高速鐵路接觸網(wǎng)BIM設(shè)計研究與應(yīng)用

梁崇亮，金光，喬錦新，李銀生

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043）

0 引言

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是電氣化鐵路的重要組成部分，列車通過受電弓與接觸導(dǎo)線的滑動接觸來獲取電能。為滿足列車受流的要求，接觸網(wǎng)設(shè)計和安裝的各項幾何參數(shù)需要保證高準確性。特別是拉出值、導(dǎo)線高度、定位器坡度、線岔位置、錨段關(guān)節(jié)等需要進行精確設(shè)計。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)設(shè)計一般借助CAD軟件，設(shè)計過程信息化程度不高、設(shè)計效率較低，易引起頻繁的設(shè)計變更[1-2]。

同時，BIM技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，在節(jié)省資源、降低成本、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢已得到各界廣泛認可[3]。鐵路BIM聯(lián)盟于2013年12月16日在北京召開預(yù)備會，會議通過了《關(guān)于聯(lián)合發(fā)起成立鐵路BIM聯(lián)盟的倡議書》《鐵路BIM聯(lián)盟第一屆理事會1號決議》，積極推動BIM技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的深入應(yīng)用。

隨后各科研院所對BIM技術(shù)在接觸網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用進行了一定探索：文獻[4]基于BIM技術(shù)構(gòu)建鐵路工程項目管理系統(tǒng)，實現(xiàn)參建各方的信息共享和傳遞。文獻[5]對接觸網(wǎng)工程BIM模型規(guī)則檢驗流程進行詳細說明。文獻[6—8]探討B(tài)IM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用情況。文獻[9]探討B(tài)IM技術(shù)在接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配中的應(yīng)用。上述文獻均未開展接觸網(wǎng)BIM設(shè)計方面的深入研究與分析。

基于Bentley平臺，根據(jù)接觸網(wǎng)系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計業(yè)務(wù)流程，研究BIM設(shè)計方案，提出軟件架構(gòu)；結(jié)合典型工程，分析接觸網(wǎng)BIM設(shè)計的主要內(nèi)容、設(shè)計步驟、模型整合及應(yīng)用方法；最后歸納接觸網(wǎng)BIM設(shè)計的特點，可為接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM設(shè)計提供一定的指導(dǎo)。

1 接觸網(wǎng)BIM設(shè)計研究

1.1 設(shè)計流程

與傳統(tǒng)二維設(shè)計流程類似，設(shè)計人員需依照各項規(guī)范標準及導(dǎo)則進行接觸網(wǎng)BIM設(shè)計，確定項目技術(shù)標準，并通過各專業(yè)接口進行后續(xù)設(shè)計。

接觸網(wǎng)設(shè)計工作包含項目負責人（專冊）、設(shè)計、各級復(fù)核3個層面。結(jié)合設(shè)計工作特點，接觸網(wǎng)BIM設(shè)計架構(gòu)分為項目負責人、服務(wù)器、設(shè)計、各級復(fù)核4個層面。

項目負責人負責鐵路項目信息確認、資料互提、資料上傳、設(shè)計標準確認、人員安排、各級審核安排、通過管理系統(tǒng)上傳各項信息至服務(wù)器等工作，上傳各項信息至服務(wù)器后，項目負責人進行工點配置、任務(wù)劃分。設(shè)計人員根據(jù)劃分的任務(wù)段落，進行區(qū)間及車站的接觸網(wǎng)BIM設(shè)計工作。

設(shè)計人員基于項目標準、設(shè)計原則及站前數(shù)據(jù)，進行區(qū)間接觸網(wǎng)支柱里程、接觸網(wǎng)及附加導(dǎo)線錨段劃分、安裝圖號填充等計算工作，并將計算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫，專業(yè)設(shè)計流程架構(gòu)見圖1。

圖1 專業(yè)設(shè)計流程架構(gòu)

設(shè)計人員通過讀取數(shù)據(jù)庫中計算得到的數(shù)據(jù)和預(yù)存的接觸網(wǎng)BIM構(gòu)件，完成接觸網(wǎng)BIM裝配與設(shè)計，修改完善設(shè)計成果后，將其發(fā)送至各級復(fù)核及咨詢單位。通過完善接觸網(wǎng)BIM設(shè)計流程，進而保障設(shè)計質(zhì)量。

1.2 軟件架構(gòu)

結(jié)合設(shè)計工作特點，系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為資源層、交互層、表達層、應(yīng)用層4個層面。

軟件架構(gòu)以數(shù)據(jù)為核心，提高接觸網(wǎng)BIM設(shè)計的數(shù)字化及信息化程度?；贐entley平臺，可采用典型的C/S架構(gòu)，建立以構(gòu)件庫、標準規(guī)范、設(shè)計流程等為主的專業(yè)資源數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)級的專業(yè)協(xié)同為基礎(chǔ)，集成符合我國高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計標準的設(shè)計算法，系統(tǒng)軟件架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

交互層可實現(xiàn)信息讀取、接觸網(wǎng)布置計算、圖形可視化等工作；資源層主要包含項目執(zhí)行標準、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計資料、專業(yè)接口信息等內(nèi)容；表達層可實現(xiàn)高速鐵路三維形狀、設(shè)備設(shè)施信息、各專業(yè)接口配合、設(shè)計成果較好的展示性；應(yīng)用層基于設(shè)計成果信息的高度集成，具有較好的拓展性與實際應(yīng)用價值。

2 接觸網(wǎng)BIM設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)我國鐵路專業(yè)設(shè)計規(guī)范及BIM技術(shù)相關(guān)標準，基于Bentley平臺進行接觸網(wǎng)區(qū)間及車站BIM設(shè)計軟件開發(fā)。

2.1 軟件主要功能及特點

軟件主要功能包括人員權(quán)限管理、單元庫管理、項目設(shè)置、資料輸入、分段分帶管理、區(qū)間計算、快速建模、手動調(diào)整、標識標注、數(shù)據(jù)瀏覽、視圖管理、數(shù)量統(tǒng)計、圖紙掛接等，軟件界面見圖3。

圖3 軟件界面

軟件設(shè)置數(shù)據(jù)模型校驗、建模斷點保存、錯誤彈窗判定等完善的報錯容錯機制，可提高設(shè)計效率及精度。

2.2 建模步驟

（1）人員權(quán)限管理可實現(xiàn)項目負責人對不同項目設(shè)計及各級復(fù)核人員的人員調(diào)配，實現(xiàn)對項目配置的權(quán)限管理。

（2）單元庫管理可實現(xiàn)對接觸網(wǎng)構(gòu)件單元的分類管理，包含增、刪、改、替換、屬性編輯等功能，接觸網(wǎng)構(gòu)件單元細節(jié)展示見圖4。

（3）項目設(shè)置可實現(xiàn)項目負責人對主要設(shè)計標準、工點劃分及線路分帶、安裝圖號與單元映射的配置。

圖4 接觸網(wǎng)構(gòu)件單元細節(jié)展示

（4）通過軟件界面輸入線路數(shù)據(jù)、橋隧工點表等資料，對線路分帶、工點表內(nèi)容進行校驗后寫入數(shù)據(jù)庫。

（5）區(qū)間計算基于項目標準及設(shè)計原則、站前數(shù)據(jù)，實現(xiàn)區(qū)間接觸網(wǎng)支柱里程、接觸網(wǎng)及附加導(dǎo)線錨段劃分及計算，完成安裝圖號填充，并寫入數(shù)據(jù)庫，接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)準備見圖5。

圖5 接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)準備

（6）快速建模功能通過讀取數(shù)據(jù)庫中計算后的接觸網(wǎng)BIM三維數(shù)據(jù)及BIM構(gòu)件，完成線路三維中心線、接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、支柱、腕臂、下錨補償裝置、附加導(dǎo)線肩架布置，并一鍵架設(shè)接觸線、附加導(dǎo)線，接觸網(wǎng)BIM自動布置見圖6。

圖6 接觸網(wǎng)BIM自動布置

（7）在車站咽喉區(qū)等處可使用手動調(diào)整工具對布置成果進行調(diào)整，實現(xiàn)模型文件中部分修改和數(shù)據(jù)庫同步更新，車站咽喉區(qū)接觸網(wǎng)BIM布置見圖7。讀取調(diào)整完善后的接觸網(wǎng)BIM設(shè)計成果數(shù)據(jù)，對接觸網(wǎng)主要設(shè)備零部件、導(dǎo)線等進行數(shù)量統(tǒng)計。同時該系統(tǒng)還預(yù)留了拓展功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、BIM構(gòu)件單元和其他設(shè)計要素的關(guān)聯(lián)。

圖7 車站咽喉區(qū)接觸網(wǎng)BIM布置

2.3 模型整合及應(yīng)用

系統(tǒng)通過讀取數(shù)據(jù)庫中計算得到的接觸網(wǎng)BIM信息進行自動布置，同時結(jié)合在細部設(shè)計中進行手動調(diào)整的方式，可實現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)BIM快速設(shè)計，接觸網(wǎng)BIM模型整合成果見圖8。

圖8 接觸網(wǎng)BIM模型整合成果

在此基礎(chǔ)上，通過模型鏈接的方式實現(xiàn)各專業(yè)間BIM模型設(shè)計成果整合，實現(xiàn)三維GIS場景下的實時漫游、四維施工模擬、碰撞檢查等功能，多專業(yè)BIM模型整合成果見圖9。

圖9 多專業(yè)BIM模型整合成果

可有效提高設(shè)計成果質(zhì)量，起到節(jié)約成本、減少后續(xù)變更設(shè)計、合理控制工程進度的目的。

3 系統(tǒng)特點

（1）集中管理、同步設(shè)計。區(qū)間接觸網(wǎng)BIM正向設(shè)計軟件通過人員管理功能，對項目參與人員進行工作分工，由專冊對項目進行頂層設(shè)計配置后，再交由設(shè)計人員同步開展BIM設(shè)計，保證一致性。

（2）算法可靠、快速設(shè)計。根據(jù)接觸網(wǎng)設(shè)計流程及特點，通過專業(yè)計算模塊和輔助模塊，提高接觸網(wǎng)自動布置算法的效率和可靠性。接觸網(wǎng)計算模塊見圖10。

圖10 接觸網(wǎng)計算模塊

（3）數(shù)據(jù)同源、正向設(shè)計。采用同源數(shù)據(jù)庫的方式，以專業(yè)成果數(shù)字化為核心技術(shù)，分別在Autodesk CAD和Microstation中實現(xiàn)二、三維一體化設(shè)計與出圖，滿足現(xiàn)階段快速創(chuàng)建信息模型、自動生成二維標準化圖紙的工作要求。

（4）執(zhí)行標準、嚴肅設(shè)計。構(gòu)件單元建模及軟件開發(fā)過程中嚴格執(zhí)行鐵路BIM聯(lián)盟下發(fā)的各類標準，保證BIM設(shè)計成果滿足編碼、精度等各項要求。

4 結(jié)束語

針對高速鐵路工程項目設(shè)計、建設(shè)、運營全生命周期提出的更高標準和要求，結(jié)合BIM技術(shù)集成化、參數(shù)化、可視化、協(xié)同化、信息化等優(yōu)點，在充分考慮高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計標準、流程的基礎(chǔ)上，研發(fā)基于Bentley平臺的高速鐵路接觸網(wǎng)BIM設(shè)計軟件。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了高速鐵路接觸網(wǎng)區(qū)間設(shè)計的自動計算與布置，結(jié)合手動調(diào)整模塊，可實現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)區(qū)間與車站的快速建模。與目前高速鐵路接觸網(wǎng)采用CAD設(shè)計方式相比，利用BIM技術(shù)可顯著提高設(shè)計效率，而且在展示性、各專業(yè)接口配合、信息化等方面具有顯著的優(yōu)勢?；诟咚勹F路接觸網(wǎng)BIM設(shè)計成果，利用其高度集成的信息化優(yōu)勢，為實現(xiàn)高速鐵路工程項目全生命周期信息化打下堅實基礎(chǔ)。