拓展数字化设计 推进智能化建设

文｜何利辉 李朝军

二维CAD 时代，一个完整的煤矿设计项目需要大量图纸才能描述完整，图纸的不直观性导致冲突检查困难，设计错漏和返工较多，设计质量整体偏低；设计图纸无法承载有效设计数据，设计成果不能实现后续过程的有效利用。矿山信息化建设与数字化融合不深入，综合管理效率较低，无法满足数字化矿山的建设需求。为了改善上述现状，煤矿行业借鉴水利水电、冶金行业的发展模式，逐步向工程数字化过渡。数字化实施的基础则是基于BIM 的三维信息建模技术，由于三维信息建模简单、快捷高效、表达直观、具备全生命周期管理的特点，对提高煤矿设计质量及科学管理水平具有重要的促进作用。

作为煤矿工程数字化设计的重要内容，国内学者围绕巷道可视化提出了许多思路，例如断面中线法、基于地理信息系统和虚拟现实技术的构建方法等，同时也借助Surpac、Dimine等工具进行建模，并仿照拓扑数据结构思想描述了巷道节点间的拓扑关系。关于这方面的研究虽取得一些进展并在煤矿或金属矿山进行了初步应用，但由于与BIM 技术性质的不同，存在目的及建模方式上的根本区别，BIM 设计不仅仅是可视化展现，最重要的是要实现全生命周期内的全面应用，为数字化矿山建设提供全程服务。在数字化时代，煤矿巷道系统需要利用三维多参数形式来表达，需要重点解决多源异构数据融合建模、模数关联、设计数据的传递与交互等难题。

开发平台选型

目前市面主流工厂级BIM 设计平台主要有Autodesk、Aveva、Dassault 和Bentley，从开发周期与难易程度上考虑，煤矿巷道数字化设计主要通过二次开发实现，因此，需从中选择合适的平台进行二次开发。各平台之间的比较见表1。

表1 平台比较

与其他平台相较，Bentley 公司致力于为业主提供促进基础设施可持续发展的综合解决方案，它的所有软件在同一协同平台下使用同一种数据格式进行共享与交互，并配合其三维开发能力可以最大程度解决大型、复杂工程项目多源异构混合型数据的融合问题。同时，它具备的特有EC（Engineering Content）技术可为三维模型附加图形数据，从而解决模型与数据的关联问题。此外，Bentley 的产品是面向全生命周期的，设计阶段的模型与数据可以无缝进行阶段间传递以满足下一阶段的使用需求。综上，优先选择MicroStation 作为巷道设计系统的二次开发基础平台。

系统设计

设计流程。煤矿巷道数字化设计流程如图1所示，顶层为基础数据层，包括中线数据、断面参数、支护参数、布置参数等；中间层提供三维建模以及模型与数据的关联服务；底层主要实现设计成果的多元化应用。

图1 设计流程

功能划分。根据系统设计流程，规划的巷道设计系统工作流及工具栏界面如图2所示。

图2 工作流界面

其中，主要的功能模块如下：

巷道参数化建模。该功能是根据巷道中线、断面、支护、布置等设计数据建立巷道信息模型。设计数据具备多源异构特性，数据来源主要包括：巷道名称、围岩类别等基本参数，描述巷道几何特征的断面控制参数，描述巷道支护形式的支护特征参数，水沟、台阶、设备等的布置参数。为简化流程，本次设计仅考虑矩形、半圆拱形、三心圆拱形等标准化断面，设计数据结构如表2所示。

表2 巷道设计数据结构

根据以上数据结构设计的巷道信息建模界面如图3所示。该实现过程利用的关键技术为沿路径放样及EC（Engineering Content，工程内容）技术，曲线沿路径线放样后形成曲面，曲面放样后则形成实体。EC 既可以在参数化建模过程中添加，也可以在后期通过Excel 数据库的形式附加，在MicroStation 中，选择附加EC 的元素即可查询自定义的EC 属性，可视化效果如图4所示。

图3 巷道信息建模界面

图4 EC 属性

硐室建模。对于变电所、避难所、医疗等候硐室等硐室工程，先利用巷道参数化建模工具将主体部分分步建模，然后依次对各主体之间的模型进行剪切与布尔运算，最后附加属性数据库数据即可得到硐室信息模型。

输出二维图。MicroStation 平台具备模型动态剖切技术，三维信息模型能够直接关联二维符号，软件自身优秀的尺寸与工程属性参数化标注功能也可以直接应用到开发过程当中。基于该技术可将三维巷道信息模型按照任意剖切方向一键输出满足施工需求的二维图纸，既可以避免人为错误，也节省了后期大量的修改时间。

工程算量。由于三维信息模型是模型与信息的综合体，模型是信息的载体，因此，通过三维模型元素获取到附加在模型上的属性数据之后，即可进行工程量与材料量的统计与计算，并能够以自主定制的格式进行输出，后期还可以结合工程定额库进行工程概预算。BIM 算量是三维信息模型的核心应用，从三维信息模型里读取工程量简便快捷，免去了算量的繁琐工作，尤其是针对复杂类工程变更较多的情况下较为适用。

施工模拟。施工模拟是将三维信息模型加上时间维度进行施工仿真模拟与进度管理，亦称为4D 技术，我们可以在4D 模型中计划、管理、模拟、跟踪和审查施工项目，辅助项目实现按时、按预算施工。4D 进度管理提高了建设项目的安全性、可靠性、可预测性和质量可控性，通过避免返工和提前发现进度问题实现成本节约。

4D 技术用于辅助决策，有助于降低发生问题的风险，该功能需结合项目进度管理软件SYNCHRO 来实现。首先，将Microsoft Project XML 或Primavera P6 的进度计划文件导入SYNCHRO；然后，将MicroStation 的DGN或i-Model文件导入SYNCHRO；最后，在SYNCHRO 中依次将BIM 模型与计划任务相关联后即可按照时间顺序进行施工进度控制与模拟。

设备管理。设备管理包括设备布置与分类统计，将BIM 技术纳入设备管理，基于BIM提供设备添加、查询、更新等信息共享及可视化操作平台，实现设备设施的高效管理，既能够实现设备的自动化布置，还可对各专业设备的几何与工程属性自动统计，后期还可以整合分析设备运行维护管理信息，这对于促进设备管理模式的智能化转变具有重要意义。

工程应用

巷道工程数字化设计系统分别在神华神东哈拉沟煤矿以及陕煤集团张家峁煤矿进行了应用，据此建立的三维开拓信息模型如图5所示。应用结果表明，工程算量快而准确，二维成图快且自动化程度高，设计质量及效率得到明显提升。

图5 开拓模型

同时，利用特殊视听设备可以直接对BIM设计成果进行虚拟体验，详见图6所示的为张家峁煤矿设计的360 全息展示系统。实现了视频播放、移动端控制、直接操控展示三种模式，满足了采掘工程方案设计、人员培训、安全管理、应急救援等多样化需求，拓展了三维数字化设计成果应用场景的外延。

图6 全息投影展示系统

此外，在施工方面，利用BIM 技术可对现场施工方案进行模拟以确定最优化方案，避免施工返工，并可精确确定不同施工阶段的材料用量，实现阶段性成本控制，避免材料浪费，规范及提高整体施工水平。在运营过程中，通过GIS 与BIM 的融合，利用物理模型、历史、传感器等数据，在数字空间中完成映射，从而反映相对应物理空间的全生命周期过程，实现虚拟世界与现实世界的结合，提高项目综合管控能力。

以BIM 技术为依托、参数化建模方法为指导，在MicroStation 平台下建立的煤矿巷道数字化设计系统，实现了巷道的参数化建模、工程算量、一键输出平面图表以及设备管理的功能，满足正向设计特征，解决了传统二维设计向智能三维设计过渡的问题。通过实践验证，该系统能够简化复杂的建模过程，缩短成图时间，提高设计质量与出图效率，并能实现应用场景的多维度外延，具备良好的可行性。但仍存在一些问题亟待解决，包括巷道交岔的处理、模型与数据的联动、BIM 模型的数字化移交等。后续工作中，应结合BIM 技术的信息集成及可传递性特点，综合GIS 构建煤矿三维空间信息网共享模型，实现全生命周期各阶段的数据互联互通，促进“两化融合”。