■ 李良威 李朝陽 徐劍 游霞
牽引變電站作為電氣化鐵路電力供應(yīng)的主體,其高質(zhì)量、高精度的設(shè)計和施工對整個鐵路的正常、安全、可靠運(yùn)行具有重要作用。隨著鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展,對勘察設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化的要求越來越高,現(xiàn)行設(shè)計手段已經(jīng)難以滿足鐵路,尤其是高速鐵路設(shè)計的需求?;诮ㄖ畔⒛P停˙IM)技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計可顯著提升設(shè)計效率、提高設(shè)計精度,能增強(qiáng)設(shè)計人員、施工人員、運(yùn)營管理人員的立體感,是滿足市場需求、整體提升設(shè)計水平的有效工具。電氣化三維數(shù)字化設(shè)計不僅是設(shè)計軟件的開發(fā),而且包括一系列設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計流程的制定,以及觀念和設(shè)計習(xí)慣的更改,會存在一定的轉(zhuǎn)換周期,因此建立電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)數(shù)字化三維設(shè)計平臺是十分必要和迫切的。
目前,我國各鐵路設(shè)計單位的電氣化設(shè)計主要采用二維設(shè)計軟件,這些設(shè)計軟件盡管在一定程度上提高了設(shè)計效率,但也存在一些不足。
(1)對于需要多視圖、多剖面描述的復(fù)雜空間設(shè)計內(nèi)容,由于二維設(shè)計缺乏直觀的效果,難免造成遺漏和差錯,有些差錯到施工階段才能發(fā)現(xiàn),如限界、電氣絕緣方面的差錯等,造成不必要的返工和浪費(fèi)。更為嚴(yán)重的是有些差錯甚至在運(yùn)營期間才發(fā)現(xiàn),給運(yùn)輸安全埋下極大隱患。
(2)設(shè)計人員在設(shè)計過程中難以對施工現(xiàn)場的地形地貌、橋隧路基等構(gòu)筑物有直觀認(rèn)識和全面感知,一些復(fù)雜和特殊的工點(diǎn),往往必須通過設(shè)計人員反復(fù)現(xiàn)場踏勘實(shí)測,才能確定技術(shù)方案,造成設(shè)計周期長,效率低。
(3)由于只能生成二維的設(shè)計成果,難以展示設(shè)計的立體效果,不能給鐵路項目,尤其是海外工程對景觀、環(huán)評要求提供評估和決策依據(jù)。
(4)由于設(shè)計成果僅反映各專業(yè)單一的設(shè)計內(nèi)容,缺乏共同的設(shè)計平臺,難以檢查專業(yè)間的接口關(guān)系,不能及時發(fā)現(xiàn)相互間的沖突,造成設(shè)計質(zhì)量總體性差。
BIM技術(shù)的核心是通過在計算機(jī)中建立虛擬的工程三維模型,同時利用數(shù)字化技術(shù)為這個模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物及設(shè)備構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息,還包含非構(gòu)件對象信息。借助這個富含工程信息的三維模型,工程的信息集成化程度大大提高,從而為工程項目的相關(guān)利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺。與傳統(tǒng)設(shè)計相比,BIM具有不可替代的優(yōu)勢:
(1)三維數(shù)字化設(shè)計用完全真實(shí)的尺寸和形狀在計算機(jī)屏幕上展現(xiàn)產(chǎn)品的形狀、特征、加工狀態(tài)、材質(zhì)等信息,便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交流和共享。
(2)計算機(jī)可對虛擬設(shè)計的三維模型進(jìn)行實(shí)物模型無法實(shí)現(xiàn)的各種操作,例如對電氣設(shè)備、接觸網(wǎng)零件或裝配件進(jìn)行各種形式的剖切、電氣設(shè)備絕緣距離校核和運(yùn)動模擬等。
(3)具有高技術(shù)含量的三維模型還廣泛地應(yīng)用到靜/動態(tài)干涉檢查、性能仿真和模擬等領(lǐng)域,在設(shè)計前期就完成所有電氣設(shè)備的預(yù)布置,各種零部件的數(shù)字化預(yù)裝配工作,可顯著減少設(shè)計變更、錯誤和返工。
(4)實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬、裝配模擬、物料跟蹤等,對材料進(jìn)場與人員、機(jī)械及環(huán)境進(jìn)行高效配置,對項目構(gòu)建可視化的數(shù)字建筑模型,使整個工程項目在設(shè)計、施工和使用等各階段都能有效實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、智能化管理,應(yīng)用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工程全壽命周期管理理念。
基于BIM技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計基本流程見圖1。
通過國內(nèi)外市場調(diào)研認(rèn)為,面向建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施生命周期的歐特克BIM解決方案是以Autodesk Revit和AutoCAD Civil 3D等軟件創(chuàng)建的智能模型為基礎(chǔ),一系列強(qiáng)大的配套解決方案則能以虛擬方式對項目進(jìn)行可視化和模擬,并可用于文檔制作、專業(yè)制圖、數(shù)據(jù)管理和協(xié)作,從而進(jìn)一步發(fā)揮BIM的強(qiáng)大優(yōu)勢。在此根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)選取Autodesk Revit 2013作為軟件的開發(fā)平臺。
圖1 三維設(shè)計的基本流程
在創(chuàng)建電氣主接線實(shí)現(xiàn)變電所的三維布置時,需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備族,所有的電氣一次設(shè)備元件符號均從設(shè)備元件族中調(diào)用。三維模型族不僅在幾何參數(shù)層面上描述電氣系統(tǒng),而且將牽引供電系統(tǒng)工程的設(shè)計參數(shù)、設(shè)計過程、設(shè)計規(guī)則及行業(yè)知識封裝于三維模型中,這樣才能解決參數(shù)、規(guī)則對模型的驅(qū)動與更新機(jī)制問匙。建立電氣設(shè)備參數(shù)化的三維模型是整個牽引供電系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。以牽引變壓器為例的設(shè)備族模型見圖2,對應(yīng)的類型屬性見圖3。
圖2 牽引變壓器設(shè)備族模型
圖3 牽引變壓器設(shè)備族類型屬性
電氣主接線圖是開展?fàn)恳╇娤到y(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),所有電氣一次設(shè)備對應(yīng)著相應(yīng)的電氣設(shè)備族。以此為基礎(chǔ),結(jié)合相應(yīng)的電氣設(shè)備布置、間距所要求的規(guī)程和規(guī)范,實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的三維布置。牽引變電所三維布置模型見圖4。
(1)電氣網(wǎng)絡(luò)匹配檢查:可通過對電氣主接線和電氣設(shè)備三維布置模型之間的關(guān)聯(lián),通過電氣主接線檢查設(shè)備布置、設(shè)備間連線的正確性,檢查設(shè)備間電路邏輯關(guān)系,直觀地反映出電氣設(shè)備的關(guān)聯(lián)。
(2)碰撞絕緣檢查:通過三維模型精確的坐標(biāo)和屬性,自動檢查機(jī)械安裝方面的沖突,以及帶電體與接地體之間的絕緣間距要求,避免了工程設(shè)計中的“碰、漏、缺”現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)高精度無差錯設(shè)計。
(3)工程數(shù)量統(tǒng)計:通過對主接線中設(shè)備的統(tǒng)計得到電氣設(shè)備清單,并對設(shè)備材料清冊中的設(shè)備數(shù)量進(jìn)行核實(shí)。
(4)生成施工圖:系統(tǒng)可以自動生成平面布置圖、立面圖、剖面圖,該圖紙隨著三維模型的改動而自動實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)改動。
(5)協(xié)同設(shè)計:使各工種之間的設(shè)計數(shù)據(jù)得到可視化共享,系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動更新保證成果的實(shí)時性及唯一性,避免傳統(tǒng)設(shè)計中由于各個專業(yè)間互提資料、溝通問題造成的數(shù)據(jù)前后不一致,并實(shí)現(xiàn)正確的設(shè)計流程管理。
(6)數(shù)據(jù)軟件接口:牽引變電所三維模型包含整個工程的所有數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)接口可以很方便地導(dǎo)出設(shè)計參數(shù)至相關(guān)的計算軟件,進(jìn)行分析計算,例如把數(shù)據(jù)導(dǎo)入CDEGS Software軟件,對接地、防雷保護(hù)進(jìn)行仿真計算;可以直觀地查看跨步電勢、電氣設(shè)備和導(dǎo)線是否處于避雷裝置的保護(hù)范圍內(nèi),提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性和可信度。
基于BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)牽引變電站的三維設(shè)計,為設(shè)計方解決了“設(shè)計內(nèi)容是如何建造”的問題;為施工方解決了“施工是否組織合理”的問題;為管理方解決了“如何去管理和控制”的問題。隨著鐵路電氣化建設(shè)的發(fā)展,業(yè)主要求也在提升,尤其是海外工程中,高效率與低誤差是設(shè)計方與業(yè)主共同追求的目標(biāo),使用基于BIM技術(shù)的三維可視化、協(xié)同化、智能化的設(shè)計模式,采用先進(jìn)的設(shè)計手段提高設(shè)計效率,充分發(fā)揮其在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中的優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路牽引變電站全壽命周期管理,提高工程設(shè)計、施工、運(yùn)營的科學(xué)管理水平,促進(jìn)電氣化鐵路全面信息化和現(xiàn)代化,具有巨大的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
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圖4 牽引變電所三維布置模型