BIM技術在高速鐵路接觸網工程中的應用研究

劉紅良，王萬齊，王輝麟，劉紅峰，鮑 榴，楊 威

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；

2. 中國鐵道科學研究院集團公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

高速鐵路接觸網是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，是高速鐵路重要基礎設施，擔負著為高速鐵路機車提供電源的重要責任[1]。在接觸網設計、建造階段提升設計質量和施工質量，提高接觸網的安全性、可靠性，對實現鐵路長效、智能、安全運維有著重要意義。

傳統接觸網設計是基于二維CAD，一般將平面布置圖、裝配圖等作為設計成果進行交付。CAD圖紙看起來不直觀，非專業人員很難理解，且無法表現接觸網設備和周圍環境之間復雜的關系，很難發現侵限或者絕緣不滿足要求等問題。此外，接觸網和路、橋、隧等站前專業接口不易檢查，很難發現設計之間的沖突[2]。而這些問題往往都是集中在施工階段才被發現，容易引起設計變更，造成資源和工期的浪費，甚至會帶來質量隱患。基于二維CAD的接觸網設計期、施工期數據比較分散，很難有一套成熟的機制將設計、出廠、安調等信息數據有機地結合在一起，竣工交付后很難支撐后期智能運維。而建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術作為一種全新的設計手段和信息化手段，可有效地解決這些問題。

本文依托BIM技術數字化、可視化、設計協同、全生命周期[3]等特性，研究BIM技術在接觸網設計、施工過程中的應用，以達到輔助設計、指導施工、數據集成與傳遞、服務運維的目的。

1 接觸網設計階段BIM應用

1.1 參數化快速建模

接觸網設備是由支柱基礎、支柱、腕臂、定位裝置、接觸線、承力索、吊弦、附加導線等構成。接觸網設備零部件眾多，空間結構復雜，涉及電氣、結構、機械等多個領域，需要一種參數化快速建模的方式，實現腕臂的裝配設計和線路布置。

1.1.1 零部件三維族庫

根據《電氣化鐵路接觸零部件（TBT 2075-2010）》標準，對腕臂支撐裝置、定位裝置、補償裝置、接觸懸掛等涉及到的零部件，根據功能及型號進行建模，建立零部件三維族庫，如圖1所示。對于工程實際中運用到的非標零部件或新設備，要及時在族庫中增加，保證族庫零部件模型的完整。目前，只有Power rail overhead line接觸網專用軟件，因此，在選擇某一軟件平臺后，用戶要建立自己的三維族庫，并隨著接觸網新工藝、新設備的出現，及時完善三維族庫。

圖1 接觸網零部件三維族庫

1.1.2 腕臂計算及可視化裝配

零部件三維族庫建立以后，調取族庫模型，對接觸網腕臂支撐裝置進行可視化裝配，形成接觸網腕臂裝配庫，包括下錨柱、中間柱、轉換柱、中心柱等腕臂裝配類型。在Autodesk等平臺中，開發二次插件，實現腕臂理論計算，根據設計要求的側面限界、外軌超高等，生成腕臂管及相關部件的理論長度，并實現腕臂的可視化、參數化裝配，如圖2所示。在腕臂可視化裝配過程中，將腕臂零部件的幾何信息和非幾何信息等設計期屬性數據補充完整，例如，定位點導高、拉出值，腕臂零部件的長度、尺寸、名稱、材質等。

圖2 接觸網中間柱裝配圖

1.1.3 接觸網模型線路布置

將生成的腕臂裝配以及支柱、支柱基礎、接觸線、承力索、附加導線等模型按照設計規則，布置到路基、橋梁、隧道、站場等站前專業的模型上。

1.2 碰撞檢查

將生成的BIM和其他專業模型進行碰撞檢查，達到設計協同的目的。硬碰撞檢查，對接觸網基礎、支柱等與路基、橋梁、隧道、聲屏障專業進行“差、錯、漏、碰”檢查，生成檢查報告，對設計錯誤或者設計沖突的及時修改，減少設計變更的發生；軟碰撞檢查，檢查接觸網線路的絕緣距離是否符合要求，尤其是在上跨接觸網的大橋、電力線路等絕緣薄弱位置。

1.3 仿真模擬

接觸網設計過程中，利用BIM通過專門軟件進行接觸網的仿真模擬，對接觸網的彈性懸掛、弓網關系、風偏、支柱容量等進行仿真計算[4]。設計人員對仿真計算結果進行評估，使其滿足接觸網安全性、可靠性原則，以達到設計最優。

1.4 工程量統計及出圖

接觸網模型建立以后，可以實現零部件自動統計，生成工程量清單，解決了人工通過CAD圖紙扒圖算量費時、費力且容易出錯的難題，提高了設計效率。接觸網的圖紙主要是以平面圖和裝配圖為主，基于BIM的可視化三維圖紙通過渲染、漫游，使其相比二維CAD圖紙更直觀，更易于理解。BIM出圖功能可方便地建立接觸網的“平、立、剖”圖紙，而所生成的圖紙和模型邏輯相關，與之關聯的圖形和參數將自動更新。

2 接觸網施工階段BIM應用

2.1 施工指導應用

2.1.1 設計交底

工程實施階段，設計單位為了更好地向施工單位表達設計意圖，需對施工單位進行設計交底，傳統的設計交底是通過圖紙、文字、圖片的方式，不利于展示和理解。借助BIM技術，采用可視化的方式，施工單位可以快速理解鐵路線路的概況，路基、橋梁、隧道的布置，接觸網的工程數量，懸掛方式等。對于二維圖紙不利于表達的接觸網細節，可以通過模型清晰表現出來[5]。基于BIM的接觸網設計交底，更利于施工單位工程實施，減小了設計和施工之間的溝通難度。

2.1.2 技術交底

依托BIM技術可視化特點，通過動畫、虛擬現實等手段建立接觸網專業關鍵工序施工技術交底庫，即三維作業指導書，供施工單位培訓、學習，避免施工人員對施工圖的誤解，直觀地指導施工。依托建立的三維模型，根據施工需求對重點設備安裝或者特殊區段施工進行現場模擬，有助于施工預想、發現方案缺漏，熟悉施工流程，提高施工質量[6]。

接觸網關鍵工序包括：支柱（吊柱）組立及整正、腕臂預制裝配（如圖3所示）、補償下錨安裝、承力索架設、接觸線架設、吊弦預制安裝、彈性吊索安裝、錨段關節（含電分相）調整、交叉（無交叉）線岔安裝調整、電連接線安裝、設備安裝、附加導線架設調整、接觸網精調等。技術交底庫依托BIM技術，細化設備安裝流程及工藝、工法。通過BIM技術的運用，指導編制專項施工方案，直觀地對復雜工序進行分析，指導施工快速有序進行。

圖3 基于BIM的腕臂裝配過程

2.1.3 接觸網基礎施工管理

高速鐵路中，接觸網在路基、橋梁段的支柱基礎、拉線基礎以及隧道中的滑道都是由站前施工單位制作，由接觸網施工單位負責檢查預留、預埋位置是否正確，檢查施工質量是否符合規范。接觸網基礎、滑道屬于站前專業和站后四電專業的接口部分，為了規范接口部分的施工管理，可利用BIM技術，在站前專業BIM的基礎上加載接觸網基礎BIM，進行虛擬建造、虛擬檢查。BIM技術的應用：（1）指導站前施工單位預留施工，防止發生預留錯誤、侵限、碰撞等問題的發生；（2）指導站后四電施工單位進行檢查，發現問題在模型上進行標注，并反饋給站前施工單位進行處理。基于BIM的接觸網基礎施工管理，可提高接口的施工質量，還能解決站前與站后施工單位之間溝通、協調不暢的難題。

2.1.4 進度管理

工程實施期間，對接觸網設備進行構件化工程分解，例如，支柱基礎、支柱、拉線、腕臂支撐、定位裝置、下錨補償裝置、中心錨結、吊弦、隔離開關、避雷器等，并對構件進行實例化編碼。施工時，通過完成的接觸網工程實體構件編碼關聯BIM的ID，驅動模型變色，通過顏色變化展示工程進度，如圖4所示，紅色表示接觸網支柱組立完成。利用BIM對工程實際進度與計劃進度進行對比，分析工期提前或滯后，達到滯后預警值時，進行相應的報警，將施工組織信息和BIM融合，輔助施工管理[7]。

2.1.5 人員和機械管理

圖4 接觸網工程進度展示

基于BIM+GIS模型，接入人員、大型機械設備（軌道車、接觸網放線車等）的定位數據，對人員、大型機械設備進行定位及管理工作，實現人員、大型機械設備位置實時監測；并接入大型機械設備上的視頻信息，實現在模型上查看行駛及施工狀態。基于BIM+GIS的人員、車輛定位管理，達到人員、機械位置可視化，行車、施工可視化的目的。此外，根據上道任務計劃，結合作業區間機械設備的運行計劃（時間、路線等），在上道作業前給出風險提示。通過人員、機械車輛的定位數據、速度數據，對施工人員與危險源的距離進行預判，并提前預警。

2.2 接觸網數據集成與傳遞

2.2.1 數據種類

接觸網在工程實施過程中，產生了大量的數據，包括設計信息、生產制造信息、進場檢驗信息、預配加工信息、施工安裝信息、竣工驗收信息等，這些數據隨著工程的推進逐漸增加。

2.2.2 數據采集與集成手段

在接觸網設計期建模的過程中，將設計信息添加到BIM中，包括幾何屬性和非幾何屬性，例如支柱的長度、截面尺寸、型號、名稱、材質、支柱容量、壽命等。接觸網支柱制造完成出廠前，在支柱表面粘貼二維碼，通過信息化的手段，將支柱的出廠信息和二維碼綁定，通過掃描二維碼的方式能夠調閱支柱的廠家、生產批次、出廠編號、型號、材質等基本信息。接觸網腕臂支撐裝置在安裝之前，需要提前進行工廠化預配。根據現場測量的側面限界、外軌超高、支柱斜率等參數計算腕臂等相關部件的下料長度，經過切削、加工，最后組裝成腕臂支撐裝置。只有經過現場測量和計算才能滿足接觸網導高、拉出值等設計要求。在接觸網支柱及其他設備安裝、調試過程中，再次掃描二維碼，附加安裝、調試信息，例如安裝（調試）時間、負責人、監理人、現場安裝照片、安裝（調試）記錄等。

對設計期BIM，經過輕量化處理后，進行數模分離，將BIM屬性信息導入到數據庫中。再將接觸網設計信息、出廠信息、入場檢驗信息、安裝信息、腕臂（吊弦）預配信息、驗收信息等也導入數據庫中，通過BIM的ID關聯接觸網構件實體構件編碼，按照“一桿一檔”的數據要求進行重新組織，實現BIM的數據關聯和集成，最終實現基于BIM的設計、施工數據傳遞，如圖5所示。

圖5 接觸網數據集成與傳遞

2.2.3 數字化竣工交付

針對新建高速鐵路，鐵路BIM聯盟提出了基于BIM技術的數字化竣工交付[8]，按照運維管理資料移交要求，輔助運營單位對各種資料進行收集、整理。通過建設階段的數字化移交，將接觸網BIM承載的建設管理的過程信息無縫轉移到運維階段，完成建設BIM向運維BIM的深化，實現運營期的基于BIM的接觸網臺賬、故障病害和維修履歷管理；通過有效管理和融合分析運維階段的各類檢測和維修數據，實現接觸網設備的安全、高效運行。

3 結束語

探討BIM技術在接觸網設計、施工階段的應用，利用BIM技術可視化、參數化等特性，輔助接觸網設計，提高設計效率，通過碰撞檢查、仿真模擬，實現接觸網設計方案最優，滿足接觸網設計安全性、可靠性原則；在接觸網安裝實施階段，利用BIM技術進行設計交底，施工方案交底，指導接觸網安裝施工，提高施工質量，提升施工管理水平。接觸網設計、施工階段產生的大量數據，利用BIM技術實現有效集成和傳遞，通過數字化竣工交付，將工程建設階段的數據無縫轉移到運維階段，為將來實現智能運維奠定基礎。