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

■ 李良威 李朝陽(yáng) 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(jì)和施工對(duì)整個(gè)鐵路的正常、安全、可靠運(yùn)行具有重要作用。隨著鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，對(duì)勘察設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化的要求越來越高，現(xiàn)行設(shè)計(jì)手段已經(jīng)難以滿足鐵路，尤其是高速鐵路設(shè)計(jì)的需求?；诮ㄖ畔⒛Ｐ停˙IM）技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)可顯著提升設(shè)計(jì)效率、提高設(shè)計(jì)精度，能增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員、施工人員、運(yùn)營(yíng)管理人員的立體感，是滿足市場(chǎng)需求、整體提升設(shè)計(jì)水平的有效工具。電氣化三維數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅是設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，而且包括一系列設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)流程的制定，以及觀念和設(shè)計(jì)習(xí)慣的更改，會(huì)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(jì)平臺(tái)是十分必要和迫切的。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)與BIM技術(shù)對(duì)比

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

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

（2）設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中難以對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌、橋隧路基等構(gòu)筑物有直觀認(rèn)識(shí)和全面感知，一些復(fù)雜和特殊的工點(diǎn)，往往必須通過設(shè)計(jì)人員反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘實(shí)測(cè)，才能確定技術(shù)方案，造成設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，效率低。

（3）由于只能生成二維的設(shè)計(jì)成果，難以展示設(shè)計(jì)的立體效果，不能給鐵路項(xiàng)目，尤其是海外工程對(duì)景觀、環(huán)評(píng)要求提供評(píng)估和決策依據(jù)。

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

BIM技術(shù)的核心是通過在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的工程三維模型，同時(shí)利用數(shù)字化技術(shù)為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的工程信息庫(kù)。該信息庫(kù)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(duì)象信息。借助這個(gè)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(xiàng)目的相關(guān)利益方提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，BIM具有不可替代的優(yōu)勢(shì)：

（1）三維數(shù)字化設(shè)計(jì)用完全真實(shí)的尺寸和形狀在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)可對(duì)虛擬設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行實(shí)物模型無法實(shí)現(xiàn)的各種操作，例如對(duì)電氣設(shè)備、接觸網(wǎng)零件或裝配件進(jìn)行各種形式的剖切、電氣設(shè)備絕緣距離校核和運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)干涉檢查、性能仿真和模擬等領(lǐng)域，在設(shè)計(jì)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(jì)變更、錯(cuò)誤和返工。

（4）實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬、裝配模擬、物料跟蹤等，對(duì)材料進(jìn)場(chǎng)與人員、機(jī)械及環(huán)境進(jìn)行高效配置，對(duì)項(xiàng)目構(gòu)建可視化的數(shù)字建筑模型，使整個(gè)工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工和使用等各階段都能有效實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、智能化管理，應(yīng)用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工程全壽命周期管理理念。

2 牽引變電站的BIM設(shè)計(jì)

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

2.1 軟件平臺(tái)的選取

通過國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)調(diào)研認(rèn)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(qiáng)大的配套解決方案則能以虛擬方式對(duì)項(xiàng)目進(jìn)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(jìn)一步發(fā)揮BIM的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。在此根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)選取Autodesk Revit 2013作為軟件的開發(fā)平臺(tái)。

圖1 三維設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)變電所的三維布置時(shí)，需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備族，所有的電氣一次設(shè)備元件符號(hào)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(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)規(guī)則及行業(yè)知識(shí)封裝于三維模型中，這樣才能解決參數(shù)、規(guī)則對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)與更新機(jī)制問匙。建立電氣設(shè)備參數(shù)化的三維模型是整個(gè)牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。以牽引變壓器為例的設(shè)備族模型見圖2，對(duì)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?fàn)恳╇娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所有電氣一次設(shè)備對(duì)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(shí)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(duì)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(biāo)和屬性，自動(dòng)檢查機(jī)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(jì)中的“碰、漏、缺”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高精度無差錯(cuò)設(shè)計(jì)。

（3）工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)：通過對(duì)主接線中設(shè)備的統(tǒng)計(jì)得到電氣設(shè)備清單，并對(duì)設(shè)備材料清冊(cè)中的設(shè)備數(shù)量進(jìn)行核實(shí)。

（4）生成施工圖：系統(tǒng)可以自動(dòng)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(dòng)而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)改動(dòng)。

（5）協(xié)同設(shè)計(jì)：使各工種之間的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)得到可視化共享，系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)更新保證成果的實(shí)時(shí)性及唯一性，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于各個(gè)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(shí)現(xiàn)正確的設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)參數(shù)至相關(guān)的計(jì)算軟件，進(jìn)行分析計(jì)算，例如把數(shù)據(jù)導(dǎo)入CDEGS Software軟件，對(duì)接地、防雷保護(hù)進(jìn)行仿真計(jì)算；可以直觀地查看跨步電勢(shì)、電氣設(shè)備和導(dǎo)線是否處于避雷裝置的保護(hù)范圍內(nèi)，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可信度。

3 結(jié)束語

基于BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)牽引變電站的三維設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)方解決了“設(shè)計(jì)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(jì)方與業(yè)主共同追求的目標(biāo)，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(jì)模式，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段提高設(shè)計(jì)效率，充分發(fā)揮其在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)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(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的科學(xué)管理水平，促進(jìn)電氣化鐵路全面信息化和現(xiàn)代化，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 鐵道部電氣化工程局電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)院. 電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)牽引供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

[2] 潘英，宋桃東. 三維技術(shù)在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用探討[J]. 電氣化鐵道，2012(5)：1-4.

[3] 楚振宇. 基于ActiveX Automation的鐵路工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)一體化[J] . 鐵道學(xué)報(bào)，2000(2)：114-117.

[4] 郝超. BIM在天津永定河220 kV變電站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2012(25)：19-20.

[5] Autodesk Asia Pte Ltd. Autodesk Revit Mep 2012[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2012.

[6] Autodesk Asia Pte Ltd. Autodesk Revit Structure 2012[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2012.

[7] Autodesk Asia Pte Ltd. Autodesk Revit Architecture 2012[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2012.

圖4 牽引變電所三維布置模型