基于BIM的矿井工程三维协同设计研究

高 彬，李 军，魏 琦，翟强顺，张龙正

(1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木 719300；2.中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

1 概 述

随着计算机技术的发展，三维设计软件越来越多地应用于工程建设项目中，可实现从项目规划、方案设计、初步设计到施工图设计[1，2]。基于BIM的三维设计成果，包含有模型和模型信息数据，可贯穿建设项目的整个生命周期，为项目运行、管理、维护直至寿命终结提供基础数据资料[3，4]。

对于煤炭工业矿井及选煤厂工程来说，设计周期长的达10余年，参与人员数十人，不同于一般意义上的土木工程设计，具有专业涉及面广、标准化程度低、协同配合要求高、施工受现场环境影响大等特点。因此需要吸收建筑行业及其他行业BIM三维协同设计经验，研究适合煤炭矿井工程的三维协同设计模式。合理、合规的矿井三维协同设计能充分发挥BIM技术的优势[5]，提高矿井工程设计效率和质量的同时，能为矿井工程施工工艺模拟、项目精细管理提供技术及数据方面支持[6，7]。

1.1 传统二维设计存在问题

当前，国内煤炭行业仍以传统二维CAD设计为主，存在以下问题：

1)工程信息呈离散状态。二维CAD设计主要通过二维图纸、材料量、文字说明及注释等进行工程信息表达，图形、信息相互分离。

2)设计意图表达不直观。需要专业人员才能完整解读图纸，容易出现对设计的误解，且在施工完成前难于发现这些问题。

3)图纸中错漏碰缺较多。主要表现为二维设计的施工图纸中，同一专业不同视图的冲突和专业之间的设计冲突。这些问题往往到施工完成后才能发现，给现场施工带来很大困难，影响施工进度，增加变更费用。

4)专业间协同设计效率低下。设计人员单兵工作，线下资料传递、沟通，沟通和业务脱节，还需靠人的经验来进行衔接。

5)专业资料修改过程中，特别在版本较多时极易出错。

1.2 三维协同设计的优势

目前，以BIM技术为基础的三维协同设计已经在国内多个行业中应用，基本可以解决上述二维设计中存在的问题，极大提高设计质量和设计附加值[8]，为后续设计产品拓展提供了可能。另外，可基本杜绝现场施工人员对图纸的理解偏差，还可实现部件工厂预制、现场直接安装的施工方式。基于BIM技术的三维协同设计主要有以下特点：

1)所见即所得，可表达设计所需的信息和附属信息。所有参与人围绕同一个模型，能360°任意剖切平面、立面、断面图纸，图纸能与模型自动关联。设计过程中对模型的任何修改，都能自动反馈到剖切出的图纸中。

2)可直接从BIM模型中提取工程量、材料量信息。利用BIM技术的统计更科学，工程量价更细致、准确，生产管理更高效、更到位[9-11]。

3)三维协同设计时，各专业在共同的基础模型中设计，可同步进行设计；同时，可随时查看其他专业的设计内容，实现专业间实时协同，优化本专业的设计。

4)设计成果不但能满足设计需要，还能在施工、运维及智慧化矿山建设方面提供数据、模型支撑。

2 三维协同设计流程探索

2.1 设计原则

为了便于三维协同设计体系的落地，在进行三维协同设计研究时，制定了如下原则：

1)选择适合煤炭工程项目特点的软件平台。

2)易于设计人员使用。三维协同设计平台建立后，设计人员经过培训后能便利地使用，要求界面简单、功能齐全。

3)基于三维数字化模型能易于解决或生成传统二维设计所需的图纸、统计报表等。模型完成后，通过一键化操作便可直接导出或经简单完善就能满足需要设计图纸、工程量统计表、设备清册等。

4)以提高设计质量和设计效率为重点，并能实现加载在模型上的各阶段工程信息传递。

2.2 软件平台确定

基于煤炭行业而言，国内三维协同设计尚属于起步阶段，仅有少数几家设计单位正在尝试应用[12]。根据多方软件比选及测试，目前国内较常见的三维软件优缺点及行业使用性比较见表1。经比较以Bentley公司MicroStation(MS)软件及以该软件为基础开发的覆盖多数专业领域的三维设计软件，在冶金行业的钢铁厂、冶金矿山和选矿厂等有相对成熟先例，在水利行业的大坝、发电、场地等工程中都有成熟应用[13，14]。这些工程与煤炭行业矿井工程相近度较高，可为研究煤炭矿井工程三维协同设计提供借鉴。

选用的软件包括：ProjectWise(PW)协同管理软件，专业软件有MS、OpenPlant Modeler(OPM)、OpenBuilding Designer(OBD)、LumenRT、Open Road designer、Navigator等。

2.3 设计流程确定

以矿井工程设计为基础，对包括地上、地下、地质等工程进行三维协同设计探索，按照搭建设计环境、开展协同设计的顺序实施。

在PW中创建项目涉及的全部单项工程或系统工程文件夹结构，建模和设计过程中形成的文档均放置到对应文件夹中，并为各专业对应的文件夹分配权限。

按层级设置文件夹结构，文件夹顶层为公司项目类别，其下层级依次为：工程类别、项目、设计阶段、各系统、单项工程、专业等。

各专业对应的文件夹，本专业全部成员具有创建文件、修改自己创建的文件的权限，但不允许删除放置在PW中的文件。

2.3.2 各专业软件工作空间设置

工作空间的配置，主要是实现各设计人员在相同的标准下，采用相同的或者兼容的数据格式一起工作，提高设计的效率。根据各专业使用的软件，配置对应的工作空间，配置的内容包括：字体、线性、样式的设置，常用设备、构件库的创建，设备、构件、器材属性结构的建立，切图模板、材料统计模板、设备清册模板、设计成品交付标准等的定制，以及参数化设备数据库的建立，管道、支吊架、桥架等元件数据库的建立等。

表1 国内常见三维软件比较

2.3.3 制定三维协同设计的相关标准

图3给出了不同浓度碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料的介电系数实部和虚部.从图3(a)中可以看出介电系数实部随着壁碳纳米管的含量增加而增加.图3(b)中,当碳纳米管含量超过逾渗阈值5%,复合材料的虚部发生明显改变,从而改变其导电机制.

为保证三维协同设计的顺利实施，必须建立一套满足三维设计的标准，用以规范设计深度、建模深度等。相关标准包含《三维协同设计文件夹、文件及model命名规则》《数字化设计模型质量管理标准》《数字化设计碰撞检查规则及工作流程》《数字化设计专业间提资流程》《数字化设计三级检查流程》《墙面与梁、柱L形回切解决方案》《MicroStation单元库建立标准流程》等。

2.3.4 制定适合煤炭行业矿山工程特点的三维协同设计流程

结合煤炭工程特点及二维CAD设计时的专业协作流程，考虑三维协同设计时资料表现形式的差异，梳理三维协同设计流程如图1所示。

图1 矿井工程三维协同设计流程

工艺专业完成本专业三维设计后，分别按一定的规则，将接口资料提供给下游各专业，同时工艺专业在PW中归档其三维模型及基础模型，并作为阶段性成果，同时在PW中发送相关信息给下游专业人员；下游专业人员接收到信息后，利用工艺专业创建的基础模型并参考布置模型，完成本专业的三维设计。设计过程中，设计文档均放置到PW服务器项目对应文件夹中，专业之间相互参考模型，可随时查看整个设计的进展，及时进行设计沟通和优化。各专业模型完成后，进行模型汇总并生成满足当前国内标准的设计产品。

通过三维协同设计，设计原则确定后，各专业可同时开展工作；工作过程中，可以及时查看设计进程，并沟通、优化设计，提高设计产品的整体质量。

3 成果应用

以张家峁煤矿设计为例进行三维协同设计应用探索。包含矿井地面、地下工程全部系统。井下包括巷道工程量约80000m，采掘工程各类设备，井下各类硐室等；地面包括各类厂房及设备、行政福利建筑、场地、道路等。

设计模型中包括了所需的信息，通过对模型的剖切，可一键生成与模型关联且包含信息的二维图纸及工程量信息(如图2所示)，模型中信息的变化，将反馈到二维图纸中。

图2 利用模型一键生成的二维图纸及材料量表

4 存在问题

1)设备库问题。矿井工程中大量井上、井下设备多为标准设备，设备模型满足占位及管理需求即可，不需到加工程度。更重要的是设备要添加大量几何、管理信息，因此需提前做好设备分类，建模过程中入库并添加全部需要的信息。丰富的设备库不但能提高设计效率，也能提高设计的标准化程度。

2)设计效率问题。从单个专业完成该项设计的时间看，因三维设计时需要录入大量的信息、对精细化程度要求较高，设计时大部分专业花费的时间较二维CAD设计长，仅管道、电缆桥架设计时效率高。但三维设计过程中各专业沟通效率高，施工现场能基于三维可视化特点解决传统依据二维设计施工时出现的大部分问题。

3)质量记录问题。为了实现过程质量控制，满足现行ISO9000体系的要求，在三维协同设计过程中，存在人为增加设计节点的情况，增加了三维协同设计的管理难度。

4)软件衔接问题。部分专业原生的三维设计软件，建模软件与计算软件在煤炭行业存在接口问题，尚需二次开发解决。

5)设计出图问题。目前国内煤炭行业施工图仍采用二维图的方式，设计的三维模型仍需剖切出平、立、剖面图，软件尚不能剖切出完全解决煤炭工程需求的图纸，有些图纸还需要拆分或合并，后期需定制模板和大量二次开发。

5 结 语

结合张家峁矿井项目的BIM三维协同设计实践，梳理了矿井工程BIM设计的平台选取，设计流程、内容划分及存在的问题。目前矿井工程三维协同设计平台仍有一些不完善之处，需要进行大量开发才能更好地满足行业需求。随着BIM技术的不断发展，煤炭工程作为周期长、参与人员单位多、对安全要求高的行业，更要认识到BIM的价值，早日实现高质量的精细化煤炭工程设计，从而更好地服务于矿井安全生产和智慧矿山建设。