BIM技术在地下矿山三维协同设计中的应用探索*

甘怀营，淡永富

(长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410019)

0 引言

建筑信息模型（Building Information model，BIM）在建筑行业的应用充分证明其技术先进和方法优越。在矿山工程项目中，基于BIM技术将工程信息数据三维可视化，可以将工程各参与方紧密地联系在一起，形成高效的组织结构模型，优化作业流程，实现工程信息模型数据共享[1]。

对于 BIM 技术在矿山工程的应用，于润沧[2]等提出了矿山信息模型（Mine Information model，MIM）的概念，充分阐述MIM在矿山设计、建设、运营等各阶段的重要价值，同时基于矿山工程项目建设特点，MIM的建设是一项既复杂又艰巨的系统工程，需要整体统一规划及分步实施。MIM理念的提出对于 BIM 技术在矿山行业的推广应用指明了发展方向，然而地采矿山工程设计要实现三维协同还存在一些问题。

1 BIM技术在地下矿山三维协同设计中存在的主要问题

基于 BIM 技术的厂房及建筑三维协同设计取得了瞩目的成就，然而，由于地下矿山工程项目复杂特殊，地采矿山工程BIM技术推广应用进展较为缓慢，主要原因有以下两点。

（1）缺乏专业级平台软件。地采矿山工程项目 BIM 建模工作选择的平台软件目前还缺乏成型规范的族与构建库可用。对于地采矿山工程来说都必须利用软件中的自开发工具，建立模型所需的基本构件族库。针对不同专业适用的BIM软件有所不同，文件格式及所带属性也有所不同，这为信息模型的整合及数据传递带来难度，也为各专业间的协同带来困难。

（2）地采矿山项目涉及领域多专业组成。地采矿山项目需要搭建多专业、多领域的BIM技术应用体系。建模工作内容涵盖民用建筑、工业建筑、矿井建设、地质勘察等领域，涉及采矿、井建、矿机、建筑、地质、给排水、暖通、供电等专业。

因此，要实现地下矿山三维协同设计，需要选择成熟的BIM平台进行专业软件开发，实现巷道参数化三维建模，然后利用该BIM平台进行各专业的协同设计。

2 基于BIM技术巷道参数化建模二次开发

2.1 平台选择

主流BIM三维协同设计有Bentley、Revit及达索等平台。各种软件各有优点，而 Bentley平台其建筑、结构和设备系列产品在石油、化工、电力、医药等工厂设计和道路、桥梁、市政、水利等基础设施领域有无可争辩的优势，在解决非标工业性场合、地理信息系统、处理点云的能力上，一马当先独树一帜[3-5]。因此本文采用Bentley平台作为二次开发的应用平台。

2.2 二次开发目标

二次开发目标旨在开发实用、创新的巷道参数化建模系统。该系统通过巷道断面参数和巷道中心线，在Bentley平台构建巷道带属性的三维模型，可对相关工程量和材料消耗量进行统计并生成报表，然后利用Bentely平台实现三维协同设计。

2.3 系统架构

根据地采矿山的专业特点，基于 MicroStation基础平台软件进行二次开发，能够与 MicroStation三维设计软件无缝连接，模型数据直接从三维设计平台中提取，同时将系统中的巷道参数化建模成果写入到三维设计文件中。并通过调用 MicroStation专业软件的API接口、定制开发Bentley巷道参数化建模系统，解决矿山专业巷道的三维建模、工程量以及材料消耗量统计问题。最后利用 Bentely平台的Project Wise实现三维协同设计，二次开发系统架构见图1。

2.4 技术方案

2.4.1 插件技术

计算机软件中的插件技术，指在不修改程序主体的情况下，利用公开的插件接口对软件功能进行扩展与加强，实现“即插即用”软件开发过程，基于插件的应用系统具有较好的可定制性、可扩充性和可维护性。平台插件软件结构一般有2个部分，一部分为程序的主体或主框架，另一部分为功能扩展或补充模块（即插件），见图2。

图1 二次开发系统架构

图2 插件技术

2.4.2 MDL编程技术

基于Bentley公司MicroStation基础平台，采用当前最主流和成熟的MDL NativeCode（C++）编程技术。MDL（MicroStation Development Language）是MicroStation的“应用引擎(Application Engine)”，可以直接在MicroStation中运行并且表现为Micro-Station本身的一部分，程序本质是Windows动态连接库（DLL程序），可直接调用及访问MicroStation的核心函数、数据库的核心数据结构和代码，以便扩展MicroStation固有的类及功能。

3 TIM系统功能实现

3.1 TIM系统功能概述

开发完成的巷道信息模型系统（Tunnel Information Model，TIM）通过安装，直接以菜单及工具栏方式加载到Microstation，使用鼠标操作实现相关功能。TIM系统目前可以实现2大主要功能，分别为巷道建模、轴线坐标表及工程量表等报表导出，如图3。

图3 TIM系统功能界面

3.2 巷道建模

点击“巷道建模”命令，选择需要建模的中心线，左键点击确认后弹出图4界面，依次输入巷道名称、巷道参数、断面轮廓、支护、管道、线缆及水沟等参数后，点击绘制实现巷道三维参数化建模，建立的模型具有材料类型、工程量、尺寸、体积及工况等属性参数，巷道参数化建模效果见图5。

图4 巷道建模界面

图5 巷道参数化建模效果

TIM系统巷道参数机轨类型有单轨、双轨及无轨，轨道罗列了矿山常用的型号，轨道型号参数可进行维护。断面轮廓参数断面形状包含常用的三心拱、圆弧拱、矩形及梯形断面，巷道宽及墙高由巷道设备参数进行配置，高跨比可选1/3，1/4及1/5等。

设计的巷道支护需要根据巷道所穿过不同的工程地质岩层，而选择对应的支护方式，TIM系统可增加不同段的支护方式，其起终点可以输入或通过鼠标图形确定，支护方式可通过下拉方式进行选取设置好的支护参数。支护参数通过设置，主要需要确定支护形式、支护厚度、锚杆等参数，其中锚杆数量根据设置参数自动计算，其余净断面、掘进断面、砼及喷砼等数据自动计算，支护的参数可通过导入导出进行维护。

3.3 报表导出

报表导出主要根据地采矿山设计标准及要求，导出巷道工程量表及选定轴线坐标表。

4 结论

根据对 BIM 技术在地下矿山三维协同设计中的应用分析，BIM技术在厂房及建筑三维协同设计取得了瞩目的成就，由于涉及领域多专业组成以及缺乏专业级平台软件而使得地采矿山工程 BIM 技术推广应用进展缓慢。本文通过在 Bentely平台完成巷道信息模型系统（TIM）的二次开发，实现井下巷道参数化三维建模，利用Bentely平台Project Wise进行各专业的协同设计。

（1）基于Bentely平台的二次开发是实现地采矿山工程三维协同设计便捷的方式，是全面推进BIM技术在地采矿山工程应用的重要途径，对于企业提高技术水平、降低成本、形成专有技术是行之有效的手段。

（2）本文开发的TIM系统形成完整的矿山工程BIM技术专业设计插件，满足地采矿山工程三维设计要求，可实现具有专业特性的三维井巷的快速建模，实现 Bentely平台地采矿山工程专业程序新的突破。