基于BIM的智慧礦山工程安全技術(shù)研究

黃應(yīng)平

（江西省贛華安全科技有限公司，江西 南昌 330001）

隨著國家對礦山行業(yè)發(fā)展的日漸重視，再加上每年在礦山行業(yè)中的財政和政策支持的增大，使得在當下的礦山行業(yè)發(fā)展中，現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢越來越明顯，越來越多的礦山企業(yè)開始了智慧礦山建設(shè)探索，且取得了一定的發(fā)展成效。但智慧礦山建設(shè)的過程中因為存在資金、技術(shù)和環(huán)境等的限制，使得在建設(shè)過程中尚存在很多的難題，未來的礦山行業(yè)發(fā)展中，各個礦山企業(yè)都要加大BIM技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用，以充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，全面推進礦山工程安全的目標。

1 BIM技術(shù)在智慧化礦山的應(yīng)用及架構(gòu)

1.1 BIM技術(shù)在智慧化礦山建設(shè)中的愿景

在信息時代到來以后，BIM技術(shù)的發(fā)展迅速，已然被應(yīng)用在各類工程領(lǐng)域，從本質(zhì)上來看，計算機技術(shù)是BIM技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，在礦山工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)的應(yīng)用就是通過專業(yè)建筑信息模型的創(chuàng)建，來實現(xiàn)全部礦山信息的共享和集成，在專有模型的基礎(chǔ)上輔助礦山各種開發(fā)作業(yè)的實施。具體的應(yīng)用中，BIM技術(shù)經(jīng)由模型的構(gòu)建，也就可以通過數(shù)字信息的方式來對礦山工程現(xiàn)場的真實情況加以模擬，與常規(guī)的技術(shù)相比，BIM技術(shù)具有突出的可視化、協(xié)調(diào)性和模擬性、優(yōu)化性特征[1]。現(xiàn)階段，隨著智能化技術(shù)的日漸發(fā)展，BIM技術(shù)與智能技術(shù)的高度結(jié)合使得智慧礦山概念提出，且有越來越多的礦山企業(yè)開始了智慧礦山建設(shè)，未來勢必在礦山企業(yè)中建成生產(chǎn)管理中心、礦山安全中心、生產(chǎn)控制中心、運維保障中心和運營管理中心等多個模塊，促進礦山企業(yè)生產(chǎn)的高效實施。

1.2 綜合信息集成中心的關(guān)鍵支撐

經(jīng)由BIM技術(shù)所建設(shè)的智慧礦山中，主要包含了固定資產(chǎn)網(wǎng)、工業(yè)設(shè)備管網(wǎng)、生產(chǎn)運維管理網(wǎng)三大信息網(wǎng)模型，固定資產(chǎn)網(wǎng)的建設(shè)中，主要是利用BIM技術(shù)相關(guān)軟件，經(jīng)由信息建模方式來對礦區(qū)現(xiàn)場的場區(qū)大場景、建筑設(shè)施小場景、室內(nèi)局部場景、地下設(shè)施管網(wǎng)、巷道布置等不可見場景開展全面模擬；工業(yè)設(shè)備管網(wǎng)可以實現(xiàn)設(shè)備模型的動態(tài)運行展示、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、安全預(yù)警結(jié)果顯示、維護和保養(yǎng)狀態(tài)等信息的實時顯示和傳輸；生產(chǎn)運維管理網(wǎng)下，礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控、全場視訊管理和安全巡檢管理[2]。總之，這三個信息網(wǎng)是支撐智慧礦山各方面生產(chǎn)目標實現(xiàn)的切實基礎(chǔ)和保障，只有在這些信息網(wǎng)基礎(chǔ)上，才能夠?qū)崿F(xiàn)空間BIM數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的全面集成，實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)與真實礦山環(huán)境內(nèi)的數(shù)據(jù)孿生，進而達到多維空間信息的共享聯(lián)動、直觀映現(xiàn)和動態(tài)空間的目標。

1.3 BIM技術(shù)建設(shè)規(guī)劃業(yè)務(wù)架構(gòu)

智慧礦山建設(shè)從下到上包含了多個層級，這些不同層級之間保持著相互之間的配合，底層信息控制域主要負責的是信息的向上采集與向下控制，主要為各類傳感器與設(shè)備廠商；信息融合域在智慧礦山中主要是對所采集的信息進行過濾、存儲、索引與匯總，主要為云計算及各類軟件提供商；信息應(yīng)用域內(nèi)包含有多個的子系統(tǒng)，比如，資產(chǎn)管理系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)等均是其中的重要構(gòu)成，這些不同層級之間的構(gòu)成，使得礦山現(xiàn)場的信息采集和數(shù)據(jù)處理、決策支持等更為便捷且高效，智慧礦山下的業(yè)務(wù)門戶管理流程如圖1所示。

圖1 BIM =技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)門戶管理流程圖

2 礦山工程安全管理BIM技術(shù)的優(yōu)點

2.1 模擬化

任何的礦山工程現(xiàn)場作業(yè)實施中，所面臨的環(huán)境條件都是十分復(fù)雜且惡劣的，如果利用傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，工程現(xiàn)場很多的安全隱患并不能完全消除，后續(xù)施工作業(yè)進行的過程中常常會出現(xiàn)各種的安全事故，而BIM技術(shù)下，因為這一技術(shù)的模擬性特點突出，完全可以在建模的過程中來對礦山工程現(xiàn)場的真實情況加以還原，密切監(jiān)測礦區(qū)周邊的環(huán)境變化。因此，智慧礦山建設(shè)中的BIM技術(shù)可以消除在礦山現(xiàn)場所存在的各種安全隱患，及時根據(jù)不安全因素的信息分析，來制定可行的安全防護對策，使得各項的施工作業(yè)都可以安全、高效實施[3]。因此，智慧礦山中的各方面安全問題，幾乎都可以利用BIM技術(shù)來加以解決。在正式的施工作業(yè)之前，首先對礦山工程中危險系數(shù)較高的準備工作加以全面模擬，比如，腳手架搭設(shè)方面，完全可以通過BIM模型來提前開展搭設(shè)模擬，判斷所制定的搭設(shè)方案中是否存在安全風險，當然，一些危險系數(shù)相對較高的設(shè)備操作同樣可以利用BIM技術(shù)來模擬，比如，針對礦區(qū)工程現(xiàn)場的懸挑梁搭設(shè)和吊籃施工，經(jīng)由提前模擬，也就可以使得后續(xù)的施工作業(yè)能夠順利開展。礦區(qū)工程現(xiàn)場的BIM技術(shù)安全管理中，經(jīng)由對礦區(qū)現(xiàn)場和周邊環(huán)境的4D或者5D模擬，也就可以對工程項目實施的全過程開展相應(yīng)的管控，通過三維圖形和一維數(shù)據(jù)的有效融合，不僅可以對每個環(huán)節(jié)的工程量加以精準計算，更可以解決各個環(huán)節(jié)工程施工作業(yè)中的質(zhì)量、安全等問題。

2.2 可視化

BIM技術(shù)同樣具有可視化的特征，這一特征具體表現(xiàn)在利用BIM技術(shù)所創(chuàng)建的三維模型中，因為在該模型中不僅包含了智慧礦山的物理信息，更是涉及了礦上工程現(xiàn)場的其他功能信息，在該模型中，相關(guān)施工人員、管理人員都可以在該模型中調(diào)取其中的關(guān)鍵信息來進行相應(yīng)的工程設(shè)計和施工優(yōu)化，經(jīng)由不同部門和崗位人員的信息共享，也就可以提前安排好工程現(xiàn)場關(guān)于安全方面的工作，且進行安全防護設(shè)施的布置[4]。可視化功能下，可以在模型中整合礦山現(xiàn)場的全部信息來進行全過程施工的模擬，也就可以提前識別出潛在的風險并與其他相關(guān)部門配合，最大程度上針對礦山工程建設(shè)施工中的潛在風險種類和分布情況，制定一套對應(yīng)的安全管理方案。現(xiàn)階段的智慧礦山領(lǐng)域，可視化軟件中應(yīng)用較多的是3DS Max、Rrtlan-tis、AccuRender和Lightscape，經(jīng)由這些專業(yè)軟件的輔助，也就可以自動對礦山工程中的礦體、設(shè)備三維圖形關(guān)系加以精準顯示，減少各類安全事故的發(fā)生。

2.3 優(yōu)化性

礦山工程領(lǐng)域的安全管理工作難度系數(shù)較大，在實際的管理工作進行中，因為現(xiàn)場所包含的安全隱患異常多，為促進各項作業(yè)的安全、高效實施，工程企業(yè)必須要將安全管理工作放在首要位置，全面推進安全管理工作的全面落實。智慧礦山下的安全管理工作，同樣可以有效發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)化性優(yōu)勢，不斷在工程項目實施的過程中加以細節(jié)處理和優(yōu)化，保持工程不同部門之間的協(xié)調(diào)性。

3 BIM技術(shù)在智慧礦山建設(shè)安全管理中的應(yīng)用

3.1 動態(tài)布置場地

基于BIM技術(shù)的智慧礦山中，經(jīng)由BIM技術(shù)的應(yīng)用，也就可以實現(xiàn)對場地的動態(tài)布設(shè)，在工程項目的諸多中間環(huán)節(jié)都發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，比如，針對礦區(qū)的混凝土建筑施工、管道布設(shè)等方面，都可以開展安全性評估，在評估基礎(chǔ)上開展有針對性的安全管理。當然，智慧礦山工程中的BIM技術(shù)動態(tài)平面規(guī)劃不僅僅體現(xiàn)在這一方面，還體現(xiàn)在其他的場地規(guī)劃方面，在動態(tài)布設(shè)的過程中也就可以及時發(fā)現(xiàn)工程現(xiàn)場所存在的不足，快速針對安全管理方面的漏洞及時督促有關(guān)部門來開展相應(yīng)的整改。有關(guān)工程人員將所收集到的礦山工程信息集中起來以后，經(jīng)由BIM技術(shù)來實現(xiàn)進一步整理，也就可以建立礦區(qū)內(nèi)全部建筑物的三維模型，在模型中開展場地布置。

3.2 4D施工模擬

現(xiàn)階段的礦山工程領(lǐng)域，對于施工工藝和技術(shù)的要求非常高，主要是因為礦山工程現(xiàn)場的規(guī)模龐大，涉及了很多的工程要素，安全管理的難度系數(shù)較高。為促進礦山工程現(xiàn)場的安全目標實現(xiàn)，工程企業(yè)應(yīng)保障施工建設(shè)過程中的4D技術(shù)與三維立體模型的有效結(jié)合，密切關(guān)注工程進度，利用BIM技術(shù)來同步更新現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開展進度、安全和成本管理。在礦山工程現(xiàn)場建立了4D模型以后，也就可以通過對礦山工程現(xiàn)場信息的全面采集來進行模型中相關(guān)內(nèi)容的動態(tài)調(diào)整，根據(jù)4D模擬結(jié)果來及時處理施工方案中的問題，促進各項施工作業(yè)的高效開展[5]。BIM技術(shù)下，因為可以對施工現(xiàn)場的潛在危險加以預(yù)演，經(jīng)由Revit平臺、編程語言的結(jié)合，也就可以在BIM模型中創(chuàng)建一個危險源安全管理模塊，組建安全管理系統(tǒng)，該模塊功能應(yīng)該包含項目信息、危險源管理、安全信息摘要等，經(jīng)由這一模塊在礦山工程現(xiàn)場中的應(yīng)用，可以對現(xiàn)場所涉及導(dǎo)頻的全部危險源加以實時監(jiān)控，利用BIM技術(shù)等視覺資源來對現(xiàn)場內(nèi)或者邊緣的危險源加以識別和判定，在識別出潛在的安全隱患以后進行應(yīng)急救援。

3.3 三維碰撞檢查

智慧礦山工程現(xiàn)場內(nèi)涉及了各種類型的管線，管線交叉明顯，經(jīng)由BIM技術(shù)的應(yīng)用，就可以對工程現(xiàn)場的管線實施三維碰撞和檢查。一般情況下，電氣工程整治包含了強電、亮化和弱電，傳統(tǒng)的工程技術(shù)下，更多地采用的是2D圖紙的管線設(shè)計，在設(shè)計工作中基本上沒有考慮不同管線之間的碰撞和交叉，嚴重影響了正常的施工建設(shè)[6]。而BIM技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用，可以給三維碰撞檢查提供便捷，在管線布置的過程中，首先應(yīng)進行三維模型的建設(shè)，在三維模型建成以后進行管線施工模擬，可視化前提下，相關(guān)人員也就可以及時發(fā)現(xiàn)部件之間碰撞位置或者設(shè)計缺陷，通過設(shè)計優(yōu)化和改進，避免了后續(xù)施工中的返工問題。

3.4 施工安全監(jiān)控及檢查

在傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域，因為存在著一定的技術(shù)限制，使得施工單位在開展工程建設(shè)的過程中，往往是利用2D圖紙來進行施工管理的，工程安全管理方面存在著很多的不足，而信息時代下BIM技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用，完全克服了傳統(tǒng)的技術(shù)限制，符合智慧礦山建設(shè)中的技術(shù)標準。根據(jù)礦山工程中傳統(tǒng)安全管理模式與BIM技術(shù)下的現(xiàn)代化工作模式對比，在傳統(tǒng)安全管理模式下，工程建設(shè)的整體安全系數(shù)不高，且缺乏對礦山工程中的各種信息利用，安全管理方面存在很多的不足，不同部門之間無法實現(xiàn)信息共享。而在BIM技術(shù)下，因為完全可以實現(xiàn)信息共享，也就可以給現(xiàn)場的安全監(jiān)控和檢查提供便捷，促進智慧礦山建設(shè)中一切施工作業(yè)的高效開展。

4 結(jié)語

近年來，越來越多的礦山企業(yè)都加大了在智慧礦山建設(shè)方面的資金、技術(shù)和人才投入，而BIM技術(shù)作為智慧礦山中的關(guān)鍵技術(shù)，在這一技術(shù)下，因為礦山現(xiàn)場的全部信息都能夠得以共享，也就可以給安全管理工作提供數(shù)據(jù)支撐，促進礦山企業(yè)社會效益、經(jīng)濟效益等的全面實現(xiàn)。