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(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè)計(jì)行業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助制圖方面取得了較快發(fā)展，普及了計(jì)算機(jī)輔助制圖設(shè)計(jì)，對(duì)工程設(shè)計(jì)文件的電子化基本達(dá)到100%，并且提高了工程設(shè)計(jì)效率[1，2]。隨著計(jì)算機(jī)制圖技術(shù)的日新月異，使設(shè)計(jì)環(huán)境從二維平面進(jìn)入到三維乃至四維空間，并隨之推進(jìn)了資源共享、專業(yè)協(xié)同、參數(shù)化設(shè)計(jì)，整體提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率、透明化施工成本、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。在信息化技術(shù)大發(fā)展的背景下，國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)行業(yè)的信息化應(yīng)用水平不平衡，建筑、石化、交通等處于領(lǐng)先水平，很多企業(yè)已經(jīng)邁進(jìn)三維協(xié)同技術(shù)實(shí)施應(yīng)用階段[3-5]，而煤炭行業(yè)采礦協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用相對(duì)緩慢。近年來(lái)，BIM技術(shù)的發(fā)展為協(xié)同設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐，通過BIM技術(shù)的煤礦井巷工程二三維一體化開發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)用，為數(shù)字化礦山的建設(shè)提供信息支撐載體，同時(shí)，使工程項(xiàng)目縮短了設(shè)計(jì)周期，使工程設(shè)計(jì)變得直觀化、透明化、數(shù)據(jù)化。

1 二三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

目前，Revit三維設(shè)計(jì)平臺(tái)在建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電等專業(yè)開發(fā)較為成熟，在建筑領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，并能夠參數(shù)化設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目模型，但是針對(duì)煤礦主體設(shè)計(jì)專業(yè)井巷工程信息模型設(shè)計(jì)應(yīng)用較少?，F(xiàn)在各個(gè)設(shè)計(jì)單位目前仍采用二維計(jì)算機(jī)輔助制圖之類的軟件繪圖，并后期通過人工干預(yù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)工程量，且各個(gè)專業(yè)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)同，效率低下。因此，有必要在煤炭設(shè)計(jì)領(lǐng)域針對(duì)Revit進(jìn)行二次開發(fā)，融入地理地測(cè)管理信息系統(tǒng)、采礦工程專業(yè)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，建立數(shù)字化礦井二三維協(xié)同井巷工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦設(shè)計(jì)領(lǐng)域各專業(yè)間實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)、信息，充分實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)現(xiàn)各個(gè)專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)，提高礦井的設(shè)計(jì)效率，改進(jìn)設(shè)計(jì)單位的工作方式，解決礦井設(shè)計(jì)成果與建設(shè)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)脫節(jié)的問題，對(duì)于促進(jìn)現(xiàn)代化礦山建設(shè)具有重大意義。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

井巷工程是進(jìn)行地下各種采礦活動(dòng)所形成的開挖實(shí)體，如井底車場(chǎng)、巷道、硐室、工作面巷道等?；贐IM技術(shù)通過開發(fā)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，能夠通過改變模型中的參數(shù)值就能建立和分析新的模型，并且參數(shù)保存了圖元作為數(shù)字化工程項(xiàng)目的所有信息[6-9]。通過Revit方便的二次開發(fā)的接口API，進(jìn)行開發(fā)井巷工程設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)行空間幾何關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)，并可通過開發(fā)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量。該開發(fā)的系統(tǒng)包含四大功能模塊：地質(zhì)模型、開拓開采、施工圖設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖

3 功能模塊

3.1 地質(zhì)建模

通過Revit API函數(shù)建立可以進(jìn)行面模型(Facemodel)和體模型(Solidmodel)的開發(fā)，建立“面向?qū)ο蟆钡牡刭|(zhì)面模型和實(shí)體模型[10]。該技術(shù)的特點(diǎn)是實(shí)體之間可以用一個(gè)對(duì)象來(lái)表示，面向?qū)ο蟮娜S數(shù)據(jù)模型可以對(duì)多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一和集成，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜對(duì)象及其拓?fù)潢P(guān)系的層次結(jié)構(gòu)和對(duì)象嵌套，開發(fā)地模的地質(zhì)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 地質(zhì)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例

通過該功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆探、三維地震、遙感等成果資料進(jìn)行整理、加工、分析、校正，建立精細(xì)的三維地質(zhì)模型，反映煤層賦存位置及空間變化規(guī)律，為工業(yè)場(chǎng)地設(shè)計(jì)、井筒布置、道路布置、地面工程三維算量和建筑設(shè)施布局等提供空間信息支持。

3.2 開拓開采

煤礦井下巷道是一個(gè)相互交錯(cuò)聯(lián)通的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且其巷道的布置又要與圍巖礦體相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)行巷道的三維建模，既要體現(xiàn)巷道的空間位置關(guān)系，又要思考它的屬性與拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)關(guān)系[4，5]。利用開拓巷道的三維模型與地質(zhì)模型進(jìn)行運(yùn)算，能夠直接在地質(zhì)模型上做工作面和巷道設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)建立各種截面形態(tài)的生產(chǎn)巷道，并能夠自動(dòng)建立巷道的空間和拓?fù)潢P(guān)系。

通過開發(fā)Revit API函數(shù)，直接在地質(zhì)模型上做工作面和巷道設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)的底圖進(jìn)行設(shè)置不同做圖單位，并進(jìn)行巷道開拓開采設(shè)計(jì)實(shí)際錄入?yún)?shù)，進(jìn)行1∶1實(shí)際繪圖，然后根據(jù)做圖要求的不同比例尺后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算圖形標(biāo)注文字大小、線條粗細(xì)等。自動(dòng)建立各種截面形態(tài)的生產(chǎn)巷道，并自動(dòng)建立巷道的空間和拓?fù)潢P(guān)系。依次完成礦井開拓方式、采區(qū)巷道布置、井底車場(chǎng)設(shè)計(jì)、主排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作面排產(chǎn)設(shè)計(jì)等功能，根據(jù)用途和生產(chǎn)能力初步確定各巷道和硐室的斷面形狀、主要尺寸和連接關(guān)系，并快速生成平面圖、斷面圖和三維模型。目前通過開發(fā)建立了井巷工程巷道模型圖，包括各種斷面的直巷道、彎曲巷道、分叉巷道。

3.3 施工圖設(shè)計(jì)

該模塊的功能是將一些具備模式化、標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)的施工圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化成圖和參數(shù)化設(shè)計(jì)成圖，輸入較少所需的參數(shù)后，軟件即自動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖，生成圖形，中間過程無(wú)需用戶交互，實(shí)現(xiàn)智能型交互式巷道硐室軟件繪圖，并能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的唯一性和正確性，避免二次編輯和無(wú)謂的數(shù)據(jù)冗余。在各模塊的開發(fā)過程中，各個(gè)功能模塊均按照1∶1繪圖參數(shù)進(jìn)行錄入?yún)?shù)，但是結(jié)合之前施工圖出圖標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了不同圖幅大小的比例尺出圖標(biāo)準(zhǔn)，軟件后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算，并滿足設(shè)計(jì)師不同出圖要求。目前，已經(jīng)完成了巷道斷面設(shè)計(jì)、交岔點(diǎn)及硐室設(shè)計(jì)等參數(shù)化繪圖程序的二次開發(fā)。

3.4 工程量計(jì)算

在參數(shù)化設(shè)計(jì)的工程中，利用井巷的幾何、屬性、種類等信息，實(shí)現(xiàn)礦井建設(shè)的定額設(shè)計(jì)及定額投資，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度和效率，并能對(duì)材料消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，一鍵對(duì)比不同方案工程量產(chǎn)生的差異化。

4 工程實(shí)踐

目前已經(jīng)開發(fā)了巷道斷面模型、煤礦常見12種類型交岔點(diǎn)及煤礦井下硐室等功能模塊，依據(jù)開發(fā)的功能模塊在郭屯礦井進(jìn)行工程設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，經(jīng)設(shè)計(jì)人員校核，巷道二三維一體化開拓開采設(shè)計(jì)滿足礦井應(yīng)用展示效果?；赗evit開發(fā)的開拓開采模型能夠在設(shè)計(jì)初始賦予巷道工程屬性參數(shù)，具備完備的信息模型，方便被工程各參與方使用。

在郭屯礦井車場(chǎng)布置中，依據(jù)開發(fā)的硐室設(shè)計(jì)和交岔點(diǎn)等模塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)井底車場(chǎng)，使采礦設(shè)計(jì)通過簡(jiǎn)單地改變模型值中的參數(shù)就能方便地建立和分析新的模型，并能真實(shí)反映設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)巷道幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)計(jì)的成果符合設(shè)計(jì)師要求，使設(shè)計(jì)效率提高了數(shù)倍，可以方便設(shè)計(jì)師進(jìn)行巷道層位關(guān)系的檢查，避免巷道層位關(guān)系碰撞，并且整個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造的溝通和討論都是在可視化狀態(tài)下進(jìn)行。

5 結(jié) 論

通過對(duì)煤礦井巷工程BIM技術(shù)的信息模型設(shè)計(jì)及數(shù)字化移交進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用，對(duì)采礦的協(xié)同、參數(shù)、二三維一體化設(shè)計(jì)的理解不斷加深，主要形成以下成果：

1)創(chuàng)建了企業(yè)級(jí)的礦井族庫(kù)、三維模型庫(kù)，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)的開展創(chuàng)造了條件。

2)在Revit平臺(tái)上開發(fā)植入采礦設(shè)計(jì)模塊，含礦井的開拓開采、施工圖設(shè)計(jì)等內(nèi)容，提高井巷工程設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3)通過參數(shù)化的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，為礦井的數(shù)字化、信息化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

4)梳理了地質(zhì)模型的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和設(shè)計(jì)流程，為下一步開發(fā)三維地質(zhì)模型明確了方向。