鐵路四電工程建設BIM技術應用研究

靳辰琨，郭志光

(1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081； 3.中國鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100043)

近年來，隨著計算機軟硬件的快速發展，BIM從科研機構實驗室走向了工程應用，越來越多的工程項目開始探索實際工程應用，取得了一定的實際效果，得到業界普遍關注與認可，將BIM作為未來工程建設管理的引領方向[1]。總體來看BIM應用呈現出三方面特點：從應用工程類型上看，BIM在房屋建筑工程中占比最大[2-4]，鐵路行業以站前工程研究為主[5-8]，站后四電工程應用處于摸索發展階段[9-12]；從項目全生命周期應用來看，目前的BIM應用大多數集中在三維設計階段，絕大多數工程師將三維信息模型用作方案展示和比較的輔助手段[13-17]；從應用實際效果來看，由于BIM應用相關的配套標準不完善，軟件系統不落地，管理方式沒有跟進，呈現散點式的非系統性應用特點，BIM支出與取得的價值之間存在差距[18-20]。

為了實現BIM的系統性應用，發揮BIM更大價值，需要從 BIM 隊伍組織建設，BIM 應用標準建立，軟件功能及相關技術研究開發，專業工程技術人員培訓全面推進。從 BIM 實施階段開始規劃好項目生命周期的應用需求，各專業之間的信息數據轉換與傳遞標準，避免形成新的數據孤島。采用一個管理平臺，一套 BIM模型，一套數據架構，統一BIM應用軟件，統一BIM應用標準，打通各個環節、各個專業間的數據流，滿足全方位、全流程的系統性應用需求，切實為工程施工過程提供技術指導和創造價值[21-23]。

1 BIM應用技術方案

1.1 硬件系統集成部署架構

根據BIM建模軟件特點及運行要求，鐵路四電BIM技術應用硬件系統集成部署架構如圖1所示，采用B/S硬件拓撲架構，包括3臺服務器及多個客戶端，其中一臺用作部署 BIM 建模軟件服務，一臺用作部署管理平臺，一臺用作獨立的數據庫運行與備份，服務器可自行部署或租用可靠的公有云服務。

圖1 硬件系統集成部署架構

1.2 軟件系統工作原理

工程建設技術人員與管理人員應用BIM，除了基于BIM可視化特點直觀識別設計意圖外，還需要基于BIM獲得各專業對應的數據信息及業務流程管理信息，僅依靠三維建模軟件難以滿足需求，須結合BIM軟件功能特點、應用要求、硬件功能綜合制定其相應的數據交互工作機制，鐵路四電BIM應用軟件系統包括三維建模軟件(CATIA軟件)和項目綜合管理平臺，二者協同工作，共同完成綜合業務需求。

其中CATIA軟件為模型生產工具，基于BIM模型直接進行錯漏碰缺檢查與優化，消除三維模型中錯誤以后，實現物料統計、接觸網腕臂預配計算、房屋內外線纜排布、專項施工方案制定等功能。

項目綜合管理平臺按約定協議接收CATIA模型數據，基于構件編碼實現模型與后臺定制的業務流程、業務數據無縫對接，同時開展技術與管理類應用。按鐵路BIM聯盟制定的編碼體系進行編碼，導入項目管理系統，進行項目質量管理、進度管理、物料管理、施工模擬等綜合應用。軟件系統的工作原理如圖2所示。

圖2 軟件系統工作原理

2 項目級鐵路四電施工BIM應用標準

BIM標準是BIM實施過程中工作協同與信息協作的交流準則，是參與BIM應用的各方人員必須遵守的管理規定和技術依據，是保障BIM應用能夠順利推進實施的規則體系。現階段，國家和行業在鐵路四電施工BIM應用領域沒有發布統一的BIM標準可以參照執行，建立項目級的BIM應用標準體系具有重要意義。

項目級鐵路四電施工BIM應用標準的建立和編寫需要遵從以下原則。

(1)BIM標準的建設要領會國家發布的BIM應用政策性文件精神，符合國家及行業政策要求。

(2)BIM標準的建設要貼合項目實體生產的管理流程、實體生產的工序工藝，不能改變項目管理組織框架。

(3)BIM標準的建設具有實際的指導意義和可用性，標準建設不能為了標準而脫離業務定立標準，需要深入了解項目實際施工生產的工作任務，并將業務需求通過轉換，實現相應的軟件功能。

(4)BIM標準的建設應分級分步驟實施，建議先建立總框架，根據具體需求，逐步完善。

鐵路四電施工BIM應用項目級標準內容建議分3個部分。

(1)第一部分為管理規定，規定鐵路四電施工BIM應用中階段劃分，明確每個階段的工作內容，具體的執行部門、執行人員、執行時間、執行標準、工作成果，各部門相互協作的內容、流程。

(2)第二部分為技術規定，規定BIM模型創建工作流程，各專業BIM模型如何協同管理與工作，規定BIM模型創建的內容與深度，規定好BIM模型如何參照引用施工規范及質量驗收規范。

(3)第三部分為管理考核，規定考核管理時間、依據、獎懲規定，推動BIM應用。

3 基于BIM的技術類應用

3.1 接觸網參數化建模

接觸網專業BIM模型創建是BIM應用的重點與難點，相比其他專業，接觸網專業構件分散，參數多，模型精準度要求更高，每個里程點模型不能復用[24-26]。通過輸入現場實際測量參數，包括實際里程、軌道超高、腕臂底座安裝高度、側面限界，設計拉出值，經過軟件插件二次開發，讀取接觸網建模參數(表1)，實現自動布置接觸網支柱、腕臂、補償裝置、承力索、接觸線、吊弦、附加導線及各類設備參數化模型(圖3)。

表1 接觸網建模參數

圖3 接觸網參數化模型

3.2 腕臂預配計算

根據幾何原理，創建空間骨架圖，讀取excel表中實際里程、軌道超高、腕臂底座安裝高度、側面限界，設計拉出值等參數，計算出平腕臂管、斜腕臂管、腕臂支撐、定位管、定位支撐長度，以及每個零件的準確安裝位置(圖4)。相比傳統的計算方法，基于BIM的腕臂預配參數計算考慮了空間相關聯構件的安裝位置，其計算結果精度高，可以直接無縫對接智能預配平臺。

圖4 接觸網腕臂預配參數計算

3.3 錯漏碰缺檢查優化

在傳統二維設計圖中，受時間與技術限制，在二維圖紙設計過程中根本無法避免錯漏，只能邊施工邊發現邊解決，造成材料、人力、工期消耗大幅增加。采用BIM技術可以檢查優化二維圖紙中的錯漏碰缺。

(1)開展接觸網專業錯漏碰缺檢查，一是在軟件中定制好碰撞規則，按原設計創建好模型直接輸出碰撞檢查結果表，二是對于一些沒有規律漏缺，結合工程師專業經驗進行逐一分段排查。接觸網專業常見錯漏碰缺主要存在于接觸網支柱與站前工程之間的碰撞，彈性吊索與腕臂支撐直接碰撞或間距小于100 mm，關節處承力索、接觸線成S形麻花交叉。在CATIA V6中，通過參數調優可以調整模型完成“錯漏碰缺”的檢查優化。

(2) 從模型特征看，接觸網專業屬于超長帶狀物，變配電、通信、信號專業所亭屬于點狀物，專業間交叉配合多，需要各個專業集成，相互協調才能徹底檢查并糾正存在的問題。

3.4 工程物料統計

工程物料統計是工程施工中重要的基礎數據，物資采購、資金準備、料庫建設等工作都需要提供詳細準確的工程物料統計數據。

基于 CATIA V6軟件提取工程物料，采取模型數據定制加二次開發的模式，在數據模型創建過程中嵌入統計時需要的物料分類、物料編碼、物料名稱、統計類型(統計個數、長度、體積、面積)、計量單位等信息，規定模型創建層級關系，通過二次開發，自動提取構件模型數據，按需求生成多種維度物料清單表格，工程技術部門、物資部門可同時獲取相同表單，保證數據的唯一性和實時共享。相比傳統算法，應用BIM技術開展工程物料統計，極大減輕了工程技術人員的工作量，提高了工作效率，實現了數據共享。

3.5 變配電、通信、信號專業線纜優化排布

線纜排布是所亭施工的難點，尤其是使用線夾固定，線纜排布要求更加精細，一旦出錯就會導致返工，材料浪費嚴重，提前模擬排布線纜，可以保障工程質量、節約工期、避免材料浪費。基于BIM技術進行線纜排布流程如下：確定設備位置→核對線纜清冊→規劃線路路由→創建線纜模型→線纜優化調整→輸出施工圖。

(1)確定室內外設備位置。室內外設備位置需要根據設計要求及設備功能確定，需要明確設備平面位置、安裝高度、接線口位置。

(2)核對線纜清冊。根據設計圖紙，逐一核對一次線纜與二次線纜清冊，確定線纜根數、規格直徑、內芯材質、作用(電源纜、信號纜)，為后期規劃線纜及支架提供依據。

(3)規劃線纜路由。線纜路由規劃要綜合考慮線纜作用、線纜規格、線纜轉彎半徑、線纜預留長度，電源線在上，信號線在下，同一直徑設置在同層，做到整齊劃一，清晰美觀。

(4)創建線纜模型。依據線纜清冊和設備接線位置，按規劃線纜路由，逐一連接生成三維線纜模型。

(5)線纜優化調整。創建完三維模型以后要逐段觀察，對產生交叉碰撞的線纜進行位置調整優化，滿足技術要求及施工要求，外形整齊美觀。

(6)成果輸出。根據優化調整后的模型輸出施工圖，方便施工人員使用。

利用BIM進行線纜排布的模型與現場施工情況如圖5所示。

圖5 牽引所室內線纜排布BIM與現場對比

4 基于BIM的綜合管理應用

基于BIM的四電施工綜合管理是以虛擬的工程實體BIM模型為管理對象，在項目綜合管理平臺中嵌入業務流程與專業表單，將人工、材料、機械、工法統一納入管理，適應項目施工過程不同階段、不同專業間的應用協同工作，實現項目管理的可視化、數字化、標準化、信息化。項目各級管理人員、技術人員在任何時間、任何地點使用平臺，獲取相應的信息數據，為項目施工生產提供決策依據[26]。

4.1 一桿一檔信息管理

基于BIM的一桿一檔信息管理是以支柱為基礎，將支柱及其上安裝的所有分項、設備作為一個管理單元[27]，以中國國家鐵路集團有限公司下發的一桿一檔信息填寫要求為模板，以BIM模型為載體，信息管理設計按集合單元、分項組件、零件三級設計，共性信息記錄在上級，個性信息記錄在下級，涵蓋設計、采購、施工三個階段，包括了基礎信息、技術信息、材料信息和人員信息(圖6)。

圖6 基于BIM的一桿一檔信息

(1)集合單元為一桿一檔最高級別，主要記錄桿號、里程、左(右)線、接觸網導高、軌面超高等信息。

(2)分項工程組件是指按施工驗收標準劃分的組件，包括支柱、支柱基礎、腕臂裝置、補償裝置、肩架、拉線、隔離開關等，主要記錄預配信息、施工隊伍、施工時間、施工人員、驗收人員、安裝圖號信息。并鏈接安裝圖紙、裝配視頻，指導現場施工。

(3)零件信息是組成組件的具體零配件，以腕臂裝置為例，包含腕臂底座、棒瓷絕緣子、腕臂管、承力索底座等零件，對應每個零配件記錄其型號規格、幾何尺寸、生產廠家、生產批次、緊固力矩、進貨批次等信息。

以支柱為對象生成二維碼，為一桿一檔集合單元賦予身份標識，后期使用終端掃描二維碼即可進行數據查詢與編輯(圖7)。

圖7 一桿一檔二維碼管理

隨著工程施工推進，一桿一檔信息不斷填報完善，實現相關信息的實時檢索、統計、查詢、追溯，項目技術人員通過平臺進行信息共享，避免了人員頻繁查找紙質文檔導致的信息不全、不準和效率低下的問題。工程竣工時形成一套可視化數字檔案，移交后期運維單位，為鐵路基礎設施全生命周期的運營管理提供數據支撐。

4.2 基于BIM的進度管理

基于BIM的進度管理是以高速鐵路施工驗收規范為基礎，將構件按分項工程劃分，在項目管理平臺后臺匹配相應的施工工序，現場專業工程師登陸管理平臺客戶端選擇具體對象填報完成時間、安裝人員、驗收結論等信息，系統提供按專業、單位工程、分部分項、日期、里程等不同維度的組合統計，數據及時共享給相關管理人員，實時掌控現場施工進度，為核算物資消耗與產值統計提供基礎數據(圖8)。同時標識施工作業實際完成情況，實現BIM模型展示與現場施工進度的聯動(圖9)。

圖8 生產調度柱狀統計

圖9 實際安裝進度BIM模型

4.3 基于BIM的物資管理

基于BIM的物資管理包括物資計劃表單建立及數據獲取，表單審核，采購信息填寫、出庫入庫管理、限額領料管理。

(1)物資計劃表單生成，通過BIM模型直接按需求維度(工點、專業、單位工程、起止里程)統計生成表單，推送給審核人員，物資部門收到采購需求時，先在系統內查詢庫存量，確認需要采購時直接向廠家發送采購單，避免重復采購或采購遺漏(圖10)。

圖10 物資計劃表單

(2)限額領料，施工隊伍領料前提交計劃施工任務，系統自動匯總需要物資清單，分配合理的損耗比例，形成最后領料限額，減少材料浪費。

5 BIM應用創新成果總結

通過分析BIM研究應用情況，結合鐵路四電工程特點，開展了基于BIM技術在鐵路四電工程的應用實踐，取得了以下成果。

(1)根據鐵路BIM聯盟發布的鐵路BIM編碼分類標準、數據存儲標準等相關技術標準和實施標準，制定了《高速鐵路接觸網專業BIM模型創建標準》、《高速鐵路變配電BIM模型創建標準》、《高速鐵路通信、信號BIM模型創建標準》等鐵路四電BIM應用標準規范，為四電工程BIM技術應用奠定了基礎。

(2)根據鐵路四電工程場景應用，建立了接觸網參數化BIM模型，基于鐵路四電BIM模型，開展了腕臂預配計算、錯漏碰缺檢查優化、線纜可視化排布模擬等應用，優化設計指導施工，提高了工程實施效率。

(3)綜合應用BIM技術開展質量管理、進度管理、物料管理、施工模擬等建設管理應用，形成基于BIM的鐵路四電工程數字化可視化建設管理模式。

(4)搭建了基于BIM的鐵路四電工程管理平臺，集成四電BIM三維建模和綜合項目管理功能，實現了設計施工不同生命周期間模型與信息的共享復用。

(5)基于BIM開展施工管理，實現了施工階段數據的保存，形成鐵路四電專業大數據庫，為鐵路四電基礎設施的運維提供數據支撐。

6 BIM應用發展展望

BIM技術研究與應用還存在著提升的空間，一是進一步加快建立BIM應用的標準體系，打通BIM應用的數據斷層與專業間斷層、不同階段斷層。二是加大軟件研發投入，尤其是制約瓶頸的三維圖形軟件到落地應用間的研發。三是建立鐵路四電BIM應用生態圈，將BIM應用由單一的某個單位擴展到所有的參與單位，做到一套模型、一個架構、一個平臺服務不同的用戶單位，共同服務項目建設。