模型中对不同类型巷道进行属性添加，将属性信息赋予巷道模型。另外，若有其他属性信息，也可继续添加并完善与井巷模型有关的属性信息。

表1 巷道属性定义

2.2 水泵房管道模型构建

管道模型的创建采用OpenPlant Modeler软件，其基于等级数据库驱动建模，包含配管、设备、支吊架、仪表、HVAC 等模块，以确保项目的整体设计模型的交付。

管道数据库是OpenPlant Modeler软件设计中创建管道模型的前提。水泵房三维管道建模时，所有管道元件的尺寸、材质、规格、型号等数据必须提前定制，才能实现管道元件的外形精确构建、连接匹配和材料准确报表。目前，OpenPlant Modeler软件自身具有的管道数据库不能满足每个工程项目的需求，因此，必须建立完善的适用于具体工程项目的管道数据库，定制适用于具体工程项目的等级库，来确保管道三维建模工作。等级库是按照不同管道材料等级筛分成不同的数据文件，使用等级库建模，选定管道材料等级和公称直径，在管道类中选择管道元件放置时，组件属性是确定的，其能够提高管道建模工作的精确性和效率。对于水泵房管道，也需定制相应的等级库来进行管道建模工作。

管道数据库创建完成后，就可用于三维管道建模，建模的前提是要有管道路径。以创建的泵房硐室模型作为参考，勾画出管道的路径。管道路径完成后，即可利用管道数据库中不同的管道类型选择相应路径创建管道。所创建的管道模型自身带有材质类型、管道直径、管道用途、管道专业等属性，不再需要人工进行属性添加。

2.3 水泵房设备模型构建

SolidWorks软件将设备模型创建完成后，通过Microstation软件创建单元库，将所有的设备模型统一建立成单元并存放于单元库中。然而设备模型需要以硐室模型为参照进行放置，因此，需建立一个独立的文件，用于存放水泵房中的设备模型，在调用单元库放置单元时通过共享单元方式放置，以减小文件的大小。

2.4 水泵房整体模型组装及渲染

在创建完水泵房硐室模型、管道模型及设备模型后，统一在Microstation平台软件进行组装并渲染。

利用Microstation软件建立一个空文件，分别参考水泵房硐室模型、管道模型和设备模型，确定各模型的嵌套深度，完成水泵房模型的组装，组装完成后进行渲染。组装并渲染的模型如图3所示。

图3 水泵房组装及渲染模型

3 三维模型的功能

利用Microstation软件、OpenPlant软件自身功能，煤矿井下水泵房模型创建完成后有以下作用：

1)获取所查看巷道或者硐室的属性信息。在三维井巷模型中，选择相应的巷道，就可通过属性信息查看与该巷道有关的信息，通过查询信息就可掌握所属巷道用途及相关参数。

2)通过切图功能获取井巷二维图纸。利用Microstation软件的切图功能对硐室模型进行处理，可将模型的平面、剖面、断面剖切成二维图，对二维图经过标注、添加文字说明等处理后，可生成二维图纸，以满足施工需要。

3)利用井巷模型做碰撞检测。在井巷模型中布置的管道和设备等是否与井巷有碰撞，可通过软件的碰撞检测功能进行测试，如果有碰撞发生，则可调整设备或者管道的位置，以满足实际生产的需要。二维平面设计中，巷道、管路、设备等是否发生交汇，一般难以发现，通过三维模型可以快速定位此类问题，为设计人员提高效率。

4)通过模型获取设备报表及工程量。根据设备模型自带的属性信息，可以生成煤矿井下水泵房的管道、管件、阀门和设备报表。利用井巷三维模型可以精确获取井巷工程量，比传统平面设计人工计算更节省时间。

5)通过三维模型优化井巷布置。首先，采掘巷道与岩体之间的空间形态通过三维实体井巷模型全方位、可视化、动态地展现出来，为合理确定矿山开拓系统、优选采矿方法提供了良好基础，大大提高工程设计、分析的能力。其次，建立三维实体巷道模型不仅能确保巷道资料管理工作的准确性，减少工作量，提高管理人员的工作效率，而且能提高企业决策的科学性和生产过程的可控性。

4 结 语

基于煤矿井下水泵房，进行了三维模型创建，给出了三维模型创建的流程及方法，通过三维模型能够全面地了解实际的工程状况，获取巷道所属信息及井巷二维图纸，得到设备报表及井巷工程量，为矿井设计行业带来新的思路。同时，BIM三维建模技术方便了不同专业间的沟通，能够帮助设计人员及时发现设计中存在的问题。因此，煤炭行业要加快推进BIM技术在矿井工程设计中的应用。