BIM技术在接触网腕臂预配中的应用研究

金 光

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 电化处，陕西 西安 710043）

0 引言

BIM技术将工程项目中的单一构件或物体作为基本元素，将描述基本元素的集合数据、物理特性、施工要求、价格资料等相关属性进行有机组织，形成数据化的工程模型，作为贯穿整个工程项目全生命周期的数据资料库[1]。BIM技术具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等技术特点[2-3]。

BIM技术的实际应用，将会打破传统平面二维图的设计模式，使现有的设计思想、设计方法、设计流程及设计管理方式等发生一系列变革，为工程设计人员提供一种崭新的设计方法和手段[4-5]。

1 研究现状

目前，国内外在航空航天、汽车等机械制造行业及建筑领域均广泛采用BIM技术对主要组件进行三维模拟装配，以指导现场人员进行精确拼装，提高制造精度及工作效率[6-7]。

接触网作为电力机车供电的重要固定设施，其工作状态关系到弓网受流质量，并直接影响列车运行的安全性及稳定性。

目前，国外高速铁路建设项目中，接触网的设计及施工均采用了精确预配方式，即根据接触网设计参数和现场实测数据，对接触网腕臂进行精确计算，保证腕臂零部件按预配计算结果提前拼装，现场施工一次安装到位，减少后期二次调整量，确保接触网安装状态精确，满足设计要求及列车运行要求。现阶段，我国接触网腕臂预配成果仍主要以二维图纸的方式表达，可视化程度较低，信息承载量有限[8]。

在此背景下，将BIM技术与现有接触网腕臂预配技术相结合，开发具有接触网腕臂三维信息可视化装配功能的专业软件，能够进一步提高接触网腕臂预配成果的可用性及可视化程度，从而达到节约成本、合理控制工程进度的目的，同时为实现铁路工程项目接触网系统的信息化运维奠定基础[9-11]。

2 技术思路

目前，B I M软件种类较多，各具优势，其中Autodesk公司的Revit软件作为建筑行业主流的BIM设计软件，功能强大且应用广泛。在该软件的基础上，以二次开发的方式开发接触网腕臂三维可视化装配软件系统（简称系统），实现二、三维出图，精细化算量，工程施工模拟等功能。

2.1 设计目标

（1）利用Revit软件参数化建模的优势，建立接触网腕臂各组成单元（零部件）的精细化、参数化族模型，其建模精度需符合腕臂预配技术工程应用阶段的现场要求。

（2）以数据库关联技术为实现手段，将现有的腕臂预配技术算法与Revit软件的参数驱动模型相关联，通过开发底层数据接口，实现腕臂预配参数的传递，驱动参数化BIM模型的属性更新。

（3）在Revit软件环境下，通过三维坐标转换技术，根据各类腕臂预配安装形式的要求，实现腕臂BIM模型的自动化装配。

（4）实现Revit软件环境下接触网腕臂预配模型的批量装配、批量出图、批量算量功能，提高设计效率，降低设计成本。

（5）接触网腕臂BIM预配成果能够用于接触网系统BIM设计、施工以及运维等工程全生命周期中信息模型及数据的有效复用及共享[4-5]。

2.2 系统架构

接触网腕臂预配是设计与施工双方共同参与完成的一项数据量大、计算强度高的精细化设计工作。根据接触网腕臂预配技术对设计参数以及现场数据输入的要求，结合腕臂零部件BIM模型实现自动化装配功能的具体需求，对系统架构及工作流程进行梳理（见图1）。

（1）外部测量数据。主要包括：轨面宽度、外轨超高、侧面限界、跨距等。

（2）接触网系统参数。主要包括：导线高度、结构高度、拉出值、受电弓包络线最大抬升高度等。

（3）腕臂零部件参数化族库。主要包括：平腕臂底座、斜腕臂底座、平腕臂绝缘子、斜腕臂绝缘子、腕臂支撑管卡子、套管双耳、承力索座、定位环、定位管支撑管卡子、定位器、定位支座、定位管卡子、锚支定位卡子、定位线夹等。上述零部件均在Revit软件环境下采用族的形式进行参数化建模，并附加必要的几何、机械及电气等属性信息，形成完整的接触网腕臂预配BIM族库。

以平腕臂绝缘子为例，族模型及其属性信息见图2、图3。

图1 系统架构

图2 平腕臂绝缘子族模型

图3 平腕臂绝缘子族模型属性信息

3 系统设计

3.1 系统界面

按照系统架构，在Revit软件环境下，采用二次开发的方式，构建接触网腕臂装配功能模块。系统功能调用选项卡及操作界面见图4、图5。系统操作界面主要由数据加载、数据库、系统配置、计算成果列表、成果输出选项等几部分组成。

3.2 功能实现

3.2.1 接触网腕臂预配计算

该功能通过调用现有接触网腕臂预配算法的方式实现，即根据外部测量数据和接触网系统参数，依据参数化计算模型计算出腕臂结构各点的坐标，并通过加载相应零件的尺寸参数和工况相关数据进而推算出腕臂管状零部件的尺寸及其安装角度。该功能的实现需要对预配数据库及零部件参数进行配置，操作界面见图6、图7。

3.2.2 接触网腕臂BIM模型自动化装配

由于接触网腕臂模型需要在Revit软件的三维环境下实现自动化装配，因此需要将接触网腕臂预配计算得到的零部件尺寸、安装角度及坐标等参数，通过二、三维坐标转换算法，精确计算出腕臂结构各零部件的三维插入点坐标，并调用族库中相对应的零部件族模型，将其加载至正确的位置，从而完成腕臂预配成果的三维自动化装配。接触网腕臂BIM模型见图8。

系统能够按照接触网锚段或自定义范围的方式，通过加载所对应的输入数据及所需族库模型，实现接触网腕臂BIM模型的批量装配，并自动保存至用户配置路径中。

图4 系统功能调用选项卡

图5 系统操作界面

图6 预配数据库配置界面

图7 腕臂零部件参数配置界面

3.2.3 二、三维出图

接触网腕臂装配模型能够以二、三维相结合的方式自动生成预配图纸，该出图模式与常规二维出图模式相比，具有可视化、信息化及参数化程度高等优势，能够更为直观地反映预配成果，有效指导现场施工。接触网腕臂装配模型出图形式见图9。

3.2.4 工程量精细化统计

完成预配模型装配后，系统能够自动调用Excel表格，动态生成接触网腕臂零部件工程数量表，并以单腕臂或批量汇总的形式分类汇总。

图8 接触网腕臂BIM模型

图9 接触网腕臂装配模型出图形式

实现零部件级工程量的精细化统计，能够为现场施工开展成本分析、物料进度管理等工作提供数据支撑。

3.3 模型整合及应用

系统可以实现对接触网各锚段腕臂进行精确预配计算并建立相匹配的腕臂预配BIM模型库，在此基础上，通过模型链接的方式开展专业内与专业间BIM模型的整合，实现三维GIS场景下的实时漫游、四维施工模拟、碰撞检查等功能，有效提高设计成果质量，起到节约成本、合理控制工程进度的目的。专业内及专业间模型整合后的三维可视化成果见图10、图11。

图10 接触网专业BIM模型整合效果

图11 多专业BIM模型整合效果

4 结束语

系统充分利用BIM技术参数化、可视化等优势，结合接触网腕臂预配技术的特点，提供表达形式更为直观、信息量更为丰富的接触网腕臂预配成果，能够有效指导现场施工，达到节约成本、合理控制工程进度的目的[12]。同时，系统作为接触网专业开展BIM技术应用的有益探索，为铁路工程项目全生命周期内的BIM技术深化应用奠定了基础。