BIM技術(shù)在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

■ 李良威 李朝陽 徐劍 游霞

牽引變電站作為電氣化鐵路電力供應(yīng)的主體，其高質(zhì)量、高精度的設(shè)計和施工對整個鐵路的正常、安全、可靠運行具有重要作用。隨著鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，對勘察設(shè)計的標準化、規(guī)范化、精細化的要求越來越高，現(xiàn)行設(shè)計手段已經(jīng)難以滿足鐵路，尤其是高速鐵路設(shè)計的需求。基于建筑信息模型（BIM）技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計可顯著提升設(shè)計效率、提高設(shè)計精度，能增強設(shè)計人員、施工人員、運營管理人員的立體感，是滿足市場需求、整體提升設(shè)計水平的有效工具。電氣化三維數(shù)字化設(shè)計不僅是設(shè)計軟件的開發(fā)，而且包括一系列設(shè)計標準和設(shè)計流程的制定，以及觀念和設(shè)計習(xí)慣的更改，會存在一定的轉(zhuǎn)換周期，因此建立電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)數(shù)字化三維設(shè)計平臺是十分必要和迫切的。

1 傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)與BIM技術(shù)對比

目前，我國各鐵路設(shè)計單位的電氣化設(shè)計主要采用二維設(shè)計軟件，這些設(shè)計軟件盡管在一定程度上提高了設(shè)計效率，但也存在一些不足。

（1）對于需要多視圖、多剖面描述的復(fù)雜空間設(shè)計內(nèi)容，由于二維設(shè)計缺乏直觀的效果，難免造成遺漏和差錯，有些差錯到施工階段才能發(fā)現(xiàn)，如限界、電氣絕緣方面的差錯等，造成不必要的返工和浪費。更為嚴重的是有些差錯甚至在運營期間才發(fā)現(xiàn)，給運輸安全埋下極大隱患。

（2）設(shè)計人員在設(shè)計過程中難以對施工現(xiàn)場的地形地貌、橋隧路基等構(gòu)筑物有直觀認識和全面感知，一些復(fù)雜和特殊的工點，往往必須通過設(shè)計人員反復(fù)現(xiàn)場踏勘實測，才能確定技術(shù)方案，造成設(shè)計周期長，效率低。

（3）由于只能生成二維的設(shè)計成果，難以展示設(shè)計的立體效果，不能給鐵路項目，尤其是海外工程對景觀、環(huán)評要求提供評估和決策依據(jù)。

（4）由于設(shè)計成果僅反映各專業(yè)單一的設(shè)計內(nèi)容，缺乏共同的設(shè)計平臺，難以檢查專業(yè)間的接口關(guān)系，不能及時發(fā)現(xiàn)相互間的沖突，造成設(shè)計質(zhì)量總體性差。

BIM技術(shù)的核心是通過在計算機中建立虛擬的工程三維模型，同時利用數(shù)字化技術(shù)為這個模型提供完整的、與實際情況一致的工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物及設(shè)備構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含非構(gòu)件對象信息。借助這個富含工程信息的三維模型，工程的信息集成化程度大大提高，從而為工程項目的相關(guān)利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，BIM具有不可替代的優(yōu)勢：

（1）三維數(shù)字化設(shè)計用完全真實的尺寸和形狀在計算機屏幕上展現(xiàn)產(chǎn)品的形狀、特征、加工狀態(tài)、材質(zhì)等信息，便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交流和共享。

（2）計算機可對虛擬設(shè)計的三維模型進行實物模型無法實現(xiàn)的各種操作，例如對電氣設(shè)備、接觸網(wǎng)零件或裝配件進行各種形式的剖切、電氣設(shè)備絕緣距離校核和運動模擬等。

（3）具有高技術(shù)含量的三維模型還廣泛地應(yīng)用到靜/動態(tài)干涉檢查、性能仿真和模擬等領(lǐng)域，在設(shè)計前期就完成所有電氣設(shè)備的預(yù)布置，各種零部件的數(shù)字化預(yù)裝配工作，可顯著減少設(shè)計變更、錯誤和返工。

（4）實現(xiàn)施工進度模擬、裝配模擬、物料跟蹤等，對材料進場與人員、機械及環(huán)境進行高效配置，對項目構(gòu)建可視化的數(shù)字建筑模型，使整個工程項目在設(shè)計、施工和使用等各階段都能有效實現(xiàn)科學(xué)化、智能化管理，應(yīng)用BIM技術(shù)可實現(xiàn)工程全壽命周期管理理念。

2 牽引變電站的BIM設(shè)計

基于BIM技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計基本流程見圖1。

2.1 軟件平臺的選取

通過國內(nèi)外市場調(diào)研認為，面向建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施生命周期的歐特克BIM解決方案是以Autodesk Revit和AutoCAD Civil 3D等軟件創(chuàng)建的智能模型為基礎(chǔ)，一系列強大的配套解決方案則能以虛擬方式對項目進行可視化和模擬，并可用于文檔制作、專業(yè)制圖、數(shù)據(jù)管理和協(xié)作，從而進一步發(fā)揮BIM的強大優(yōu)勢。在此根據(jù)專業(yè)特點選取Autodesk Revit 2013作為軟件的開發(fā)平臺。

圖1 三維設(shè)計的基本流程

2.2 建立電氣設(shè)備族

在創(chuàng)建電氣主接線實現(xiàn)變電所的三維布置時，需要建立統(tǒng)一的標準設(shè)備族，所有的電氣一次設(shè)備元件符號均從設(shè)備元件族中調(diào)用。三維模型族不僅在幾何參數(shù)層面上描述電氣系統(tǒng)，而且將牽引供電系統(tǒng)工程的設(shè)計參數(shù)、設(shè)計過程、設(shè)計規(guī)則及行業(yè)知識封裝于三維模型中，這樣才能解決參數(shù)、規(guī)則對模型的驅(qū)動與更新機制問匙。建立電氣設(shè)備參數(shù)化的三維模型是整個牽引供電系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。以牽引變壓器為例的設(shè)備族模型見圖2，對應(yīng)的類型屬性見圖3。

2.3 電氣主接線及三維布置模型

圖2 牽引變壓器設(shè)備族模型

圖3 牽引變壓器設(shè)備族類型屬性

電氣主接線圖是開展牽引供電系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，所有電氣一次設(shè)備對應(yīng)著相應(yīng)的電氣設(shè)備族。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合相應(yīng)的電氣設(shè)備布置、間距所要求的規(guī)程和規(guī)范，實現(xiàn)電氣設(shè)備的三維布置。牽引變電所三維布置模型見圖4。

2.4 后期處理程序

（1）電氣網(wǎng)絡(luò)匹配檢查：可通過對電氣主接線和電氣設(shè)備三維布置模型之間的關(guān)聯(lián)，通過電氣主接線檢查設(shè)備布置、設(shè)備間連線的正確性，檢查設(shè)備間電路邏輯關(guān)系，直觀地反映出電氣設(shè)備的關(guān)聯(lián)。

（2）碰撞絕緣檢查：通過三維模型精確的坐標和屬性，自動檢查機械安裝方面的沖突，以及帶電體與接地體之間的絕緣間距要求，避免了工程設(shè)計中的“碰、漏、缺”現(xiàn)象，實現(xiàn)高精度無差錯設(shè)計。

（3）工程數(shù)量統(tǒng)計：通過對主接線中設(shè)備的統(tǒng)計得到電氣設(shè)備清單，并對設(shè)備材料清冊中的設(shè)備數(shù)量進行核實。

（4）生成施工圖：系統(tǒng)可以自動生成平面布置圖、立面圖、剖面圖，該圖紙隨著三維模型的改動而自動實現(xiàn)關(guān)聯(lián)改動。

（5）協(xié)同設(shè)計：使各工種之間的設(shè)計數(shù)據(jù)得到可視化共享，系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動更新保證成果的實時性及唯一性，避免傳統(tǒng)設(shè)計中由于各個專業(yè)間互提資料、溝通問題造成的數(shù)據(jù)前后不一致，并實現(xiàn)正確的設(shè)計流程管理。

（6）數(shù)據(jù)軟件接口：牽引變電所三維模型包含整個工程的所有數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口可以很方便地導(dǎo)出設(shè)計參數(shù)至相關(guān)的計算軟件，進行分析計算，例如把數(shù)據(jù)導(dǎo)入CDEGS Software軟件，對接地、防雷保護進行仿真計算；可以直觀地查看跨步電勢、電氣設(shè)備和導(dǎo)線是否處于避雷裝置的保護范圍內(nèi)，提高了設(shè)計的準確性和可信度。

3 結(jié)束語

基于BIM技術(shù)實現(xiàn)牽引變電站的三維設(shè)計，為設(shè)計方解決了“設(shè)計內(nèi)容是如何建造”的問題；為施工方解決了“施工是否組織合理”的問題；為管理方解決了“如何去管理和控制”的問題。隨著鐵路電氣化建設(shè)的發(fā)展，業(yè)主要求也在提升，尤其是海外工程中，高效率與低誤差是設(shè)計方與業(yè)主共同追求的目標，使用基于BIM技術(shù)的三維可視化、協(xié)同化、智能化的設(shè)計模式，采用先進的設(shè)計手段提高設(shè)計效率，充分發(fā)揮其在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中的優(yōu)勢，可實現(xiàn)電氣化鐵路牽引變電站全壽命周期管理，提高工程設(shè)計、施工、運營的科學(xué)管理水平，促進電氣化鐵路全面信息化和現(xiàn)代化，具有巨大的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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圖4 牽引變電所三維布置模型