BIM 设计与数字化交付在矿山工程中的应用

何丽微，王忠鑫,2，王金金,2，郭晓松，高 群，齐振鹏

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.煤炭科学研究总院 沈阳露天采矿技术研究分院，辽宁 沈阳 110015）

BIM（Building Imformation Management）技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数字化工具[1-3]，支持项目各种信息的连续和实时应用，该技术应用于工程设计领域不但能快速、直观地建立多方案动态软模型，实现多方案的比选优化，更主要的是解决复杂空间关系的处理（碰撞问题）以及从模型中提取施工所需的图纸和数据[4-5]。BIM 设计所独有的“所见即所得”[6]、直观、准确、全面、便利等优势已逐渐被项目参与方所认识，并在电力、石化、水利、建筑等方向得到广泛应用。BIM 技术在煤炭行业的应用尚处于起步阶段[7]，目前国内煤炭工程大多数仍采用二维平面设计，随着互联网信息技术的飞速发展，煤炭行业已经非常重视BIM 技术，并且在很多新建或改扩建的选煤厂项目建设过程中都使用到了该技术。煤炭行业的各大设计院在发展BIM 的同时，也在进行数字化交付技术的探索。工程竣工数字化交付是以工程项目为核心，在工程项目建设全过程中通过数字技术将工程设计、采购、施工、安装等静态信息转变为结构化数据和非结构化数据，建立数据组织模型，通过运用计算机进行表达、传输和处理的过程[8-9]。数字化交付旨在形成工程数字化档案、积累数字资产，使BIM 技术应用发挥更大的价值[10]。为此，将BIM 设计与数字化交付技术结合起来应用于矿山工程，从而实现项目全生命周期的数字化管理。

1 矿山工程的BIM 设计

BIM 设计一般选择Bentley 公司的PW 协同工作平台及OBD、OPM 和ORD 软件，其中建筑和工艺设计专业使用OBD 软件，给排水、暖通、电气专业使用OPM 软件，路桥、总图专业使用ORD 软件。

根据Bentley 公司的平台和软件自身的应用特点，并吸取BIM 设计在民建、石油、化工、电力、水利等行业的成功应用经验，结合BIM 技术在选煤厂工程设计方面的应用案例，总结出矿山工程的BIM 设计流程[11]。矿山工程BIM 设计流程图如图1。

图1 矿山工程BIM 设计流程图

1）创建项目工作空间与工作组。项目开展BIM设计之前，需在PW 平台上建立该项目的协同设计工作组，成员主要由BIM 管理员、项目经理、各专业负责人及专业设计人组成。建立项目相关人员的账号，并按照人员职责配置相应的工作权限。同时，根据工程项目的生产工艺布置、建筑特征、建筑类型、平面布置、相关专业等资料，在PW 平台上建立该项目的工作空间。为工作空间配置统一的制图环境及制图标准，统计项目需要建设的具体单位工程，分别建立每个单位工程的文件夹，并设置相关专业的工作区。

2）项目信息分类和编码。为了实现模型与属性信息在数字化交付平台上更有效地建立关联关系，使数据可以在多场景得到应用，根据相关的信息分类和编码标准，结合工程项目的特点，对其在工程各个阶段的信息进行分类和编码。编码文件被导入数据库，设置其调用程序，以便在设计时直接调用。

3）各专业协同设计。工作空间配置、项目的信息分类和编码完成之后，项目相关各专业可在PW 平台上开展协同设计。各个专业共享设计平台，项目相关的各种资料都可以上传到平台上，通过对项目参与人员操作权限的设置，设计人员不但能够查阅项目资料，同时还能够实时查看到相关其他专业的设计进展情况，发现问题及时与相关专业设计人员进行沟通，并可以调整自己的设计方案，模型细节，实现各专业的无缝对接。

4）模型库的扩充。各专业开展三维设计时，对于模型库中不存在的设备，需根据设计资料和厂家提供的图纸在软件中使用各种建模命令自行建立三维模型，并在建模过程中定义好设备的规格型号、材质、图层、颜色等相关信息。这样建立的设备模型不但能立体直观的展示设备外形，更是承载了相关属性的信息模型，为后面的工程量统计及数字化交付提供依据。新建立的三维模型同时充实到各专业设备库中，为后续的项目和工作积累库文件和组织过程资产。另外，设计过程中各专业需将本专业的设备、材料、构件等挂接相应的编码和属性信息，为数字化交付做好基础工作。

5）单体总装与全厂总装。各专业单位工程模型建立完成后，首先进行本专业模型总装，即将本专业某单位工程模型都参考到对应单位工程的1 个专业模型文件里，形成本专业总装文件，然后将各专业总装文件参考到单体总装文件中，形成各个单位工程的单体总装模型。

6）BIM 技术的其它功能。项目全厂总装完成后，利用三维模型可进行详细的工程量统计、二维图纸的剖切提取、项目模型浏览、VR 实景体验、施工模拟、项目展示等诸多工作。

2 数字化交付

2.1 数字化交付内容

1）三维模型。建立完成的工程项目三维模型，通过数字化交付平台交付给业主方。对三维模型层级结构和命名进行了统一要求，对各专业的建模内容、建模深度进行了详细规定，使其满足数字化交付的需求。

2）结构化数据。将建筑信息、设备信息和构件信息作为结构化数据上传到数字化交付平台。设备或构件的结构化数据由数据分类编号、所在单位工程编号、专业分类编号、构件分类编号、构件对象编号、构件序号（确保全厂唯一性）及附属构件对象编号组成。

3）工程文件。工程文件主要包括设计文件、采购文件、施工文件。为更好地管理工程文件，建立了文件目录结构体系[12]，对设计、供应商、施工的文件命名也建立了编号规则，各类文件按照规则上传至平台。

2.2 数字化交付平台的功能

数字化交付能够实现模型的轻量化处理、全专业多模型集成浏览、协同校验、精准查询、信息创建和数据同步，满足模型信息向建设施工及运营维护阶段传递和继承的要求。

1）模型轻量化服务。工程项目完成BIM 建模后其加载了设备、材质等参数和属性信息的工程模型数据量比较大，模型加载速度降低且浏览不流畅，模型轻量化处理是保障运维平台轻量化运行与数据有效传递的重要技术措施[13-14]。数字化平台通过对模型的纹理图片和模型网格进行合并、压缩等处理，可以实现信息模型轻量化，经过处理后帧速率明显提高，实现了三维场景的高效加载和显示。

2）模型浏览功能。通过模型浏览功能可以直观看到工程项目的三维数字化模型。视图左侧的模型结构树不但能查看全厂总装的概览模型，还可以查看到某个建筑甚至建筑内某1 台具体设备或建筑构件。右侧属性框同步显示出该建筑的基本特征信息或所选设备的属性信息，如设备名称、编号、厂商、型号规格、特有属性、备注等。属性框界面还能查看与该设备相关联的所有文档，支持浏览器打开或下载到本地。模型浏览还提供了鼠标拾取、量算分析、可视化分析、模型编辑、模糊查询和精准查询等功能。

3）批量文件上传。工程项目的模型文件和文档文件都通过批量文件上传功能来实现。在该功能下可以将符合格式及规则的模型文件和文档文件全部上传到平台，而且模型文件或者文档上传后会根据文档编号规则，自动翻译出模型名称和文档名称。

4）文件关联。文件关联可以将上传的模型按照数字化交付指定的关联规则关联到相应的文档。如果后期业主对该设备进行了某些维护或操作，也可以手动添加设备的关联文件。例如该设备在某年某月某日进行了维修，可以添加该设备的维修文档，并记录好日期、时间、维修项目、维修方法，维修人员等相关信息。

此外，平台还提供了综合报表、校验规则集、权限分配、项目管理、系统设置等功能，通过这些功能的综合利用，业主方可以真实、准确、细致的了解到工程相关信息，并在平台上进行工程项目的维护与管理。

3 BIM 设计与数字化交付技术的优势

1）将BIM 设计应于煤炭工程的项目建设中，可直观审视项目总体布局，实时改进项目方案，为项目的决策和方案优化提供了真实准确的依据。

2）BIM 技术提供了一个直观、开放的三维协同设计平台，所有专业的工作空间基于同一个整体项目模型，不同专业的设计工作可以交叉或者并列进行，在设计的过程中，可以根据需要随时参考调用其他专业或人员的设计内容来改进自己的设计成果，及时发现问题，纠正问题，缩短了设计时间且减少了设计错误与漏洞。

3）实施BIM 设计能够解决设计过程中的相互碰撞问题，更加合理的规划设备、管线的布置，将问题直接消化在设计阶段，为后期的施工提供了便利的条件和有力的依据，大大提高了施工效率。

4）三维建模能够更精准的计算出土建以及水、暖、电等安装工程的工程量，为总包工程的采购、施工和管理提供了可靠的依据，减少了工程材料的浪费，降低了施工成本。

5）数字化交付为煤炭工程数据集成提供了平台，使煤炭工程的建设更加规范、系统、高效，提高了煤炭工程的整体运维信息化水平，推动了煤炭工程的智能化发展。

4 结语

采用BIM 协同设计及数字化交付技术，实现矿山工程项目的数据文档由单一的竣工文档管理向全生命周期的数据文档管理转变；在建设物理矿山的同时，建立数字化矿山，并具有历史追溯、施工模拟、关联检索、综合报表、运行维护管理、数据分析等功能，实现了项目的“数字孪生”，且全生命周期数据可向下游应用无限扩展延伸。并能够为智能煤矿的建设提供基础模型，是未来智能化煤矿建设不可或缺的一个方面，具有较好的应用前景。