參數(shù)化驅動的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建模方法

耿肖，石瑞霞，趙傳

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司電氣化設計研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

目前，我國已成為世界上電氣化鐵路和高速鐵路運營里程最長的國家。2021年，中共中央、國務院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，規(guī)劃綱要指出到2035年，鐵路規(guī)模將達20萬km左右，其中高速鐵路約6.1萬km［1］。越來越多的高速鐵路建設及運營，對運輸組織效率、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效率都提出了更高要求，將先進的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術與鐵路業(yè)務深度融合，有助于高速鐵路的建設與運營向智能化邁進。

在接觸網(wǎng)工程領域，部分鐵路設計院正在開展BIM工程試點并已在部分項目中取得成果。但從總體看，建設主體多元、信息數(shù)據(jù)分散，尤其是缺乏數(shù)據(jù)結構定義、數(shù)據(jù)關系定義和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構分析。設計與施工2階段各自為政，BIM數(shù)據(jù)流轉率低，不僅使BIM核心信息數(shù)據(jù)在設計、施工、運營全生命周期流轉過程中大打折扣，而且制約了現(xiàn)代工業(yè)自動化技術與未來智能化趨勢在鐵路工程建造領域的應用發(fā)展。

在新的發(fā)展階段，采用以BIM+GIS技術為核心，結合物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進信息技術與工程設計、建造技術相結合的手段［2］，通過三維模型與信息數(shù)據(jù)的有效結合，提高數(shù)據(jù)流轉效率，對促進智能高鐵建設具有重要意義。

1 接觸網(wǎng)設計現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設計主要基于二維CAD，采用平面布置設計圖與安裝圖相結合的方式。在平面布置設計圖中注明接觸網(wǎng)支柱的里程、限界、基礎類型、腕臂裝配圖號等信息，通過腕臂裝配圖號索引至對應的腕臂安裝圖，再結合現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)在工廠進行腕臂預配加工后運送至現(xiàn)場安裝。

接觸網(wǎng)BIM設計中腕臂裝配雖然能反映每一處接觸網(wǎng)腕臂安裝形式，但存在腕臂類型多樣、建模繁雜、不能參數(shù)化驅動等問題［3-6］。

1.1 腕臂裝配圖設計

針對不同速度等級的電氣化鐵路項目，中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司、各設計單位發(fā)布的接觸網(wǎng)腕臂裝配通用參考圖主要包括：隧道外（隧道內）中間柱、非絕緣關節(jié)、絕緣關節(jié)、分相關節(jié)、道岔等位置的腕臂安裝形式。通用腕臂裝配圖一般采用標準限界和標準設計參數(shù)信息，不能反映每個工點的腕臂安裝情況。腕臂裝配圖一般基于TB/T 2075—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》，結合軌面坐標系與測量坐標系，通過一定的設計原則和邏輯關系來確定各接觸網(wǎng)零件的裝配方式。通用腕臂安裝圖中的信息一般包括腕臂的空間結構關系、零件屬性及數(shù)量、圖紙使用說明等。

1.2 腕臂預配計算

腕臂預配計算一般根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對腕臂安裝設計圖開展進一步細化，包括現(xiàn)場測量—預配計算—工廠加工—現(xiàn)場安裝—驗收等環(huán)節(jié)。其中腕臂預配計算依賴的參數(shù)主要有現(xiàn)場參數(shù)、設計參數(shù)、零件參數(shù)3類。不同腕臂計算軟件的計算規(guī)則不同，其核心思想都是通過零件尺寸、零件幾何關系和接觸懸掛荷載計算，確定零件加工尺寸，以滿足設計要求的導高和拉出值（見圖1）。零件參數(shù)由零件中標廠家確定，現(xiàn)場參數(shù)由施工單位測量確定，設計參數(shù)由設計原則確定，三者相互作用，共同決定計算結果。計算結果主要包括各類管件的長度、接觸網(wǎng)零件的安裝位置、定位器選型等。

圖1 腕臂預配計算成果示意圖

1.3 腕臂裝配BIM設計

在接觸網(wǎng)二維設計中，安裝圖與平面圖是分離的，通過安裝圖號進行關聯(lián)，而在三維設計中，腕臂裝配是接觸網(wǎng)沿線路空間布置的基礎，腕臂位置決定了接觸懸掛線材的空間位置。腕臂裝配BIM設計依賴接觸網(wǎng)零件，一般將零散的接觸網(wǎng)零件通過點、線、面進行三維空間約束，完成腕臂三維模型組裝（見圖2）。

圖2 通過零件約束的腕臂三維模型

直接采用零件模型約束的建模方式難以滿足長大區(qū)間BIM設計效率和參數(shù)可變性要求，例如，更換零件、修改設計參數(shù)及現(xiàn)場參數(shù)無法完成對接觸網(wǎng)腕臂裝配的模型重構，不利于模型的重復利用。

2 基于參數(shù)化驅動的腕臂裝配BIM建模

2.1 總體目標與技術路線

基于參數(shù)化驅動的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建?？傮w目標為：通過數(shù)據(jù)驅動模型的方式，快速完成接觸網(wǎng)腕臂裝配的BIM建模，提升建模效率和成果數(shù)據(jù)的利用率。具體技術路線見圖3。

圖3 參數(shù)化驅動的接觸網(wǎng)腕臂BIM建模技術路線

（1）構建接觸網(wǎng)腕臂裝配母板庫。腕臂裝配類型歸類為正定位、反定位、非工作支3種類型的組合，每種類型再拓展不同子類型，例如，反定位可以拓展為將定位管吊線改為支撐方式、取消防風拉線、取消腕臂支撐等子類型。母板采用二維約束方式進行單獨管理，以便進行調用、保存、修改操作。根據(jù)零件參數(shù)、設計參數(shù)和測量參數(shù)等外部參數(shù)可以驅動母板中的參數(shù)計算。

（2）建立接觸網(wǎng)零件三維模型庫。主要包括腕臂支持裝置零件、腕臂底座、定位裝置等零件。接觸網(wǎng)零件模型應包含完整的屬性信息，例如廠家、材質、零件代號、執(zhí)行標準、計量單位、關鍵尺寸參數(shù)、附注、防腐等級、關鍵點位置等。

（3）建立參數(shù)化驅動邏輯關系。通過簡易骨架約束，再通過零件模型綁定骨架的方式，簡化約束計算量。以簡化的正定位為例，根據(jù)現(xiàn)場測量的上、下底座坐標位置，設計的承力索、接觸線位置等4處關鍵點，利用三角函數(shù)關系便可計算出腕臂管長度、零件位置關系等預配數(shù)據(jù)信息。

（4）建立零件與參數(shù)的約束關系。在接觸網(wǎng)三維零件建模過程中定義零件關鍵參數(shù)，三維零件模型與母板綁定之前進行參數(shù)匹配，若模型關鍵參數(shù)與母板參數(shù)一致，則進行模型綁定；若不一致則返回修改母板庫，以模型參數(shù)為輸入?yún)?shù)重新計算母板后進行模型綁定。模型綁定主要通過零件關鍵點確定插入位置，利用約束關系將零件模型與對應骨架線綁定。

（5）成果利用標準化。利用腕臂裝配母板庫，結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設計參數(shù)形成腕臂預配工點成果數(shù)據(jù)庫。結構化數(shù)據(jù)可以向下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)流轉腕臂管加工尺寸，以直接用于智能化工廠預配加工，也可通過圖紙方式直觀顯示每處腕臂的外觀尺寸，自動建立支柱“一桿一檔”數(shù)據(jù)。此外，通過參數(shù)化驅動的腕臂建模形式，可以快速完成特殊工點的腕臂設計，自動生成腕臂裝配表，補充圖紙說明后形成腕臂安裝圖設計成果。

2.2 整體架構

基于參數(shù)化驅動的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM快速建模程序整體架構見圖4。

圖4 參數(shù)化驅動接觸網(wǎng)腕臂BIM建模程序整體架構

（1）數(shù)據(jù)層：主要包括項目數(shù)據(jù)、零件參數(shù)、現(xiàn)場測量參數(shù)、設計參數(shù)及規(guī)范化的成果數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)均采用規(guī)范數(shù)據(jù)結構，采用數(shù)據(jù)庫或Excel格式進行交互，便于程序識別和機器識別。

（2）技術層：技術層主要實現(xiàn)系統(tǒng)的核心功能，主要包括數(shù)據(jù)管理、模型集成、腕臂裝配計算。其核心為腕臂裝配母板設計、母板計算、模型綁定等技術，包含計算結果判斷、誤差修正等功能。

（3）功能層：實現(xiàn)腕臂裝配圖設計、腕臂工點預配計算的核心功能。具體包括母板設計、零件與母板的關聯(lián)、腕臂模型母板的參數(shù)化驅動、不同廠家零件的調整替換、成果管理、批量計算及導出等功能。

（4）應用層：實現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂安裝圖設計、現(xiàn)場工點計算，計算成果向施工階段智能建造流轉，以及向運維階段數(shù)字化交付的延伸。

3 關鍵技術

3.1 零件模型庫建設

零件三維模型是接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM設計的基礎，利用建模軟件建立接觸網(wǎng)零件三維模型，定義屬性參數(shù)及關鍵點，用于模型參數(shù)與母板參數(shù)比對、模型與母板綁定。

3.2 腕臂裝配母板建設

母板為線型骨架結構，是零件模型的關鍵參數(shù)和約束集合，腕臂裝配母板及模型綁定過程見圖5。母板中包含初始化的零件參數(shù)、設計參數(shù)、現(xiàn)場參數(shù)，包含參數(shù)化驅動的約束計算規(guī)則以及成果輸出標注模板。直接利用線型母板進行參數(shù)化驅動計算，在計算后綁定對應三維零件的方式，可大大簡化直接利用零件模型進行三維約束的約束計算量，提升接觸網(wǎng)BIM三維空間布置設計效率。

圖5 母板建立及模型綁定過程

3.3 母板計算規(guī)則

腕臂裝配模型根據(jù)不同工點的具體參數(shù)而變化。以正定位母板骨架計算為例，根據(jù)接觸網(wǎng)支柱的超高值確定接觸網(wǎng)受電弓中心線，通過接觸網(wǎng)拉出值、導高確定該處懸掛點的接觸線位置，記作點A；根據(jù)接觸網(wǎng)懸掛設計的結構高度可得到該懸掛點承力索及承力索座的位置，記作點B；根據(jù)測量的上、下腕臂底座位置D、E，利用零件參數(shù)和三角函數(shù)關系，可以計算出C、F、G、H、I、J、K各點的位置（見圖6）。

圖6 參數(shù)化驅動接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建模計算示例

在BIM建模軟件中，利用已建好的零件庫，根據(jù)二維約束結構上的點一一嵌入，即可構建根據(jù)技術參數(shù)、零件參數(shù)及測量參數(shù)驅動的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM模型。

3.4 腕臂預配計算誤差及撓度修正

由于接觸網(wǎng)零件之間多為鉸接關系，存在一定的螺栓、螺母鉸接位移誤差。此外，在承力索座位置承受接觸懸掛荷載之后，會在腕臂管產(chǎn)生彎矩引起的撓度，腕臂管越長，撓度變化越明顯［7］。在預配計算中適當添加裕度，對鉸接誤差及撓度誤差進行修正，更能精準控制現(xiàn)場安裝后的接觸網(wǎng)結構高度。

4 成果應用

4.1 接觸網(wǎng)BIM設計

利用完善的零件庫、腕臂裝配母板庫能夠快速進行接觸網(wǎng)腕臂三維設計，在接觸網(wǎng)BIM設計過程中，僅需考慮接觸網(wǎng)的三維空間布置，可以通過關鍵字或腕臂安裝母板編號自動匹配腕臂安裝形式。根據(jù)結構化數(shù)據(jù)，批量完成1個錨段甚至整個區(qū)間的接觸網(wǎng)腕臂設計，為接觸網(wǎng)設計自動化、智能化提供有力支撐。

此外，對于咽喉區(qū)、關節(jié)等復雜接觸懸掛區(qū)段，能夠通過直觀效果判斷接觸網(wǎng)的走向以及腕臂與相鄰線路帶電體、接地體的安全距離。

4.2 數(shù)據(jù)流轉到智能化預配數(shù)據(jù)中心

利用腕臂裝配數(shù)據(jù)、結合現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行自動計算，流轉至腕臂預配工廠，進行腕臂自動下料、切割、組裝、轉運，可實現(xiàn)真正意義上的BIM信息流轉功能，并指導下游施工［8-9］。在京張、京雄、漢十高鐵等相關項目中均開展了一定程度的智能腕臂預配裝備應用，進一步將智能裝備與BIM設計成果結合，通過機械化、信息化方式提升作業(yè)效率，減少人員勞動強度。

4.3 提升施工管理信息化水平

研究BIM信息向下游拓展應用的數(shù)據(jù)接口標準，提供可通過數(shù)據(jù)驅動的接觸網(wǎng)BIM模型，供下游單位提前預覽接觸網(wǎng)安裝形式。建立含設計數(shù)據(jù)、零件數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、施工管理數(shù)據(jù)等多階段、多類別的數(shù)據(jù)管理平臺，研究接觸網(wǎng)建造過程的大數(shù)據(jù)挖掘及流轉策略，實現(xiàn)接觸網(wǎng)設計BIM信息及模型的多重應用，提升接觸網(wǎng)建造階段信息化管理水平。

5 結束語

BIM技術在鐵路工程中的應用還存在很大提升空間，上述參數(shù)化驅動的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建模方法，可快速完成接觸網(wǎng)腕臂裝配設計，為接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建模提供了一種新思路。該設計思路采用基于Revit的二次開發(fā)實現(xiàn)，其技術路線也適用于CAD或其他三維建模軟件。