高铁接触网工程的BIM应用赏析


  本文依托BIM技术数字化、可视化、设计协同、全生命周期等特性,研究BIM 技术在接触网设计、施工全套工艺流程中的应用,以达到辅助设计、指导施工、数据集成与传递、服务运维的目的。

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  接触网设备是由支柱基础、支柱、腕臂、定位装置、接触线、承力索、吊弦、附加导线等构成。接触网设备零部件众多,空间结构复杂,涉及电气、结构、机械等多个领域,需要一种参数化快速建模的方式,实现腕臂的装配设计和线路布置。

  根据《电气化铁路接触零部件(TBT 2075-2010)》标准,对腕臂支撑装置、定位装置、补偿装置、接触悬挂等涉及到的零部件,根据功能及型号进行建模,建立零部件三维族库。对于工程实际中运用到的非标零部件或新设备,要及时在族库中增加,保证族库零部件模型的完整。

  目前,只有Power rail overhead line 接触网专用软件,因此,在选择某一软件平台后,用户要建立自己的三维族库,并随着接触网新工艺、新设备的出现,及时完善三维族库。

  零部件三维族库建立以后,调取族库模型,对接触网腕臂支撑装置进行可视化装配,形成接触网腕臂装配库,包括下锚柱、中间柱、转换柱、中心柱等腕臂装配类型。

  在Autodesk 等平台中,开发二次插件,实现腕臂理论计算,根据设计的基本要求的侧面限界、外轨超高等,生成腕臂管及相关部件的理论长度,并实现腕臂的可视化、参数化装配。

  在腕臂可视化装配过程中,将腕臂零部件的几何信息和非几何信息等设计期属性数据补充完整,例如,定位点导高、拉出值,腕臂零部件的长度、尺寸、名称、材质等。

  将生成的腕臂装配以及支柱、支柱基础、接触线、承力索、附加导线等模型按照设计规则,布置到路基、桥梁、隧道、站场等站前专业的模型上。

  将生成的BIM和其他专业模型进行碰撞检查,达到设计协同的目的。硬碰撞检查,对接触网基础、支柱等与路基、桥梁、隧道、声屏障专业进行“差、错、漏、碰”检查,生成检查报告,对设计错误或者设计冲突的及时修改,减少设计变更的发生;软碰撞检查,检查接触网线路的绝缘距离是不是满足要求,尤其是在上跨接触网的大桥、电力线路等绝缘薄弱位置。

  接触网设计过程中,利用BIM通过专门软件进行接触网的仿真模拟,对接触网的弹性悬挂、弓网关系、风偏、支柱容量等进行仿真计算。设计人员对仿真计算结果做评估,使其满足接触网安全性、可靠性原则,以达到设计最优。

  接触网模型建立以后,能轻松实现零部件自动统计,生成工程量清单,解决了人工通过CAD图纸扒图算量费时、费力且容易出错的难题,提高了设计效率。接触网的图纸主要是以平面图和装配图为主,基于BIM的可视化三维图纸通过渲染、漫游,使其相比二维CAD图纸更直观,更易于理解。BIM出图功能可方便地建立接触网的“平、立、剖”图纸,而所生成的图纸和模型逻辑相关,与之关联的图形和参数将自动更新。

  借助BIM技术,采用可视化的方式,实施工程单位能够迅速理解铁路线路的概况,路基、桥梁、隧道的布置,接触网的工程数量,悬挂方式等。对于二维图纸不利于表达的接触网细节,能够最终靠模型清晰反映出来。基于BIM 的接触网设计交底,更利于实施工程单位工程实施,减小了设计和施工之间的沟通难度。

  依托BIM技术可视化特点,通过动画、虚拟现实等手段建立接触网专业关键工序实施工程技术交底库,即三维作业指导书,供实施工程单位培训、学习,避免实施工程人员对施工图的误解,直观地指导施工。依托建立的三维模型,根据施工需求对重点设施安装或者特殊区段施工进行现场模拟,有助于施工预想、发现方案缺漏,熟悉施工流程,提高施工质量。

  接触网关键工序包括:支柱(吊柱)组立及整正、腕臂预制装配、补偿下锚安装、承力索架设、接触线架设、吊弦预制安装、弹性吊索安装、锚段关节(含电分相)调整、交叉(无交叉)线岔安装调整、电连接线安装、设施安装、附加导线架设调整、接触网精调等。

  技术交底库依托BIM技术,细化设施安装流程及工艺、工法。通过BIM 技术的运用,指导编制专项实施工程的方案,直观地对复杂工序做多元化的分析,指导施工快速有序进行。

  高速铁路中,接触网在路基、桥梁段的支柱基础、拉线基础以及隧道中的滑道都是由站前实施工程单位制作,由接触网实施工程单位负责检查预留、预埋位置是不是正确,检查实施工程质量是否符合规范。接触网基础、滑道属于站前专业和站后四电专业的接口部分,为了规范接口部分的施工管理,可利用BIM 技术,在站前专业BIM 的基础上加载接触网基础BIM,进行虚拟建造、虚拟检查。BIM 技术的应用:(1)指导站前实施工程单位预留施工,防止发生预留错误、侵限、碰撞等问题的发生;(2)指导站后四电实施工程单位进行检查,发现问题在模型上进行标注,并反馈给站前施工单位做处理。基于BIM 的接触网基础施工管理,可提高接口的施工质量,还能解决站前与站后实施工程单位之间沟通、协调不畅的难题。

  工程实施期间,对接触网设备进行构件化工程分解,例如,支柱基础、支柱、拉线、腕臂支撑、定位装置、下锚补偿装置、中心锚结、吊弦、隔离开关、避雷器等,并对构件进行实例化编码。施工时,通过完成的接触网工程实体构件编码关联BIM的ID,驱动模型变色,通过颜色变化展示工程进度,红色表示接触网支柱组立完成。利用BIM对工程实际进度与计划进度进行对比,分析工期提前或滞后,达到滞后预警值时,进行相应的报警,将施工组织信息和BIM 融合,辅助施工管理。

  基于BIM+GIS模型,接入人员、大型机械设备(轨道车、接触网放线车等)的定位数据,对人员、大型机械设备进行定位及管理工作,实现人员、大型机械设备位置实时监测;并接入大型机械设备上的视频信息,实现在模型上查看行驶及施工状态。基于BIM+GIS的人员、车辆定位管理,达到人员、机械位置可视化,行车、施工可视化的目的。此外,根据上道任务计划,结合作业区间机械设备的运行计划(时间、路线等),在上道作业前给出风险提示。通过人员、机械车辆的定位数据、速度数据,对施工人员与危险源的距离进行预判,并提前预警。

  接触网在工程实施过程中,产生了大量的数据,包括设计信息、生产制造信息、进场检验信息、预配加工信息、施工安装信息、竣工验收信息等,这些数据随着工程的推进逐渐增加。

  在接触网设计期建模的过程中,将设计信息添加到BIM中,包括几何属性和非几何属性,例如支柱的长度、截面尺寸、型号、名称、材质、支柱容量、寿命等。

  接触网支柱制造完成出厂前,在支柱表面粘贴二维码,通过信息化的手段,将支柱的出厂信息和二维码绑定,通过扫描二维码的方式能够调阅支柱的厂家、生产批次、出厂编号、型号、材质等基本信息。接触网腕臂支撑装置在安装之前,需要提前进行工厂化预配。根据现场测量的侧面限界、外轨超高、支柱斜率等参数计算腕臂等相关部件的下料长度,经过切削、加工,最后组装成腕臂支撑装置。只有经过现场测量和计算才能满足接触网导高、拉出值等设计要求。

  在接触网支柱及其他设备安装、调试过程中,再次扫描二维码,附加安装、调试信息,例如安装(调试)时间、负责人、监理人、现场安装照片、安装(调试)记录等。对设计期BIM,经过轻量化处理后,进行数模分离,将BIM属性信息导入到数据库中。再将接触网设计信息、出厂信息、入场检验信息、安装信息、腕臂(吊弦)预配信息、验收信息等也导入数据库中,通过BIM的ID 关联接触网构件实体构件编码,按照“一杆一档”的数据要求进行重新组织,实现BIM的数据关联和集成,最终实现基于BIM的设计、施工数据传递。

  针对新建高速铁路,铁路BIM联盟提出了基于BIM技术的数字化竣工交付,按照运维管理资料移交要求,辅助运营单位对各种资料进行收集、整理。通过建设阶段的数字化移交,将接触网BIM承载的建设管理的过程信息无缝转移到运维阶段,完成建设BIM向运维BIM的深化,实现运营期的基于BIM的接触网台账、故障病害和维修履历管理;通过有效管理和融合分析运维阶段的各类检测和维修数据,实现接触网设备的安全、高效运行。

  运利用BIM 技术可视化、参数化等特性,辅助接触网设计,提高设计效率,通过碰撞检查、仿真模拟,实现接触网设计方案最优,满足接触网设计安全性、可靠性原则;在接触网安装实施阶段,利用BIM 技术进行设计交底,施工方案交底,指导接触网安装施工,提高实施工程质量,提升施工管理水平。接触网设计、施工阶段产生的大量数据,利用BIM 技术实现有效集成和传递,通过数字化竣工交付,将工程建设阶段的数据无缝转移到运维阶段,为将来实现智能运维奠定基础。

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