BIM技術在400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)工程中的應用

黃 鑫 魯小兵

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

在高速鐵路設計中，傳統(tǒng)的CAD繪圖工具多采用2D平面形式，且只能完成單一階段的工作，不能把高速鐵路系統(tǒng)工程以3D可視化模型直觀展現(xiàn)出來，也不能在項目各個階段對模型中的工程信息進行實時動態(tài)修正、調整，無法為鐵路建設全壽命周期提供數(shù)據(jù)支持與幫助。BIM(Building Information Modeling)技術的出現(xiàn)為鐵路系統(tǒng)工程界的整合實現(xiàn)帶來了可能[1]。

本文分析和研究了BIM技術在400 km/h高速鐵路電氣化接觸網(wǎng)工程中的應用優(yōu)勢，總結歸納了目前接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM正向設計的主要流程框架；運用“BIM+”的思維，為高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM全壽命周期的應用工作開展提供指導，從而提高項目全過程的精細化設計水平。

1 BIM技術應用于高速鐵路的特點及流程

鐵路工程可利用Bentley平臺進行三維協(xié)同設計，實現(xiàn)制造、設計、施工、運營全生命周期協(xié)同。因此，采用Bentley平臺完成400 km/h高速鐵路工程的BIM正向設計，不但便于檢查常規(guī)單一專業(yè)設計存在沖突和碰撞的問題，提高前期方案設計的合理性，減少后期的設計變更，還可應用于協(xié)同設計、規(guī)劃方案預演、場地分析、性能仿真、可視化、碰撞檢測、工程量統(tǒng)計及成本估算等。BIM技術應用于高速鐵路設計的主要優(yōu)勢有：

(1)利用BIM技術可視化、形象直觀的特點，可充分實現(xiàn)規(guī)劃設計思想的所見即所得，便于項目參與方的溝通和交流，輔助決策。

(2)利用BIM技術進行協(xié)同設計，將原多專業(yè)串行的工作狀態(tài)通過協(xié)同平臺變成并行的工作狀態(tài)，解決多專業(yè)差、碰、錯、漏等問題，提高設計質量和效率，減少設計缺陷和后期變更，使得設計周期更加合理可控。

(3)利用BIM技術強大的信息統(tǒng)計功能進行初步模型的分析、評估，對建設方案和投資預算方案進行模擬、分析，能夠有效地處理數(shù)據(jù)信息，完成策劃方案優(yōu)選、成本估算、場地規(guī)劃分析及空間布局等。

BIM技術在設計階段的應用流程框架如圖1所示。

圖1 鐵路設計階段BIM應用流程圖

(1)根據(jù)指導性文件、項目背景資料及規(guī)劃文件等確定鐵路BIM應用的工作環(huán)境，建立源文件。

(2)可依據(jù)項目規(guī)劃階段的文件資料需求，統(tǒng)一創(chuàng)建模型、附加信息等遵循的標準文件，達到規(guī)范構件的信息內容、存儲方式的目的。通過方案規(guī)劃評審后，生成方案設計階段的BIM信息模型。

(3)根據(jù)可研、初步設計、施工圖各階段的需求文件資料，建立鐵路系統(tǒng)各專業(yè)信息模型庫，實現(xiàn)對各階段構件信息模型與信息的管理。將各階段BIM設計成果評審后，生成可在下一階段通過輸入基本設計信息來快速讀取的鐵路系統(tǒng)各專業(yè)設計成果，再進行BIM正向設計。

2 BIM技術應用于接觸網(wǎng)工程的特點及流程

2.1 總體設計流程

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程是沿線向電力機車供電的輸電線路，是高速鐵路的重要基礎設備，擔負著為高速鐵路電力機車提供電源的重要責任[2]。基于傳統(tǒng)二維CAD的接觸網(wǎng)設計期、施工期數(shù)據(jù)比較分散，沒有一套完整的軟件平臺將設計、出廠、安調等信息數(shù)據(jù)有機地結合在一起，竣工交付后很難支撐后期智能運營維護管理。而BIM技術作為一種全新的設計和信息化手段，可在接觸網(wǎng)設計、建設階段提升設計質量和施工質量，提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程的安全性、可靠性，對實現(xiàn)高速鐵路長效、智能、安全運維有著重要意義[3]。400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)工程BIM技術應用流程如圖2所示。

圖2 400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)工程BIM應用流程圖

(1)采用Bentley平臺，結合線路、橋梁、路基等接口專業(yè)協(xié)同設計提供的資料，建立設計源文件。

(2)建立高速鐵路接觸網(wǎng)零部件標準模型庫，主要包括支柱、基礎、零部件、電氣設備模型等特征信息不隨線路里程變化的構件庫。

(3)根據(jù)設計源文件，利用所建立的接觸網(wǎng)零部件標準模型庫進行接觸網(wǎng)BIM正向設計，生成接觸網(wǎng)BIM信息模型。

(4)以接觸網(wǎng)BIM信息模型為基礎實現(xiàn)接觸網(wǎng)的圖紙交付、三維展示、零部件預配模擬等功能。

2.2 零部件庫

接觸網(wǎng)系統(tǒng)設備零部件眾多，且相互空間結構復雜，上部懸掛裝置主要由腕臂支持、定位裝置、補償裝置等零部件組成[4]。高速鐵路接觸網(wǎng)BIM模型設計過程中，需反映出接觸網(wǎng)“平、立、剖”的細節(jié)。

在開展接觸網(wǎng)BIM正向設計前，根據(jù)400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)工程零部件的特點及TB 2075《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》要求，建立一套針對高速鐵路項目特點的接觸網(wǎng)系統(tǒng)項目零部件庫，可采用IFC(Industry Foundation Classes)標準為數(shù)據(jù)表示和交換規(guī)范,可支持鐵路系統(tǒng)中不同專業(yè)和部門的信息共享和協(xié)同設計支持。接觸網(wǎng)零部件模型成果及模型附屬信息管理如圖3所示。

圖3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM零部件庫(部分)圖

為實現(xiàn)BIM技術在400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程應用的全壽命管理，需在設計初期建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)完整的BIM模型零部件庫，并添加其設計信息，例如名稱特征、規(guī)格型號、材質、壽命及相應的規(guī)范要求等，伴隨著新規(guī)范，新工藝，新設備的出現(xiàn)，實時更新補充零件庫及模型信息。接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM零部件信息管理圖如圖4所示。

圖4 接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM零部件信息管理圖

2.3 腕臂組裝裝配

接觸網(wǎng)裝配是由多個零部件組合而成，接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程沿線裝配工點約50 m設1處，全線接觸網(wǎng)裝配工點多達幾萬處，如何實現(xiàn)零部件模型數(shù)據(jù)關聯(lián)和集成以求達到腕臂快速計算、工點處零部件自動組裝成為了BIM正向設計的一大難題。

結合高速鐵路實際項目，在鐵路專業(yè)平臺(OpenRail Designer)上進行接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM軟件二次研發(fā)，以求完成支柱腕臂自動裝配，其基本邏輯結構如圖5所示。

圖5 接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關BIM技術二次開發(fā)流程圖

結合土建專業(yè)提供的BIM模型源文件、及線路里程等相關數(shù)據(jù)信息，開展接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM正向設計，快速建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)的BIM信息模型，在BIM模型中快速檢查支柱基礎的設計是否合理，同時進行協(xié)同設計和可視化碰撞檢查。再結合檢查修改后生成的接觸網(wǎng)BIM基礎模型，進行接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM技術二次開發(fā)，實現(xiàn)腕臂理論計算，根據(jù)設計要求的車輛限界、側面限界、外軌超高等，生成相關支撐部件的理論長度，并實現(xiàn)零部件的可視化組合、參數(shù)化裝配，如圖6所示。

圖6 接觸網(wǎng)零部件自動裝配圖

2.4 系統(tǒng)設計

接觸網(wǎng)BIM正向設計過程中，通過CATMOS弓網(wǎng)仿真軟件對弓網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真模擬，對受電弓接觸力、接觸網(wǎng)的彈性不均勻度、風偏等進行仿真計算[4]。接觸網(wǎng)系統(tǒng)在特殊工點處，如路隧過渡、橋隧過渡和路橋過渡處需結合接觸網(wǎng)BIM三維可視化模型，對仿真計算結果進行精細化評估，實時修改設計方案，以達到最優(yōu)設計，使接觸網(wǎng)系統(tǒng)滿足安全性、可靠性的原則。

借助BIM技術，采用可視化的方式，可快速了解鐵路線路的概況，路基、橋梁、隧道的布置，完成接觸網(wǎng)的三維實體模型，如圖7所示，通過渲染展現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)BIM正向設計模擬實景效果，如圖8所示，清晰表達出接觸網(wǎng)細部工點設計方案，如圖9所示。

圖7 接觸網(wǎng)系統(tǒng)三維信息模型實體圖

圖8 高速鐵路接觸網(wǎng)BIM正向設計模擬實景效果圖

圖9 高速鐵路接觸網(wǎng)細部工點設計圖

2.5 設計優(yōu)化

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程，涉及電氣、材料、結構、機械等多專業(yè)學科交叉，具有其特定的難點，如：接觸網(wǎng)支柱基礎位置與線路、路基、橋梁、隧道、四電電纜槽、聲屏障等設備接口碰撞檢查，供電線支柱基礎選址與地基容許承載力的匹配；接觸網(wǎng)上部懸掛裝置零部件眾多，且空間結構復雜；高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)長期暴露運行在自然環(huán)境中，與外部運行環(huán)境的適應性等[6]。

在接觸網(wǎng)BIM正向設計中，涉及多專業(yè)協(xié)同與協(xié)作，BIM技術可完成不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)轉化，項目前后階段之間信息的傳遞與銜接，實現(xiàn)全生命周期的集成協(xié)作管理和符合ISO標準的數(shù)據(jù)交換、信息互通。接觸網(wǎng)BIM協(xié)同設計流程，如圖10所示，將生成的腕臂裝配以及支柱、支柱基礎、接觸線、承力索、附加導線等裝配模型依照高鐵規(guī)范設計規(guī)范，結合土建專業(yè)、四電專業(yè)等接口專業(yè)BIM模型開展協(xié)同設計，采“BIM+GIS”技術對外部環(huán)境條件下接觸網(wǎng)支柱基礎進行可視化精準定位，實時進行模型碰撞檢測，及時修改設計錯誤，減少各專業(yè)間重復工作和后期設計變更，大大提高設計效率。

圖10 高速鐵路接觸網(wǎng)BIM協(xié)同設計流程圖

接觸網(wǎng)BIM模型建立后，提取該階段最終版本BIM模型中的主要工程數(shù)量，并生成工程數(shù)量表，完成接觸網(wǎng)工程BIM正向設計工作。

3 施工中的應用

鐵路工程項目建設具有管理體系大、參與方眾多、系統(tǒng)復雜、人員流動頻繁等特點，將BIM技術應用于鐵路施工中，可有效結合接觸網(wǎng)施工圖設計階段BIM信息模型及平臺，構建接觸網(wǎng)施工階段BIM管理平臺(如圖11所示)，整合施工資源配置，尋求工期與成本、工程質量最優(yōu)解，實現(xiàn)施工進度管理、物料跟蹤管理、施工工藝指導、虛擬施工記錄現(xiàn)場接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)等功能[7]，同時在BIM管理平臺可聯(lián)合其他專業(yè)協(xié)同施工，打造工程建設數(shù)字一體化。

圖11 BIM技術在施工管理中的應用圖

4 運維中的應用

高速鐵路竣工后，需按照運維管理資料移交要求和驗收標準規(guī)范，采用BIM技術完成數(shù)字化竣工交付。通過建造階段的數(shù)字化移交，將接觸網(wǎng)BIM技術承載的過程信息無縫轉移到運維階段，完成建設期BIM信息平臺向運維BIM信息平臺(如圖12所示)的深化，實現(xiàn)鐵路建設的數(shù)字孿生，通過有效管理和融合分析運維階段的在線監(jiān)測進行實時狀態(tài)判斷、維修數(shù)據(jù)，對故障隱患進行快速應變和處理，實時快速準確掌的運營情況，保證接觸網(wǎng)設備的安全、高效運行。

圖12 運營維護階段的BIM應用平臺建設圖

5 結論及建議

(1)本文總結了BIM技術在高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程的應用流程，結合400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM正向設計應用，展示了BIM技術的應用優(yōu)勢。高速鐵路的快速發(fā)展亟需建立一個全壽命周期的信息化管理平臺，充分利用BIM技術的優(yōu)勢，提高設計精度和效率，為真正實現(xiàn)“400 km/h+智慧交通”運營管理奠定堅實的基礎。

(2)高速鐵路建設是一項利國利民的百年大計工程，在高速鐵路建設過程中如何才能實現(xiàn)項目精細化、數(shù)字化的協(xié)同管理成為業(yè)界一直研究的重點課題，隨著BIM技術在鐵路工程建設中的廣泛應用，需充分結合我國現(xiàn)階段鐵路建設的管理特點，加快對BIM技術在“400 km/h+智慧高速鐵路”的規(guī)范標準編制，對促進我國高速鐵路工程建設信息模型的應用和發(fā)展有著重要的意義。