拓展數(shù)字化設(shè)計(jì) 推進(jìn)智能化建設(shè)

文｜何利輝 李朝軍

二維CAD 時(shí)代，一個(gè)完整的煤礦設(shè)計(jì)項(xiàng)目需要大量圖紙才能描述完整，圖紙的不直觀性導(dǎo)致沖突檢查困難，設(shè)計(jì)錯(cuò)漏和返工較多，設(shè)計(jì)質(zhì)量整體偏低；設(shè)計(jì)圖紙無(wú)法承載有效設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)成果不能實(shí)現(xiàn)后續(xù)過(guò)程的有效利用。礦山信息化建設(shè)與數(shù)字化融合不深入，綜合管理效率較低，無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)字化礦山的建設(shè)需求。為了改善上述現(xiàn)狀，煤礦行業(yè)借鑒水利水電、冶金行業(yè)的發(fā)展模式，逐步向工程數(shù)字化過(guò)渡。數(shù)字化實(shí)施的基礎(chǔ)則是基于BIM 的三維信息建模技術(shù)，由于三維信息建模簡(jiǎn)單、快捷高效、表達(dá)直觀、具備全生命周期管理的特點(diǎn)，對(duì)提高煤礦設(shè)計(jì)質(zhì)量及科學(xué)管理水平具有重要的促進(jìn)作用。

作為煤礦工程數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞巷道可視化提出了許多思路，例如斷面中線法、基于地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)建方法等，同時(shí)也借助Surpac、Dimine等工具進(jìn)行建模，并仿照拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)思想描述了巷道節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。關(guān)于這方面的研究雖取得一些進(jìn)展并在煤礦或金屬礦山進(jìn)行了初步應(yīng)用，但由于與BIM 技術(shù)性質(zhì)的不同，存在目的及建模方式上的根本區(qū)別，BIM 設(shè)計(jì)不僅僅是可視化展現(xiàn)，最重要的是要實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)的全面應(yīng)用，為數(shù)字化礦山建設(shè)提供全程服務(wù)。在數(shù)字化時(shí)代，煤礦巷道系統(tǒng)需要利用三維多參數(shù)形式來(lái)表達(dá)，需要重點(diǎn)解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合建模、模數(shù)關(guān)聯(lián)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的傳遞與交互等難題。

開(kāi)發(fā)平臺(tái)選型

目前市面主流工廠級(jí)BIM 設(shè)計(jì)平臺(tái)主要有Autodesk、Aveva、Dassault 和Bentley，從開(kāi)發(fā)周期與難易程度上考慮，煤礦巷道數(shù)字化設(shè)計(jì)主要通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，因此，需從中選擇合適的平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。各平臺(tái)之間的比較見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)比較

與其他平臺(tái)相較，Bentley 公司致力于為業(yè)主提供促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展的綜合解決方案，它的所有軟件在同一協(xié)同平臺(tái)下使用同一種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行共享與交互，并配合其三維開(kāi)發(fā)能力可以最大程度解決大型、復(fù)雜工程項(xiàng)目多源異構(gòu)混合型數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題。同時(shí)，它具備的特有EC（Engineering Content）技術(shù)可為三維模型附加圖形數(shù)據(jù)，從而解決模型與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)問(wèn)題。此外，Bentley 的產(chǎn)品是面向全生命周期的，設(shè)計(jì)階段的模型與數(shù)據(jù)可以無(wú)縫進(jìn)行階段間傳遞以滿(mǎn)足下一階段的使用需求。綜上，優(yōu)先選擇MicroStation 作為巷道設(shè)計(jì)系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)平臺(tái)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)流程。煤礦巷道數(shù)字化設(shè)計(jì)流程如圖1所示，頂層為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，包括中線數(shù)據(jù)、斷面參數(shù)、支護(hù)參數(shù)、布置參數(shù)等；中間層提供三維建模以及模型與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)服務(wù)；底層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的多元化應(yīng)用。

圖1 設(shè)計(jì)流程

功能劃分。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，規(guī)劃的巷道設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流及工具欄界面如圖2所示。

圖2 工作流界面

其中，主要的功能模塊如下：

巷道參數(shù)化建模。該功能是根據(jù)巷道中線、斷面、支護(hù)、布置等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立巷道信息模型。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具備多源異構(gòu)特性，數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括：巷道名稱(chēng)、圍巖類(lèi)別等基本參數(shù)，描述巷道幾何特征的斷面控制參數(shù)，描述巷道支護(hù)形式的支護(hù)特征參數(shù)，水溝、臺(tái)階、設(shè)備等的布置參數(shù)。為簡(jiǎn)化流程，本次設(shè)計(jì)僅考慮矩形、半圓拱形、三心圓拱形等標(biāo)準(zhǔn)化斷面，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 巷道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巷道信息建模界面如圖3所示。該實(shí)現(xiàn)過(guò)程利用的關(guān)鍵技術(shù)為沿路徑放樣及EC（Engineering Content，工程內(nèi)容）技術(shù)，曲線沿路徑線放樣后形成曲面，曲面放樣后則形成實(shí)體。EC 既可以在參數(shù)化建模過(guò)程中添加，也可以在后期通過(guò)Excel 數(shù)據(jù)庫(kù)的形式附加，在MicroStation 中，選擇附加EC 的元素即可查詢(xún)自定義的EC 屬性，可視化效果如圖4所示。

圖3 巷道信息建模界面

圖4 EC 屬性

硐室建模。對(duì)于變電所、避難所、醫(yī)療等候硐室等硐室工程，先利用巷道參數(shù)化建模工具將主體部分分步建模，然后依次對(duì)各主體之間的模型進(jìn)行剪切與布爾運(yùn)算，最后附加屬性數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)即可得到硐室信息模型。

輸出二維圖。MicroStation 平臺(tái)具備模型動(dòng)態(tài)剖切技術(shù)，三維信息模型能夠直接關(guān)聯(lián)二維符號(hào)，軟件自身優(yōu)秀的尺寸與工程屬性參數(shù)化標(biāo)注功能也可以直接應(yīng)用到開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中。基于該技術(shù)可將三維巷道信息模型按照任意剖切方向一鍵輸出滿(mǎn)足施工需求的二維圖紙，既可以避免人為錯(cuò)誤，也節(jié)省了后期大量的修改時(shí)間。

工程算量。由于三維信息模型是模型與信息的綜合體，模型是信息的載體，因此，通過(guò)三維模型元素獲取到附加在模型上的屬性數(shù)據(jù)之后，即可進(jìn)行工程量與材料量的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，并能夠以自主定制的格式進(jìn)行輸出，后期還可以結(jié)合工程定額庫(kù)進(jìn)行工程概預(yù)算。BIM 算量是三維信息模型的核心應(yīng)用，從三維信息模型里讀取工程量簡(jiǎn)便快捷，免去了算量的繁瑣工作，尤其是針對(duì)復(fù)雜類(lèi)工程變更較多的情況下較為適用。

施工模擬。施工模擬是將三維信息模型加上時(shí)間維度進(jìn)行施工仿真模擬與進(jìn)度管理，亦稱(chēng)為4D 技術(shù)，我們可以在4D 模型中計(jì)劃、管理、模擬、跟蹤和審查施工項(xiàng)目，輔助項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)按時(shí)、按預(yù)算施工。4D 進(jìn)度管理提高了建設(shè)項(xiàng)目的安全性、可靠性、可預(yù)測(cè)性和質(zhì)量可控性，通過(guò)避免返工和提前發(fā)現(xiàn)進(jìn)度問(wèn)題實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。

4D 技術(shù)用于輔助決策，有助于降低發(fā)生問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，該功能需結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)度管理軟件SYNCHRO 來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，將Microsoft Project XML 或Primavera P6 的進(jìn)度計(jì)劃文件導(dǎo)入SYNCHRO；然后，將MicroStation 的DGN或i-Model文件導(dǎo)入SYNCHRO；最后，在SYNCHRO 中依次將BIM 模型與計(jì)劃任務(wù)相關(guān)聯(lián)后即可按照時(shí)間順序進(jìn)行施工進(jìn)度控制與模擬。

設(shè)備管理。設(shè)備管理包括設(shè)備布置與分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，將BIM 技術(shù)納入設(shè)備管理，基于BIM提供設(shè)備添加、查詢(xún)、更新等信息共享及可視化操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的高效管理，既能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化布置，還可對(duì)各專(zhuān)業(yè)設(shè)備的幾何與工程屬性自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，后期還可以整合分析設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理信息，這對(duì)于促進(jìn)設(shè)備管理模式的智能化轉(zhuǎn)變具有重要意義。

工程應(yīng)用

巷道工程數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)分別在神華神東哈拉溝煤礦以及陜煤集團(tuán)張家峁煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，據(jù)此建立的三維開(kāi)拓信息模型如圖5所示。應(yīng)用結(jié)果表明，工程算量快而準(zhǔn)確，二維成圖快且自動(dòng)化程度高，設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率得到明顯提升。

圖5 開(kāi)拓模型

同時(shí)，利用特殊視聽(tīng)設(shè)備可以直接對(duì)BIM設(shè)計(jì)成果進(jìn)行虛擬體驗(yàn)，詳見(jiàn)圖6所示的為張家峁煤礦設(shè)計(jì)的360 全息展示系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了視頻播放、移動(dòng)端控制、直接操控展示三種模式，滿(mǎn)足了采掘工程方案設(shè)計(jì)、人員培訓(xùn)、安全管理、應(yīng)急救援等多樣化需求，拓展了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成果應(yīng)用場(chǎng)景的外延。

圖6 全息投影展示系統(tǒng)

此外，在施工方面，利用BIM 技術(shù)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工方案進(jìn)行模擬以確定最優(yōu)化方案，避免施工返工，并可精確確定不同施工階段的材料用量，實(shí)現(xiàn)階段性成本控制，避免材料浪費(fèi)，規(guī)范及提高整體施工水平。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，通過(guò)GIS 與BIM 的融合，利用物理模型、歷史、傳感器等數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)物理空間的全生命周期過(guò)程，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)合，提高項(xiàng)目綜合管控能力。

以BIM 技術(shù)為依托、參數(shù)化建模方法為指導(dǎo)，在MicroStation 平臺(tái)下建立的煤礦巷道數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巷道的參數(shù)化建模、工程算量、一鍵輸出平面圖表以及設(shè)備管理的功能，滿(mǎn)足正向設(shè)計(jì)特征，解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向智能三維設(shè)計(jì)過(guò)渡的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜的建模過(guò)程，縮短成圖時(shí)間，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與出圖效率，并能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景的多維度外延，具備良好的可行性。但仍存在一些問(wèn)題亟待解決，包括巷道交岔的處理、模型與數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)、BIM 模型的數(shù)字化移交等。后續(xù)工作中，應(yīng)結(jié)合BIM 技術(shù)的信息集成及可傳遞性特點(diǎn)，綜合GIS 構(gòu)建煤礦三維空間信息網(wǎng)共享模型，實(shí)現(xiàn)全生命周期各階段的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，促進(jìn)“兩化融合”。