CN110020493A

CN110020493A - 基于bim的煤矿生产系统管路gim数字模型建模方法

Info

Publication number: CN110020493A
Application number: CN201910306731.1A
Authority: CN
Inventors: 郑晓磊; 刘爽; 刘继; 张敬玮; 张二兵
Original assignee: China (beijing) Tianxin Intelligent Institute Of Low Carbon Technology Co Ltd
Current assignee: China (beijing) Tianxin Intelligent Institute Of Low Carbon Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2019-07-16

Abstract

本发明提供一种基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，涉及隧道工程、综合管廊工程、矿山工程的线路、管道、配件、阀门、附件、设备等生产系统(或称机电工程、设备安装工程)的建模方法，尤其涉及基于BIM技术的矿山生产系统相关构件的三维建模方法。本发明通过建立三维模型，实现数字化、透明化的矿上三维模型，为智慧矿山建设提供基础。

Description

基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法

技术领域

本发明涉及一种隧道工程、综合管廊工程、矿山工程的线路、管道、配件、阀门、附件、设备等生产系统(或称机电工程、设备安装工程)的建模方法，尤其涉及基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法。

背景技术

BIM技术是指建筑信息模型(Building Information Modeling，简称BIM)是在计算机辅助设计(CAD)等技术基础上发展起来的多维模型信息集成技术，是对建筑工程物理特性和功能特性信息的数字化承载和可视化表达。随着时代发展，在煤矿行业开展三维设计，实现工程数字化现在渐渐成为不可避免的选择。GIS技术(Geographic InformationSystems地理信息系统)是多种学科交叉的产物，它以地理空间为基础，采用地理模型分析方法，实时提供多种空间和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。其基本功能是将表格型数据(无论它来自数据库，电子表格文件或直接在程序中输入)转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览，操作和分析。GIM数字模型是指GIS技术深度融合BIM技术，通过宏观空间信息与微观数字模型，从而实现透明化数字化智慧矿山。

目前诸多矿山及其巷道(以及管廊、隧道空间式的工程)工程等采用三维建模技术，但很少有针对矿山生产系统(或称机电专业、设备安装专业)的建模工具，例如供风管路、防尘供水管路、瓦斯抽放管路、排水管路、供电电缆、通讯电缆等。大多数三维软件仅支持房屋建筑工程、道路桥梁工程等，这类软件对矿山建模支持度低，缺少专业性，如进行手动绘制建模，由于隧道空间式的工程的各个构件坐标定位复杂，导致内部管路系统难以定位，绘制效率不高，并且准确率低，质量检查耗时长。

发明内容

本发明提供了一种基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，解决了针对矿山生产系统建模工具的问题，实现管路构件的参数化、标准化，并提高三维建模的效率，满足多种隧道空间式的工程管路建模，而现有第三方BIM软件难以建模的问题，以实现生成系统管路基于主体结构的三维坐标定位，自动生成矿山生产系统管路路由，简单快速、高效便捷，其技术方案如下所述：

一种基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，创建模板库，在模板库中分类建模矿山生产系统中的各种三维构件，包括线状管路和点状构件；基于巷道三维定位线获取相应距离的弧长点，根据弧长点创建断面平面坐标系，进而确定线状管路和点状构件的坐标，然后分别进行线状管路模型和点状构件模型的手动放置，生成管路三维模型、管路管件三维模型、支架模型三维模型。

创建模板库是制作三维构件模板库，对线状管路和点状构件进行分类建模，线状管路指管路类，连续具有一定规则断面的构件；点状构件指非连续性按一定间距间隔放置的构件。因此，本发明的第一个步骤首先是：S1.制作三维构件模板库，对各类构件进行分类建模，主要分为线状管路和点状构件，线状管路包含管路、电缆等，能够根据煤矿设计规范或设计标准建立标准段管路的三维模型，其中涉及管路起点坐标、管路终点坐标、管路直径、管路系统、管路材质，点状构件包括管路支架、管路阀门、管路管件等，其中涉及到的分类、型号、尺寸、定位基准坐标、水平夹角等参数提供可修改的输入窗口；

基于巷道三维定位线确定线状管路和点状构件的坐标，包括下列步骤：

S2.读取巷道断面宽度和高度以及巷道底板中心线的三维定位线，导入巷道结构的三维模型作为参考；

S3.三维定位线处理，通过第三方BIM软件获取三维定位线的总长度L以及空间坐标，根据实际工程确定具体线状管路的标准长度L1，在曲线上获取等弧长点q1，弧长取值为L1；根据实际工程确定具体点状构件的间隔L2，在曲线上获取等弧长点q2，弧长取值为L2；

S4.获取相应距离的弧长点，根据上一步骤获取的等弧长点q1、q2，创建位于此处的法平面作为巷道断面平面坐标系c1，坐标系原点为对应等弧长点q1、q2；

S5.根据弧长点创建断面平面坐标系，在巷道断面平面坐标系c1上，对等弧长点q1进行偏移，确定线状管路坐标c2，即管路中心点在巷道断面上的相对位置，偏移方向和偏移距离根据实际管路的布置方式为准；

S6.在巷道断面平面坐标系c1上，对等弧长点q2进行偏移，确定点状构件坐标c3，即点状构件定位基准坐标在巷道断面上的相对位置，偏移方向和偏移距离根据实际管路的布置方式为准。

线状管路模型和点状构件模型的手动放置包括下列步骤：

S7.根据线状管路坐标c2的第n个数值与的第n+1个数值作为管路的起点坐标和终点坐标，依次按此规则创建线状管路的三维模型；

S8.根据点状构件坐标c3作为相应构件定位基准坐标参数的值，创建点状构件的三维模型；

S9.根据线状管路的起点坐标、终点坐标创建对应线状管路管件(法兰盘或管路活接头)的三维模型。

管路三维模型、管路管件三维模型、支架模型三维模型的生成步骤如下所述：

S10.根据对应构件所在坐标，求此坐标点所在三维定位线处的切线向量，获取其相对于第三方BIM软件坐标系的水平投影向量与第三方软件坐标系的水平方向向量，求两者夹角a1(范围0-360度)；

S11.将对应构件的夹角a1作为构件与第三方BIM软件坐标系的水平夹角参数的值，使点状构件旋转，符合实际现场安装逻辑；

S12.针对创建完成的管路三维模型、管路管件三维模型、支架模型三维模型等以及巷道结构模型，利用第三方BIM软件，进行碰撞检查。

步骤S5中，管路中心距巷道侧边≥本巷道内的最大管路的管件外径*0.55。

巷道内存在多种管路，且两组管路共用同一支架，任意两管路间的高差≥(管路1的管件外径+管路2的管件外径)/2。

步骤S6中，对于巷道平面坐标系Y轴，即为管路和构件的高度偏移，根据实际工程布置情况取值正整数；对于巷道平面坐标系X轴，即为管路和构件的相对于巷道中心线的左右偏移，默认为巷道三维定位线的绘制方向向量在第三方BIM软件坐标系下的水平投影向量的右侧为正整数，左侧为负整数。

步骤S10中，水平投影向量取其x向量和y轴组成的向量。

所有线状管路和点状构件的位置坐标均基于巷道三维定位线的坐标，巷道结构发生变更修改，所有线状管路和点状构件进行自动更新。

由于采用了上述建模方法，本发明至少具有以下有益效果：

相比目前现有软件能提供的手动绘制管路，手动放置构件的方式，极大地提高了矿山生产系统BIM设计建模精确度和效率，提升了现有第三方BIM软件的专业针对性和智能化；

由于所有管路和构件的三维模型均通过参数化设计，管路的尺寸大小，构件的参数型号调整十分方便，参数精确到真是反应管路的内外径真实尺寸，一比一还原现场构件的真是尺寸，通过计算机计算不存在认为误差，提高设计质量。

并且，在实际工作中，巷道的空间坐标经常变更，对于本发明的建模方法，所有管路和构件的位置坐标均是基于巷道三维定位线的坐标计算得来，如巷道结构发生变更修改，那么所有管路和构件均会自动更新，相比于传统手动建模，免去了此类变更的工作了，提高了变更修改的效率。

通过从读取巷道三维定位线，管路和构件坐标的计算，自动生成管路和构件三维模型，进行碰撞检测，在矿井建设及生产期间利用第三方BIM软件将各生成系统构件以三维方式直观呈现出来，通过将各个专业、各系统模型整合到同一BIM模型文件中，利用第三方BIM软件自动将专业内或专业间的碰撞点以三维方式直观显示出来，快速直观的检查出模型问题，精确定位进行修改。

附图说明

图1是本发明基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法的流程图；

图2是本发明基于巷道三维定位线计算得出对应位置处弧长点的巷道断面平面坐标系示意图；

图3是本发明基于巷道三维定位线计算得出线状管路的三维路径和点状构件的基准坐标示意图；

图4是本发明基于巷道三维定位线计算的三维坐标生成管路三维模型、管路管件三维模型、支架模型三维模型的过程图；

图5是本发明基于巷道三维定位线计算的三维坐标生成管路三维模型、管路管件三维模型、支架模型三维模型的结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法。该实施例的方法主要包括以下步骤：

S1.制作三维构件模板库，对各类构件进行分类建模。主要分为线状管路和点状构件，线状管路指一般管路类连续具有一定规则断面的构件，点状构件指非连续性按一定间距间隔放置的构件。线状管路在实际矿山中包含但不限于供风管路、防尘供水管路、瓦斯抽放管路、排水管路、供电电缆、通讯电缆等煤矿生产、辅助系统的管路。根据煤矿设计规范、设计标准、矿山企业标准、矿山现场管路产品建立等距标准段管路的三维模型。其中管路起点坐标、管路终点坐标指相对于第三方BIM软件的坐标系下的笛卡尔坐标(x，y，z)；管路直径指实际工程中管路的公称直径；管路材质指实际工程中管路的具体材质类别，在公称直径相等情况下其主要影响管路的内径和外径尺寸大小；管路系统指矿山生产过程按功能专业进行划分的管路基本属性；点状构件包括管路支架、管路阀门、管路管件等，其中分类、型号、尺寸、定位基准坐标、水平夹角等参数提供可修改的输入窗口；其中分类指不同构件的类别定义，为方便后期构件分类统计；型号及尺寸指针对不同构件的基本属性，例如阀门的不同型号及尺寸；定位基准坐标指构件相对于第三方BIM软件的坐标系下的笛卡尔坐标(x，y，z)；水平夹角指构件与第三方BIM软件坐标系的夹角，一般构件均为非对称结构，除空间定位外还需确定具体旋转角度才能确保真实反映现场实际情况。

S2.读取巷道断面宽度和高度以及巷道底板中心线的三维定位线，巷道断面宽度和高度主要用于辅助计算管路及构件空间定位坐标的参考依据，导入巷道结构的三维模型作为模型设计质量检查和碰撞检查的参考；

S3.通过第三方BIM软件获取三维定位线的总长度l以及空间坐标，巷道三维定位线为一条连续的三维复合曲线或三维折线，根据实际工程确定具体线状管路的标准长度L1，在曲线上获取等弧长点q1，弧长取值为L1；根据实际工程确定具体点状构件的间隔L2，在曲线上获取等弧长点q2，弧长取值为L2；

S4.根据上一步骤获取的等弧长点q1、q2，获取位于此处的三维定位线的法平面作为巷道断面平面坐标系c1，坐标系原点为对应的等弧长点q1、q2；

S5.在巷道断面平面坐标系c1上，对等弧长点q1进行偏移，确定线状管路坐标c2，即管路中心点在巷道断面上的相对位置，偏移方向和偏移距离根据实际管路的布置方式为准，管路中心距巷道侧边≥本巷道内的最大管路的管件外径*0.55，此数值作为碰撞极限数值，定义偏移时根据巷道宽度和高度自动预留最小范围；如巷道内存在多种管路，且两组管路共用同一支架，任意两管路间的高差≥(管路1的管件外径+管路2的管件外径)/2，；

S6.在巷道断面平面坐标系c1上，对等弧长点q2进行偏移，确定点状构件坐标c3，即点状构件定位基准坐标在巷道断面上的相对位置，偏移方向和偏移距离根据实际管路的布置方式为准，如图2所示，对于巷道平面坐标系Y轴即为管路和构件的高度偏移，根据实际工程布置情况，一般取值正整数；对于巷道平面坐标系X轴即为管路和构件的相对于巷道中心线的左右偏移，默认为巷道三维定位线的绘制方向向量在第三方BIM软件坐标系下的水平投影向量的右侧为正整数，左侧为负整数。

如图2所示基于巷道三维定位线得出对应位置处的四组弧长点的巷道断面平面坐标系，以及其对于X轴、Y轴的示意图，此时三维定位线的绘制方向为从图片左下方到右上方。

S7.根据线状管路坐标c2的第n(对应弧长点总数量≥n≥0)个数值与的第n+1个数值作为管路的起点坐标和终点坐标，依次按此规则创建线状管路的三维模型，从三维定位起点开始到终点连接所有坐标c2的原点的折线即线状管路中心线的三维路径；

S8.根据点状构件坐标c3作为相应构件定位基准坐标参数的值，创建点状构件的三维模型，在制作三维构件模板库过程中，对构件的定位基准坐标一般选取构件的特征点，例如支架选择其圆箍部分的中心点作为定位基准坐标，此处即所要吊装管路的中心点，管件(法兰盘或活接头)的中心作为定位基准坐标；

S9.根据线状管路的起点坐标、终点坐标创建对应线状管路管件(法兰盘或管路活接头)的三维模型，管路管件的定位基准坐标既管路的起点或终点坐标，管路管件的方法既与管路中心线平齐的向量方向；

如图3所示基于巷道三维定位线生成的管路坐标所连接的直线以及支架、法兰盘的定位基准坐标。

S10.根据对应构件所在坐标，求此坐标点所在三维定位线处的切线向量，获取其相对于第三方BIM软件坐标系的水平投影向量(取其x向量和y轴组成的向量)与第三方软件坐标系的水平方向向量，求两者夹角a1(范围0-360度)；

S11.将对应构件的夹角a1作为构件与第三方BIM软件坐标系的水平夹角参数的值，使点状构件旋转，例如电缆支架及管路支架等，符合实际现场安装逻辑；

如图4所示根据管路、构件的坐标及路径既蓝色细线，生成对应管路、构件的三维模型。

如图5所示生产管路、构件的三维模型的结果。

针对创建完成的管路三维模型、管路管件三维模型、支架三维模型等以及导入的巷道结构模型，利用第三方BIM软件，进行碰撞检查，将专业间的碰撞位置以三维方式直观显示出来，快速直观的检查出模型问题，精确定位进行修改；

本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：创建模板库，在模板库中分类建模矿山生产系统中的各种三维构件，包括线状管路和点状构件；基于巷道三维定位线获取相应距离的弧长点，根据弧长点创建断面平面坐标系，进而确定线状管路和点状构件的坐标，然后分别进行线状管路模型和点状构件模型的手动放置，生成管路三维模型、管路管件三维模型、支架模型三维模型。

2.根据权利要求1所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：创建模板库是制作三维构件模板库，对线状管路和点状构件进行分类建模，线状管路指管路类，连续具有一定规则断面的构件；点状构件指非连续性按一定间距间隔放置的构件。

3.根据权利要求1所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：基于巷道三维定位线确定线状管路和点状构件的坐标，包括下列步骤：

4.根据权利要求3所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：线状管路模型和点状构件模型的手动放置包括下列步骤：

S9.根据线状管路的起点坐标、终点坐标创建对应线状管路管件的三维模型。

5.根据权利要求3所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：管路三维模型、管路管件三维模型、支架模型三维模型的生成步骤如下所述：

S10.根据对应构件所在坐标，求此坐标点所在三维定位线处的切线向量，获取其相对于第三方BIM软件坐标系的水平投影向量与第三方软件坐标系的水平方向向量，求两者夹角a1；

6.根据权利要求3所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：步骤S5中，管路中心距巷道侧边≥本巷道内的最大管路的管件外径*0.55。

7.根据权利要求6所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：巷道内存在多种管路，且两组管路共用同一支架，任意两管路间的高差≥(管路1的管件外径+管路2的管件外径)/2。

8.根据权利要求3所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：步骤S6中，对于巷道平面坐标系Y轴，即为管路和构件的高度偏移，根据实际工程布置情况取值正整数；对于巷道平面坐标系X轴，即为管路和构件的相对于巷道中心线的左右偏移，默认为巷道三维定位线的绘制方向向量在第三方BIM软件坐标系下的水平投影向量的右侧为正整数，左侧为负整数。

9.根据权利要求5所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：步骤S10中，水平投影向量取其x向量和y轴组成的向量。

10.根据权利要求1所述的基于BIM的煤矿生产系统管路GIM数字模型建模方法，其特征在于：所有线状管路和点状构件的位置坐标均基于巷道三维定位线的坐标，巷道结构发生变更修改，所有线状管路和点状构件进行自动更新。