面向造价管理的煤矿井巷工程BIM平台集成与应用

煤炭行业是我国国民经济中的主要传统行业之一。煤炭行业要走新型工业化道路，实现行业的跨越式发展，应广泛应用先进的信息技术。然而，我国煤炭行业信息化仍处于初级阶段，行业专用软件研发相对滞后，信息化整体水平不高，制约了信息化整体效益的实现，尤其体现在煤矿井巷工程的造价管理领域。目前，在实际煤矿井巷建设工程及技改工程造价管理过程中，仍采用定额计价方式，在当前市场经济条件下，没有充分发挥各投标单位的优势，竞争性弱、弊端多。除此之外，煤矿井巷工程及技改工程在施工过程中经常遇到淤泥、冒水、冒顶等突发状况，产生海量工程变更，数量多、金额大，且均属于隐蔽工程，存在工程量虚报的情况，造价人员无据可查。同时，受限于发包方式，对辅助费的划分不明确。这些问题给结算工作带来了很大困难。而由于煤矿井巷工程及技改工程缺乏造价数据管理的信息化手段，难以实现对历史造价信息和关键要素的利用、更新及高效管理。

建筑信息模型（BIM）是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达[1]。目前，BIM技术在我国的研究和应用中呈现出跨领域特征。除建筑工程外，其他领域如桥梁工程、公路工程、轨道交通工程、铁路工程、水电工程均已针对BIM技术开展标准化应用试点，甚至部分领域已开始全面应用BIM标准、推广BIM技术。然而，煤炭行业的BIM应用才刚刚起步，相关研究较少，尤其是造价管理方面亟须更多重视。

本文针对煤矿井巷工程的造价管理中存在的问题，以BIM技术为核心，引入物联网、人工智能等先进信息化技术，基于Dassault的软件体系，研发煤矿井巷工程BIM平台，实现造价管理各业务模块的无缝集成。通过平台进行煤矿井巷工程的设计建模、造价管理，实现工程量自动提取、工程变更管理、5D-BIM施工模拟技术，减少信息重复录入建模，提高造价管理的效率与管理水平，为BIM在煤炭工程中的应用提供一套可行的解决方案，以助力煤炭行业的进一步信息化建设。

相关研究与应用

造价管理是一项复杂的系统性工程，也是煤矿建设工程中各方关注的重点。相对于其他工程行业，煤炭行业的特有问题主要包括[2]-[4]：造价人员水平有待提高、预算编制的初始阶段考虑不周、地质条件变化容易导致设计变更、对施工过程中的投资控制管理不严、工程造价管理体系陈旧。为解决这些问题，已经提出的措施有[2]、[4]-[7]：建立高素质造价控制管理队伍；完善造价的数据准备；建设过程中采用科学的施工方案控制造价；加强施工过程中的造价控制，并严格监管变更管理与现场签证过程；加强竣工验收的控制；加强各部门之间的协同合作；实施自查互查的监管体系。

为了促进造价管理的标准化与智能化，研究设计出了煤矿建设项目造价管理信息系统[8]，但仅实现了造价管理流程的信息化，并没有引入类似BIM的工程信息模型，这虽然在一定程度上提高了造价管理的效率与质量，但没有从根本上解决“信息断层”问题。

BIM是建设领域最新的信息化技术，近年来逐渐成熟，并不断拓展至桥梁工程、公路工程、轨道交通工程、铁路工程、水电工程等其他领域。然而与上述行业相比，煤炭行业的BIM应用起步晚、研究少、应用浅。有研究针对煤矿行业建设，利用可视化多专业协同设计实现施工仿真模拟。也有研究分析了BIM技术在煤矿开采项目中数字化仿真中的应用及其优势[9]。邓大智[10]分析了BIM在煤矿采掘工程全生命期各阶段可能存在的应用软件、数据模型标准、应用模式和应用人才问题。胡成军[11]提出了井工煤矿三维信息模型系统，构建了井工煤矿信息模型，实现了基于BIM的地层地质建模、井巷设计、施工管理、生产管理，通过信息共享减少重复建模并提高工效。李德春[12]介绍了中煤邯郸设计公司研发的煤矿智能辅助设计系统，包括设计全流程协同管控、工程计算、方案比选、参数化绘图、采矿三维设计等功能模块。但上述研究均未针对煤炭工程的造价管理领域，没有解决工程量清单计价推广不全面、海量工程变更、造价数据缺乏积累等问题。

煤矿井巷工程BIM平台

平台选型

为制定完整的技术路线，首先对现有成熟BIM平台进行了调研和选型，选型过程遵守以下规则：首先，平台应包含煤矿井巷工程设计和施工阶段的必要应用软件；其次，平台应实现数据的无缝集成。避免中间文件作为数据传递进而导致数据流失和重复建模；最后，平台应能够根据煤矿井巷工程各参与方制定不同的应用模块。

考虑产品成熟度与通用性，本文选取了Autodesk、Bentley和Dassault3个BIM厂商的软件平台作为评价的候选。其中，Autodesk平台应用最大的障碍在于其协同管理平台和云服务不能提供设计阶段到施工阶段的信息交付。而尽管Bentley平台内部各软件可以实现基于i-model的无缝信息共享，但其缺少与设计阶段相衔接的施工管理、清单算量、变更管理等后续工程软件。Dassault平台提供的全流程BIM/PLM解决方案，不仅可以满足建筑全生命期各参与方、各阶段的应用需求，并且由于有统一的底层数据支持，从而可以实现BIM数据的无缝连接，避免了通过中间格式进行数据传递而导致数据丢失的问题。

特别是对于煤炭行业，Dassault系统具有成套的解决方案。相关产品涵盖了从地下三维地质建模、采矿设计到地上选煤厂工艺设计、土建设备管道设计、矿区总体规划设计等煤矿设计的各方面，并提供施工仿真模拟、项目和数据管理、竣工交付、矿区运维、储量计算、品位分析、开采计划等一系列管理决策工具。因此，本研究以Dassault平台作为面向造价管理的煤矿井巷工程平台系统集成的基础。

自动工程算量

在煤矿井巷建设工程中，费用主要包括直接费用和辅助费用。其中，辅助费用较难界定，因此，本文仅考虑直接费用的自动计算与统计。直接费用的工程算量以标准化的清单与定额标准为基础。基于《煤炭建设工程工程量清单项目及计算规则》与《煤炭建设井巷工程消耗量定额（2007基价）》，列举了17种井巷工程中常见的巷道施工对象类型，分别建立了BIM模板，并在其基础上附加了以定额与清单信息为基准的工程造价信息，如图1所示。

图1 矩形巷道斜井井筒喷射混凝土支护BIM模板

在这些BIM模板中，与资源工程量相关的参数将与该构件的尺寸属性直接关联，从而支持工程量自动提取与清单自动填报。该技术可明显节约用于工程量计算的人力投入，并且结果更精确，更能规避错误的发生。同时，在项目实施过程中，设计方案调整、深化导致的工程量变更后，只需调整模型中相应构件的几何参数，清单算量表可实现同步更新，保证造价数据的真实性与有效性。

系统集成

针对煤矿井巷工程的实际需求，以Dassault系统作为平台，实现了平台集成、平台定制和平台搭建。平台集成与定制部分通过选择配置面向煤炭行业的流程包，定制开发有关工具栏，为煤矿井巷工程BIM建模、提取BIM工程量清单、变更管理及5D-BIM模拟等应用提供统一平台入口。平台搭建部分则面向不同用户和角色，配置用户权限和有关流程，根据用户职责提供应用界面和功能。使用3DE自带的二次开发工具VBA以及EKL语言进行了平台开发和定制。通过唯一的模型和数据源进行操作，避免了数据的冗余与不一致等问题，并提高了BIM工程量计算的效率。

在统一的平台下，各模块分工明确，利用统一的数据源，发挥各自特长，实现相应的业务工程。各模块通过统一的平台相连接，数据可以互相打通，形成一个有机的整体，如图2所示。

统一平台的应用涵盖建设项目的规划、设计、施工、运维全生命期，各模块在项目中的应用阶段以及主要作用，如表1所示。

表1 平台集成方案

在集成平台基础上，实现“神华BIM清单”工具栏定制开发。在应用流程较多的模块中，对平台进行二次开发，将各业务流程清晰地整合到统一工具栏中，一键实现各种业务功能。例如，通过将造价人员经常使用的各个功能模块整合为一个“神华BIM清单”工具栏，为其提供业务工作的统一入口和平台，提高工作效率，如图3所示。

图2 平台集成方案

图3 “神华BIM清单”工具栏

综上所述，根据煤炭井巷工程实际需求，搭建了平台运行环境，并配置了各模块及各用户的权限，控制不同参与方对不同平台功能及数据的使用权限，辅助各参与方协同工作，形成了面向煤炭行业井巷工程的BIM平台，实现了各环节数据互通和共享，为后续BIM建模、BIM工程量清单提取、变更管理与5D-BIM施工过程模拟奠定了基础。

系统应用

本文以神东大柳塔项目为核心展开实地调研，收集涵盖地质和工程两大类数据，包括采矿证范围坐标、矿区的所有钻孔信息、主要煤层的底板等高线图、煤层等厚线图、原始地形地质图、主要巷道平面布置图等。在此基础上，针对井巷工程特点，提出骨架建模思路，并以标准模板库为基础，通过建立巷道骨架中心线、基于断面模板形成巷道模型、处理巷道连接点等方式建立了完整的巷道模型。同时，分别基于GEOVIA和CATIA，建立了煤层地质模型及地表建筑模型，最后通过模型整合形成了大柳塔矿整体BIM模型。地质数据建模采用GEOVIA系统Surpac模块实现。首先，需要收集工程项目原始数据，辅助地质模型构建。针对大柳塔矿，本研究收集了大柳塔矿井上下对照图、大柳塔综合采掘工程平面图等AutoCAD图纸资料，并收集了相应的大柳塔矿钻孔综合资料数据，并以Excel表格形式导入GEOVIA系统。大柳塔矿GEOVIA建模过程主要形成了包含数据库、模型、线串、宏等4个大类共计8种数据及模型，以及相关的数据展示文件等资料。巷道与地质综合模型，如图4所示。

本文分析了《煤炭建设工程工程量清单项目及计算规则》，梳理出大柳塔井巷工程涉及的清单项目，在此基础上选取了大柳塔矿部分模型对BIM工程量提取结果与人工工程量计算结果进行对比分析，有关数据已按照煤炭行业清单及定额分类进行了归类输出。选择斜井井筒部分，对其暗槽掘进、基岩掘进、混凝土砌碹支护等进行工程量对比，如图5所示，可以看出总体工程量及各部位工程量偏差均不大，BIM模型工程量提取结果准确性较好，可直接用于后续工程估算与造价管理等工作。

在上述BIM模型和提取工程量的基础上，本文梳理了煤炭行业井巷工程的变更管理流程，并在BIM平台中建立了相应的流程。基于该变更管理流程，可实现现场变更信息提交、变更确认、变更信息上传、模型位置标识、变更数据沉淀积累、变更分析等工作，为工程人员提供了准确可靠的变更结算依据，从根本上解决了隐蔽工程无据可查的问题，为实施“日清月结”，即结算与工程同步提供了数据支撑。同时，以5D-BIM建模思路和流程为基础，通过收集、整理，形成了煤矿井巷工程典型施工工艺，并在BIM平台中建立了5D-BIM施工模拟模型，可动态展示井巷工程施工过程及工程量信息，为工程人员进行施工进度、造价管理，实施“日清月结”与施工精细化管理提供了方便有效的管理工具。

图4 巷道与地质模型

图5 BIM模型提取工程量与人工工程量计算结果的对比

结论

针对煤矿井巷工程的实际需求，选择Dassault系统作为底层支撑BIM平台，以工程造价管理为主线，本文研究了面向造价管理的煤矿井巷工程BIM平台集成与应用，取得了以下成果和创新：

(1)定制研发了井巷工程BIM平台：在Dassault系统基础上，通过定制开发，建立了面向煤炭行业井巷工程的BIM平台，以数据集成共享为基础，为设计、施工一体化管理、协作提供了统一的支撑平台，实现了标准库管理、设计BIM建模、工程造价管理、工程变更管理、5D-BIM模拟分析等各业务数据、流程的打通与集成。

(2)建立了基于BIM的井巷工程标准模板库及建模方法：针对煤矿建设中的井巷工程，通过梳理工程图纸、规范及文档资料，建立了参数化标准模板库，并以BIM模型为载体，实现了煤炭行业工程设计、造价、施工等各专业知识的集成与统一管理，为企业知识的重复利用提供了新的思路和模式。骨架建模方法与基于BIM的标准模板库有机结合，可通过定骨架线、选择标准断面、设置参数等流程实现井巷模型的快速建立，有效提高了工程BIM建模的效率。

(3)面向工程量提取及清单计价，基于现行清单与定额规范，梳理了大柳塔矿各主要构件类型造价参数信息，对标准模板库和BIM模型进行了完善和补充，可利用定制的“神华BIM清单”工具栏实现BIM工程量的快速提取，可直接用于工程造价管理有关工作。

(4)依托ENOVIA平台建立了工程变更管理流程，实现了工程变更问题发现、上报、模型标记、分析、处理等工作的跟踪与处理。基于BIM平台实现了变更的可视化浏览、分析，为工程变更管理和日清月结工作提供了直观、有效的辅助手段。

(5)将进度计划、BIM模型与工程量信息有机结合，建立了工程5D-BIM模型，实现了施工过程的可视化模拟分析，为工程管理人员分析工程进度及工程量提供了动态、直观的界面和工具，有效提高了工程项目管理效率。

(6)对BIM技术在煤矿井巷工程中的应用提供了有效的技术方案与应用案例。以此为基础，在煤矿建设工程中实现更深入与更广阔的BIM应用成为了可能。同时，本次研究成果也为矿山工程进一步的数字化与智能化提供了一个出发点。