露天煤矿地面生产系统BIM正向设计

武迪俊，王忠鑫，2，肖 兵，黄月军

(1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015； 2.煤炭科学研究总院 沈阳露天采矿技术研究分院，辽宁 沈阳 110015； 3.神华北电胜利能源有限公司 胜利一号露天煤矿，内蒙古 锡林浩特 026000)

数字矿山是指以计算机及其网络为手段[1-3]，把矿山的所有空间和有用属性实现数字化储存、传输、表述和深加工，应用于各个生产环节与管理和决策之中，以达到生产方案优化、管理高效和决策科学化的目的[4，5]。在数字化矿山变革的大趋势下，BIM技术的应用势必成为煤矿设计的转型升级的核心[6-10]。BIM技术(Building Information Modeling)是一种集设计、施工、后期管理于一体的管理工具[11-13]，BIM正向设计是相对于“翻模设计”而言的，翻模设计是在传统二维CAD设计的基础上建立三维模型，不仅设计效率低同时也无法发挥BIM技术优化性等优势。三维协同正向设计是设计相关所有专业利用协同平台同时进行设计，可大幅提高设计效率和设计质量[14-17]。

BIM技术在煤炭行业的应用处于起步阶段，本文利用Bentley软件以伊敏露天矿煤炭生产补套完善项目为例，研究BIM技术在露天煤矿地面生产系统的应用与BIM正向设计流程的探讨，实现所有专业的正向协同设计[18，19]。

1 露天煤矿BIM正向设计流程

BIM三维协同正向设计可应用于设计的不同阶段，如可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段，本文仅讨论施工图设计阶段，其工作流程如图1所示。

图1 项目工作流程

首先，根据BIM正向设计流程完成设计平台的搭建制定相关标准，创建协同工作区。项目负责人制定项目计划，并根据计划制定各专业负责人同时分配各设计人的权限。工艺专业进行方案布置，并给相关专业提供设计依据。各专业通过设计依据在协同平台中共同完成本专业的设计，同时完成单体专业总装工作并负责各专业间的碰撞检查工作。项目负责人根据各个单体专业总装完成项目全厂的总装工作。根据出图标准，以三维模型为基础完成二维出图工作，得到施工模型并计算出项目的工程量。

2 露天矿地面生产系统设计实例

2.1 工程简介

伊敏露天矿位于大兴安岭西坡，伊敏河中下游地区，行政区划属内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗管辖。露天矿地面生产系统运煤卡车向3号半移动式破碎站受料仓卸料，一次破碎后原煤粒度为0～300mm，转载至排料带式输送机，将原煤输送到三号二次破碎车间，三号二次破碎车间内布置一台双齿辊破碎机，破碎机能力为3000t/h，二次破碎后原煤粒度为0～50mm。破碎后的产品煤通过801带式输送机输送至7号缓冲仓仓上，再通过配仓带式输送机将产品煤输送至7号和8号圆筒仓内储存，再通过仓下布置的16台插板给料机将煤转载进入802带式输送机，进入装车站内，通过铁路装车外运。项目建成后露天矿达产27Mt/a。

2.2 项目设计流程

2.2.1 合作区的创建

工程分解结构是根据露天矿工程项目的工艺流程或者空间布置分区，按照一定的分类和编号规则进行组织、形成可分层级显示各个单项工程及专业的树状结构。项目负责人根据搭建的三维协同设计平台制定项目工作计划，根据工程分解结构制定各专业设计人工作计划。然后总图专业和工艺专业协同制定地面生产系统的各个位置的坐标、标高。

2.2.2 模型的建立

露天煤矿地面生产系统主要包括的设备主要为破碎站、带式输送机和转载站。工艺专业根据总图制定的位置标高，完成工艺设备模型的建立同时给相关专业提供设计资料。水暖电土建等专业根据工艺专业的设计资料完成各自专业的详细设计，建立BIM模型如图2所示。同时完成工艺设备的单体总装。在完成的设备模型中，可以给设备添加自定义属性，方便后续统计计算项目工程量等工作。

图2 带式输送机三维模型

2.2.3 协同设计

水暖电土建专业根据工艺专业的设计资料完成各自专业的详细设计，同时需要完成碰撞检查(图3)，碰撞检查是各个专业间的硬碰撞检查和软碰撞检查(安全间距)的统称[20，21]，各个专业完成设计后由专业负责人进行汇总完成单项工程的分装，同时对单项工程进行碰撞检查。碰撞检查完成后，专业内部发生碰撞的由专业设计负责人进行更改；专业间发生碰撞的由发生碰撞的相关专业负责人沟通协调，确定修改原则直到完全通过碰撞检查。

图3 暖通专业和消防专业的碰撞

待各个单项工程全部完成后，将各个单项工程模型进行全厂的模型总装。全厂总装后的三维模型可根据需求完成环境渲染和生成动画，完成数字化交付，对全厂及各个单项工程以不同的角度制作动画，更加直观、更加形象、更加详细的展示设计成果。最后各专业可以根据Bentley模型生成二维图纸，满足施工要求。

3 露天煤矿BIM正向设计特征

3.1 优势

1)可视化。以往二维设计的图纸，真正的构造需要看图纸的人自己去想象，而BIM正向设计中直接展示露天煤矿地面生产系统的三维模型，给人直观的感受。不仅仅在项目展示方面，在设计过程中的方案设计讨论也更加直接。

2)协同设计。在地面生产系统的设计中需要许多专业互相配合完成，在二维设计中，往往都是各自专业独自完成本专业设计，这就造成了由于沟通不畅造成专业间互相冲突的问题，例如检修间中暖通专业的管道和消防专业的消防箱发生碰撞，二维设计中通常要到施工中才会发现。BIM三维正向设计各个专业共享设计平台，各个专业都在相同平台下协同设计，可解决多专业设计协同问题。同时，在BIM正向设计中，单一专业设计存在的安全距离和安全间隙等软碰撞协调问题也一并得到了解决。

3)优化性。设计是一个优化的过程，BIM三维正向设计更是如此，BIM三维正向设计构造一个真实的模型，是后续优化设计的基础。BIM正向设计可以直观的反应露天煤矿地面生产系统各单项中存在的问题，将问题暴露于设计过程中，避免在施工中出现问题，提高了设计质量和设计效率，减少设计变更，大大缩短项目建设期，有效降低露天煤矿企业成本。

4)精细化。由于三维模型计算工程量的准确性，提供更加准确的工程基础数据，露天煤矿企业可以更加准确地计算出工程项目所需要的工程量，得到更加精细化的工程造价，为项目后期管理提供数据支撑。露天煤矿企业可以制定更加精确的人员、材料、机械计划，从而避免了人力资源、仓储环节和物流运输的浪费，提升了露天煤矿总承包项目管理水平，进而有效控制项目管理成本。BIM模型为露天煤矿全生命周期管理提供真实、可靠的模型基础。设计质量和设计效率的提升有助于露天煤矿地面生产系统管理的精细化，避免了大量的重复劳动。

3.2 面临的问题

1)BIM技术在我国煤矿行业中还处于起步阶段。在我国露天煤矿企业中，BIM技术还没有被广泛应用，在实际项目中，露天煤矿企业对BIM技术要求较少。BIM技术在设计单位中处于摸索阶段，煤矿企业、施工企业、设备制造企业、造价企业并没有应用BIM技术，因此BIM技术在露天煤矿地面生产系统中的项目全生命周期优势仅仅在设计环节中得到了体现，并没有充分体现BIM正向设计的价值。

2)BIM软件基于露天煤矿地面生产系统的设备库并不完善。露天矿地面生产系统的主要设备库不完善，在BIM正向设计中无法从“设备库”中调取相应的设备，无形当中增加了设计任务导致设计效率降低，延长了设计周期，甚至影响整个项目建设期。

3.3 应用前景

BIM技术应用于露天煤矿是大势所趋，随着未来在煤炭行业中制定BIM正向设计标准和相关规范，同时在数字化矿山和智慧矿山等国家政策的鼓励下，BIM技术三维正向设计在露天矿的应用一定会得到高速发展，BIM三维正向设计对于二维设计是一次划时代的技术革命，BIM技术的优势会在露天煤矿工程项目的全生命周期得到彻底体现，BIM技术对露天煤矿企业完成信息化管理、精细化管理起到至关重要的作用。工程设计企业应用BIM技术会增加企业在市场中的竞争力，BIM正向设计也一定会广泛地应用于露天煤矿。

4 结 语

1)结合伊敏露天矿煤炭生产补套完善项目的BIM正向设计，建立了露天煤矿BIM正向设计流程的方法，形成了全专业在协同平台共同完成正向设计的体系。

2)露天矿BIM应用起步较晚，并没有形成统一的行业标准，应建立统一的煤炭行业标准，转变设计思路和习惯，在露天煤矿中充分发挥BIM正向设计的优势。BIM正向设计具备可视化、设计协同性、精确化、优化性等优势，随着信息技术的发展，BIM正向设计是实现数字化矿山的重要手段。面对新的市场发展环境和市场要求，发展数字化设计和移交是设计单位提升市场竞争力、保持行业领先地位的必然途径。