基于BIM技术的数字化矿山建模研究

陈 镇，陈孝乾，刘 萍，贾毅超，罗 畅(1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

煤矿开采是一个不断变化的动态过程，煤矿井下地质条件多样，环境恶劣，煤矿工程过程复杂，参与方众多，但交互沟通方面信息堵塞，项目生产过程中存在管理水平差、资源浪费严重、工作效率低等问题[1]。

李建良等[2]分析了我国煤矿数字化矿山建设现状，提出了煤矿全息数字化矿山平台的设计思路；黄贺[3]将BIM技术运用于大柳塔煤矿，利用BIM技术完成从设计模型到施工模型应用，并通过精细施工仿真模拟实现项目整体进度管理；王青薇等[4]分析了基于BIM技术进行工程投资的控制理论，结合集成管理思想，探讨了BIM技术进行投资控制的可行性；邓大智[5]研究了BIM技术在煤矿采掘工程中的应用，分析了BIM技术在煤矿开采过程中的实用性，得出BIM技术对于采掘工程施工效率具有正向作用；齐聪等[6]利用Revit软件为内核的ODBC数据库结构，基于Revit软件建筑信息模型现状，分析了Revit软件进行二次开发的可行性，比较了其他工程量计算软件的特点，提出了一种基于BIM技术的新工程量计算软件开发模式；李梅等[7]研究了三维可视化技术，通过智慧矿山研究提出矿山三维可视化技术的组成，剖析了三维数据获取与建模、三维技术标准的发展趋势，并为三维可视化提出了若干思路。

国内BIM技术应用领域相当广泛，最常见的是建筑、结构、管道、桥梁道路等领域[8]，但是真正应用于煤矿领域的案例相对较少，开发程度较低，许多研究依旧停在理论阶段，而国内数字化矿山建设已初步实现局部生产环节的自动化，但是仍未建立真正意义上的数字化矿山工程[9]。针对此类问题，本文利用BIM技术对贵州省某矿区矿井创建数字化矿山模型进行探究及讨论。

1 BIM技术在数字化矿山中的应用

数字化矿山主体工程可以简化为真实仿真世界，三维可视化是用于描述和理解矿山地下及地面上诸多现象的一种工具[10]。BIM技术三维可视化可以利用WEBGL等3D技术实现零客户端B/S方式大体量加载和游览，BIM技术的物联网相关技术通过实时生成的数据采集、关键设备的远程控制、GIS技术、传感器等相关技术设备实现大规模三维地理信息游览。物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息的交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能[11]。通过多个层面协作可以实现远程实时控制和游览矿山工作效果等功能，提高数字化矿山的商业应用和决策支撑[12]。BIM技术各个平台软件详细介绍见表1，本文主要采用Autodesk旗下的三款软件Revit、Civil3D、Dynamo作为主要研究软件[13]。

表1 BIM技术各个平台软件介绍Table 1 Introduction to BIM technology platform software

2 数字化矿山模型参数化创建

2.1 工程概况

贵州省织金县某煤矿位于织金县县城北东约25 km处，地理坐标为东经105°57′04″～105°57′35″，北纬26°43′21″～26°44′09″。该矿区总体构造形态为一个走向北西-南东向、倾向北东-南西向的单斜构造，矿区内地层产状有一定变化，地层倾角一般为16°～23°，平均约为20°，开拓方式为斜井开拓；有主斜井、副斜井、回风斜井三条，+1 150 m水平布置石门、+1 150 m轨道石门、+1 150 m胶带输送机石门和+1 150 m回风石门通过联络巷连接形成系统，并在井底布置了中央变电所及水泵房、水仓、永久避难硐室等。该矿山占地面积较大，传统的全站仪等设备难以快速测量矿山的地质地貌，井下巷道也众多，安全监管难度大，矿山数据信息共享效率低，一定程度上制约了井下的生产效率。

2.2 创建地质模型及其井田开拓定位轴线

Dynamo For Revit程序是Revit软件中的一个可视化编程插件，能将点坐标形式转化为矿区地质模型。本文通过经纬坐标取整，将贵州省某矿整个地质地貌三维可视化后，取点将数据整理成Excel表格形式，利用BIM软件自带的Dynamo自动建模功能，对Excel表格中的数据进行读取，进行节点编写组成操作程序，然后将生成的Dynamo图形集于Revit软件上。

首先将该矿整个地质地貌通过坐标取值整理为Excel表格，然后选择Dynamo的节点组成创建。Dynamo中常见节点组成以point.Bycoordinates为例，由节点名称、节点输入项、节点输出项、连缀图标、节点主体组成，核心功能为设置连缀状态、选择预览、运行等操作。Dynamo界面下的节点阅读顺序默认为从左向右，其运算结果连缀方式有3种：①最长，数据流连接到整个项目完成为止；②最短，数据流一一对应，直到项目完成为止；③交叉，两两数据流都相互连接其连接效果(图1)。

完成Dynamo节点连接后，由于Dynamo读取Excel坐标后无法直接生成图像，需要通过一定排列整理后才可读取，所以需要依靠节点Point.ByCoordinates功能将Excel表格转化为2 761组有序点集合。 最后利用节点Topography.ByPoints将有序点坐标在Dynamo生成点集合，再将生成的Dynamo点集合集中在Revit上，并利用实体曲线绘制的方式连接得到矿区地形曲线，生成的地形曲线如图2所示，其中，图2(a)为Dynamo界面，图2(b)为Revit界面。

初步生成该矿的地质模型后，利用Revit软件巷道绘制标准高轴网和绘制定位线，Revit软件中实现精准定位工具有标高、参照平面、轴网。标高系统的创建确定了每个构件在竖直方向上的标高，确认标高后依次建立轴网系统以及参照平面，轴网系统与标高系统可以共同组成空间中的三点坐标(X，Y，Z)，参照平面可以确定其改变方向以及位置。基于建立定位工具可以控制大部分构件，如巷道、传送带、猴车、工作面等构件。基于Revit工作原理，利用相同方法在Civil3D上创建定位轴线，如图3所示。绘制线的过程可利用Revit软件的插件Dynamo在体量的工作环境下对整个模型的定位线进行精准的控制。

图1 节点连接方式Fig.1 Node connection mode

图2 初步实体地质模型生成步骤Fig.2 Preliminary solid geological model generation steps

图3 巷道定位轴线Fig.3 Axis of roadway positioning

2.3 创建矿山工程模型

该矿的主要构件有主斜井、副斜井、回风斜井、运输石门、回风石门、工作面、瓦斯抽放巷、中央变电所及水泵房、水产、永久避难硐室等。在Revit软件自带族中不存在煤矿工程的几何模型，因此需要先制作煤矿工程的几何模型。在Revit软件中常规的几何图源和空心图源的创建方式可以通过拉伸、旋转、融合、空心融合、放样、放样融合等方式的组合实现，Revit软件API中支持以上几种方式的实体创建和剪切创建。以拱形巷道断面为例，首先，在Revit软件上通过矿井图纸绘制巷道断面几何模型；其次，在族参数界面找到煤矿工程下方拱形断面的参数属性选项卡，输入族参数类型为长度，参数名称为拱形巷道；再次，切换族类型选项卡设置如人行道宽度、拱形巷道净宽、拱高、运输设备宽度、设备间距等所需要的数据，并与原图进行绑定；最后，依据作图完成的拱形巷道断面，通过修改参数数据得到需要的拱形巷道断面，如主斜井、井底车场、永久避难硐室等。参数属性及族类型界面如图4所示，生成的模型如图5所示。

图4 Revit软件中族参数属性设置界面Fig.4 Interface for setting family parameter properties in Revit software

图5 Revit软件生成拱形巷道模型Fig.5 Revit software generates arched roadway models

由图5可以看出，巷道模型会根据参数设置的数值而生成，使用者可以根据煤矿巷道断面实际情况来设定参数，但所有的参数都应依照参数平面设置，因此需要在拱形巷道断面的前提下进行修改，才能得到需要的巷道模型，至此拱形断面巷道族的部分参数初步完成。将这个方法运用到其他类别的巷道断面上，同样可以完成梯形断面巷道参数族，如图6所示。

图6 梯形断面巷道参数族Fig.6 Parameter family of trapezoidal section roadway

基于上述的巷道断面族模型，可依次建立主斜井、井底车场、永久避难硐室、综采工作面运输巷、回风巷等模型，如图7所示。

将制作完成的族文件加载入Civil3D中，建立该矿实际的BIM工程。以“搭积木”方式搭接该矿的BIM模型。为方便后续建模的流程，创建管理族库，将族文件进行整合并上传保存，以备在需要时重复导入使用，不必重新绘制创建，族库如图8所示。

利用所创建的地质模型，建立井田开拓轴线和模块参数化模型，初步生成该矿的数字化矿山模型，数字化模型局部图如图9所示。

由图9可以看出，BIM技术应用于数字化矿山是可行的，不仅可以将矿山模型三维化输出，还可以在模型上看到众多数据，如巷道性质、采区长度、巷道高度、巷道宽度、斜井属性等，还可以得出工程量、工程造价等一系列工程数据。上传至族库中的参数化模型，在其他相同条件的煤矿中也可以使用，大大缩短了设计的耗时。基于BIM系统的信息传输功能，利用Dynamo程序输出参数功能，还可以输出图中的各类族统计表。 BIM系统还能够对信息化模型构件的工程量进行修改、 插入、更新和提取，实时监测煤矿工程中各个阶段工程发生的实际变化，在一定程度上加强了煤矿实时决策的能力，对煤矿施工和运营过程具有重要意义。

图9 数字化模型局部图Fig.9 Partial view of digital model

3 结 论

1) 使用BIM技术进行巷道轴网布置、族库构建、BIM地质模型建立，初步验证了BIM技术在煤矿数字化矿山建模工程中的可行性。研究结果表明，该技术在煤矿领域有着很强的适用性，能够加速数字化矿山可视化研究进程，可以作为实现数字化矿山的重要手段。

2) BIM技术应用于数字化矿山不仅可以使得传统煤矿设计时间大大缩短，还可以对于矿井建设、矿井安全、生产效益、主要生产环节和作业场所环境、生产状况等进行全面可视化监测，进而实现高速提效、安全管理及灾害预防。但煤矿BIM技术依旧处于初步探索阶段，实际工程项目案例较少，使用经验匮乏，因此BIM技术在煤矿领域的使用还需要进一步探索。