BIM技術在既有鐵路牽引變電所施工中的應用

雷亞麗

（中鐵十七局集團電氣化工程有限公司，山西 太原 030000）

牽引變電所是牽引供電系統的重要組成部分[1]，可以稱為鐵路的心臟。隨著鐵路建設的飛速發展，其高質量的建設和安全穩定運行對鐵路正常運營具有重要意義。然而，牽引變電所內設備多、線路敷設復雜且空間結構緊湊，土建及牽引變電專業交叉施工，施工難度很大，這就對施工單位工期安排、施工工藝提出較高的要求。在傳統鐵路電氣化改造施工過程中，常常會因設計院所提供的圖紙，電力、房建、通信等不同專業間設計圖紙的不對應，導致施工圖紙中存在許多難以發現的錯誤，在現場施工過程中極易導致返工重做、拖延工期等情況的發生，造成巨大浪費。

BIM技術具有可視化、碰撞檢查、模擬施工和施工信息集成等優勢。能夠在建模過程中發現各種存在的問題，并通過模擬動畫等形式，有效協同業主、設計、監理、施工單位、廠家和運營單位等多方，有助于進一步提高施工單位的施工能力以及最終完成工程的質量。

現以泗安至杭州鐵路電氣化改造工程為例，介紹BIM技術在既有鐵路牽引變電所施工中的應用。

1 項目介紹

泗安至杭州鐵路既有線電氣化改造工程，施工范圍為湖州至杭州（宣杭線K79+930-K219+244），線路總長度約205 km，跨度范圍大，施工作業點多。新建牽引變電所4座，均為兩回110 kV進線，由地方英牽線1802線和溪牽線1815線引入，分別接入所內1、2號主變壓器，將電壓由110 kV變為27.5 kV后，由饋線接入接觸網，為電力機車供電。牽引變電所正常是一回供電，一回備用，每回27.5 kV饋線設一臺斷路器，一臺隔離開關和一臺旁路電動開關，每條供電臂設置一臺備用斷路器。牽引變電所空間結構緊湊，所內設備卻多、各類導線大量排布，電纜溝、高壓控制室內電纜交叉情況嚴重。為了有效提高施工效率，減少材料損耗，采用基于BIM技術的牽引變電所施工技術。

2 BIM技術的特點與優勢

BIM技術就是將項目全生命期有用的工程信息融合進為三維建筑模型[2]，技術人員能夠直觀地獲取有效數據，具有可視性、模擬性、協調性、優化性和可出圖性等應用特點。

在傳統的牽引變電所施工中，普遍采用CAD軟件進行設計、出圖和施工指導。利用該軟件所出的圖紙是二維的，缺乏直觀效果。在設計過程中難免出現差漏，特別是房建與變電專業經常會出現碰撞問題，這些碰撞問題在施工期間被發現，將會返工處理并且浪費資源，影響工期[3]。另外，實際施工環境中存在的一些特殊位置點很難在二維設計圖紙顯示，會給后續的施工埋下安全施工隱患[4]。牽引變電所場內架構設備及其連接導線較為復雜，在實際施工過程中，使用平面設計難以考慮到空間的距離限制，從而導致設備限界，絕緣距離不足，電纜溝轉角及寬度不滿足電纜彎曲半徑等問題；所內涉及大量專業設備和線路，對施工技術人員的知識水平要求較高；因圖紙工程量計算不準確和現場物資管控失效導致的材料浪費時有發生。

采用BIM技術，可以比照設計圖紙進行建模，將圖紙轉化成為三維立體的直觀模型，在建模的過程中可以發現設計圖紙中的問題，通過碰撞檢查可以檢查圖紙中存在的各種錯、漏、碰、缺等內容，從而實現對設計圖的優化。BIM技術可以從任意角度進行平剖面出圖，使施工圖紙變得簡單易懂；也可以進行施工模擬視頻，對施工技術人員進行三維交底；同時結合現場實際測量數據對安裝細節進行仿真，使施工過程預制化、裝配化，減少人工，節約材料成本；結合BIM5D平臺，可以將每日施工所需材料快速提取方便使用，可以對施工現場材料消耗以及日后計價結算提供可靠依據。

3 BIM技術應用

3.1 軟件平臺的選擇

本項目使用Autodesk公司的Revit軟件作為基本建模工具，其具有與CAD圖紙軟件等數據互通的優勢，同時還具備協同工作，參數化族，插件豐富等特點，便于高效、快速建模。

根據當前項目特點選用Autodesk Revit作為主要建模平臺，模型瀏覽及碰撞檢查使用NavisWorks，建筑過程模擬及三維技術交底使用Fuzor，廣聯達BIM5D，工程量計算采用廣聯達GTJ2018和品茗算量9.5等軟件，視覺特效選用3DMAX等。

3.2 族庫的建立

牽引變電所專業設備較多，型號和衍生種類較多，首先我們要梳理各類電氣設備，建立族庫。運用參數化建模的方式，如拉伸放樣的長度，旋轉半徑，構件開合角度等，可以實現以修改族參數的方式使之生成多種不同型號的族，從而實現在較短時間內完成牽引變電所建族工作。變電所內變壓器、斷路器等專業設備，需要與導線模型進行連接，讀取長度等數據，在建族時，采用公制常規模型進行建立，載入自適應常規模型中添加自適應點，從而實現模型自動放置和參數讀取功能，如圖1和圖2所示。

圖1 斷路器設備族

圖2 主變壓器設備族

3.3 牽引變電所建模

牽引變電所建筑內容分為主體建筑、構架和基礎、場坪及圍墻三部分。在室外建模過程中，設計圖中場坪平面圖未設置軸網，通過繪制X-Y方向的參照平面并進行標注可以有效解決場內架構基礎，架構及設備的定位問題。

牽引變電專業建模時，需要對軟導線、隔離開關和避雷器等設備的電氣特性進行仿真模擬，在模型繪制時需要將計算公式添加至模型中，通過測量數據驅動模型形態。在所內設備間軟導線連接時，充分運用參數化的方式建立自適應族，在實現參數化建模的同時，還做到了連接軟導線時只需點擊兩下鼠標，如圖3所示，真正做到了快捷高效，滿足了連接各類電氣設備的需要。根據現場裝配式安裝一次性到位的需要，將弧垂，馳度等信息參數添加到模型中，對設備實際安裝時的物理情況進行仿真，實現了其在現場安裝過程中的真實模擬，準確地計算出安裝長度和位置，從而實現預裝配。

圖3 自適應軟導線族

牽引變電所主體難點在于室內電纜溝及二次電纜敷設，設備位置和溝槽開口確定等。建模完成后，各專業間設備及建筑進行碰撞檢查，對各種錯、漏、碰、缺給出直觀剖面圖，結合設計、建立、運營接收單位的意見，對模型進行協同會審，在預留孔洞，電纜溝倒角，優化模型以增加電纜彎曲半徑如圖4所示；設備預埋件剖面圖交底等方面提供了可視化依據，減少因溝通不暢導致的各類返工，減少浪費，節約成本。

圖4 電纜溝拐角優化

3.4 施工安裝模擬

牽引電所施工常常因場地施工進度限制，后續變壓器、箱柜等設備設施進場需要在土建施工完備的條件下進行。采用BIM技術模擬施工，可以提前將預期施工進度與實際施工進度進行對比，可對當下施工任務進行快速調整，確保施工有效開展。

在室外設備及架構安裝時，我們采用軟件計算仿真和現場實驗相結合的方式進行安裝模擬，首先對實際到貨的導線做懸掛測試，得出實際安裝弧垂高度，結合跨距、引下線長度等參數，對不同懸掛長度下的實際弧垂高度進行取樣并求取經驗公式，之后將公式以可變參數的形式添加進模型中，再將模型與設備安裝及平面布置圖準確匹配，得出導線懸掛模型，用以對實際安裝效果進行仿真，之后便可通過模型代替懸掛實驗，檢驗軟導線實際安裝懸掛后的弧垂高度是否滿足設計弧垂。同時利用軟件能夠進行碰撞檢查的特點，對接入牽引變電所主體建筑的導線設置碰撞實體模型，并進行碰撞檢查，以檢驗設備安裝后是否滿足絕緣凈距要求，從而實現施工質量的提升。

3.5 工程量統計

根據設計圖紙中設備及零部件的分類方式，對模型添加共享屬性和可變參數，在明細表統計規則中設置過濾器，實現了快速高效提取電氣設備信息列表的功能如圖5所示；同時還能夠與施工圖快速匹配，對設備及系統分類進行檢查。有效避免了人為因素所造成的錯項、漏項等情況的發生，同時模型還具備將數據文件以IFC格式導出至算量軟件進行土建及鋼筋算量的能力。此方法中，由于軟件中模型實體工程量與其提取的工程量表是映射關系，具有一處修改，處處更新的特點，該方法在項目圖紙審查，物資材料需求計劃提報以及工程數量梳理等工作方面，起到了較好的作用，有效減少了工程技術人員在從事工程量提取相關工作時所花費的時間。

圖5 建筑主體工程量統計

3.6 BIM5D應用

BIM技術對于工程施工最大的優勢在于進度及成本的管控，通過對項目BIM模型、進度計劃和材料供應信息進行關聯，以項目工期為時間軸，對項目施工情況進行動態模擬，將項目施工過程中的進展情況如圖6所示，精確到每日材料消耗、建筑形象工程的變化如實反映，為參與各方提供現實參考依據，提前發現問題，保證工程按時優質完成。

圖6 BIM5D施工模擬

4 結束語

BIM技術的可視化、碰撞檢查、工程數據管理以及強大的仿真能力對在工程項目施工過程中的圖紙審查、技術交底、材料供應和進度控制等各個環節均具有較強的指導作用，綜合運用BIM技術的各項優勢技術，可以有效提高項目施工在各個方面的能力，從而進一步提高建筑工程項目施工質量，達到減少工期節約成本的理想目標。BIM技術起源于房建領域，目前已經在鐵路工程、電力工程中的設計、施工、運營等各個環節得到了應用。同時，國內鐵路三維設計的應用工作也已經逐步開展，對于像鐵路牽引變電所這樣的專業、復雜的單項工程開展BIM應用可以有效提高施工質量、縮短工期、節約施工成本，因此將BIM技術在鐵路電氣化改造工程中進行應用和推廣具有較大的價值。

隨著我國新建鐵路不斷建成，國家鐵路網不斷豐富，既有線鐵路電氣化改造順勢成為下一步鐵路市場的發展方向。而既有線改造對供電系統的施工也提出了更高的要求。為了提高設備運行可靠性，維護便利性，減少因設備故障而導致的鐵路運營中斷，減少維修、搶修工作，保障鐵路運行秩序，必須從根源入手，抓好建設施工時期的關鍵環節，充分利用BIM技術所提供的三維可視化模型，對施工過程中的各個環節進行優化，有助于把好施工進度關、質量關，維護參與各方共同利益，以實現經濟效益最大化。