三维协同设计在煤矿设计中的应用

三维协同设计在煤矿设计中的应用

黄小明

(天地（常州）自动化股份有限公司江苏常州213015)

摘要：煤矿设计是一项较为复杂的系统工程。目前国内大多数矿井设计都是二维平面设计，在可视化、信息通信、进度控制、设计标准化等方面存在较大的困难。根据目前国内煤矿设计的现状，进一步提高生产效率和公司的设计质量，中国煤炭邯郸设计公司进行了基于BIM的三维协同设计及三维仿真技术的应用研究。

关键词：三维协同设计；煤矿设计；应用

1煤炭设计企业BIM技术应用方向及面临问题

1.1BIM技术应用方向.

公司已搭建形成由硬件设备、网络、软件平台组成的三维协同设计平台。并利用Ｒevit、ArchicadBIM平台及Solidworks、3Dmine等配套软件进行了多项BIM设计和块煤防破碎动态仿真模拟。完成的项目包括:中煤龙化公司依兰第三煤矿主要工程;新疆五彩湾北二电厂输煤系统;桃源居小区住宅楼及幼儿园等。

以中煤龙化公司依兰第三煤矿主要工程设计项目为例，BIM设计主要完成的项目包括:工业场地设施布置;主井井塔及设备;副井井塔及设备;联合建筑;矿井水处理站;井下巷道、硐室设备布置等，并在整体项目过程中运行了三维建模、施工模拟、碰撞检测等技术手段。

在该项目中针对地面依兰矿井水处理站，还进行了施工模拟和碰撞检测。施工模拟主要对整个水处理站从平整场地、设备布置、封顶、管路管线安装到竣工验收整体过程进行了真是的三维施工模拟。

碰撞检查时针对整个设计周期中的多专业协同设计，在各专业建模完成的基础上，对做好的系统进行碰撞检查，运行碰撞检查时可以选择各专业各个设计构件间的碰撞情况。

从碰撞报告里能准确找出碰撞点的位置并及时进行修改，避免了各专业之间的交叉问题，减少在项目实施过程中错误和返工可能性，提高协同设计质量与建筑项目的品质。材料统计的精准性，可提高造价的精确性和可控性。利用Ｒevit已经搭建完成的模型，直接统计生成主要材料的工程量，辅助工程管理和工程造价的概预算，有效的提高工作效率。BIM技术的运用可以提高施工预算的准确性，对预制加工提供支持，有效地提高设备参数的准确性和施工协调管理水平。

针对煤炭设计企业而言BIM技术的应用主要为搭建多专业、多领域的企业BIM应用体系，不仅涵盖建筑、结构、水、暖、电等专业，还包括工业建筑、矿井、地铁等领域的采矿、机械、设备等专业，目前BIM技术应用较少的工业领域。该应用服务体系建成后，对于煤炭设计企业而言不仅用于承揽BIM设计任务，后期还可涉及到施工优化设计、施工协同指导、运维建模、可视化运维管理等纵深领域的应用，实现贯穿项目全生命周期的BIM设计应用及管理服务的拓展。

在工程设计方面，利用BIM技术实现多领域、多专业间协同设计以及后期效果和施工过程模拟仿真。三维协同设计使设计过程更加立体化、形象化，有助于优化工艺布置，降低工程造价和生产成本;三维仿真技术可使设计效果逼真，身临其境，并且可模拟施工全工程，能够提前发现施工进程中的相互链接以及管理中的质量、安全等方面存在的隐患。Bim技术的应用及大程度的提高了设计质量和水平、减少设计返工、提高工作效率。

在优化施工中，目前大部分的设计成果都是由施工单位把握，在业主的要求和相关规定的框架下完成的，虽然结果已经合格并符合要求，但由于施工图经常需要改进和优化，根据施工过程和施工习惯，在设计阶段往往采用传统的手段是不周到的。对三维可视化，BIM技术的虚拟现实，增强现实，施工模拟、碰撞检测技术在设计阶段，在施工开始前将设备与设备之间的误差的问题，会遇到碰撞，设备和结构来解决前进中的碰撞，能使建设单位的建设成本降低，减少返工。它给我们带来了巨大的价值。

在以后的运行和维护方面，BIM模型是一个具有大量真实信息的三维模型。在设计和施工阶段的初期，会节省大量的信息，有助于后期的运行维护管理。运行维护单元可以直接利用设计阶段的BIM模型，在模型的基础上进行设备连接，建立可视化的操作维护系统。对于建筑物和车间的运行维护，可增加视觉监控设备、火灾敏感设备和智能大厦综合视觉控制系统等，具有传统方法无法适应的后期扩展和功能变化的优点。对于矿山的运营维护，设计阶段的BIM模型可直接用于建立数字矿山系统。基于此模型，可以增加可视化设备、人员定位设备、瓦斯检测设备、机械设备和操作设备监控调度系统，实现矿山可视化。因此，综合利用BIM技术，不仅可以提高设计企业的设计质量和设计效率，而且可以拓展建筑、运营和维护的应用范围，为企业带来不可估量的价值。BIM技术的应用将大大提高中国煤炭邯郸设计工程有限公司的核心竞争力。

1.2面临问题

多平台接口统一问题。目前没有哪一款平台能够涵盖所有领域。目前各平台各有所长，例如:Ｒevit在建筑、市政领域较为成熟且模型库资源充足，而在工业建筑领域、钢结构、矿井等支撑程度不如老牌工业设计软件Bentely，但Bentely在民建领域较弱。将某一平台统一起来实现所有专业和全领域协同设计，以及使用多平台协同操作是很困难的。模型接口标准不统一，模型信息不能完全传递的问题，从二维设计到三个维度的转换需要一个过程。长期以来，设计师们已经习惯于二维设计思维和模式，并形成了一整套完整的操作标准、标准和习惯。随着设计方式的改变，企业需要在技术、管理、制度等方面进行重大调整，但这一调整需要一定的过程。从调查的情况表明，一些以二维设计为主导转变为以三维为主导的设计模型并不成功的主要原因有：软件的功能是有限的，要实现协同，需要一个过程的真实，和二次开发大量的基础平台；专业模型库的设计只能从一个建模的工作量开始，无法实现参数化建模，几何尺寸的变化将需要重新建模，模型的可重用性差；二维绘图到三维绘图与现行建筑制图标准的差异，需要进行调整以满足大量的试用期图纸和施工要求；与其他专业软件数据兼容性不足，即使能由其它软件导入，也会丢失部分特性。

2探索实践

北京华宇公司于2014年完成数字工程部的组建，专门负责三维设计平台的集成研发任务。目前在多个选煤厂项目中实施了三维协同设计，初步建立了专业数据库、专业说明书及相关三维设计标准。

2.1专业数据库

2.1.1选煤常用设备库

(1)非标模型库。建立了一套选煤设备非标模型库，并按照设计人员习惯进行了设备分类:筛子(直线振动筛、圆振动筛、香蕉筛、弧形筛、高频筛)、两产品旋流器、离心机、磁选机、给料机、压滤机、分选机、破碎机、浅槽、旋流器组、水泵、除铁器、分流箱、集铁小车、起重机等。

(2)标准模型库。建立了电机、减速器、DTII(A)型带式输送机部件、刮板机部件等所有常用标准模型库。

2.1.2管道数据库

建立项目数据库，将设计中所需要的元件(包括管道、管件、阀门、法兰、垫圈、螺栓、螺母以及支吊架等附件)导入数据表中，即Catalog表。从Catalog表中根据不同的输送介质、管材、压力等级等将管道分为若干个等级表，即spec表。目前积累的管道数据已有四千余条记录，随着三维设计的深入，数据库将逐渐丰富、扩充，最终形成完整的、标准化的设计管道数据库。

2.1.3结构、建筑数据库

结构专业建立混凝土截面库(bhec－con)和钢结构截面库(bhec－steel)。混凝土截面库中根据设计中常用的梁、柱截面来定义:矩形、T形、L形、圆形、梯形、工字形等等。钢结构截面库按国标库来建立，常用的有工字型钢、H型钢、槽钢、角钢、方钢、圆钢、组合钢等等。

建筑专业在软件已有数据库的基础上，对墙体、幕墙、门窗、栏杆、楼梯库进行了补充，随着三维设计的不断深入，这类数据库会逐渐完善。

2.2三维设计技术标准化

为了规范三维协同设计流程，明确专业分工和交付方式，通过总结工作过程中的体会，初步制定了各专业工作说明书，基本明确了各专业工作内容和工作流程。编制了部分三维设计技术标准，做到三维协同设计过程流程化，流程制度化。《BHEC三维协同设计软件安装手册》、《三维模型质量管理暂行标准》、《文件夹、文件及model命名规则》等。

2.3实践成果

(1)通过地质数据实现了地形数字化，完成了导航项目各建构筑物的数字化模型建立。(2)通过碰撞检查发现有模型碰撞的问题并得到及时解决，对模型进行优化设计实现零碰撞。(3)生成了部分二维切图，各专业进行了材料表统计，制作了项目展示动画。(4)配置了项目工作环境和满足设计需要的各类数据库，对项目设计流程、工作内容、重难点、目标等有了初步感性认识和想法。

3未来展望

三维协同设计的最终目标是实现对业主的数字化交付，如何在煤矿、选煤厂建设期、运营维护期提供技术延伸服务，是下一步的研究方向。三维协同设计是设计手段、设计理念流程的变革，尽管存在种种问题，但与传统二维设计比较，它必定是未来行业发展的趋势，可以服务煤炭采选工程的全生命周期，可以提高行业标准化和信息化水平。

结论

中煤邯郸设计公司近年来在设计手段的技术革新方面进行了大量的投入和尝试。在信息化建设和信息化手段的应用方面取得了一些经验，也得到了行业内的认可和主管部门的肯定和推介。为进一步提高整个煤炭设计行业的信息化应用水平和BIM应用水平，建议相关设计单位和行业主管部门的协调下加强合作，在软件平台、模型库族、硬件资源、培训教学等方面进行联合，减少重复投入，实现共享共赢。

参考文献：

［1］李太友．三维协同设计技术BIM在选煤厂设计中的应用［J］．煤炭工程，2013，45(3):133－135．

［2］魏英洪．地铁车站设计中BIM三维协同设计模式探讨［J］．铁路技术创新，2014(5):49－52．

作者简介：黄小明生于1982年9月、男、汉，江西省新干县人、现供职于天地（常州）自动化股份有限公司、硕士学位、研究方向：矿用产品结构设计