基于BIM技术的接触网设计研究

韩志伟，黎 锋，杨凯镜



基于BIM技术的接触网设计研究

韩志伟，黎 锋，杨凯镜

针对现有接触网二维设计存在信息关联性差、专业协同性差、设计校验困难等问题，探讨了BIM技术在接触网设计中的实施目标及设计阶段BIM系统核心功能和关键技术，为接触网BIM设计系统的实现提供了思路。

接触网；建筑信息模型；三维设计

0 引言

接触网作为电气化铁路核心系统之一，具有设计项目繁多、设计工作量大等特点，设计过程需要考虑气象、线路、桥梁、隧道、地质、信号和站场等众多信息。过去20多年里，从手工图板到CAD的普及极大地提高了接触网设计人员的工作效率。但二维CAD只能进行接触网平面布设，其本身包含的设备信息、各专业接口信息较少，造成后期设计人员需花费大量精力进行设计变更。二维设计软件已经不能满足当今接触网工程设计及管理等方面的需求。

BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技术具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点，能够大幅提高设计效率和管理效率，已获得业内广泛关注[1]。根据我国铁路工程建设信息化总体方案的部署，中国铁路总公司于2013年5月正式启动了“铁路工程建设信息化关键技术研究”等科研项目的研究工作，并牵头成立了“中国铁路BIM联盟”，积极推动BIM技术在铁路工程领域的应用研究。如何应用BIM技术进行接触网系统的设计成为当前重要的研究课题。

1 接触网二维设计现状

现各设计院针对各自接触网设计需求，均开发了接触网CAD设计插件，充分利用了CAD的模块复用性和辅助设计信息提取与计算能力，很大程度上提高了设计效率。但二维设计系统在信息关联性、专业协同性和设计辅助校验上缺乏有效手段。主要存在以下问题[2～4]：

（1）参数信息附加困难。接触网CAD图纸仅包含基础线路、支柱布局等信息，缺乏零部件数据、三维空间信息、详细装配信息等。大量信息需要利用外部文件进行信息共享和数据交换，各个设计文件之间缺乏关联，信息同步困难，增加了设计成本和维护难度。

（2）协同设计困难。接触网专业作为站后专业，需要与其他专业进行接口配合。但在目前设计过程中，各专业间相互独立，且协调性、联动性较弱。由于设计过程中信息不连续，不利于工程设计的跨专业交互与协同设计，设计中各阶段、各专业信息割裂明显，严重影响设计效率，造成后期产生大量设计变更，影响工程效率，增加成本。

（3）设计信息深度利用困难。二维CAD使用抽象图元符号进行设计，后期需要大量有经验的人员根据设计规范审图，难以实现自动校验。二维CAD信息也难以进行接触网静态设计参数校验及动态性能仿真。

2 接触网BIM设计研究进展

2.1 世界范围内BIM技术主要应用情况

BIM技术起源于美国，发展至今已在世界各国得到了越来越广泛的应用。国际上，BIM数据标准经过不断发展已日趋成熟，如：美国基于IFC的《国家BIM标准》—NBIMS（National Building Information Model Standard）[6]，英国的AEC（UK）BIM Standard[7]，日本的CALS/EC（Continuous Acquisition and Lifecycle Support/Electronic Commerce）标准[8]。其后BIM技术经过不断发展，逐渐在欧洲、日本及新加坡等发达国家开展应用，BIM的应用价值正在不断被认可。

在中国，近年来BIM技术也在逐渐发展，且在建筑行业掀起了一股热浪。国家政府、各行业专家、设计单位、施工单位、科研团队等也逐渐重视BIM技术的应用。业主对BIM技术的认识在不断提升；万达、龙湖等大型房产商也在积极探索应用BIM技术；上海中心大厦、上海迪士尼等大型项目要求在全生命周期中应用BIM技术；2008北京奥运会奥运村以及香港地铁项目等均采用了空间规划BIM技术[9]。BIM技术已是工程项目建设发展的必然趋势。

2.2 铁路行业BIM设计研究进展

借鉴BIM技术在建筑行业的设计应用经验，中国铁路总公司积极推动铁路工程BIM技术应用研究，勘察设计行业作为铁路工程建设龙头，已开始尝试应用BIM技术开展设计工作。BIM技术的“可视化”特点，克服了传统二维设计难以表达的瓶颈，做到“所做即所见”，从源头上根本性地提升了设计质量。

BIM技术在铁路选线中已有应用。中铁二院工程集团责任有限公司（下文简称铁二院）研发了基于数字地球的铁路三维空间选线系统[10]，实现了基于BIM技术的线路选线、规划设计、方案对比及DEM（数字高程模型）和DOM（数字正射影像图）数据集成，有利于设计者兼顾整体与局部进行方案分析，从而优化设计，提高设计质量。

中铁第一勘察设计院集团有限公司以西成客专清凉山隧道为BIM技术试点，基于Autodesk软件平台完成了隧道模型构建、信息管理、施工模拟、工程算量等[11]（图1 a）。铁二院在海南西环铁路东方站应用BIM技术，完成了铁路站房的三维设计、全生命周期管理、施工模拟等[12]（图1 b）。中国铁路设计集团有限公司（原铁三院）基于Navisworks平台搭建了BIM设施运营管理平台，完成了设施场景漫游、设备查询、维护保养计划制定等[13]（图1 c）。中铁第四勘察设计院集团有限公司在新鼓山隧道应用BIM技术，完成了隧道模型构建、进出口设计、隧道洞身设计、模拟施工等[14]（图1 d）。足见BIM技术可以提高施工效率，降低造价并缩短施工工期。

（a）

（b）

（c）

（d）

图1 接触网BIM设计案例

3 接触网BIM设计实施目标

接触网BIM技术应用应实现接触网设计-施工-运营-维护闭环过程中的全BIM信息流转，BIM系统的核心和源头是设计阶段BIM化。接触网BIM设计系统技术的重点实施目标如下：

（1）设计方案优化。BIM技术应用于设计阶段，可实现在虚拟三维空间中进行直观可视化设计；全三维实体设备模型可实现更加精确的测量，确定零部件空间关系；附加的零件模型信息可优化设备选型；碰撞检测和施工模拟可防止出现设计错误。

（2）设计流程规范。利用约束检测，通过BIM的规范化操作、协作化运行和信息资产有效利用，最终实现在BIM模式下的规模化、规范化设计，从根本上提高设计效率。

（3）设计过程协同。充分利用BIM平台进行多专业协同设计，各专业设计资料实时同步，碰撞检测可随时发现设计错误。充分利用项目文件管理、项目进度管理、设计问题修复追踪、文件版本管理能力提升项目设计效率。

（4）设计校验实时。改变传统二维设计难以进行设计校验和设计评估问题。利用BIM技术设计附加零部件和设计参数，构建三维模型设计校验接口，实现模型与接触网数值分析软件之间的接触网静态集合参数校验、接触网动态性能校验。

（5）设计输出优化。实现工程量高精度统计、物料统计等报表自动生成功能；利用权限管理实现不同用途BIM设计资料可控输出；实现三维BIM数据与二维图纸联动同步。

4 接触网BIM设计核心功能

研究既有接触网二维设计流程，接触网BIM设计需遵循以下基本原则：模块化设计，各模块可独立设计；协同化设计，各专业可实施协同设计；标准化设计，各接口可动态交互。

接触网三维设计基本流程如图2所示。

图2 接触网三维设计流程

接触网BIM设计系统核心功能分析如下：

（1）零部件族库可扩展。建立的模型应具备完整的参数驱动特性，便于后期快速、准确地设计变更，同时为后期模型加工模板奠定基础；建模数据来源应与传统设计一致，便于设计人员建立模型及确保准确性；族库根据需要可设置LOD（多细节层次）分层模型。

（2）设计数据可关联。具备3D模型数据、设计数据、2D图例信息、设计环境数据、设计时间（计划）和施工时间（计划）信息、成本数据等关联整合；能够根据设计要求获取与线路相关的资料数据，包括选线沿线地质数据、气象数据、供电资料、线路数据（选线总长、曲线半径、缓和曲线、站台位置、道岔、桥梁、隧道位置高度）以及信号机位置等；BIM附加信息格式应符合铁路四电工程信息模型数据存储标准要求。

（3）智能化三维设计。接触网三维设计主要包括确定支柱布置位置坐标、接触线高度、侧面限界、吊弦位置、锚段关节形式、绝缘分段位置等工作。接触网沿线设备众多，为提高设计效率，该设计过程需要具备一定的智能性，能够根据给定的设计要求，在一般路段完成一定程度的自动布线；自动完成工程图中的支柱位置和编号、里程、锚段、腕臂等的标注。

（4）标准化数据接口。目前铁路设计行业中，不同专业使用设计软件差异很大，接触网专业设计系统应具备良好的数据信息兼容能力、同步协作能力、设计整合能力，应具备开放的BIM设计信息交换接口；不同专业模块应具备分层设计、控制显示能力。

（5）参数化设计约束。自定义可量化设计规范标准为BIM约束条件，包括接触网支持装置装配约束、与线路条件相关的空间约束、与气象条件相关的几何参数约束等；利用约束条件进行设计校验，对不符合规定部分进行错误提示。

（6）动态化设计校验。充分利用BIM包含完整三维模型及大量附加信息优势，对设计进行静态参数校验和动态性能校验。

（7）线路模型可测量。根据接触网系统特点，除应具备基本的3D模型参数定点测量及不规则表面测量功能外，还应具备沿接触线走向连续的导高、拉出值测量功能，给出极值点，方便设计审核。

（8）权限管理。针对不同岗位确定信息权限，应具备模型权限管理、文件权限管理、数据权限管理等基本功能，针对工程现场设计变更，还应具备远程访问权限管理。BIM系统包含大量自有模型，根据不同输出需要应具备输出权限控制功能。

（9）符合标准的数据输出。目前，铁路工程行业设计成果主要采用二维图纸交付，没有达到三维模型和信息交付标准。三维模型是承载工程信息的基础，二维图纸是三维实体的二维表达，附属信息是三维模型拓展应用的桥梁。BIM交付成果应包含以下几个方面：

a.三维成果符合标准。根据需要，可提交符合铁路工程行业BIM交付标准或业主要求的BIM模型、数据集定义文件等BIM设计成果。

b.二维图纸输出能力。具备符合既有二维图纸标准的输出能力，包括总平面图、剖面图、立面图等；输出图纸应为在BIM系统中经过碰撞检测、设计校验、性能分析的合格图纸。

c.各类报表自动统计功能。

综上分析可以得出接触网BIM设计系统总体结构，如图3所示。

图3 接触网BIM设计系统功能结构

5 接触网BIM设计关键技术

5.1 族库管理系统设计

完整的接触网系统由众多基本零件和部件组成，每个支柱由单独零件组装构建，设计效率非常低，因此必须开发适合的族库管理系统。族库管理系统应包括：单个接触网零件管理、单支柱预装配管理；模型原型、数据结构管理；模型检索、提取、发布等功能模块；模型单元设计关联等功能。族库系统不仅限于标准零部件或设计人员后期定义的零件，还应包括接触网设计规则和规范等内容。

5.2 条带状模型优化及渲染技术

铁路线路是条带状、具有大范围地理信息的模型，包含地表模型和地质模型；接触网与线路密切相关，其中大部分数据均与地理信息有关，所以基于BIM技术的接触网三维设计系统应该具备优化的带状地理信息相关管理、渲染能力。

5.3 接触网线索自动生成技术

现阶段，应用试点接触网BIM技术的接触线、承力索、吊弦等模型，大多在接触网支持装置设计后使用手动直线绘制，其效率低下，且真实性不高，无法准确表示导线弛度等。因此，需要根据设计规范、工程经验等开发接触网线索自动绘制系统。

5.4 碰撞检查技术

碰撞检查是接触网设计过程中的一个重要环节，通过碰撞检查，期望预先找出设计与施工过程中的空间碰撞，节省工时，减少设计变更。在接触网BIM设计中，不仅要考虑接触网机械安装方面的冲突，还要考虑受电弓与支持装置以及带电体的绝缘距离等非接触碰撞。

5.5 三维与二维同步技术

既有BIM设计中，二维出图大多采用投影映射方式。但接触网投影二维图与标准图例相差较大，需要在接触网BIM设计系统中定制三维模型与二维图例对应关系表，实现二维出图。

5.6 实时设计校验技术

传统二维设计由于缺乏相关信息，很难进行接触网设计的静态、动态性能校验。BIM系统中，可采用纯参数输出到专业接触网数值计算工具进行校验或将整体三维模型、材料参数、边界约束条件整体导入有限元系统进行性能校验。

6 结语

综上所述，随着计算机技术、信息化技术等先进技术的发展，实现基于BIM技术的接触网设计已成为可能。BIM技术在接触网三维设计中的应用实现了对接触网的全生命周期管理，可提高接触网工程的设计、施工、运营和维护水平，节省设计投资，降低设计错误的可能性，有效减少设计变更，提高了设计效益并创造良好的经济效益。

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With regards to problems existed on improper information relatedness, improper cooperativeness between systems, difficult design verifications for two-dimensional design of overhead contact system (OCS), discussions have been made on implementation objectives for OCS design by application of BIM, key functions and technologies of building information modeling (BIM), providing a reference for realization of BIM design system for OCS.

Overhead contact system (OCS); building information modeling (BIM); three-dimensional design

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.002

U225.1

A

1007-936X(2017)05-0005-05

韩志伟.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，博士后；黎 锋.中铁电气化勘测设计研究院有限公司BIM中心，高级工程师；杨凯镜.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。

2017-01-18