BIM技術(shù)在京張高鐵電力和電氣化工程施工中的應用

劉義勤，郭戈，劉賀江，吳松，孫春暉

（中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100036）

北京—張家口高速鐵路（簡稱京張高鐵）地處華北地區(qū)的北京市和河北省，線路全長173.96 km，設計最高速度350 km/h。在京張高鐵電力和電氣化工程施工中，開展了建筑信息模型（BIM）技術(shù)應用，取得了一定成果。

1 BIM模型構(gòu)建

1.1 BIM數(shù)據(jù)標準確定

結(jié)合京張高鐵電力和電氣化工程特點，制定了《京張高鐵電力、電氣化BIM 技術(shù)應用標準》。項目遵循統(tǒng)一的建模原則與應用規(guī)范，確保BIM 模型顆粒度、模型信息、模型命名以及施工BIM 技術(shù)應用的完整性和一致性［1-4］。

1.2 BIM幾何模型建立

根據(jù)項目深化設計需要，建立電力、電氣化專業(yè)構(gòu)件庫。將構(gòu)件庫與工程設計信息進行參數(shù)化結(jié)合，形成了程序化、自動化的快速建模方法，提高了建模效率和精度，做到全部模型中無重復、無命名雜亂的構(gòu)件。電力、變電和接觸網(wǎng)專業(yè)的BIM模型見圖1。

1.3 BIM屬性信息完善

以后期運維為目標，將設備的廠商信息錄入模型，以模型為載體實現(xiàn)信息的可追溯式管理。通過以運維為目標的數(shù)據(jù)標準，在整個施工過程中將數(shù)據(jù)分為施工應用數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)3類。

2 BIM技術(shù)應用

基于BIM 技術(shù)開展設計深化、優(yōu)化電纜排布、優(yōu)化大型設備施工方案、解決接口問題、指導工廠化預制、驅(qū)動自動化生產(chǎn)線、輔助施工管理等方面的應用實踐［5-8］。

圖1 BIM模型

2.1 設計深化

將新保安牽引變電所4組主變門型架構(gòu)優(yōu)化為支柱絕緣子架構(gòu)（見圖2），連接固定點由40 處減少至12 處，提高了供電可靠性。將變壓器低壓側(cè)電纜支架多排形式優(yōu)化為單排三連桿形式（見圖3），有效控制了電纜進出溝的彎曲半徑。

圖2 主變門型架構(gòu)優(yōu)化為支柱絕緣子架構(gòu)

2.2 優(yōu)化電纜排布

圖3 電纜支架多排形式優(yōu)化為單排三連桿形式

京張高鐵全線包含AT所亭、直供所亭等10種不同布置型式，電纜徑路較多。通過BIM 模型進行電纜預敷設（見圖4），從深化后的模型中導出電纜長度清單，精準提報生產(chǎn)計劃，減少了電纜工藝余量50%。在優(yōu)化電纜路由和敷設順序后，通過三維模型生成圖紙，在有限空間內(nèi)，一次達到布放整齊、平順無交叉，提高了施工效率和工藝水平。

2.3 優(yōu)化大型設備施工方案

黃土店牽引變電所采用變、配電合建，面臨室內(nèi)大型設備安裝空間受限的問題。通過BIM 模型分析凈高及模擬有限空間的設備布置（見圖5），模擬主變、組合電器大型設備安裝，制定了最優(yōu)運輸、安裝方案，較原方案提高施工效率10%，同時保障了施工安全和質(zhì)量。

2.4 指導工廠化預制

圖4 BIM模擬電纜敷設

圖5 BIM模擬主變壓器進所亭大門

通過建立參數(shù)化BIM 模型，指導走線架、電纜防護管、接地母線、硬母線、軟母線工廠化精準加工，實現(xiàn)現(xiàn)場一次安裝到位，工藝整體美觀統(tǒng)一。接地母線、硬母線、軟母線的BIM模型見圖6。

2.5 驅(qū)動自動化生產(chǎn)線

研發(fā)“腕臂計算+BIM 三維驗證+預配生產(chǎn)線+工程進度三維顯示”的系統(tǒng)管理平臺，通過建立參數(shù)化接觸網(wǎng)BIM 模型，進行腕臂計算三維模擬驗證、驅(qū)動預配自動化生產(chǎn)線、存儲預配和安裝信息。運用BIM 技術(shù)驅(qū)動自動化生產(chǎn)線工作過程見圖7。整個生產(chǎn)過程分為3個步驟：（1）軟件計算。將現(xiàn)場測量的支柱斜率、側(cè)面限界相關數(shù)據(jù)，導入腕臂計算軟件，生成腕臂長度零配件位置等18個預配數(shù)據(jù)。（2）模型校核。將預配數(shù)據(jù)與BIM 模型進行空間驗證，校核無誤后，將數(shù)據(jù)遠程發(fā)布至裝配線。（3）遠程監(jiān)控生產(chǎn)加工。裝配線啟動加工，加工完成后預配數(shù)據(jù)上傳至管理平臺歸檔存儲，具有可追溯性。腕臂裝配線生產(chǎn)過程可通過遠程進行監(jiān)控，方便應急故障處理。

2.6 輔助施工管理

圖6 接地母線、硬母線、軟母線的BIM模型

圖7 運用BIM技術(shù)驅(qū)動自動化生產(chǎn)線工作過程

運用BIM 四電系統(tǒng)集成管理平臺（見圖8），將采集的各類信息與BIM 模型進行關聯(lián)掛接，直觀形象展示施工進度，指導施工組織，并有快速、實時查詢設備信息功能，實現(xiàn)了精細化工程管理［5-7］。BIM四電系統(tǒng)集成管理平臺主要包括5個模塊：一是BIM 技術(shù)應用，將采集的各類信息與BIM 模型進行關聯(lián)掛接，直觀展示施工進度，快速、實時查詢設備信息功能，實現(xiàn)了自動化裝配線與BIM 技術(shù)相結(jié)合；二是應用四電設備系統(tǒng)，通過二維碼采集信息，實現(xiàn)設備從出廠—入庫—檢驗—出庫—安裝過程的信息化管理，提高了物資管理效率；三是隱蔽工程影像系統(tǒng)，采集工程影像圖片6 400 余張，對隱蔽工程進行監(jiān)督管理；四是接觸網(wǎng)“一桿一檔”系統(tǒng)，采集設備基礎信息，為建維一體化奠定基礎；五是電子工程日志，記錄達18 000多條，實現(xiàn)施工過程可追溯。

圖8 四電系統(tǒng)集成BIM管理平臺主頁面

3 BIM應用創(chuàng)新點

3.1 升級腕臂自動化裝配線

依托BIM 技術(shù)，實現(xiàn)了腕臂裝配技術(shù)的2 次升級。第1次是從傳統(tǒng)依靠人工裝配腕臂，升級到依靠機械來裝配腕臂，實現(xiàn)了腕臂裝配的自動化，第2次是從自動化的腕臂裝配技術(shù)，升級到數(shù)字化、信息化的腕臂裝配技術(shù)。2 次升級體現(xiàn)了鐵路建設從手工業(yè)到機械化、工業(yè)化，再到數(shù)字化、信息化的發(fā)展歷程。

3.2 提升施工管理信息化水平

傳統(tǒng)的施工管理信息化技術(shù)主要是工作表單化、表單電子化，即MIS 技術(shù)；其特征是數(shù)據(jù)庫和表單應用。基于BIM+GIS 技術(shù)的四電集成BIM 管理平臺將電子化的表單與可視化的三維圖形相結(jié)合，實現(xiàn)工程信息的所見即所得；其特征是數(shù)字化和虛擬現(xiàn)實。依托BIM的三維圖形和屬性信息，實現(xiàn)了施工管理信息化從MIS到GIS、從圖表到虛擬現(xiàn)實的技術(shù)提升。

4 結(jié)束語

在京張高鐵電力和電氣化工程施工中，主要實現(xiàn)BIM 技術(shù)的6 類應用和2個創(chuàng)新。6類應用包括設計深化、優(yōu)化電纜排布、優(yōu)化大型設備施工方案、指導工廠化預制、驅(qū)動自動化生產(chǎn)線和輔助施工管理；2項創(chuàng)新包括升級腕臂自動化裝配線和提升施工管理信息化水平。通過深入應用BIM 技術(shù)，促進工程管理創(chuàng)新，助力精品工程實施，為智能京張的工程建設提供了有力的技術(shù)支撐。