BIM技術(shù)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(tǒng)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(fā)展，其高質(zhì)量的建設和安全穩(wěn)定運行對鐵路正常運營具有重要意義。然而，牽引變電所內(nèi)設備多、線路敷設復雜且空間結(jié)構(gòu)緊湊，土建及牽引變電專業(yè)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(tǒng)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(yè)間設計圖紙的不對應，導致施工圖紙中存在許多難以發(fā)現(xiàn)的錯誤，在現(xiàn)場施工過程中極易導致返工重做、拖延工期等情況的發(fā)生，造成巨大浪費。

BIM技術(shù)具有可視化、碰撞檢查、模擬施工和施工信息集成等優(yōu)勢。能夠在建模過程中發(fā)現(xiàn)各種存在的問題，并通過模擬動畫等形式，有效協(xié)同業(yè)主、設計、監(jiān)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(zhì)量。

現(xiàn)以泗安至杭州鐵路電氣化改造工程為例，介紹BIM技術(shù)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(yè)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(nèi)1、2號主變壓器，將電壓由110 kV變?yōu)?7.5 kV后，由饋線接入接觸網(wǎng)，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(jié)構(gòu)緊湊，所內(nèi)設備卻多、各類導線大量排布，電纜溝、高壓控制室內(nèi)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(shù)的牽引變電所施工技術(shù)。

2 BIM技術(shù)的特點與優(yōu)勢

BIM技術(shù)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(shù)人員能夠直觀地獲取有效數(shù)據(jù)，具有可視性、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性等應用特點。

在傳統(tǒng)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(xiàn)差漏，特別是房建與變電專業(yè)經(jīng)常會出現(xiàn)碰撞問題，這些碰撞問題在施工期間被發(fā)現(xiàn)，將會返工處理并且浪費資源，影響工期[3]。另外，實際施工環(huán)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(xù)的施工埋下安全施工隱患[4]。牽引變電所場內(nèi)架構(gòu)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(zhuǎn)角及寬度不滿足電纜彎曲半徑等問題；所內(nèi)涉及大量專業(yè)設備和線路，對施工技術(shù)人員的知識水平要求較高；因圖紙工程量計算不準確和現(xiàn)場物資管控失效導致的材料浪費時有發(fā)生。

采用BIM技術(shù)，可以比照設計圖紙進行建模，將圖紙轉(zhuǎn)化成為三維立體的直觀模型，在建模的過程中可以發(fā)現(xiàn)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(nèi)容，從而實現(xiàn)對設計圖的優(yōu)化。BIM技術(shù)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(shù)人員進行三維交底；同時結(jié)合現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)對安裝細節(jié)進行仿真，使施工過程預制化、裝配化，減少人工，節(jié)約材料成本；結(jié)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(xiàn)場材料消耗以及日后計價結(jié)算提供可靠依據(jù)。

3 BIM技術(shù)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(shù)據(jù)互通的優(yōu)勢，同時還具備協(xié)同工作，參數(shù)化族，插件豐富等特點，便于高效、快速建模。

根據(jù)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(shù)交底使用Fuzor，廣聯(lián)達BIM5D，工程量計算采用廣聯(lián)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(yè)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(shù)化建模的方式，如拉伸放樣的長度，旋轉(zhuǎn)半徑，構(gòu)件開合角度等，可以實現(xiàn)以修改族參數(shù)的方式使之生成多種不同型號的族，從而實現(xiàn)在較短時間內(nèi)完成牽引變電所建族工作。變電所內(nèi)變壓器、斷路器等專業(yè)設備，需要與導線模型進行連接，讀取長度等數(shù)據(jù)，在建族時，采用公制常規(guī)模型進行建立，載入自適應常規(guī)模型中添加自適應點，從而實現(xiàn)模型自動放置和參數(shù)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(nèi)容分為主體建筑、構(gòu)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(wǎng)，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(nèi)架構(gòu)基礎，架構(gòu)及設備的定位問題。

牽引變電專業(yè)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(shù)據(jù)驅(qū)動模型形態(tài)。在所內(nèi)設備間軟導線連接時，充分運用參數(shù)化的方式建立自適應族，在實現(xiàn)參數(shù)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(jù)現(xiàn)場裝配式安裝一次性到位的需要，將弧垂，馳度等信息參數(shù)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(xiàn)了其在現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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(yè)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(jié)合設計、建立、運營接收單位的意見，對模型進行協(xié)同會審，在預留孔洞，電纜溝倒角，優(yōu)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(jù)，減少因溝通不暢導致的各類返工，減少浪費，節(jié)約成本。

圖4 電纜溝拐角優(yōu)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(xù)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(shù)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(diào)整，確保施工有效開展。

在室外設備及架構(gòu)安裝時，我們采用軟件計算仿真和現(xiàn)場實驗相結(jié)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(jié)合跨距、引下線長度等參數(shù)，對不同懸掛長度下的實際弧垂高度進行取樣并求取經(jīng)驗公式，之后將公式以可變參數(shù)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(xiàn)施工質(zhì)量的提升。

3.5 工程量統(tǒng)計

根據(jù)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(shù)，在明細表統(tǒng)計規(guī)則中設置過濾器，實現(xiàn)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(tǒng)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(fā)生，同時模型還具備將數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(tǒng)計

3.6 BIM5D應用

BIM技術(shù)對于工程施工最大的優(yōu)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(lián)，以項目工期為時間軸，對項目施工情況進行動態(tài)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(xiàn)實參考依據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)問題，保證工程按時優(yōu)質(zhì)完成。

圖6 BIM5D施工模擬

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)的可視化、碰撞檢查、工程數(shù)據(jù)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(shù)交底、材料供應和進度控制等各個環(huán)節(jié)均具有較強的指導作用，綜合運用BIM技術(shù)的各項優(yōu)勢技術(shù)，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(zhì)量，達到減少工期節(jié)約成本的理想目標。BIM技術(shù)起源于房建領域，目前已經(jīng)在鐵路工程、電力工程中的設計、施工、運營等各個環(huán)節(jié)得到了應用。同時，國內(nèi)鐵路三維設計的應用工作也已經(jīng)逐步開展，對于像鐵路牽引變電所這樣的專業(yè)、復雜的單項工程開展BIM應用可以有效提高施工質(zhì)量、縮短工期、節(jié)約施工成本，因此將BIM技術(shù)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(wǎng)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(fā)展方向。而既有線改造對供電系統(tǒng)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(huán)節(jié)，充分利用BIM技術(shù)所提供的三維可視化模型，對施工過程中的各個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，有助于把好施工進度關、質(zhì)量關，維護參與各方共同利益，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。