露天煤礦地面生產系統BIM正向設計

武迪俊，王忠鑫，2，肖 兵，黃月軍

(1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015； 2.煤炭科學研究總院 沈陽露天采礦技術研究分院，遼寧 沈陽 110015； 3.神華北電勝利能源有限公司 勝利一號露天煤礦，內蒙古 錫林浩特 026000)

數字礦山是指以計算機及其網絡為手段[1-3]，把礦山的所有空間和有用屬性實現數字化儲存、傳輸、表述和深加工，應用于各個生產環節與管理和決策之中，以達到生產方案優化、管理高效和決策科學化的目的[4，5]。在數字化礦山變革的大趨勢下，BIM技術的應用勢必成為煤礦設計的轉型升級的核心[6-10]。BIM技術(Building Information Modeling)是一種集設計、施工、后期管理于一體的管理工具[11-13]，BIM正向設計是相對于“翻模設計”而言的，翻模設計是在傳統二維CAD設計的基礎上建立三維模型，不僅設計效率低同時也無法發揮BIM技術優化性等優勢。三維協同正向設計是設計相關所有專業利用協同平臺同時進行設計，可大幅提高設計效率和設計質量[14-17]。

BIM技術在煤炭行業的應用處于起步階段，本文利用Bentley軟件以伊敏露天礦煤炭生產補套完善項目為例，研究BIM技術在露天煤礦地面生產系統的應用與BIM正向設計流程的探討，實現所有專業的正向協同設計[18，19]。

1 露天煤礦BIM正向設計流程

BIM三維協同正向設計可應用于設計的不同階段，如可行性研究階段、初步設計階段和施工圖設計階段，本文僅討論施工圖設計階段，其工作流程如圖1所示。

圖1 項目工作流程

首先，根據BIM正向設計流程完成設計平臺的搭建制定相關標準，創建協同工作區。項目負責人制定項目計劃，并根據計劃制定各專業負責人同時分配各設計人的權限。工藝專業進行方案布置，并給相關專業提供設計依據。各專業通過設計依據在協同平臺中共同完成本專業的設計，同時完成單體專業總裝工作并負責各專業間的碰撞檢查工作。項目負責人根據各個單體專業總裝完成項目全廠的總裝工作。根據出圖標準，以三維模型為基礎完成二維出圖工作，得到施工模型并計算出項目的工程量。

2 露天礦地面生產系統設計實例

2.1 工程簡介

伊敏露天礦位于大興安嶺西坡，伊敏河中下游地區，行政區劃屬內蒙古自治區呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗管轄。露天礦地面生產系統運煤卡車向3號半移動式破碎站受料倉卸料，一次破碎后原煤粒度為0～300mm，轉載至排料帶式輸送機，將原煤輸送到三號二次破碎車間，三號二次破碎車間內布置一臺雙齒輥破碎機，破碎機能力為3000t/h，二次破碎后原煤粒度為0～50mm。破碎后的產品煤通過801帶式輸送機輸送至7號緩沖倉倉上，再通過配倉帶式輸送機將產品煤輸送至7號和8號圓筒倉內儲存，再通過倉下布置的16臺插板給料機將煤轉載進入802帶式輸送機，進入裝車站內，通過鐵路裝車外運。項目建成后露天礦達產27Mt/a。

2.2 項目設計流程

2.2.1 合作區的創建

工程分解結構是根據露天礦工程項目的工藝流程或者空間布置分區，按照一定的分類和編號規則進行組織、形成可分層級顯示各個單項工程及專業的樹狀結構。項目負責人根據搭建的三維協同設計平臺制定項目工作計劃，根據工程分解結構制定各專業設計人工作計劃。然后總圖專業和工藝專業協同制定地面生產系統的各個位置的坐標、標高。

2.2.2 模型的建立

露天煤礦地面生產系統主要包括的設備主要為破碎站、帶式輸送機和轉載站。工藝專業根據總圖制定的位置標高，完成工藝設備模型的建立同時給相關專業提供設計資料。水暖電土建等專業根據工藝專業的設計資料完成各自專業的詳細設計，建立BIM模型如圖2所示。同時完成工藝設備的單體總裝。在完成的設備模型中，可以給設備添加自定義屬性，方便后續統計計算項目工程量等工作。

圖2 帶式輸送機三維模型

2.2.3 協同設計

水暖電土建專業根據工藝專業的設計資料完成各自專業的詳細設計，同時需要完成碰撞檢查(圖3)，碰撞檢查是各個專業間的硬碰撞檢查和軟碰撞檢查(安全間距)的統稱[20，21]，各個專業完成設計后由專業負責人進行匯總完成單項工程的分裝，同時對單項工程進行碰撞檢查。碰撞檢查完成后，專業內部發生碰撞的由專業設計負責人進行更改；專業間發生碰撞的由發生碰撞的相關專業負責人溝通協調，確定修改原則直到完全通過碰撞檢查。

圖3 暖通專業和消防專業的碰撞

待各個單項工程全部完成后，將各個單項工程模型進行全廠的模型總裝。全廠總裝后的三維模型可根據需求完成環境渲染和生成動畫，完成數字化交付，對全廠及各個單項工程以不同的角度制作動畫，更加直觀、更加形象、更加詳細的展示設計成果。最后各專業可以根據Bentley模型生成二維圖紙，滿足施工要求。

3 露天煤礦BIM正向設計特征

3.1 優勢

1)可視化。以往二維設計的圖紙，真正的構造需要看圖紙的人自己去想象，而BIM正向設計中直接展示露天煤礦地面生產系統的三維模型，給人直觀的感受。不僅僅在項目展示方面，在設計過程中的方案設計討論也更加直接。

2)協同設計。在地面生產系統的設計中需要許多專業互相配合完成，在二維設計中，往往都是各自專業獨自完成本專業設計，這就造成了由于溝通不暢造成專業間互相沖突的問題，例如檢修間中暖通專業的管道和消防專業的消防箱發生碰撞，二維設計中通常要到施工中才會發現。BIM三維正向設計各個專業共享設計平臺，各個專業都在相同平臺下協同設計，可解決多專業設計協同問題。同時，在BIM正向設計中，單一專業設計存在的安全距離和安全間隙等軟碰撞協調問題也一并得到了解決。

3)優化性。設計是一個優化的過程，BIM三維正向設計更是如此，BIM三維正向設計構造一個真實的模型，是后續優化設計的基礎。BIM正向設計可以直觀的反應露天煤礦地面生產系統各單項中存在的問題，將問題暴露于設計過程中，避免在施工中出現問題，提高了設計質量和設計效率，減少設計變更，大大縮短項目建設期，有效降低露天煤礦企業成本。

4)精細化。由于三維模型計算工程量的準確性，提供更加準確的工程基礎數據，露天煤礦企業可以更加準確地計算出工程項目所需要的工程量，得到更加精細化的工程造價，為項目后期管理提供數據支撐。露天煤礦企業可以制定更加精確的人員、材料、機械計劃，從而避免了人力資源、倉儲環節和物流運輸的浪費，提升了露天煤礦總承包項目管理水平，進而有效控制項目管理成本。BIM模型為露天煤礦全生命周期管理提供真實、可靠的模型基礎。設計質量和設計效率的提升有助于露天煤礦地面生產系統管理的精細化，避免了大量的重復勞動。

3.2 面臨的問題

1)BIM技術在我國煤礦行業中還處于起步階段。在我國露天煤礦企業中，BIM技術還沒有被廣泛應用，在實際項目中，露天煤礦企業對BIM技術要求較少。BIM技術在設計單位中處于摸索階段，煤礦企業、施工企業、設備制造企業、造價企業并沒有應用BIM技術，因此BIM技術在露天煤礦地面生產系統中的項目全生命周期優勢僅僅在設計環節中得到了體現，并沒有充分體現BIM正向設計的價值。

2)BIM軟件基于露天煤礦地面生產系統的設備庫并不完善。露天礦地面生產系統的主要設備庫不完善，在BIM正向設計中無法從“設備庫”中調取相應的設備，無形當中增加了設計任務導致設計效率降低，延長了設計周期，甚至影響整個項目建設期。

3.3 應用前景

BIM技術應用于露天煤礦是大勢所趨，隨著未來在煤炭行業中制定BIM正向設計標準和相關規范，同時在數字化礦山和智慧礦山等國家政策的鼓勵下，BIM技術三維正向設計在露天礦的應用一定會得到高速發展，BIM三維正向設計對于二維設計是一次劃時代的技術革命，BIM技術的優勢會在露天煤礦工程項目的全生命周期得到徹底體現，BIM技術對露天煤礦企業完成信息化管理、精細化管理起到至關重要的作用。工程設計企業應用BIM技術會增加企業在市場中的競爭力，BIM正向設計也一定會廣泛地應用于露天煤礦。

4 結 語

1)結合伊敏露天礦煤炭生產補套完善項目的BIM正向設計，建立了露天煤礦BIM正向設計流程的方法，形成了全專業在協同平臺共同完成正向設計的體系。

2)露天礦BIM應用起步較晚，并沒有形成統一的行業標準，應建立統一的煤炭行業標準，轉變設計思路和習慣，在露天煤礦中充分發揮BIM正向設計的優勢。BIM正向設計具備可視化、設計協同性、精確化、優化性等優勢，隨著信息技術的發展，BIM正向設計是實現數字化礦山的重要手段。面對新的市場發展環境和市場要求，發展數字化設計和移交是設計單位提升市場競爭力、保持行業領先地位的必然途徑。