BIM技術(shù)在400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)工程中的應(yīng)用

黃 鑫 魯小兵

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在高速鐵路設(shè)計(jì)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(lái)，也不能在項(xiàng)目各個(gè)階段對(duì)模型中的工程信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正、調(diào)整，無(wú)法為鐵路建設(shè)全壽命周期提供數(shù)據(jù)支持與幫助。BIM(Building Information Modeling)技術(shù)的出現(xiàn)為鐵路系統(tǒng)工程界的整合實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了可能[1]。

本文分析和研究了BIM技術(shù)在400 km/h高速鐵路電氣化接觸網(wǎng)工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，總結(jié)歸納了目前接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM正向設(shè)計(jì)的主要流程框架；運(yùn)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(yīng)用工作開(kāi)展提供指導(dǎo)，從而提高項(xiàng)目全過(guò)程的精細(xì)化設(shè)計(jì)水平。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路的特點(diǎn)及流程

鐵路工程可利用Bentley平臺(tái)進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)制造、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全生命周期協(xié)同。因此，采用Bentley平臺(tái)完成400 km/h高速鐵路工程的BIM正向設(shè)計(jì)，不但便于檢查常規(guī)單一專業(yè)設(shè)計(jì)存在沖突和碰撞的問(wèn)題，提高前期方案設(shè)計(jì)的合理性，減少后期的設(shè)計(jì)變更，還可應(yīng)用于協(xié)同設(shè)計(jì)、規(guī)劃方案預(yù)演、場(chǎng)地分析、性能仿真、可視化、碰撞檢測(cè)、工程量統(tǒng)計(jì)及成本估算等。BIM技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)有：

(1)利用BIM技術(shù)可視化、形象直觀的特點(diǎn)，可充分實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)思想的所見(jiàn)即所得，便于項(xiàng)目參與方的溝通和交流，輔助決策。

(2)利用BIM技術(shù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，將原多專業(yè)串行的工作狀態(tài)通過(guò)協(xié)同平臺(tái)變成并行的工作狀態(tài)，解決多專業(yè)差、碰、錯(cuò)、漏等問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，減少設(shè)計(jì)缺陷和后期變更，使得設(shè)計(jì)周期更加合理可控。

(3)利用BIM技術(shù)強(qiáng)大的信息統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行初步模型的分析、評(píng)估，對(duì)建設(shè)方案和投資預(yù)算方案進(jìn)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(chǎng)地規(guī)劃分析及空間布局等。

BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用流程框架如圖1所示。

圖1 鐵路設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用流程圖

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

(2)可依據(jù)項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)文件，達(dá)到規(guī)范構(gòu)件的信息內(nèi)容、存儲(chǔ)方式的目的。通過(guò)方案規(guī)劃評(píng)審后，生成方案設(shè)計(jì)階段的BIM信息模型。

(3)根據(jù)可研、初步設(shè)計(jì)、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(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各階段構(gòu)件信息模型與信息的管理。將各階段BIM設(shè)計(jì)成果評(píng)審后，生成可在下一階段通過(guò)輸入基本設(shè)計(jì)信息來(lái)快速讀取的鐵路系統(tǒng)各專業(yè)設(shè)計(jì)成果，再進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用于接觸網(wǎng)工程的特點(diǎn)及流程

2.1 總體設(shè)計(jì)流程

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程是沿線向電力機(jī)車供電的輸電線路，是高速鐵路的重要基礎(chǔ)設(shè)備，擔(dān)負(fù)著為高速鐵路電力機(jī)車提供電源的重要責(zé)任[2]。基于傳統(tǒng)二維CAD的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)期、施工期數(shù)據(jù)比較分散，沒(méi)有一套完整的軟件平臺(tái)將設(shè)計(jì)、出廠、安調(diào)等信息數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合在一起，竣工交付后很難支撐后期智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理。而B(niǎo)IM技術(shù)作為一種全新的設(shè)計(jì)和信息化手段，可在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)階段提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工質(zhì)量，提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程的安全性、可靠性，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速鐵路長(zhǎng)效、智能、安全運(yùn)維有著重要意義[3]。400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)工程BIM技術(shù)應(yīng)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(yīng)用流程圖

(1)采用Bentley平臺(tái)，結(jié)合線路、橋梁、路基等接口專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供的資料，建立設(shè)計(jì)源文件。

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

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)源文件，利用所建立的接觸網(wǎng)零部件標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)進(jìn)行接觸網(wǎng)BIM正向設(shè)計(jì)，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(chǔ)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的圖紙交付、三維展示、零部件預(yù)配模擬等功能。

2.2 零部件庫(kù)

接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備零部件眾多，且相互空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上部懸掛裝置主要由腕臂支持、定位裝置、補(bǔ)償裝置等零部件組成[4]。高速鐵路接觸網(wǎng)BIM模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，需反映出接觸網(wǎng)“平、立、剖”的細(xì)節(jié)。

在開(kāi)展接觸網(wǎng)BIM正向設(shè)計(jì)前，根據(jù)400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)工程零部件的特點(diǎn)及TB 2075《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》要求，建立一套針對(duì)高速鐵路項(xiàng)目特點(diǎn)的接觸網(wǎng)系統(tǒng)項(xiàng)目零部件庫(kù)，可采用IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(kù)(部分)圖

為實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程應(yīng)用的全壽命管理，需在設(shè)計(jì)初期建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)完整的BIM模型零部件庫(kù)，并添加其設(shè)計(jì)信息，例如名稱特征、規(guī)格型號(hào)、材質(zhì)、壽命及相應(yīng)的規(guī)范要求等，伴隨著新規(guī)范，新工藝，新設(shè)備的出現(xiàn)，實(shí)時(shí)更新補(bǔ)充零件庫(kù)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(gè)零部件組合而成，接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程沿線裝配工點(diǎn)約50 m設(shè)1處，全線接觸網(wǎng)裝配工點(diǎn)多達(dá)幾萬(wàn)處，如何實(shí)現(xiàn)零部件模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和集成以求達(dá)到腕臂快速計(jì)算、工點(diǎn)處零部件自動(dòng)組裝成為了BIM正向設(shè)計(jì)的一大難題。

結(jié)合高速鐵路實(shí)際項(xiàng)目，在鐵路專業(yè)平臺(tái)(OpenRail Designer)上進(jìn)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(dòng)裝配，其基本邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)BIM技術(shù)二次開(kāi)發(fā)流程圖

結(jié)合土建專業(yè)提供的BIM模型源文件、及線路里程等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，開(kāi)展接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM正向設(shè)計(jì)，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(chǔ)的設(shè)計(jì)是否合理，同時(shí)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和可視化碰撞檢查。再結(jié)合檢查修改后生成的接觸網(wǎng)BIM基礎(chǔ)模型，進(jìn)行接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM技術(shù)二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)腕臂理論計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的車輛限界、側(cè)面限界、外軌超高等，生成相關(guān)支撐部件的理論長(zhǎng)度，并實(shí)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(dòng)裝配圖

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)BIM正向設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)CATMOS弓網(wǎng)仿真軟件對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)受電弓接觸力、接觸網(wǎng)的彈性不均勻度、風(fēng)偏等進(jìn)行仿真計(jì)算[4]。接觸網(wǎng)系統(tǒng)在特殊工點(diǎn)處，如路隧過(guò)渡、橋隧過(guò)渡和路橋過(guò)渡處需結(jié)合接觸網(wǎng)BIM三維可視化模型，對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精細(xì)化評(píng)估，實(shí)時(shí)修改設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，使接觸網(wǎng)系統(tǒng)滿足安全性、可靠性的原則。

借助BIM技術(shù)，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(shí)體模型，如圖7所示，通過(guò)渲染展現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)BIM正向設(shè)計(jì)模擬實(shí)景效果，如圖8所示，清晰表達(dá)出接觸網(wǎng)細(xì)部工點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，如圖9所示。

圖7 接觸網(wǎng)系統(tǒng)三維信息模型實(shí)體圖

圖8 高速鐵路接觸網(wǎng)BIM正向設(shè)計(jì)模擬實(shí)景效果圖

圖9 高速鐵路接觸網(wǎng)細(xì)部工點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

2.5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程，涉及電氣、材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械等多專業(yè)學(xué)科交叉，具有其特定的難點(diǎn)，如：接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)位置與線路、路基、橋梁、隧道、四電電纜槽、聲屏障等設(shè)備接口碰撞檢查，供電線支柱基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)復(fù)雜；高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)期暴露運(yùn)行在自然環(huán)境中，與外部運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性等[6]。

在接觸網(wǎng)BIM正向設(shè)計(jì)中，涉及多專業(yè)協(xié)同與協(xié)作，BIM技術(shù)可完成不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，項(xiàng)目前后階段之間信息的傳遞與銜接，實(shí)現(xiàn)全生命周期的集成協(xié)作管理和符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換、信息互通。接觸網(wǎng)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)流程，如圖10所示，將生成的腕臂裝配以及支柱、支柱基礎(chǔ)、接觸線、承力索、附加導(dǎo)線等裝配模型依照高鐵規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合土建專業(yè)、四電專業(yè)等接口專業(yè)BIM模型開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)，采“BIM+GIS”技術(shù)對(duì)外部環(huán)境條件下接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)進(jìn)行可視化精準(zhǔn)定位，實(shí)時(shí)進(jìn)行模型碰撞檢測(cè)，及時(shí)修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，減少各專業(yè)間重復(fù)工作和后期設(shè)計(jì)變更，大大提高設(shè)計(jì)效率。

圖10 高速鐵路接觸網(wǎng)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工作。

3 施工中的應(yīng)用

鐵路工程項(xiàng)目建設(shè)具有管理體系大、參與方眾多、系統(tǒng)復(fù)雜、人員流動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路施工中，可有效結(jié)合接觸網(wǎng)施工圖設(shè)計(jì)階段BIM信息模型及平臺(tái)，構(gòu)建接觸網(wǎng)施工階段BIM管理平臺(tái)(如圖11所示)，整合施工資源配置，尋求工期與成本、工程質(zhì)量最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度管理、物料跟蹤管理、施工工藝指導(dǎo)、虛擬施工記錄現(xiàn)場(chǎng)接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)等功能[7]，同時(shí)在BIM管理平臺(tái)可聯(lián)合其他專業(yè)協(xié)同施工，打造工程建設(shè)數(shù)字一體化。

圖11 BIM技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用圖

4 運(yùn)維中的應(yīng)用

高速鐵路竣工后，需按照運(yùn)維管理資料移交要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用BIM技術(shù)完成數(shù)字化竣工交付。通過(guò)建造階段的數(shù)字化移交，將接觸網(wǎng)BIM技術(shù)承載的過(guò)程信息無(wú)縫轉(zhuǎn)移到運(yùn)維階段，完成建設(shè)期BIM信息平臺(tái)向運(yùn)維BIM信息平臺(tái)(如圖12所示)的深化，實(shí)現(xiàn)鐵路建設(shè)的數(shù)字孿生，通過(guò)有效管理和融合分析運(yùn)維階段的在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)判斷、維修數(shù)據(jù)，對(duì)故障隱患進(jìn)行快速應(yīng)變和處理，實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確掌的運(yùn)營(yíng)情況，保證接觸網(wǎng)設(shè)備的安全、高效運(yùn)行。

圖12 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的BIM應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)圖

5 結(jié)論及建議

(1)本文總結(jié)了BIM技術(shù)在高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程的應(yīng)用流程，結(jié)合400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用，展示了BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。高速鐵路的快速發(fā)展亟需建立一個(gè)全壽命周期的信息化管理平臺(tái)，充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高設(shè)計(jì)精度和效率，為真正實(shí)現(xiàn)“400 km/h+智慧交通”運(yùn)營(yíng)管理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2)高速鐵路建設(shè)是一項(xiàng)利國(guó)利民的百年大計(jì)工程，在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中如何才能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目精細(xì)化、數(shù)字化的協(xié)同管理成為業(yè)界一直研究的重點(diǎn)課題，隨著B(niǎo)IM技術(shù)在鐵路工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，需充分結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段鐵路建設(shè)的管理特點(diǎn)，加快對(duì)BIM技術(shù)在“400 km/h+智慧高速鐵路”的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編制，對(duì)促進(jìn)我國(guó)高速鐵路工程建設(shè)信息模型的應(yīng)用和發(fā)展有著重要的意義。