BIM技術在鐵路信號機房安裝配線中的研究與應用

程 芮

（中鐵十局集團電務工程有限公司，山東 濟南 250000）

1 工程概況

新建濟南至青島高速鐵路位于山東半島，線路西起山東省會濟南市，自濟南東客站引出，沿既有膠濟鐵路通道北側(cè)向東，經(jīng)濱州、淄博、濰坊，東至青島市，引入青島樞紐紅島站，正線全長約307.93 km，全線新建車站10座，其中濟南東客站、紅島站為始發(fā)站，對既有膠濟客專膠州北站進行改造，其余均為中間站，膠州北站改建采用濟青高鐵正線外包膠濟客專車場，在膠州北站西側(cè)濟青高鐵與既有膠濟客專貫通，利用膠濟客專通道引入青島站，在膠州北站膠濟客專與濟青高鐵機場方向正線貫通，引入紅島車站。為解決膠濟客專與濟青高鐵間跨線車運行，在膠州北站濟南端修建膠濟濟青上下行聯(lián)絡線，濟青轉(zhuǎn)膠濟跨線車利用站內(nèi)渡線通過。

2 技術研究

2.1 施工難點

2.1.1 信號機械室機柜布置合理性和維護環(huán)境高需求間的無縫銜接

目前，國內(nèi)運營及在建客專、城際類高速鐵路采用國產(chǎn)CTCS信號系統(tǒng)，CTCS-2/3列車運行控制系統(tǒng)基于GSM-R無線通信技術，同時采用車-地一體化系統(tǒng)設計，進一步實現(xiàn)行指-連鎖-列控一體化、區(qū)間-車站一體化、通信-信號一體化和機電一體化，技術程度及集成度較高，對于各項各道工序的工程質(zhì)量要求也更高，信號機械室作為行車重點部位，同時CTCS系統(tǒng)核心設備均放置于信號機械室內(nèi)，對于機房內(nèi)部施工質(zhì)量要求更高，高鐵線路開通運營后，對于運營維護的要求也較高，因此，高質(zhì)量地完成信號機械室室內(nèi)工程已成為各家單位當前所需。

結合目前國內(nèi)列控系統(tǒng)的設計及實施情況，基本對列車控制系統(tǒng)中涉及的各子系統(tǒng)機柜置于一處進行布置，便于施工進行，同時亦便于設備管理單位運營后便捷的維護；以ZPW-2000A/K無絕緣軌道電路為例，按照列車運行方向及站內(nèi)區(qū)間劃分，需按照區(qū)間、站內(nèi)同時結合上下行行別進行集中布置，集中布置后按照運營方向?qū)λ爡^(qū)段進行有序布線及施工，調(diào)試完成開通完成后，亦便于設備管理單位進行上、下行各行別，站內(nèi)、區(qū)間各區(qū)域設備維護。

2.1.2 人工計算方法工作量繁巨

按照傳統(tǒng)施工方法，通常使用手工計算確定機房布纜方案。人工計算方法存在以下難點：

（1） 難算。由于涉及的參數(shù)較多計算必選工作量繁巨，難以選定最佳方案；計算疏漏在所難免。

（2） 模擬不準。塑料軟管和電纜芯線的模擬線束，編制和記號困難，在準確性上和美觀性上，難以確保。

（3） 交底困難。在實際放纜施工中，往往是同規(guī)格量裁、分區(qū)放纜，《放纜次序表》不夠直觀，交底效果受限，放纜錯誤難以避免。

2.1.3 返工經(jīng)常出現(xiàn)

由于圖紙統(tǒng)計不全，《配纜 （線） 表》不準；纜線總成設計不準；施工作業(yè)技術交底不準；作業(yè)層理解和操作有誤等原因機房布纜的錯誤?，F(xiàn)，返工難免，有些機房甚至十幾返工，施工成本很大。

2.2 BIM技術應用

（1） 三維可視，模擬現(xiàn)場。應用BIM技術，在給定的信號機械室平面圖和室內(nèi)設備布置圖等設計及施工圖基礎上，通過三維建模手段模擬出三維可視的維修環(huán)境；實現(xiàn)三維可視化功能。通過建立電氣設備、纜線、槽道、走線架等模型，展示整個線纜總成的物理結構。

（2） 檢測沖突，優(yōu)化布線。應用BIM技術，在給定的信號機械室組合柜架間槽道圖、室內(nèi)設備布置圖、防雷分線柜配線圖等設計及施工圖基礎上，依托Navisworks檢測功能進行干線電纜、配線間碰撞試驗，檢測各線纜的排列沖突，碰撞試驗完成后演練出每根電纜、配線的起止點和在各橋架的斷面位置，組合規(guī)則的線纜總成截面和外表面，并進行放纜動畫渲染，確定放線 （纜） 的順序，美化布線。

（3） 統(tǒng)計計算，節(jié)約用料。統(tǒng)計計算線纜數(shù)量，根據(jù)模型的線纜確定線纜的裁量尺寸和固定夾具數(shù)量，匯總走線架數(shù)量，可預先提出設備材料計劃用量。

（4） 設計總成，檢驗放線。顯示三維線纜總成圖，并可顯示各斷面線纜分布圖；對線纜總成進行事先設計和定型。由線纜總成圖，自然形成《配線 （纜） 表》檢查放線 （纜） 的正確性。

（5） 動畫模擬，指導施工。以三維動畫形式逐根渲染放線 （纜） 和固定的安裝工藝，三維模擬放纜、固定的詳細過程，對施工交底工作加以指導。

（6） 預先設計，充分預留。模型搭建后，可預留出定圖后增纜線的布放位置。

2.3 技術創(chuàng)新點

（1） 順序放纜。即確定自外側(cè)最底層第1根電纜，至最高層最里側(cè)最末一根纜的放線順序，并確定其準確長度。避免返工放線纜，機械室內(nèi)各布線線纜間無交叉，線纜布線透明化，施工質(zhì)量顯著提高。

（2） 規(guī)則美觀的纜線總成及要求。

線纜總成，即至布放完成的線纜總結構。規(guī)則纜線總成，可以滿足以下要求：斷面好：纜線總成的任何截面都是規(guī)則圖形 （常見的是矩形截面）。分束好：纜線總成的分束 （進出線），能夠保持截面規(guī)則。彎曲美：實現(xiàn)纜線彎曲美觀 （平面彎曲：同心圓；曲面彎曲：平行曲面），彎曲處始終截面保持規(guī)則。配色好：即不同皮色的線纜按照分區(qū)成束布設。配徑好：即不同粗細的線纜分層或分區(qū)布設。不鉆爬：即在線纜總成外表面沒有線纜爬層跳位。分區(qū)行：即按照傳輸頻率、傳輸方向和用途，分區(qū)分塊 （截面的） 分束 （走線架上的） 布設，避免干擾。規(guī)則固定：按照纜線柔性，順序、規(guī)則地使用纜、層、束的固定工藝 （纜，一般采用綁扎；束，一般采用夾具），保證固定良好。允許填空：即為了配色、配層、配徑和換位，在必要的地方填充塑料軟管或電纜護套。保證起止：即必須遵照設計的配線圖規(guī)定的線纜起止機架，并確保起止機架的安裝子框架的線纜長度，同時一目了然、整齊劃一的走線便于下步開通運營后的故障查找及維護保障。

3 研究方法及過程

3.1 初期階段，參照既有機房建模

（1） 經(jīng)過研究必選，選定Autodesk公司的Revit軟件和Navisworks軟件，作為實施模擬工具。通過Revit軟件參照既有二維圖紙建模，首先建立電氣設備、電纜、固定夾、線槽、走線架等參數(shù)化模板庫，然后根據(jù)既有機房布線創(chuàng)建機房土建、設備、線槽、走線架等模型。

（2） 根據(jù)布線表建立線纜、總成模型 （電纜建模不考慮垂度、自然彎折等情況），制定建模規(guī)則。

（3） 檢測沖突，分析沖突檢測報告，修正沖突規(guī)則。

（4） 通過機房三維模型，對設備、橋架及線纜實際數(shù)量進行提取，并制定標準數(shù)量統(tǒng)計模板，準確計算統(tǒng)計線纜工程量，實現(xiàn)工程量的集成化管理。

（5） 三維模擬安裝工藝流程，輸出動畫視頻交底。

3.2 中期階段，根據(jù)設計圖紙深化建模

（1） 結合第一階段經(jīng)驗，根據(jù)設計階段CAD圖紙，排布方案、編制布線表，創(chuàng)建三維深化模型 （電纜建模不考慮垂度、自然彎折等情況）。（2） 創(chuàng)建鐵路“四電”專業(yè)機械設備、構件配件模型庫。（3） 沖突檢測，優(yōu)化模型，完善建模規(guī)則和沖突規(guī)則。（4） 輸出二維實體圖紙，統(tǒng)計工作量和材料消耗數(shù)量，補充三維交底。

3.3 后期階段，深度研發(fā)

（1） 研究三維空間內(nèi)線管排布算法，開發(fā)槽道及走線架上線管排布軟件。（2） 研發(fā)二、三維設計一體化，實現(xiàn)二維圖紙與三維模型聯(lián)動，可以出具標準的二維符號化CAD圖。（3） 完善三維模擬動畫，現(xiàn)場指導施工。

3.4 預期階段，長期目標

3.4.1 智能化設計管理

基于“四電”專業(yè)模型庫，方便線槽橋架、線路管理，研究整個機房線纜自動尋徑、智能布線功能，將專業(yè)圖紙圖形化、參數(shù)化解析后，利用BIM軟件的二次開發(fā)功能，實現(xiàn)機房整體模型的自動創(chuàng)建，根據(jù)設備終端位置能夠自動布線，生成線路報告，快速生成三維模型。

3.4.2 人機工程應用管理

納入人體實現(xiàn)實際操作模擬安裝。

3.4.3 綜合管理云平臺

實現(xiàn)多用戶多端口快速瀏覽、定位、剖切、漫游模型等功能，可快速查看模型基本屬性信息，可動態(tài)演示施工進度計劃，實時展示當前進度、已完成未完成、進度延誤等狀態(tài)，通過模型自動統(tǒng)計工程量，掛接項目清單，實時顯示項目產(chǎn)值完成情況，實現(xiàn)項目成本動態(tài)管控，滿足模型融合、信息集成、進度管理、自動編碼等綜合管理。

3.4.4 移動端APP應用

研發(fā)開放操作系統(tǒng)的共享平臺，滿足任何時間、地點、用戶隨時觀看施工現(xiàn)場模型及現(xiàn)場實際進度實景，進行實時工程技術交底，及時反饋現(xiàn)場施工問題，滿足各方協(xié)同工作、信息集成共享。

4 主要成果

4.1 模型開發(fā)

（1） 圖選結構。三維圖實現(xiàn)整個機房的多個線纜總成結構圖，供設計、施工篩選。（2） 確定結構。在基本結構選定后，確定纜線總成的詳細結構。即確定準確的機房線纜總成結構，確定每根線纜的編號和長度，確定每根纜束的斷面和曲面結構，確定預留纜線的位置。（3） 圖演放纜 （線）。以三維動畫的形式，順序圖演放纜、固定的詳細過程。（4） 復盤。即根據(jù)確定的纜線總成，隨時復盤《機架間纜線分布圖》。（5） 圖演預留纜 （線） 位置和布放建議。

4.2 機房優(yōu)化布置應用

通過此次科技成果實施，新建濟青高鐵膠州北站膠濟客專場已于2018年3月20日順利開通運營，作為本次科技成果試點，膠州北膠濟客專場信號機械室室內(nèi)工程獲得建設單位、監(jiān)理單位、設備接管單位及上級主管單位一致好評及認可，同時已參與申報股份公司等相關部門評選的優(yōu)質(zhì)工程，目前，膠州北濟青高鐵場信號機械室正采用這一成果結合現(xiàn)場工程進展積極組織進行施工，工程質(zhì)量上有望達到乃至超越膠州北膠濟客專場。

5 結語

隨著軟件技術發(fā)展和人工智能技術的進步，線纜建?！八碾姟笔┕I(yè)務量大，應用BIM技術，可實現(xiàn)三維模擬施工機房布線，有效解決碰撞、顯示遮擋及管線路徑選擇等問題，可對出現(xiàn)問題的工點及時進行修正，保證最終交付成果的設計合理性、安全性、合規(guī)性，減少返工降低成本，有效避免工期延誤，進而優(yōu)化施工交底過程提供施工指導，為施工現(xiàn)場提供可視化溝通環(huán)境，為建設各方提供簡單快速的可視化手段。