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(中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 210031)

随着计算机技术的发展，工程设计行业的计算机辅助制图方面取得了较快发展，普及了计算机辅助制图设计，对工程设计文件的电子化基本达到100%，并且提高了工程设计效率[1，2]。随着计算机制图技术的日新月异，使设计环境从二维平面进入到三维乃至四维空间，并随之推进了资源共享、专业协同、参数化设计，整体提升项目设计效率、透明化施工成本、优化工程设计。在信息化技术大发展的背景下，国内工程设计行业的信息化应用水平不平衡，建筑、石化、交通等处于领先水平，很多企业已经迈进三维协同技术实施应用阶段[3-5]，而煤炭行业采矿协同设计开发应用相对缓慢。近年来，BIM技术的发展为协同设计提供了技术支撑，通过BIM技术的煤矿井巷工程二三维一体化开发设计应用，为数字化矿山的建设提供信息支撑载体，同时，使工程项目缩短了设计周期，使工程设计变得直观化、透明化、数据化。

1 二三维协同设计平台

目前，Revit三维设计平台在建筑、结构、水暖电等专业开发较为成熟，在建筑领域能够实现各个专业协同设计，并能够参数化设计工程项目模型，但是针对煤矿主体设计专业井巷工程信息模型设计应用较少。现在各个设计单位目前仍采用二维计算机辅助制图之类的软件绘图，并后期通过人工干预进行统计工程量，且各个专业之间无法实现数据共享与协同，效率低下。因此，有必要在煤炭设计领域针对Revit进行二次开发，融入地理地测管理信息系统、采矿工程专业设计等内容，建立数字化矿井二三维协同井巷工程设计平台，实现煤矿设计领域各专业间实时共享数据、信息，充分实现资源共享，实现各个专业间的协同设计，提高矿井的设计效率，改进设计单位的工作方式，解决矿井设计成果与建设、生产环节脱节的问题，对于促进现代化矿山建设具有重大意义。

2 系统架构

井巷工程是进行地下各种采矿活动所形成的开挖实体，如井底车场、巷道、硐室、工作面巷道等。基于BIM技术通过开发进行参数化设计，能够通过改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型，并且参数保存了图元作为数字化工程项目的所有信息[6-9]。通过Revit方便的二次开发的接口API，进行开发井巷工程设计模块，进行空间几何关系和拓扑关系的表达，并可通过开发自动统计工程量。该开发的系统包含四大功能模块：地质模型、开拓开采、施工图设计、工程量统计，系统功能架构如图1所示。

图1 系统功能架构示意图

3 功能模块

3.1 地质建模

通过Revit API函数建立可以进行面模型(Facemodel)和体模型(Solidmodel)的开发，建立“面向对象”的地质面模型和实体模型[10]。该技术的特点是实体之间可以用一个对象来表示，面向对象的三维数据模型可以对多种数据结构进行统一和集成，从而实现复杂对象及其拓扑关系的层次结构和对象嵌套，开发地模的地质模型数据结构见表1。

表1 地质模型数据结构示例

通过该功能模块实现对钻探、三维地震、遥感等成果资料进行整理、加工、分析、校正，建立精细的三维地质模型，反映煤层赋存位置及空间变化规律，为工业场地设计、井筒布置、道路布置、地面工程三维算量和建筑设施布局等提供空间信息支持。

3.2 开拓开采

煤矿井下巷道是一个相互交错联通的空间网络结构，且其巷道的布置又要与围岩矿体相互关联，进行巷道的三维建模，既要体现巷道的空间位置关系，又要思考它的属性与拓扑网络关系[4，5]。利用开拓巷道的三维模型与地质模型进行运算，能够直接在地质模型上做工作面和巷道设计，能够根据测量数据自动建立各种截面形态的生产巷道，并能够自动建立巷道的空间和拓扑关系。

通过开发Revit API函数，直接在地质模型上做工作面和巷道设计，根据设计的底图进行设置不同做图单位，并进行巷道开拓开采设计实际录入参数，进行1∶1实际绘图，然后根据做图要求的不同比例尺后台自动进行计算图形标注文字大小、线条粗细等。自动建立各种截面形态的生产巷道，并自动建立巷道的空间和拓扑关系。依次完成矿井开拓方式、采区巷道布置、井底车场设计、主排水系统设计及工作面排产设计等功能，根据用途和生产能力初步确定各巷道和硐室的断面形状、主要尺寸和连接关系，并快速生成平面图、断面图和三维模型。目前通过开发建立了井巷工程巷道模型图，包括各种断面的直巷道、弯曲巷道、分叉巷道。

3.3 施工图设计

该模块的功能是将一些具备模式化、标准化特点的施工图实现自动化成图和参数化设计成图，输入较少所需的参数后，软件即自动进行设计、计算和绘图，生成图形，中间过程无需用户交互，实现智能型交互式巷道硐室软件绘图，并能保证系统数据的唯一性和正确性，避免二次编辑和无谓的数据冗余。在各模块的开发过程中，各个功能模块均按照1∶1绘图参数进行录入参数，但是结合之前施工图出图标准，设计了不同图幅大小的比例尺出图标准，软件后台自动计算，并满足设计师不同出图要求。目前，已经完成了巷道断面设计、交岔点及硐室设计等参数化绘图程序的二次开发。

3.4 工程量计算

在参数化设计的工程中，利用井巷的几何、属性、种类等信息，实现矿井建设的定额设计及定额投资，提高计算的准确度和效率，并能对材料消耗进行实时统计分析，一键对比不同方案工程量产生的差异化。

4 工程实践

目前已经开发了巷道断面模型、煤矿常见12种类型交岔点及煤矿井下硐室等功能模块，依据开发的功能模块在郭屯矿井进行工程设计检验，经设计人员校核，巷道二三维一体化开拓开采设计满足矿井应用展示效果。基于Revit开发的开拓开采模型能够在设计初始赋予巷道工程属性参数，具备完备的信息模型，方便被工程各参与方使用。

在郭屯矿井车场布置中，依据开发的硐室设计和交岔点等模块进行参数化设计井底车场，使采矿设计通过简单地改变模型值中的参数就能方便地建立和分析新的模型，并能真实反映设计师设计巷道几何信息和拓扑关系，设计的成果符合设计师要求，使设计效率提高了数倍，可以方便设计师进行巷道层位关系的检查，避免巷道层位关系碰撞，并且整个工程项目设计、建造的沟通和讨论都是在可视化状态下进行。

5 结 论

通过对煤矿井巷工程BIM技术的信息模型设计及数字化移交进行深入的研究和应用，对采矿的协同、参数、二三维一体化设计的理解不断加深，主要形成以下成果：

1)创建了企业级的矿井族库、三维模型库，为后续工程设计的开展创造了条件。

2)在Revit平台上开发植入采矿设计模块，含矿井的开拓开采、施工图设计等内容，提高井巷工程设计效率和设计质量。

3)通过参数化的项目设计，为矿井的数字化、信息化设计提供了基础。

4)梳理了地质模型的开发标准、规范和设计流程，为下一步开发三维地质模型明确了方向。