BIM技術(shù)在高速鐵路接觸網(wǎng)工程中的應(yīng)用研究

劉紅良，王萬齊，王輝麟，劉紅峰，鮑 榴，楊 威

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；

2. 中國鐵道科學研究院集團公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

高速鐵路接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，是高速鐵路重要基礎(chǔ)設(shè)施，擔負著為高速鐵路機車提供電源的重要責任[1]。在接觸網(wǎng)設(shè)計、建造階段提升設(shè)計質(zhì)量和施工質(zhì)量，提高接觸網(wǎng)的安全性、可靠性，對實現(xiàn)鐵路長效、智能、安全運維有著重要意義。

傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計是基于二維CAD，一般將平面布置圖、裝配圖等作為設(shè)計成果進行交付。CAD圖紙看起來不直觀，非專業(yè)人員很難理解，且無法表現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備和周圍環(huán)境之間復(fù)雜的關(guān)系，很難發(fā)現(xiàn)侵限或者絕緣不滿足要求等問題。此外，接觸網(wǎng)和路、橋、隧等站前專業(yè)接口不易檢查，很難發(fā)現(xiàn)設(shè)計之間的沖突[2]。而這些問題往往都是集中在施工階段才被發(fā)現(xiàn)，容易引起設(shè)計變更，造成資源和工期的浪費，甚至會帶來質(zhì)量隱患。基于二維CAD的接觸網(wǎng)設(shè)計期、施工期數(shù)據(jù)比較分散，很難有一套成熟的機制將設(shè)計、出廠、安調(diào)等信息數(shù)據(jù)有機地結(jié)合在一起，竣工交付后很難支撐后期智能運維。而建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)作為一種全新的設(shè)計手段和信息化手段，可有效地解決這些問題。

本文依托BIM技術(shù)數(shù)字化、可視化、設(shè)計協(xié)同、全生命周期[3]等特性，研究BIM技術(shù)在接觸網(wǎng)設(shè)計、施工過程中的應(yīng)用，以達到輔助設(shè)計、指導(dǎo)施工、數(shù)據(jù)集成與傳遞、服務(wù)運維的目的。

1 接觸網(wǎng)設(shè)計階段BIM應(yīng)用

1.1 參數(shù)化快速建模

接觸網(wǎng)設(shè)備是由支柱基礎(chǔ)、支柱、腕臂、定位裝置、接觸線、承力索、吊弦、附加導(dǎo)線等構(gòu)成。接觸網(wǎng)設(shè)備零部件眾多，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及電氣、結(jié)構(gòu)、機械等多個領(lǐng)域，需要一種參數(shù)化快速建模的方式，實現(xiàn)腕臂的裝配設(shè)計和線路布置。

1.1.1 零部件三維族庫

根據(jù)《電氣化鐵路接觸零部件（TBT 2075-2010）》標準，對腕臂支撐裝置、定位裝置、補償裝置、接觸懸掛等涉及到的零部件，根據(jù)功能及型號進行建模，建立零部件三維族庫，如圖1所示。對于工程實際中運用到的非標零部件或新設(shè)備，要及時在族庫中增加，保證族庫零部件模型的完整。目前，只有Power rail overhead line接觸網(wǎng)專用軟件，因此，在選擇某一軟件平臺后，用戶要建立自己的三維族庫，并隨著接觸網(wǎng)新工藝、新設(shè)備的出現(xiàn)，及時完善三維族庫。

圖1 接觸網(wǎng)零部件三維族庫

1.1.2 腕臂計算及可視化裝配

零部件三維族庫建立以后，調(diào)取族庫模型，對接觸網(wǎng)腕臂支撐裝置進行可視化裝配，形成接觸網(wǎng)腕臂裝配庫，包括下錨柱、中間柱、轉(zhuǎn)換柱、中心柱等腕臂裝配類型。在Autodesk等平臺中，開發(fā)二次插件，實現(xiàn)腕臂理論計算，根據(jù)設(shè)計要求的側(cè)面限界、外軌超高等，生成腕臂管及相關(guān)部件的理論長度，并實現(xiàn)腕臂的可視化、參數(shù)化裝配，如圖2所示。在腕臂可視化裝配過程中，將腕臂零部件的幾何信息和非幾何信息等設(shè)計期屬性數(shù)據(jù)補充完整，例如，定位點導(dǎo)高、拉出值，腕臂零部件的長度、尺寸、名稱、材質(zhì)等。

圖2 接觸網(wǎng)中間柱裝配圖

1.1.3 接觸網(wǎng)模型線路布置

將生成的腕臂裝配以及支柱、支柱基礎(chǔ)、接觸線、承力索、附加導(dǎo)線等模型按照設(shè)計規(guī)則，布置到路基、橋梁、隧道、站場等站前專業(yè)的模型上。

1.2 碰撞檢查

將生成的BIM和其他專業(yè)模型進行碰撞檢查，達到設(shè)計協(xié)同的目的。硬碰撞檢查，對接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、支柱等與路基、橋梁、隧道、聲屏障專業(yè)進行“差、錯、漏、碰”檢查，生成檢查報告，對設(shè)計錯誤或者設(shè)計沖突的及時修改，減少設(shè)計變更的發(fā)生；軟碰撞檢查，檢查接觸網(wǎng)線路的絕緣距離是否符合要求，尤其是在上跨接觸網(wǎng)的大橋、電力線路等絕緣薄弱位置。

1.3 仿真模擬

接觸網(wǎng)設(shè)計過程中，利用BIM通過專門軟件進行接觸網(wǎng)的仿真模擬，對接觸網(wǎng)的彈性懸掛、弓網(wǎng)關(guān)系、風偏、支柱容量等進行仿真計算[4]。設(shè)計人員對仿真計算結(jié)果進行評估，使其滿足接觸網(wǎng)安全性、可靠性原則，以達到設(shè)計最優(yōu)。

1.4 工程量統(tǒng)計及出圖

接觸網(wǎng)模型建立以后，可以實現(xiàn)零部件自動統(tǒng)計，生成工程量清單，解決了人工通過CAD圖紙扒圖算量費時、費力且容易出錯的難題，提高了設(shè)計效率。接觸網(wǎng)的圖紙主要是以平面圖和裝配圖為主，基于BIM的可視化三維圖紙通過渲染、漫游，使其相比二維CAD圖紙更直觀，更易于理解。BIM出圖功能可方便地建立接觸網(wǎng)的“平、立、剖”圖紙，而所生成的圖紙和模型邏輯相關(guān)，與之關(guān)聯(lián)的圖形和參數(shù)將自動更新。

2 接觸網(wǎng)施工階段BIM應(yīng)用

2.1 施工指導(dǎo)應(yīng)用

2.1.1 設(shè)計交底

工程實施階段，設(shè)計單位為了更好地向施工單位表達設(shè)計意圖，需對施工單位進行設(shè)計交底，傳統(tǒng)的設(shè)計交底是通過圖紙、文字、圖片的方式，不利于展示和理解。借助BIM技術(shù)，采用可視化的方式，施工單位可以快速理解鐵路線路的概況，路基、橋梁、隧道的布置，接觸網(wǎng)的工程數(shù)量，懸掛方式等。對于二維圖紙不利于表達的接觸網(wǎng)細節(jié)，可以通過模型清晰表現(xiàn)出來[5]。基于BIM的接觸網(wǎng)設(shè)計交底，更利于施工單位工程實施，減小了設(shè)計和施工之間的溝通難度。

2.1.2 技術(shù)交底

依托BIM技術(shù)可視化特點，通過動畫、虛擬現(xiàn)實等手段建立接觸網(wǎng)專業(yè)關(guān)鍵工序施工技術(shù)交底庫，即三維作業(yè)指導(dǎo)書，供施工單位培訓(xùn)、學習，避免施工人員對施工圖的誤解，直觀地指導(dǎo)施工。依托建立的三維模型，根據(jù)施工需求對重點設(shè)備安裝或者特殊區(qū)段施工進行現(xiàn)場模擬，有助于施工預(yù)想、發(fā)現(xiàn)方案缺漏，熟悉施工流程，提高施工質(zhì)量[6]。

接觸網(wǎng)關(guān)鍵工序包括：支柱（吊柱）組立及整正、腕臂預(yù)制裝配（如圖3所示）、補償下錨安裝、承力索架設(shè)、接觸線架設(shè)、吊弦預(yù)制安裝、彈性吊索安裝、錨段關(guān)節(jié)（含電分相）調(diào)整、交叉（無交叉）線岔安裝調(diào)整、電連接線安裝、設(shè)備安裝、附加導(dǎo)線架設(shè)調(diào)整、接觸網(wǎng)精調(diào)等。技術(shù)交底庫依托BIM技術(shù)，細化設(shè)備安裝流程及工藝、工法。通過BIM技術(shù)的運用，指導(dǎo)編制專項施工方案，直觀地對復(fù)雜工序進行分析，指導(dǎo)施工快速有序進行。

圖3 基于BIM的腕臂裝配過程

2.1.3 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工管理

高速鐵路中，接觸網(wǎng)在路基、橋梁段的支柱基礎(chǔ)、拉線基礎(chǔ)以及隧道中的滑道都是由站前施工單位制作，由接觸網(wǎng)施工單位負責檢查預(yù)留、預(yù)埋位置是否正確，檢查施工質(zhì)量是否符合規(guī)范。接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、滑道屬于站前專業(yè)和站后四電專業(yè)的接口部分，為了規(guī)范接口部分的施工管理，可利用BIM技術(shù)，在站前專業(yè)BIM的基礎(chǔ)上加載接觸網(wǎng)基礎(chǔ)BIM，進行虛擬建造、虛擬檢查。BIM技術(shù)的應(yīng)用：（1）指導(dǎo)站前施工單位預(yù)留施工，防止發(fā)生預(yù)留錯誤、侵限、碰撞等問題的發(fā)生；（2）指導(dǎo)站后四電施工單位進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題在模型上進行標注，并反饋給站前施工單位進行處理。基于BIM的接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工管理，可提高接口的施工質(zhì)量，還能解決站前與站后施工單位之間溝通、協(xié)調(diào)不暢的難題。

2.1.4 進度管理

工程實施期間，對接觸網(wǎng)設(shè)備進行構(gòu)件化工程分解，例如，支柱基礎(chǔ)、支柱、拉線、腕臂支撐、定位裝置、下錨補償裝置、中心錨結(jié)、吊弦、隔離開關(guān)、避雷器等，并對構(gòu)件進行實例化編碼。施工時，通過完成的接觸網(wǎng)工程實體構(gòu)件編碼關(guān)聯(lián)BIM的ID，驅(qū)動模型變色，通過顏色變化展示工程進度，如圖4所示，紅色表示接觸網(wǎng)支柱組立完成。利用BIM對工程實際進度與計劃進度進行對比，分析工期提前或滯后，達到滯后預(yù)警值時，進行相應(yīng)的報警，將施工組織信息和BIM融合，輔助施工管理[7]。

2.1.5 人員和機械管理

圖4 接觸網(wǎng)工程進度展示

基于BIM+GIS模型，接入人員、大型機械設(shè)備（軌道車、接觸網(wǎng)放線車等）的定位數(shù)據(jù)，對人員、大型機械設(shè)備進行定位及管理工作，實現(xiàn)人員、大型機械設(shè)備位置實時監(jiān)測；并接入大型機械設(shè)備上的視頻信息，實現(xiàn)在模型上查看行駛及施工狀態(tài)。基于BIM+GIS的人員、車輛定位管理，達到人員、機械位置可視化，行車、施工可視化的目的。此外，根據(jù)上道任務(wù)計劃，結(jié)合作業(yè)區(qū)間機械設(shè)備的運行計劃（時間、路線等），在上道作業(yè)前給出風險提示。通過人員、機械車輛的定位數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)，對施工人員與危險源的距離進行預(yù)判，并提前預(yù)警。

2.2 接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)集成與傳遞

2.2.1 數(shù)據(jù)種類

接觸網(wǎng)在工程實施過程中，產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，包括設(shè)計信息、生產(chǎn)制造信息、進場檢驗信息、預(yù)配加工信息、施工安裝信息、竣工驗收信息等，這些數(shù)據(jù)隨著工程的推進逐漸增加。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與集成手段

在接觸網(wǎng)設(shè)計期建模的過程中，將設(shè)計信息添加到BIM中，包括幾何屬性和非幾何屬性，例如支柱的長度、截面尺寸、型號、名稱、材質(zhì)、支柱容量、壽命等。接觸網(wǎng)支柱制造完成出廠前，在支柱表面粘貼二維碼，通過信息化的手段，將支柱的出廠信息和二維碼綁定，通過掃描二維碼的方式能夠調(diào)閱支柱的廠家、生產(chǎn)批次、出廠編號、型號、材質(zhì)等基本信息。接觸網(wǎng)腕臂支撐裝置在安裝之前，需要提前進行工廠化預(yù)配。根據(jù)現(xiàn)場測量的側(cè)面限界、外軌超高、支柱斜率等參數(shù)計算腕臂等相關(guān)部件的下料長度，經(jīng)過切削、加工，最后組裝成腕臂支撐裝置。只有經(jīng)過現(xiàn)場測量和計算才能滿足接觸網(wǎng)導(dǎo)高、拉出值等設(shè)計要求。在接觸網(wǎng)支柱及其他設(shè)備安裝、調(diào)試過程中，再次掃描二維碼，附加安裝、調(diào)試信息，例如安裝（調(diào)試）時間、負責人、監(jiān)理人、現(xiàn)場安裝照片、安裝（調(diào)試）記錄等。

對設(shè)計期BIM，經(jīng)過輕量化處理后，進行數(shù)模分離，將BIM屬性信息導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。再將接觸網(wǎng)設(shè)計信息、出廠信息、入場檢驗信息、安裝信息、腕臂（吊弦）預(yù)配信息、驗收信息等也導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，通過BIM的ID關(guān)聯(lián)接觸網(wǎng)構(gòu)件實體構(gòu)件編碼，按照“一桿一檔”的數(shù)據(jù)要求進行重新組織，實現(xiàn)BIM的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和集成，最終實現(xiàn)基于BIM的設(shè)計、施工數(shù)據(jù)傳遞，如圖5所示。

圖5 接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)集成與傳遞

2.2.3 數(shù)字化竣工交付

針對新建高速鐵路，鐵路BIM聯(lián)盟提出了基于BIM技術(shù)的數(shù)字化竣工交付[8]，按照運維管理資料移交要求，輔助運營單位對各種資料進行收集、整理。通過建設(shè)階段的數(shù)字化移交，將接觸網(wǎng)BIM承載的建設(shè)管理的過程信息無縫轉(zhuǎn)移到運維階段，完成建設(shè)BIM向運維BIM的深化，實現(xiàn)運營期的基于BIM的接觸網(wǎng)臺賬、故障病害和維修履歷管理；通過有效管理和融合分析運維階段的各類檢測和維修數(shù)據(jù)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備的安全、高效運行。

3 結(jié)束語

探討B(tài)IM技術(shù)在接觸網(wǎng)設(shè)計、施工階段的應(yīng)用，利用BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化等特性，輔助接觸網(wǎng)設(shè)計，提高設(shè)計效率，通過碰撞檢查、仿真模擬，實現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)計方案最優(yōu)，滿足接觸網(wǎng)設(shè)計安全性、可靠性原則；在接觸網(wǎng)安裝實施階段，利用BIM技術(shù)進行設(shè)計交底，施工方案交底，指導(dǎo)接觸網(wǎng)安裝施工，提高施工質(zhì)量，提升施工管理水平。接觸網(wǎng)設(shè)計、施工階段產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，利用BIM技術(shù)實現(xiàn)有效集成和傳遞，通過數(shù)字化竣工交付，將工程建設(shè)階段的數(shù)據(jù)無縫轉(zhuǎn)移到運維階段，為將來實現(xiàn)智能運維奠定基礎(chǔ)。