BIM在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

青島地鐵集團(tuán)有限公司 陳蘇南 李國玉 曲延璐

1 引言

城市軌道交通迎來了高速的發(fā)展，2021年國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)青島市三期城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃，規(guī)劃建設(shè)2號線二期、5號線、6號線二期、7號線二期、8號線支線、9號線一期、15號線一期等7個項(xiàng)目，線路規(guī)模139km，估算總投資980.7億元。項(xiàng)目建成后，形成共10條線路、總里程370.7km 的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)。我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展趨勢呈現(xiàn)良好態(tài)勢，城市軌道交通的快速發(fā)展為BIM 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用帶來了極大的機(jī)遇和應(yīng)用基礎(chǔ)。

2 BIM 技術(shù)的發(fā)展簡介

圖1 2005—2001年國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)里程對比圖

BIM 技術(shù)自從2003年正式進(jìn)入我國以來，受到了國家的重視，各行業(yè)協(xié)會也在大力推廣BIM 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，中國圖學(xué)學(xué)會和國家相關(guān)機(jī)構(gòu)也在大力組織BIM 等級證書考試。正是基于BIM 產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，在各大業(yè)主單位、政府部門的高度關(guān)注下，都對BIM 設(shè)計(jì)提出了一定的要求，也產(chǎn)生了大量的需求，帶來了BIM 的春天。目前，市面上主要以美國的公司為主，如PIC 公司的Pro/ENGINEER 軟件、WGS 公司的UNGRAPHICS 軟件、SPRC 公司的IDEAS 軟件、Bentely 公司的Micro station 軟件等。

BIM（建筑信息化模型），該技術(shù)具有信息可視化的功能，將原有的二維信息轉(zhuǎn)化成立體的三維信息，可以將原來二維信息無法讀取的信息變成可視圖形；模擬性和優(yōu)化性對數(shù)字信息進(jìn)行三維建模，從模型中選出最優(yōu)解，找到最好的解決方案，能夠?qū)⒔ㄖ匀S空間模型的方式呈現(xiàn)出來，該系統(tǒng)可以使信息的展示更完整、更立體、更直接[1]。BIM技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，被全世界工程領(lǐng)域高度的重視，視為一種革命性的力量，將為帶動整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造需求解決問題。雖然BIM 在軌道交通領(lǐng)域仍然處于探索階段，但是得到了相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)會和國家的大力支持，也得到了各大地鐵公司的高度重視，將會為城市軌道交通領(lǐng)域帶來巨大變革。

3 BIM 在城市軌道交通領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM 設(shè)計(jì)分析工作

BIM 作為一種新的技術(shù)和傳統(tǒng)的CAD 制圖有著較大的區(qū)別，從目前的整個城市軌道交通的產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，BIM 技術(shù)的應(yīng)用主要還是集中在施工圖設(shè)計(jì)階段，可以替代原有的CAD 技術(shù)，從二維信息的展示到三維立體圖形展示的較大飛躍。BIM 技術(shù)在我國雖然相較于國外較晚，但是從應(yīng)用層面來說卻有著其他國家無法比擬的巨大潛力，尤其對于大型工程的應(yīng)用來說意義非凡。BIM 這項(xiàng)新技術(shù)的推廣與應(yīng)用涉及多方面的共同努力，業(yè)主方、設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位以及后期的運(yùn)營維保，可以說是貫穿始終[2]。

BIM 的應(yīng)用可以為城市軌道交通供電系統(tǒng)帶來較大的便利，例如該技術(shù)可以檢查接觸軌布置各專業(yè)接口之間的安裝合理性，及時(shí)對發(fā)現(xiàn)有安裝沖突的部位提前做出設(shè)計(jì)優(yōu)化。檢查合格后可以出具施工圖，利用BIM 模型提前出具各類圖紙，可以直觀、準(zhǔn)確、發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)當(dāng)中的問題，為后期的施工帶來便利。也可以在BIM 模型軟件中繪出接觸軌的施工布置圖，在發(fā)現(xiàn)有問題時(shí)可以及時(shí)更改和調(diào)整，極大地提高了接觸軌繪圖的工作效率，提高了繪圖質(zhì)量，帶來施工便利。在生成三維立體化圖紙后，使用相關(guān)的程序?qū)IM 進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化和調(diào)整，需要業(yè)主單位在用戶需求階段對于廠家提出提供圖紙的相關(guān)要求，要求廠家針對最小可更換元器件出具BIM 模型。

3.2 基于BIM 技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用

根據(jù)近年來的整個行業(yè)的發(fā)展程度來看，BIM總結(jié)出了以下幾方面應(yīng)用場景，可以有效地提高施工質(zhì)量、加快施工效率。

3.2.1 管線排布碰撞檢測技術(shù)

BIM 技術(shù)帶來的較大優(yōu)勢是將原有的二維信息轉(zhuǎn)化為三維信息，在城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中，相關(guān)專業(yè)較多，接口也較多，有供電、電扶梯、站臺門、通信、信號、車輛、綜合監(jiān)控等，各專業(yè)之間的接口密集，程序復(fù)雜。BIM 技術(shù)的應(yīng)用可以有效降低施工單位人員的二次施工成本，提高工作效率，提前對各專業(yè)之間的管線有可能出現(xiàn)的碰撞進(jìn)行模擬排布，大幅提高整體工程的安裝質(zhì)量，提高業(yè)主對工程的滿意度和整體評價(jià)。

3.2.2 三維立體圖像渲染技術(shù)

三維立體圖像渲染技術(shù)通過虛擬現(xiàn)實(shí)建立現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的映射，對現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行模擬，讓人們得到更加直觀、精確、立體的信息。BIM 作為三維立體信息技術(shù)的集成與應(yīng)用，為二維到三維的轉(zhuǎn)化提供了一項(xiàng)解決方案，重要的啟發(fā)意義在于，其實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋。這是一次工業(yè)領(lǐng)域中逆向思維的壯舉。人們試圖將物理世界發(fā)生的一切，塞回到數(shù)字空間中，只有帶有回路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期概念。這樣，就可以真正在全生命周期范圍內(nèi)，保證數(shù)字與物理世界的協(xié)調(diào)一致。各種基于數(shù)字化模型進(jìn)行的各類仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘，甚至人工智能的應(yīng)用，都能確保其與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的適用性。這就是BIM 對智能制造的意義所在，BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用于推廣，推動了新技術(shù)的發(fā)展。

3.2.3 模擬施工

可以利用BIM 建模進(jìn)行模擬施工，提前預(yù)判施工過程當(dāng)中可能出現(xiàn)的具體問題，例如設(shè)備排布、管線敷設(shè)等，使業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等相關(guān)工作人員對現(xiàn)場施工有一個直觀地掌握?？梢詢?yōu)化施工工藝和施工流程，為后期的設(shè)計(jì)與施工配合提供了便利。

圖2 基于BIM 的虛擬施工體系流程圖

3.3 基于BIM 技術(shù)的電纜敷設(shè)及安裝工藝

近年來，隨著城市軌道交通領(lǐng)域的快速發(fā)展和新增運(yùn)營里程的不斷增多，現(xiàn)場的施工管理和各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)配合成為越發(fā)重要的一項(xiàng)課題，需要解決的實(shí)際問題相較以往難度增加，范圍擴(kuò)大。另外，BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)多年來取得的明顯效果，無疑使引進(jìn)BIM 技術(shù)成為解決工程領(lǐng)域當(dāng)中設(shè)計(jì)與施工問題的最優(yōu)解。因此，對其在具體施工時(shí)現(xiàn)場管理的難度也提出了更高的要求。需要在初步設(shè)計(jì)階段工程開始之前，就要對設(shè)計(jì)整體方案有所規(guī)劃、施工方案需要提前明確，提前發(fā)現(xiàn)問題，提前解決問題。BIM 技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用，可以使工程施工的各個單位的配合更加快速、簡單、明了。

此外，利用BIM 技術(shù)，統(tǒng)計(jì)工程當(dāng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以對進(jìn)度管理進(jìn)一步的優(yōu)化，可以和實(shí)際設(shè)計(jì)方案提前對比，在發(fā)現(xiàn)問題之初迅速解決，根據(jù)實(shí)際工程當(dāng)中所出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，達(dá)到最好的管理效果。除此之外，利用該技術(shù)可以在開工之前利用數(shù)字化三維技術(shù)手段了解該工程項(xiàng)目中的重難點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)建筑材料的高效利用、有效降低工程成本，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，交直流電纜是城市軌道交通當(dāng)中重要的設(shè)備，在地鐵中主要有35kV 交流電纜、直流1500V 電纜和二次電纜。電纜的敷設(shè)是一項(xiàng)十分重要且復(fù)雜的工作，一般在隧道區(qū)間內(nèi)敷設(shè)于電纜支架之上，在地鐵變電所內(nèi)則沿著電纜橋架進(jìn)行敷設(shè)，不僅用量大，而且敷設(shè)路徑錯綜復(fù)雜。電纜敷設(shè)工藝的好壞不僅影響其美觀，更重要的是影響供電系統(tǒng)運(yùn)行。BIM 技術(shù)的應(yīng)用可以利用計(jì)算機(jī)三維模型結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的施工情況進(jìn)行模擬敷設(shè)演練，進(jìn)一步評估工程量和提高施工效率，避免出現(xiàn)返工的情況，造成大量的時(shí)間和金錢的浪費(fèi)。

3.4 基于BIM 設(shè)計(jì)質(zhì)量管理

BIM 的應(yīng)用在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量方面有著很好的效果，一般情況下在施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)用較多，現(xiàn)在全國各大設(shè)計(jì)院對此也十分的重視，組織設(shè)計(jì)院的相關(guān)人員進(jìn)行了BIM 的取證學(xué)習(xí)，在設(shè)計(jì)應(yīng)用中也是逐步得到了推廣。在設(shè)計(jì)質(zhì)量控制方面可以提前建好設(shè)計(jì)模型，錄入具體信息。BIM 軟件可以進(jìn)行施工圖的深化，提供剖析三維軸側(cè)圖等圖紙，部分設(shè)計(jì)院已經(jīng)開始采用BIM 軟件進(jìn)行施工圖的出圖工作嘗試?？梢哉fBIM 技術(shù)的應(yīng)用和推廣可以保障設(shè)計(jì)工作效率，提高工程質(zhì)量，對已出現(xiàn)的質(zhì)量問題和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量管理流程。

3.5 BIM 可視化技術(shù)在研究施工工藝工法中的應(yīng)用

BIM 技術(shù)的可視化是在建立空間3D 模型的技術(shù)之上的具體應(yīng)用。在城市軌道交通的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，很多的業(yè)主單位將BIM 模型的相關(guān)要求在合同談判階段就提前提出，確保各參與廠家能夠提供設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)的公開對于廠家來說，相當(dāng)于核心機(jī)密的公開，會遇到一定的阻力[3]。但是BIM 技術(shù)的應(yīng)用和推廣已經(jīng)成為大勢所趨，對地鐵施工過程的優(yōu)化和提升起到了較大的推動作用，在提高員工實(shí)踐技能的同時(shí)，也在一定程度上提升了城市軌道交通的施工質(zhì)量，促進(jìn)城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)從二維到三維，從數(shù)據(jù)化到立體圖像化的轉(zhuǎn)變，不僅可以提高地鐵施工的精度，也可以節(jié)約很多的不必要的損耗，對提高企業(yè)的核心競爭力也有著極為重要的意義。

3.6 BIM 技術(shù)與供電智能運(yùn)維技術(shù)的結(jié)合

近年來，隨著城市軌道交通供電系統(tǒng)的快速發(fā)展，各大地鐵公司已經(jīng)開展供電智能運(yùn)維系統(tǒng)的研究，地鐵供電智能運(yùn)維系統(tǒng)已經(jīng)成為城市軌道交通智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型升級，以及實(shí)現(xiàn)軌道交通產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)的重要課題。

供電智能運(yùn)維系統(tǒng)通過集成和分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及管理過程中的各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)，融合供電設(shè)備智能管理、智能診斷、智能決策、智能巡視系統(tǒng)構(gòu)建的統(tǒng)一智能化運(yùn)維系統(tǒng)。系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)模型集成的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，整合各系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)；以設(shè)備為主線，將各子系統(tǒng)信息進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全景運(yùn)維；同時(shí)，基于運(yùn)維實(shí)際需求，構(gòu)建全周期管控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、故障聯(lián)合診斷、應(yīng)急處理場景。將被動的事后運(yùn)維轉(zhuǎn)化為積極的主動運(yùn)維，降低供電設(shè)備全壽命周期成本，提高系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)采用模塊化、服務(wù)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建供電運(yùn)維業(yè)務(wù)融合一體化平臺，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備的智能巡視、智能管理、智能診斷、智能決策四大功能，達(dá)到供電系統(tǒng)運(yùn)維系統(tǒng)的規(guī)范化和智能化，強(qiáng)化對供電設(shè)備的全過程控制和優(yōu)化，并為企業(yè)決策提供支持是城市軌道交通行業(yè)供電智能運(yùn)維系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的整體方向。

BIM 技術(shù)作為供電智能運(yùn)維技術(shù)的底層應(yīng)用軟件，可以為供電智能運(yùn)維系統(tǒng)提供底層的數(shù)據(jù)支撐，使供電設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能化。

4 結(jié)語

地鐵供電系統(tǒng)的建設(shè)受施工工藝流程和專業(yè)協(xié)調(diào)配合的約束，城市軌道交通設(shè)計(jì)施工流程較為復(fù)雜，各專業(yè)接口多，各種設(shè)備系統(tǒng)數(shù)量龐雜，BIM的應(yīng)用和推廣將極大地優(yōu)化和提升城市軌道交通的設(shè)計(jì)流程和施工流程，雖然目前對于我國來說BIM工作啟動相對較晚，但是發(fā)展后勁十足，尤其是作為底層的應(yīng)用軟件，BIM 技術(shù)與供電智能運(yùn)維技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將會加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程，國家對于該技術(shù)十分重視，這也是未來的發(fā)展方向。