李 刚，王晓东，任富强，张枝伟，尚宇琦
(1.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550025；
2.昆明理工大学 国土资源学院，云南 昆明 650093；
3.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025)
煤矿资源在我国的一次性能源消耗结构中仍占主导地位，而地下煤矿开采依旧是煤炭资源获取的主要方式，但煤矿开采过程是一个动态系统的生成过程，原有的矿井设计在生产过程中不断有变化，加上大量的新建矿井、现有矿井开拓延深以及政策指导下的矿井整合设计等，使得传统的煤矿设计速度已经越来越难以满足日益增长的需求[1]。
基于BIM技术的新型矿山设计模式是指在BIM系统中选择Revit软件作为平台，基于Revit功能配合CAD、Civil 3D、Dynamo等系统实现满足直接建模、一模多用、工程量计算、自动出图等功能一体化的煤矿正向设计技术[2-4]。黄贺[5]以国内首个真实应用的煤炭行业BIM项目为背景，分析了煤矿BIM试点项目的实施方法及应用前景。赵瑛[6]就煤炭工程采用BIM软件的选型原则、选型影响因素，对煤矿工程选用BIM软件进行了一定的归纳总结。武迪俊[7]等人建立了露天煤矿地面生产系统的BIM正向设计流程，形成了全专业在协同平台共同完成正向设计的体系，将BIM正向设计技术如何应用在露天煤矿提供了一个正确指引。何利辉[8]利用BIM技术研发了煤矿巷道的的三维设计系统，并成功应用于实际工程，提升了巷道设计质量，改变了原有的设计模式。魏红磊，谢金草[9]通过对Revit平台的二次开发，为新型煤矿设计提供了技术支撑，通过对煤矿井巷工程三维化开发利用，为数字化矿山的建设提供了信息技术手段。
基于Revit平台的二次开发技术目前在国内主要集中应用于建筑学领域，针对于煤矿工程领域应用依然较少，主要原因：一是地下工程的特殊性；
二是Revit设计功能不统一，对于建筑学以外的领域尚不能完全满足制图规范和设计规范的要求[10，11]。本文在前人研究的基础上，通过分析煤矿工程BIM技术的正向设计需求，基于Revit进行二次开发，从该平台上拓展应用功能，对煤矿工程构件进行参数化建立，形成基于Revit二次开发的煤矿工程正向设计方法，再通过BIM不同软件之间的相互结合，探究BIM技术应用于煤矿井下设计的可行性。
传统煤矿设计流程主要包括：绘制地形图、井田开拓、绘制基本巷道、井下采煤与运输、矿井通风与安全等。如果因方案出现变化，则会导致所有流程发生改变，以此花费大量时间和人力进行调整，且各个流程之间参与方众多，在交流沟通方面信息堵塞，导致项目生成过程存在数据信息丢失、安全管理水平差、效率低下等问题。
基于BIM的煤矿工程正向设计思路为针对煤矿工程创建相对应的参数化构件类型，以三维构件为基础，通过Revit软件对各个参数之间进行联系控制，在此基础上处理设计，再通过BIM其他方面软件如Civil 3D、Dynamo等结合形成设计成果的输出。它将计算机软件与设计流程进行了高度契合，具有可视化、协调性、精细化三大新特点[12]。
1)可视化。BIM技术能使煤矿图纸从平面到空间产生一个维度的飞越，通过三维观察，将煤矿中不同的相关构件信息之间形成联系结合。
2)协调性。正向设计方法可以做到一模多用，相同类型不同应用阶段不同参数的模型均只需在一个模型上修改完善，通过模型与图纸建立联系，以模型为出发点，在BIM信息平台上连接设计方和施工方等，一方修改，另一方可在Revit软件中得到相应信息，减少施工变更中所需要大量耗费的时间、人力等问题。
3)精细化。BIM技术能够将构件的信息存储在计算机中，利用计算机对工程量进行统计，提供更加精准的工程基础数据，如巷道宽度、面积等，为后续建设管理提供职支撑。两种设计对比如图1所示。
图1 传统模型与BIM模式对比
2.1 二次开发思路
二次开发Revit软件功能需要利用Dynamo和外部程序，Dynamo是Revit中的一个可视化编程插件，可以将多个元素连接在一起定义关系和构成自定义算法操作序列，优化参数化建模、模型横批处理等操作，提升三维建模效率。外部程序在编写时必须调用Revit外部接口命令，外部接口命令需要使用Revit API功能，Revit API是Revit的应用程序接口，提供了大量命名空间和丰富的函数，给Revit的二次开发功能定制提供支持。目前基于 Revit API 对 Revit 进行二次开发的工具有两种：VSTA(Visual Studio Tools for Application)和 VS(Visual Studio)[13，14]。VSTA在Revit的工作环境下可以使用C#、VB.Net来进行拓展功能的编写，生成命令宏实现外部拓展的功能。VS是使用C++等语言进行程序的编写，编写完成后生成DLL文件，再利用外部接口的文件生成外部拓展程序，但在编写过程中必须引用Revit自带的组件文件库。本文主要以VS2015对Revit进行二次开发。
Revit API外部拓展功能的二次开发需要在计算机环境.NET环境下进行，在研发的过程中程序调用API(RevitAPI.dll)与APIUI(RevitAPIUI.dll)两个引用库。API包括了Application与Document命令中的IExternalApplication和IExternalApplication两个外部接口，APIUI则是对其中空间函数的命名和引用，以是否生成dll文件为基准判断开发测试是否完成，最后在测试完成的基础上结合Dynamo参数化建模完成二次开发。基于Revit的二次开发思路流程如图2所示。
图2 基于Revit二次开发流程
2.2 二次开发流程
因为Revit的原有结构设计功能中对于煤矿领域并不适用，需要为煤矿工程进行单独设计。首先利用外部程序VS，并引用API和APIUI，输入C++语言代码创建煤矿选项卡，然后在此选项卡的基础上依据煤矿工程中的几大模块来建立选项面板，包括：巷道绘制、开拓系统、采区系统、造价分析、地质模型等多种与煤矿息息相关的功能选型。
完成Revit二次开发的界面选项后，为其创建一个弹出信息、相关图片的控件API，可以提供更多的数据信息，方便建模设计。其控件API通过提示工具(ToolTip)、描述(LongDescription) 和提示图片(ToolTipImage)三种方式展示。当用户将鼠标放置按钮按键就可以出现提示信息，极大地方便技术人员的操作。
完成以后操作后，进行煤矿参数族创建。操作流程为选中族样板二维文件，通过Revit功能中的拉伸、旋转、融合、空心融合、放样融合等组合制作三维模型，然后输入合理族参数，将族参数与设计的参数关联，再通过Revit Manager设置族参数与族相连接交互，形成数据信息一次输入可多次引用、参数改动图形改动的联动关系，完成以上步骤后，最后统一上传族库。
参数化建模完成后，利用Revit软件中的明细功能可以提取模型构件参数、构件数量、构件类型、工程量等数据以表格的形式输出。明细表和图源是相关的，当几何图源发生相应变化，明细表也会随着改变。本文通过二次开发的方式创建煤矿工程选项卡，利用外部程序VS可将Revit生产的明细表以Excel的方式输出，不仅方便实际运用也方便数据保存，并且后期还可以通过Excel表格中的数据反向导入Revit实现双向传导的功能。
3.1 煤矿概况
黔鑫煤矿位于贵州省黔西县北西部红林乡境内，黔鑫煤矿矿区位于北东向纸厂背斜南西段转折端附近，大地构造位于扬子地台黔北台隆遵义断拱之毕节北东向构造变形区内。矿区地层单斜产出，地层倾向南，倾角6°～12°，断裂构造不发育，区内未见较大断裂构造。其井下构件主要有主斜井、副斜井、回风斜井、工作面、瓦斯抽放巷、永久避难硐室等，构件主要以拱形巷道的断面形式存在，是一种典型的煤矿井下巷道。具有跨越能力大、构造简单、承压效果强等优势。矿井整体采用斜井开拓，主斜井采用带式输送机提升原煤，并敷设压风和消防洒水管路；
副斜井采用单钩串车提升矸石、材料和设备，并布置架空乘人装置运输人员，敷设排水管路排水。副斜井在+1562m标高落平后布置井底车场、水泵房及水仓等井底硐室；
回风斜井井口标高+1612.588m，主斜井、副斜井及回风斜井在+1562m标高通过井底联络巷贯通，形成矿井一采区开拓系统。
3.2 煤矿工程主要构件模型创建
以黔鑫煤矿主斜井(表土段)为原型，因为在Revit自带族中不存在煤矿工程的几何模型，因此，需要先通过现场矿井数据，如巷道宽度，巷道拱高等，利用CAD制作煤矿工程的二维断面模型，在通过Revit功能中的拉伸、旋转、融合、空心融合、放样融合等组合制作三维模型，如图3所示。
图3 Revit生成的拱形巷道
三维模型初步制作好后，在Revit中族参数对话框内为这个巷道赋予名称。并根据矿井设计参数设置族参数，通过Revit Manager设置族参数与族相连接，就可以在Revit上通过改变设计参数来改变相应族模型。
将此法运用到其他类别的巷道断面上，根据贵州黔鑫煤矿地下巷道类型，可依次完成主斜井(基岩段)、副斜井、井底车场巷道、综采工作面回风巷等构件模型，部分构件如图4所示。为保证基于该矿井制造的井下煤矿构件在其他煤矿同等条件下可重复使用，创建便于管理的族库，将族文件进行整合整理并上传保存。
图4 部分巷道断面
然后利用Revit视图功能列表下的明细表功能，选择常规模型后，将所需参数添加其中，以拱形巷道为例，利用程序VS2015编写程序，再利用Add-in Manager 插件读取并生成运行文件就能得到巷道工程量明细表，包括掘进面积等，极大地方便了一线掘进人员。
3.3 煤矿三维数字化模型构建
利用Revit二次开发得到的软件模型，将Civil 3D、Dynamo、CAD等软件相结合来构建煤矿井下系统三维数字化模型。
1)创建地质模型，通过对矿区地形经纬坐标取整，将整个地质地形三维取点后整理成Excel表格形式，再利用Dynamo读取Excel文件，利用节点File Path将Excel中的大量点数据转化为点的形式生成在Revit中，在Revit界面运行得一系列有序点坐标分布图，并利用曲线绘制方式连接得到矿区地形曲线，具体如图5所示。
图5 Revit界面初步生成的矿井地质模型
2)考虑到井下结构复杂，而本文所探讨的是BIM技术应用在煤矿领域的适用性，因此所制作的构件和地形图仅能够满足井下简单建模，将所制作的模型全部导入Civil 3D中，生成效果图，如图6所示。
图6 煤矿工程模型效果
从应用实例可以看出，BIM技术本身具有的特点优势在煤矿设计中可以被充分利用，其最大的优势在于可视化，可通过三维立体模型给予人最直观的感受，对于方案讨论、设计改动等方面提供便利，其次是精细化，煤矿可以根据完善可靠的工程建设，计算所需要的精确工程量，设计更为合理的工程造价，避免人力资源、物资资源等环节的浪费，从而有效控制成本，提高企业收益。
但其中存在的问题也需要优化解决，首先在应用周期方便。BIM技术如果在煤矿设计方面进行应用非常具有实践价值，但是，对于整个煤矿运行生命周期来看，还需要拓展在回采、维护等阶段的应用，设备制造行业如锚杆、采煤机、掘进机等设备的安装与调试也需进一步利用BIM技术。如此，BIM技术在煤矿工程的项目全生命周期的应用优势才可得到最大化利用。另外，实际可借鉴的案例较少，使用经验相对不足，依据本文实例，一是针对煤矿领域的Revit API的二次开发资源稀少，本文所开发的环节仅占一部分；
二是由于对井下采掘系统的创建不完善，对于井下系统没有全方位的展示出来。因此还需要提高工程设计能力，优化程序设计，加深BIM技术在煤矿领域中的应用。
综上，未来将BIM等可视化技术应用于煤矿领域应用仍是趋势。特别是，以Revit为核心进行矿井BIM模型建设并创建族库，未来还需要针对不同类型矿井模型创建规模大、范围广的模型族库，并对井下地质岩层构造、矿体等实际情况进行精细化三维建模，设计井下BIM信息平台，实时更新新旧地质信息、井下模型，实现模型的动态更新及优化，形成完整的矿山动态井下三维地质建模模型，推进煤矿智能化建设。
BIM技术应用在煤矿工程领域起步较晚，应用在煤矿设计上功能不统一，但是随着国家越来越支持煤矿智能化发展，其在煤矿应用的前景一定会进一步扩大。未来随着煤炭行业制定关于BIM技术应用的标准与规范并加大对技术应用的投入，BIM技术所带来的优势会全方位覆盖煤矿领域，广泛应用在煤矿设计、生产等环节中。
1)通过分析煤矿工程BIM技术的正向设计需求，基于Revit进行二次开发，从该平台上拓展应用功能，并通过实例验证，对煤矿工程井下真实构件进行参数化建立，建立基于Revit二次开发的煤矿工程正向设计方法，并结合Dynamo等软件建立井下数字化局部模型，实现了从传统的二维设计向三维立体图像的过渡，工程量计算准确且快捷，验证了BIM技术在煤矿实际工程中的可行性及适用性，能够对复杂的设计过程进行简化，提高设计质量与出图效率，并能提高数据与图像之间的联动性。
2)BIM技术应用在煤矿领域起步较晚，需要形成统一的应用标准与规范。随着未来煤矿走向智能化发展，BIM技术在未来煤矿领域的应用将作为一项重要研究方式。对于推动煤炭产业高质量发展，保证行业竞争性具有重要意义。
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