鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)探討

高昉

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043）

BIM技術(shù)是目前我國(guó)鐵路行業(yè)備受關(guān)注的信息化技術(shù)，已成為促進(jìn)鐵路工程建設(shè)管理方式改革及鐵路工程建設(shè)信息化的主要推動(dòng)力［1］。BIM應(yīng)用不僅是設(shè)計(jì)工具的變革，也是一種設(shè)計(jì)理念、生產(chǎn)方式的變革，是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的變革過(guò)程［2］。鐵路行業(yè)各領(lǐng)域的BIM技術(shù)應(yīng)用范圍與深度也在逐漸發(fā)展。鐵路設(shè)計(jì)單位電力專業(yè)面臨實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，鐵路電力專業(yè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段存在諸多不足，一定程度上制約著整個(gè)鐵路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期，具有實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)的強(qiáng)大內(nèi)生驅(qū)動(dòng)力，建立其BIM設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)意義重大。但目前相關(guān)研究處于起步階段，成果較少，已有的電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工具非常有限，其智能化程度、內(nèi)容、架構(gòu)等方面均不能滿足鐵路電力BIM設(shè)計(jì)要求。以服務(wù)鐵路建設(shè)全生命周期為目的，搭建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、信息完整、架構(gòu)合理、設(shè)計(jì)高效的符合國(guó)際BIM標(biāo)準(zhǔn)的BIM設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，能夠最大化地發(fā)揮信息價(jià)值，解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的問(wèn)題，為鐵路事業(yè)的智能化、信息化提供支撐。從系統(tǒng)論、方法論的角度，結(jié)合電力專業(yè)實(shí)際特點(diǎn)及鐵路BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)進(jìn)行探討，給出設(shè)計(jì)工具范例，并提出展望。

1 傳統(tǒng)鐵路電力專業(yè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

鐵路電力專業(yè)覆蓋范圍廣、內(nèi)容多，從高壓外電源到插座接線都屬于電力專業(yè)設(shè)計(jì)范圍。梳理傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，與鐵路行業(yè)其他專業(yè)以及行業(yè)外電力專業(yè)對(duì)比，傳統(tǒng)鐵路電力設(shè)計(jì)手段具有以下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)工作量大、處理信息量大、專業(yè)對(duì)接多、制約因素多、外業(yè)勘察工作量大、設(shè)計(jì)周期緊張、資料變化頻繁導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工多、配合施工工作量大、業(yè)主關(guān)注程度高。

依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，電力專業(yè)設(shè)計(jì)效率低、水平不高，嚴(yán)重制約設(shè)計(jì)周期，甚至制約鐵路建設(shè)周期。如果建立信息模型，借助專門(mén)的設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)方法，上述問(wèn)題在實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中將得到一定程度的解決。對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行基于BIM技術(shù)的系統(tǒng)化改造，以期形成系統(tǒng)化的方法與數(shù)據(jù)庫(kù)，以及系統(tǒng)化的作業(yè)模式。

2 信息模型與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支撐

2.1 信息模型

鐵路站前專業(yè)BIM設(shè)計(jì)一般專注于全線路大場(chǎng)景下的幾何建模，由于專業(yè)特點(diǎn)，涉及到的計(jì)算、分析等所占比重較少。而電力專業(yè)則不同，除了設(shè)備幾何模型的設(shè)計(jì)，還需要處理大量專業(yè)計(jì)算、分析與選型，以及附加信息說(shuō)明。因此鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)必須根植于專業(yè)特點(diǎn)，建立信息模型既要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的三維幾何建模與附屬信息，也不可忽視表達(dá)設(shè)備之間關(guān)系的信息，通過(guò)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的計(jì)算、選型、設(shè)備布置、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，使之成為信息模型建設(shè)的基礎(chǔ)材料。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支撐

針對(duì)鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的一系列BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［3-7］，鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)體系需建立在這些標(biāo)準(zhǔn)的底層架構(gòu)上，結(jié)合本專業(yè)內(nèi)容、特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)充與驗(yàn)證，并在數(shù)據(jù)模型的建立與信息流通、存儲(chǔ)過(guò)程中遵循標(biāo)準(zhǔn)要求。建立能夠兼容本專業(yè)既有內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)體系與鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)樹(shù)。鐵路電力專業(yè)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)樹(shù)局部示意見(jiàn)圖1。

圖1 鐵路電力專業(yè)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)樹(shù)局部示意圖

3 設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)

系統(tǒng)是由相互作用、相互依賴的若干部分組合而成、具有特定功能的有機(jī)整體，而且這個(gè)有機(jī)整體又是它從屬的更大系統(tǒng)的組成部分［8］。鐵路電力專業(yè)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，涵蓋外部電源、貫通線、車(chē)站外線、動(dòng)力及照明配電、FAS與BAS設(shè)計(jì)等部分，每一部分都是相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)內(nèi)容，各部分之間存在緊密聯(lián)系，同時(shí)它又從屬于整個(gè)鐵路全專業(yè)所形成的大系統(tǒng)。以系統(tǒng)論的方法，對(duì)鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工具進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，建立專業(yè)設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），包括內(nèi)部設(shè)計(jì)工具之間的信息流通渠道，并且統(tǒng)一搭建本專業(yè)設(shè)計(jì)體系對(duì)外接口。

圖2 鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)

鐵路電力專業(yè)設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)分步推進(jìn)，一方面可從低壓變電所入手，以其為系統(tǒng)中心環(huán)節(jié)承上啟下，搭建整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并預(yù)留相關(guān)接口。另一方面，對(duì)于幾何建模工作量最大的室內(nèi)外動(dòng)力及照明配電部分，開(kāi)發(fā)專門(mén)的BIM設(shè)計(jì)工具，解決設(shè)計(jì)行業(yè)目前普遍面臨的三維設(shè)計(jì)手段不充足的問(wèn)題。

3.1 低壓變電所設(shè)計(jì)

針對(duì)接口眾多、提資反復(fù)、重讀工作量大的低壓變電所設(shè)計(jì)，梳理其傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，整理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)完成跨AutoCAD、Office、Bentley平臺(tái)的BIM設(shè)計(jì)軟件（見(jiàn)圖3），可實(shí)現(xiàn)低壓變電所的信息化全自動(dòng)設(shè)計(jì)，并可輸出三維模型（dgn格式）與二維圖紙。值得關(guān)注的是，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，探索出基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化整理、自動(dòng)計(jì)算與校驗(yàn)選型、三維模型智能識(shí)別、二維圖紙自動(dòng)生成的全套設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)軟件開(kāi)發(fā)提供借鑒，并在程序內(nèi)部搭建與照明、動(dòng)力配電等相關(guān)內(nèi)容的接口，后期可以自動(dòng)生成配電箱系統(tǒng)圖等內(nèi)容，所完成的BIM模型可在施工、運(yùn)維階段發(fā)揮相關(guān)作用。利用建立的信息模型，還可結(jié)合建筑環(huán)境，一鍵式智能化實(shí)現(xiàn)所內(nèi)設(shè)備三維布置（見(jiàn)圖4）。

圖3 變電所BIM設(shè)計(jì)工具局部界面

圖4 一鍵式變電所設(shè)備三維布置效果圖

3.2 照明BIM設(shè)計(jì)工具

通過(guò)鐵路電力照明BIM設(shè)計(jì)工具可以實(shí)現(xiàn)照明BIM設(shè)計(jì)的半自動(dòng)化，在三維Bentley平臺(tái)中完成管線選型、配電箱系統(tǒng)圖生成、設(shè)備自動(dòng)連線、照度計(jì)算、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量等功能。由于涉及到需要匹配不同的設(shè)計(jì)環(huán)境以及不同設(shè)計(jì)人員的操作習(xí)慣，該工具尚在逐步完善中。

3.3 其他部分

動(dòng)力配電設(shè)計(jì)、電力外線設(shè)計(jì)、外電源設(shè)計(jì)、FAS及BAS設(shè)計(jì)等內(nèi)容均有待借助專門(mén)的研發(fā)，形成專門(mén)的設(shè)計(jì)工具，在實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，完成三維模型設(shè)計(jì)，并給出能夠服務(wù)于全生命周期的信息模型。

4 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

BIM設(shè)計(jì)的生命力在于以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。在建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鐵路電力BIM設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、自動(dòng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用平臺(tái)、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的推進(jìn)與完善。在某一項(xiàng)目的BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中，形成數(shù)據(jù)流通鏈條，依托逐漸完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，形成全息化的數(shù)據(jù)模型，模型在需要的場(chǎng)合自動(dòng)表達(dá)出相關(guān)屬性，并在軟件執(zhí)行過(guò)程中完成相關(guān)操作，自動(dòng)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、協(xié)同設(shè)計(jì)、應(yīng)用平臺(tái)都是其發(fā)揮作用的重要場(chǎng)合（見(jiàn)圖5）。

圖5 鐵路電力專業(yè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)示意圖

自動(dòng)設(shè)計(jì)可以解決電力專業(yè)設(shè)計(jì)工作量大、易返工的難題。協(xié)同設(shè)計(jì)可以解決電力專業(yè)接口眾多、配合繁復(fù)的問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)可以為電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)成果應(yīng)用提供保障。應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)是面對(duì)不同領(lǐng)域用戶的最終途徑。上述各方面都需要鐵路電力專業(yè)BIM研究人員集思廣益，多維度吸收有價(jià)值的智慧成果，以期在應(yīng)用及研究中實(shí)現(xiàn)突破。智能電網(wǎng)領(lǐng)域的研究成果為新型能源接入、特高壓輸電、大電網(wǎng)運(yùn)行控制、數(shù)字化變電站、數(shù)字化電網(wǎng)等發(fā)展奠定了基礎(chǔ)［9］，值得鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)人員關(guān)注。又如常見(jiàn)的電力專業(yè)照明控制系統(tǒng)，需要敷設(shè)專門(mén)的控制線纜、配套專門(mén)的平臺(tái)，但其智能化程度往往不能滿足用戶要求。當(dāng)電力專業(yè)BIM技術(shù)更加成熟時(shí)，可以借助完善的信息模型及光波聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路電力專業(yè)照明燈具的無(wú)線高度智能化控制，不僅節(jié)能還將提升業(yè)主及乘客的滿意度。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，推進(jìn)BIM技術(shù)在鐵路工程全過(guò)程的研究應(yīng)用仍然任重道遠(yuǎn)［10］。BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路電力設(shè)計(jì)領(lǐng)域大有可為。鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)將逐漸建立完善，對(duì)設(shè)計(jì)的支撐度會(huì)越來(lái)越高。以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的思想推進(jìn)電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)，打通數(shù)據(jù)流通鏈條，可以最大化發(fā)揮信息價(jià)值，更好地服務(wù)于工程全生命周期。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，借助于AI技術(shù)及硬件智能化、云技術(shù)等，鐵路電力專業(yè)信息模型會(huì)展現(xiàn)出越來(lái)越多的創(chuàng)新點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)此持開(kāi)放的視角，期待實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升效能的創(chuàng)新點(diǎn)。鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)工具中的很多內(nèi)容也可以應(yīng)用到其他行業(yè)，如軌道交通、工業(yè)與民用建筑等，助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)共同發(fā)展。