BIM技術(shù)在地下礦山三維協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用探索*

甘懷營，淡永富

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 引言

建筑信息模型（Building Information model，BIM）在建筑行業(yè)的應(yīng)用充分證明其技術(shù)先進和方法優(yōu)越。在礦山工程項目中，基于BIM技術(shù)將工程信息數(shù)據(jù)三維可視化，可以將工程各參與方緊密地聯(lián)系在一起，形成高效的組織結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化作業(yè)流程，實現(xiàn)工程信息模型數(shù)據(jù)共享[1]。

對于 BIM 技術(shù)在礦山工程的應(yīng)用，于潤滄[2]等提出了礦山信息模型（Mine Information model，MIM）的概念，充分闡述MIM在礦山設(shè)計、建設(shè)、運營等各階段的重要價值，同時基于礦山工程項目建設(shè)特點，MIM的建設(shè)是一項既復雜又艱巨的系統(tǒng)工程，需要整體統(tǒng)一規(guī)劃及分步實施。MIM理念的提出對于 BIM 技術(shù)在礦山行業(yè)的推廣應(yīng)用指明了發(fā)展方向，然而地采礦山工程設(shè)計要實現(xiàn)三維協(xié)同還存在一些問題。

1 BIM技術(shù)在地下礦山三維協(xié)同設(shè)計中存在的主要問題

基于 BIM 技術(shù)的廠房及建筑三維協(xié)同設(shè)計取得了矚目的成就，然而，由于地下礦山工程項目復雜特殊，地采礦山工程BIM技術(shù)推廣應(yīng)用進展較為緩慢，主要原因有以下兩點。

（1）缺乏專業(yè)級平臺軟件。地采礦山工程項目 BIM 建模工作選擇的平臺軟件目前還缺乏成型規(guī)范的族與構(gòu)建庫可用。對于地采礦山工程來說都必須利用軟件中的自開發(fā)工具，建立模型所需的基本構(gòu)件族庫。針對不同專業(yè)適用的BIM軟件有所不同，文件格式及所帶屬性也有所不同，這為信息模型的整合及數(shù)據(jù)傳遞帶來難度，也為各專業(yè)間的協(xié)同帶來困難。

（2）地采礦山項目涉及領(lǐng)域多專業(yè)組成。地采礦山項目需要搭建多專業(yè)、多領(lǐng)域的BIM技術(shù)應(yīng)用體系。建模工作內(nèi)容涵蓋民用建筑、工業(yè)建筑、礦井建設(shè)、地質(zhì)勘察等領(lǐng)域，涉及采礦、井建、礦機、建筑、地質(zhì)、給排水、暖通、供電等專業(yè)。

因此，要實現(xiàn)地下礦山三維協(xié)同設(shè)計，需要選擇成熟的BIM平臺進行專業(yè)軟件開發(fā)，實現(xiàn)巷道參數(shù)化三維建模，然后利用該BIM平臺進行各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。

2 基于BIM技術(shù)巷道參數(shù)化建模二次開發(fā)

2.1 平臺選擇

主流BIM三維協(xié)同設(shè)計有Bentley、Revit及達索等平臺。各種軟件各有優(yōu)點，而 Bentley平臺其建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備系列產(chǎn)品在石油、化工、電力、醫(yī)藥等工廠設(shè)計和道路、橋梁、市政、水利等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域有無可爭辯的優(yōu)勢，在解決非標工業(yè)性場合、地理信息系統(tǒng)、處理點云的能力上，一馬當先獨樹一幟[3-5]。因此本文采用Bentley平臺作為二次開發(fā)的應(yīng)用平臺。

2.2 二次開發(fā)目標

二次開發(fā)目標旨在開發(fā)實用、創(chuàng)新的巷道參數(shù)化建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過巷道斷面參數(shù)和巷道中心線，在Bentley平臺構(gòu)建巷道帶屬性的三維模型，可對相關(guān)工程量和材料消耗量進行統(tǒng)計并生成報表，然后利用Bentely平臺實現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)地采礦山的專業(yè)特點，基于 MicroStation基礎(chǔ)平臺軟件進行二次開發(fā)，能夠與 MicroStation三維設(shè)計軟件無縫連接，模型數(shù)據(jù)直接從三維設(shè)計平臺中提取，同時將系統(tǒng)中的巷道參數(shù)化建模成果寫入到三維設(shè)計文件中。并通過調(diào)用 MicroStation專業(yè)軟件的API接口、定制開發(fā)Bentley巷道參數(shù)化建模系統(tǒng)，解決礦山專業(yè)巷道的三維建模、工程量以及材料消耗量統(tǒng)計問題。最后利用 Bentely平臺的Project Wise實現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計，二次開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

2.4 技術(shù)方案

2.4.1 插件技術(shù)

計算機軟件中的插件技術(shù)，指在不修改程序主體的情況下，利用公開的插件接口對軟件功能進行擴展與加強，實現(xiàn)“即插即用”軟件開發(fā)過程，基于插件的應(yīng)用系統(tǒng)具有較好的可定制性、可擴充性和可維護性。平臺插件軟件結(jié)構(gòu)一般有2個部分，一部分為程序的主體或主框架，另一部分為功能擴展或補充模塊（即插件），見圖2。

圖1 二次開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 插件技術(shù)

2.4.2 MDL編程技術(shù)

基于Bentley公司MicroStation基礎(chǔ)平臺，采用當前最主流和成熟的MDL NativeCode（C++）編程技術(shù)。MDL（MicroStation Development Language）是MicroStation的“應(yīng)用引擎(Application Engine)”，可以直接在MicroStation中運行并且表現(xiàn)為Micro-Station本身的一部分，程序本質(zhì)是Windows動態(tài)連接庫（DLL程序），可直接調(diào)用及訪問MicroStation的核心函數(shù)、數(shù)據(jù)庫的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼，以便擴展MicroStation固有的類及功能。

3 TIM系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 TIM系統(tǒng)功能概述

開發(fā)完成的巷道信息模型系統(tǒng)（Tunnel Information Model，TIM）通過安裝，直接以菜單及工具欄方式加載到Microstation，使用鼠標操作實現(xiàn)相關(guān)功能。TIM系統(tǒng)目前可以實現(xiàn)2大主要功能，分別為巷道建模、軸線坐標表及工程量表等報表導出，如圖3。

圖3 TIM系統(tǒng)功能界面

3.2 巷道建模

點擊“巷道建模”命令，選擇需要建模的中心線，左鍵點擊確認后彈出圖4界面，依次輸入巷道名稱、巷道參數(shù)、斷面輪廓、支護、管道、線纜及水溝等參數(shù)后，點擊繪制實現(xiàn)巷道三維參數(shù)化建模，建立的模型具有材料類型、工程量、尺寸、體積及工況等屬性參數(shù)，巷道參數(shù)化建模效果見圖5。

圖4 巷道建模界面

圖5 巷道參數(shù)化建模效果

TIM系統(tǒng)巷道參數(shù)機軌類型有單軌、雙軌及無軌，軌道羅列了礦山常用的型號，軌道型號參數(shù)可進行維護。斷面輪廓參數(shù)斷面形狀包含常用的三心拱、圓弧拱、矩形及梯形斷面，巷道寬及墻高由巷道設(shè)備參數(shù)進行配置，高跨比可選1/3，1/4及1/5等。

設(shè)計的巷道支護需要根據(jù)巷道所穿過不同的工程地質(zhì)巖層，而選擇對應(yīng)的支護方式，TIM系統(tǒng)可增加不同段的支護方式，其起終點可以輸入或通過鼠標圖形確定，支護方式可通過下拉方式進行選取設(shè)置好的支護參數(shù)。支護參數(shù)通過設(shè)置，主要需要確定支護形式、支護厚度、錨桿等參數(shù)，其中錨桿數(shù)量根據(jù)設(shè)置參數(shù)自動計算，其余凈斷面、掘進斷面、砼及噴砼等數(shù)據(jù)自動計算，支護的參數(shù)可通過導入導出進行維護。

3.3 報表導出

報表導出主要根據(jù)地采礦山設(shè)計標準及要求，導出巷道工程量表及選定軸線坐標表。

4 結(jié)論

根據(jù)對 BIM 技術(shù)在地下礦山三維協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用分析，BIM技術(shù)在廠房及建筑三維協(xié)同設(shè)計取得了矚目的成就，由于涉及領(lǐng)域多專業(yè)組成以及缺乏專業(yè)級平臺軟件而使得地采礦山工程 BIM 技術(shù)推廣應(yīng)用進展緩慢。本文通過在 Bentely平臺完成巷道信息模型系統(tǒng)（TIM）的二次開發(fā)，實現(xiàn)井下巷道參數(shù)化三維建模，利用Bentely平臺Project Wise進行各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。

（1）基于Bentely平臺的二次開發(fā)是實現(xiàn)地采礦山工程三維協(xié)同設(shè)計便捷的方式，是全面推進BIM技術(shù)在地采礦山工程應(yīng)用的重要途徑，對于企業(yè)提高技術(shù)水平、降低成本、形成專有技術(shù)是行之有效的手段。

（2）本文開發(fā)的TIM系統(tǒng)形成完整的礦山工程BIM技術(shù)專業(yè)設(shè)計插件，滿足地采礦山工程三維設(shè)計要求，可實現(xiàn)具有專業(yè)特性的三維井巷的快速建模，實現(xiàn) Bentely平臺地采礦山工程專業(yè)程序新的突破。