李 剛，王曉東，任富強(qiáng)，張枝偉，尚宇琦

(1.貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；2.昆明理工大學(xué) 國土資源學(xué)院，云南 昆明 650093；3.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

煤礦資源在我國的一次性能源消耗結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)地位，而地下煤礦開采依舊是煤炭資源獲取的主要方式，但煤礦開采過程是一個動態(tài)系統(tǒng)的生成過程，原有的礦井設(shè)計在生產(chǎn)過程中不斷有變化，加上大量的新建礦井、現(xiàn)有礦井開拓延深以及政策指導(dǎo)下的礦井整合設(shè)計等，使得傳統(tǒng)的煤礦設(shè)計速度已經(jīng)越來越難以滿足日益增長的需求[1]。

基于BIM技術(shù)的新型礦山設(shè)計模式是指在BIM系統(tǒng)中選擇Revit軟件作為平臺，基于Revit功能配合CAD、Civil 3D、Dynamo等系統(tǒng)實現(xiàn)滿足直接建模、一模多用、工程量計算、自動出圖等功能一體化的煤礦正向設(shè)計技術(shù)[2-4]。黃賀[5]以國內(nèi)首個真實應(yīng)用的煤炭行業(yè)BIM項目為背景，分析了煤礦BIM試點(diǎn)項目的實施方法及應(yīng)用前景。趙瑛[6]就煤炭工程采用BIM軟件的選型原則、選型影響因素，對煤礦工程選用BIM軟件進(jìn)行了一定的歸納總結(jié)。武迪俊[7]等人建立了露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的BIM正向設(shè)計流程，形成了全專業(yè)在協(xié)同平臺共同完成正向設(shè)計的體系，將BIM正向設(shè)計技術(shù)如何應(yīng)用在露天煤礦提供了一個正確指引。何利輝[8]利用BIM技術(shù)研發(fā)了煤礦巷道的的三維設(shè)計系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于實際工程，提升了巷道設(shè)計質(zhì)量，改變了原有的設(shè)計模式。魏紅磊，謝金草[9]通過對Revit平臺的二次開發(fā)，為新型煤礦設(shè)計提供了技術(shù)支撐，通過對煤礦井巷工程三維化開發(fā)利用，為數(shù)字化礦山的建設(shè)提供了信息技術(shù)手段。

基于Revit平臺的二次開發(fā)技術(shù)目前在國內(nèi)主要集中應(yīng)用于建筑學(xué)領(lǐng)域，針對于煤礦工程領(lǐng)域應(yīng)用依然較少，主要原因：一是地下工程的特殊性；二是Revit設(shè)計功能不統(tǒng)一，對于建筑學(xué)以外的領(lǐng)域尚不能完全滿足制圖規(guī)范和設(shè)計規(guī)范的要求[10，11]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過分析煤礦工程BIM技術(shù)的正向設(shè)計需求，基于Revit進(jìn)行二次開發(fā)，從該平臺上拓展應(yīng)用功能，對煤礦工程構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建立，形成基于Revit二次開發(fā)的煤礦工程正向設(shè)計方法，再通過BIM不同軟件之間的相互結(jié)合，探究BIM技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下設(shè)計的可行性。

1 BIM正向設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計對比

傳統(tǒng)煤礦設(shè)計流程主要包括：繪制地形圖、井田開拓、繪制基本巷道、井下采煤與運(yùn)輸、礦井通風(fēng)與安全等。如果因方案出現(xiàn)變化，則會導(dǎo)致所有流程發(fā)生改變，以此花費(fèi)大量時間和人力進(jìn)行調(diào)整，且各個流程之間參與方眾多，在交流溝通方面信息堵塞，導(dǎo)致項目生成過程存在數(shù)據(jù)信息丟失、安全管理水平差、效率低下等問題。

基于BIM的煤礦工程正向設(shè)計思路為針對煤礦工程創(chuàng)建相對應(yīng)的參數(shù)化構(gòu)件類型，以三維構(gòu)件為基礎(chǔ)，通過Revit軟件對各個參數(shù)之間進(jìn)行聯(lián)系控制，在此基礎(chǔ)上處理設(shè)計，再通過BIM其他方面軟件如Civil 3D、Dynamo等結(jié)合形成設(shè)計成果的輸出。它將計算機(jī)軟件與設(shè)計流程進(jìn)行了高度契合，具有可視化、協(xié)調(diào)性、精細(xì)化三大新特點(diǎn)[12]。

1)可視化。BIM技術(shù)能使煤礦圖紙從平面到空間產(chǎn)生一個維度的飛越，通過三維觀察，將煤礦中不同的相關(guān)構(gòu)件信息之間形成聯(lián)系結(jié)合。

2)協(xié)調(diào)性。正向設(shè)計方法可以做到一模多用，相同類型不同應(yīng)用階段不同參數(shù)的模型均只需在一個模型上修改完善，通過模型與圖紙建立聯(lián)系，以模型為出發(fā)點(diǎn)，在BIM信息平臺上連接設(shè)計方和施工方等，一方修改，另一方可在Revit軟件中得到相應(yīng)信息，減少施工變更中所需要大量耗費(fèi)的時間、人力等問題。

3)精細(xì)化。BIM技術(shù)能夠?qū)?gòu)件的信息存儲在計算機(jī)中，利用計算機(jī)對工程量進(jìn)行統(tǒng)計，提供更加精準(zhǔn)的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如巷道寬度、面積等，為后續(xù)建設(shè)管理提供職支撐。兩種設(shè)計對比如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)模型與BIM模式對比

2 基于Revit的二次開發(fā)

2.1 二次開發(fā)思路

二次開發(fā)Revit軟件功能需要利用Dynamo和外部程序，Dynamo是Revit中的一個可視化編程插件，可以將多個元素連接在一起定義關(guān)系和構(gòu)成自定義算法操作序列，優(yōu)化參數(shù)化建模、模型橫批處理等操作，提升三維建模效率。外部程序在編寫時必須調(diào)用Revit外部接口命令，外部接口命令需要使用Revit API功能，Revit API是Revit的應(yīng)用程序接口，提供了大量命名空間和豐富的函數(shù)，給Revit的二次開發(fā)功能定制提供支持。目前基于 Revit API 對 Revit 進(jìn)行二次開發(fā)的工具有兩種：VSTA(Visual Studio Tools for Application)和 VS(Visual Studio)[13，14]。VSTA在Revit的工作環(huán)境下可以使用C#、VB.Net來進(jìn)行拓展功能的編寫，生成命令宏實現(xiàn)外部拓展的功能。VS是使用C++等語言進(jìn)行程序的編寫，編寫完成后生成DLL文件，再利用外部接口的文件生成外部拓展程序，但在編寫過程中必須引用Revit自帶的組件文件庫。本文主要以VS2015對Revit進(jìn)行二次開發(fā)。

Revit API外部拓展功能的二次開發(fā)需要在計算機(jī)環(huán)境.NET環(huán)境下進(jìn)行，在研發(fā)的過程中程序調(diào)用API(RevitAPI.dll)與APIUI(RevitAPIUI.dll)兩個引用庫。API包括了Application與Document命令中的IExternalApplication和IExternalApplication兩個外部接口，APIUI則是對其中空間函數(shù)的命名和引用，以是否生成dll文件為基準(zhǔn)判斷開發(fā)測試是否完成，最后在測試完成的基礎(chǔ)上結(jié)合Dynamo參數(shù)化建模完成二次開發(fā)?；赗evit的二次開發(fā)思路流程如圖2所示。

圖2 基于Revit二次開發(fā)流程

2.2 二次開發(fā)流程

因為Revit的原有結(jié)構(gòu)設(shè)計功能中對于煤礦領(lǐng)域并不適用，需要為煤礦工程進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計。首先利用外部程序VS，并引用API和APIUI，輸入C++語言代碼創(chuàng)建煤礦選項卡，然后在此選項卡的基礎(chǔ)上依據(jù)煤礦工程中的幾大模塊來建立選項面板，包括：巷道繪制、開拓系統(tǒng)、采區(qū)系統(tǒng)、造價分析、地質(zhì)模型等多種與煤礦息息相關(guān)的功能選型。

完成Revit二次開發(fā)的界面選項后，為其創(chuàng)建一個彈出信息、相關(guān)圖片的控件API，可以提供更多的數(shù)據(jù)信息，方便建模設(shè)計。其控件API通過提示工具(ToolTip)、描述(LongDescription) 和提示圖片(ToolTipImage)三種方式展示。當(dāng)用戶將鼠標(biāo)放置按鈕按鍵就可以出現(xiàn)提示信息，極大地方便技術(shù)人員的操作。

完成以后操作后，進(jìn)行煤礦參數(shù)族創(chuàng)建。操作流程為選中族樣板二維文件，通過Revit功能中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、融合、空心融合、放樣融合等組合制作三維模型，然后輸入合理族參數(shù)，將族參數(shù)與設(shè)計的參數(shù)關(guān)聯(lián)，再通過Revit Manager設(shè)置族參數(shù)與族相連接交互，形成數(shù)據(jù)信息一次輸入可多次引用、參數(shù)改動圖形改動的聯(lián)動關(guān)系，完成以上步驟后，最后統(tǒng)一上傳族庫。

參數(shù)化建模完成后，利用Revit軟件中的明細(xì)功能可以提取模型構(gòu)件參數(shù)、構(gòu)件數(shù)量、構(gòu)件類型、工程量等數(shù)據(jù)以表格的形式輸出。明細(xì)表和圖源是相關(guān)的，當(dāng)幾何圖源發(fā)生相應(yīng)變化，明細(xì)表也會隨著改變。本文通過二次開發(fā)的方式創(chuàng)建煤礦工程選項卡，利用外部程序VS可將Revit生產(chǎn)的明細(xì)表以Excel的方式輸出，不僅方便實際運(yùn)用也方便數(shù)據(jù)保存，并且后期還可以通過Excel表格中的數(shù)據(jù)反向?qū)隦evit實現(xiàn)雙向傳導(dǎo)的功能。

3 實例應(yīng)用

3.1 煤礦概況

黔鑫煤礦位于貴州省黔西縣北西部紅林鄉(xiāng)境內(nèi)，黔鑫煤礦礦區(qū)位于北東向紙廠背斜南西段轉(zhuǎn)折端附近，大地構(gòu)造位于揚(yáng)子地臺黔北臺隆遵義斷拱之畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)。礦區(qū)地層單斜產(chǎn)出，地層傾向南，傾角6°～12°，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，區(qū)內(nèi)未見較大斷裂構(gòu)造。其井下構(gòu)件主要有主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井、工作面、瓦斯抽放巷、永久避難硐室等，構(gòu)件主要以拱形巷道的斷面形式存在，是一種典型的煤礦井下巷道。具有跨越能力大、構(gòu)造簡單、承壓效果強(qiáng)等優(yōu)勢。礦井整體采用斜井開拓，主斜井采用帶式輸送機(jī)提升原煤，并敷設(shè)壓風(fēng)和消防灑水管路；副斜井采用單鉤串車提升矸石、材料和設(shè)備，并布置架空乘人裝置運(yùn)輸人員，敷設(shè)排水管路排水。副斜井在+1562m標(biāo)高落平后布置井底車場、水泵房及水倉等井底硐室；回風(fēng)斜井井口標(biāo)高+1612.588m，主斜井、副斜井及回風(fēng)斜井在+1562m標(biāo)高通過井底聯(lián)絡(luò)巷貫通，形成礦井一采區(qū)開拓系統(tǒng)。

3.2 煤礦工程主要構(gòu)件模型創(chuàng)建

以黔鑫煤礦主斜井(表土段)為原型，因為在Revit自帶族中不存在煤礦工程的幾何模型，因此，需要先通過現(xiàn)場礦井?dāng)?shù)據(jù)，如巷道寬度，巷道拱高等，利用CAD制作煤礦工程的二維斷面模型，在通過Revit功能中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、融合、空心融合、放樣融合等組合制作三維模型，如圖3所示。

圖3 Revit生成的拱形巷道

三維模型初步制作好后，在Revit中族參數(shù)對話框內(nèi)為這個巷道賦予名稱。并根據(jù)礦井設(shè)計參數(shù)設(shè)置族參數(shù)，通過Revit Manager設(shè)置族參數(shù)與族相連接，就可以在Revit上通過改變設(shè)計參數(shù)來改變相應(yīng)族模型。

將此法運(yùn)用到其他類別的巷道斷面上，根據(jù)貴州黔鑫煤礦地下巷道類型，可依次完成主斜井(基巖段)、副斜井、井底車場巷道、綜采工作面回風(fēng)巷等構(gòu)件模型，部分構(gòu)件如圖4所示。為保證基于該礦井制造的井下煤礦構(gòu)件在其他煤礦同等條件下可重復(fù)使用，創(chuàng)建便于管理的族庫，將族文件進(jìn)行整合整理并上傳保存。

圖4 部分巷道斷面

然后利用Revit視圖功能列表下的明細(xì)表功能，選擇常規(guī)模型后，將所需參數(shù)添加其中，以拱形巷道為例，利用程序VS2015編寫程序，再利用Add-in Manager 插件讀取并生成運(yùn)行文件就能得到巷道工程量明細(xì)表，包括掘進(jìn)面積等，極大地方便了一線掘進(jìn)人員。

3.3 煤礦三維數(shù)字化模型構(gòu)建

利用Revit二次開發(fā)得到的軟件模型，將Civil 3D、Dynamo、CAD等軟件相結(jié)合來構(gòu)建煤礦井下系統(tǒng)三維數(shù)字化模型。

1)創(chuàng)建地質(zhì)模型，通過對礦區(qū)地形經(jīng)緯坐標(biāo)取整，將整個地質(zhì)地形三維取點(diǎn)后整理成Excel表格形式，再利用Dynamo讀取Excel文件，利用節(jié)點(diǎn)File Path將Excel中的大量點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)的形式生成在Revit中，在Revit界面運(yùn)行得一系列有序點(diǎn)坐標(biāo)分布圖，并利用曲線繪制方式連接得到礦區(qū)地形曲線，具體如圖5所示。

圖5 Revit界面初步生成的礦井地質(zhì)模型

2)考慮到井下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而本文所探討的是BIM技術(shù)應(yīng)用在煤礦領(lǐng)域的適用性，因此所制作的構(gòu)件和地形圖僅能夠滿足井下簡單建模，將所制作的模型全部導(dǎo)入Civil 3D中，生成效果圖，如圖6所示。

圖6 煤礦工程模型效果

4 應(yīng)用前景分析

從應(yīng)用實例可以看出，BIM技術(shù)本身具有的特點(diǎn)優(yōu)勢在煤礦設(shè)計中可以被充分利用，其最大的優(yōu)勢在于可視化，可通過三維立體模型給予人最直觀的感受，對于方案討論、設(shè)計改動等方面提供便利，其次是精細(xì)化，煤礦可以根據(jù)完善可靠的工程建設(shè)，計算所需要的精確工程量，設(shè)計更為合理的工程造價，避免人力資源、物資資源等環(huán)節(jié)的浪費(fèi)，從而有效控制成本，提高企業(yè)收益。

但其中存在的問題也需要優(yōu)化解決，首先在應(yīng)用周期方便。BIM技術(shù)如果在煤礦設(shè)計方面進(jìn)行應(yīng)用非常具有實踐價值，但是，對于整個煤礦運(yùn)行生命周期來看，還需要拓展在回采、維護(hù)等階段的應(yīng)用，設(shè)備制造行業(yè)如錨桿、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備的安裝與調(diào)試也需進(jìn)一步利用BIM技術(shù)。如此，BIM技術(shù)在煤礦工程的項目全生命周期的應(yīng)用優(yōu)勢才可得到最大化利用。另外，實際可借鑒的案例較少，使用經(jīng)驗相對不足，依據(jù)本文實例，一是針對煤礦領(lǐng)域的Revit API的二次開發(fā)資源稀少，本文所開發(fā)的環(huán)節(jié)僅占一部分；二是由于對井下采掘系統(tǒng)的創(chuàng)建不完善，對于井下系統(tǒng)沒有全方位的展示出來。因此還需要提高工程設(shè)計能力，優(yōu)化程序設(shè)計，加深BIM技術(shù)在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用。

綜上，未來將BIM等可視化技術(shù)應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域應(yīng)用仍是趨勢。特別是，以Revit為核心進(jìn)行礦井BIM模型建設(shè)并創(chuàng)建族庫，未來還需要針對不同類型礦井模型創(chuàng)建規(guī)模大、范圍廣的模型族庫，并對井下地質(zhì)巖層構(gòu)造、礦體等實際情況進(jìn)行精細(xì)化三維建模，設(shè)計井下BIM信息平臺，實時更新新舊地質(zhì)信息、井下模型，實現(xiàn)模型的動態(tài)更新及優(yōu)化，形成完整的礦山動態(tài)井下三維地質(zhì)建模模型，推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)。

BIM技術(shù)應(yīng)用在煤礦工程領(lǐng)域起步較晚，應(yīng)用在煤礦設(shè)計上功能不統(tǒng)一，但是隨著國家越來越支持煤礦智能化發(fā)展，其在煤礦應(yīng)用的前景一定會進(jìn)一步擴(kuò)大。未來隨著煤炭行業(yè)制定關(guān)于BIM技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范并加大對技術(shù)應(yīng)用的投入，BIM技術(shù)所帶來的優(yōu)勢會全方位覆蓋煤礦領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用在煤礦設(shè)計、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)中。

5 結(jié) 論

1)通過分析煤礦工程BIM技術(shù)的正向設(shè)計需求，基于Revit進(jìn)行二次開發(fā)，從該平臺上拓展應(yīng)用功能，并通過實例驗證，對煤礦工程井下真實構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建立，建立基于Revit二次開發(fā)的煤礦工程正向設(shè)計方法，并結(jié)合Dynamo等軟件建立井下數(shù)字化局部模型，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的二維設(shè)計向三維立體圖像的過渡，工程量計算準(zhǔn)確且快捷，驗證了BIM技術(shù)在煤礦實際工程中的可行性及適用性，能夠?qū)?fù)雜的設(shè)計過程進(jìn)行簡化，提高設(shè)計質(zhì)量與出圖效率，并能提高數(shù)據(jù)與圖像之間的聯(lián)動性。

2)BIM技術(shù)應(yīng)用在煤礦領(lǐng)域起步較晚，需要形成統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。隨著未來煤礦走向智能化發(fā)展，BIM技術(shù)在未來煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用將作為一項重要研究方式。對于推動煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，保證行業(yè)競爭性具有重要意義。