楊社安，尚永峰

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430074）

0 引言

目前，BIM 技術(shù)越來越多地應(yīng)用于鐵路四電工程，BIM技術(shù)及其信息技術(shù)工具的多種能力被逐步應(yīng)用到設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)管等各個流程，以提升工作效率與質(zhì)量，規(guī)避系統(tǒng)工程建設(shè)風(fēng)險，提高項(xiàng)目整體效益［1］。雖然BIM技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的許多問題，但是新問題仍不可避免。例如，建?？赡芤?yàn)槿藶槭韬龆霈F(xiàn)錯誤；二維圖紙翻模能檢驗(yàn)到模型硬碰撞，卻無法避免模型軟碰撞；不能及時檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠穹显O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等。鑒于接觸網(wǎng)在鐵路工程中的重要性，利用BIM技術(shù)進(jìn)行接觸網(wǎng)模型規(guī)則檢驗(yàn)，協(xié)助設(shè)計(jì)調(diào)整，成為保證鐵路工程建設(shè)順利進(jìn)行的有效措施之一［2］。

1 接觸網(wǎng)工程BIM技術(shù)應(yīng)用

1.1 應(yīng)用價值

在傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)中，存在二維圖紙不能直觀表現(xiàn)設(shè)備與環(huán)境的復(fù)雜關(guān)系、站前接口不易檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)沖突不易發(fā)覺等問題，需要借助新的技術(shù)手段輔助設(shè)計(jì)工作。BIM技術(shù)的核心是在可視化三維模型的基礎(chǔ)上，使模型附帶與實(shí)際情況一致的完整工程信息庫，該信息庫包括幾何信息和非幾何信息，如模型內(nèi)外部空間結(jié)構(gòu)幾何信息，構(gòu)件材料、質(zhì)量、進(jìn)度等，可以為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營提供模擬、分析、管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，非常有必要引入BIM技術(shù)輔助接觸網(wǎng)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。接觸網(wǎng)沿線路三維空間布置示意見圖1。

BIM技術(shù)應(yīng)用于接觸網(wǎng)工程的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：

圖1 接觸網(wǎng)沿線路三維空間布置示意圖

（1）為設(shè)計(jì)方案論證提供條件。BIM模型附帶的接觸網(wǎng)工程信息庫為性能分析提供了基礎(chǔ)條件［3］，也為完成接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)方案提供了便利條件。

（2）為協(xié)同設(shè)計(jì)提供信息基礎(chǔ)。接觸網(wǎng)中的零部件實(shí)體（如支柱、基礎(chǔ)、腕臂、接觸懸掛、下錨等）可以作為BIM模型的基本圖形元素或族實(shí)例，利用BIM模型進(jìn)行接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的過程可以不斷確定和修改接觸網(wǎng)零部件的空間位置與參數(shù)。采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，構(gòu)件屬性可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與互動，基于BIM 技術(shù)的可視化協(xié)同設(shè)計(jì)可即時發(fā)現(xiàn)問題并解決設(shè)計(jì)沖突［4］。

（3）提高設(shè)計(jì)修改與出圖的效率。接觸網(wǎng)BIM 模型于計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬建造，設(shè)施設(shè)備通過屬性參數(shù)進(jìn)行區(qū)分，軟件可快速、準(zhǔn)確地識別并提取數(shù)據(jù)，修改后的模型數(shù)據(jù)自動更新，大大減少出圖工作量。BIM模型支持創(chuàng)建平立剖面設(shè)計(jì)或施工圖紙，生成的圖紙來源為一個模型，且圖紙與模型實(shí)時關(guān)聯(lián)，模型修改則圖紙自動修改［5］。利用BIM 模型直接出圖，使設(shè)計(jì)人員專注于設(shè)計(jì)構(gòu)思和分析，提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.2 規(guī)則檢驗(yàn)的必要性

隨著我國鐵路工程建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，鐵路工程信息量越來越大，對接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、維修等要求也越來越高，接觸網(wǎng)模型精度要求也隨之提高。接觸網(wǎng)模型應(yīng)包含更抽象、語義更豐富的信息，僅靠人眼檢測難以確保模型質(zhì)量和精度。

目前，規(guī)則檢驗(yàn)僅作為設(shè)計(jì)人員的決策支持系統(tǒng)，仍需用戶參與。然而，規(guī)則檢驗(yàn)的最終目的是作為一個完全自動化系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)人員專注于工程性能本身（如安全性、可持續(xù)性等）。顯然，還不能達(dá)到無用戶參與的智能規(guī)則檢驗(yàn)，仍需在多領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)則檢驗(yàn)嘗試，且需要新技術(shù)的融合。

2 智能規(guī)則檢驗(yàn)實(shí)施

2.1 檢驗(yàn)依據(jù)

模型規(guī)則檢驗(yàn)不是單純的碰撞檢測，而是利用給定的規(guī)則約束信息去驗(yàn)證是否滿足該規(guī)則的過程。接觸網(wǎng)工程的模型規(guī)則檢驗(yàn)同樣不局限于零部件的碰撞檢測，應(yīng)明確定義其規(guī)則約束信息，盡管有些規(guī)則可嵌入?yún)?shù)化系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)生成（如在Rhino 中運(yùn)行的Grasshopper）。接觸網(wǎng)工程BIM 模型規(guī)則檢驗(yàn)的關(guān)鍵不僅在于具體的規(guī)則約束信息，還在于檢驗(yàn)對象及參數(shù)。因此，在接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)的范疇下，用于規(guī)則檢驗(yàn)的候選規(guī)則必須清晰、明確、合適，檢驗(yàn)參數(shù)選取的合理性和規(guī)則的來源對于接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)有較重要的影響。整理接觸網(wǎng)工程規(guī)則檢驗(yàn)來源如下：

（1）GB 146.2—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界》；（2）GB 50262—2013《鐵路工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》；（3）GB/T 32578—2016《軌道交通地面裝置電力牽引架空接觸網(wǎng)》；

（4） TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》；

（5）TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》；

（6）TB/T 2073—2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》；

（7）TB/T 2074—2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》；

（8） TB/T 2075—2010 《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》；

（9）TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）》；

（10）TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）》；

（11）《電氣化鐵道接觸網(wǎng)基礎(chǔ)知識》（中國鐵道出版社，2018年）；

（12）《接觸網(wǎng)》（中國鐵道出版社，2008年）。

2.2 檢驗(yàn)流程

通常來說，規(guī)則檢驗(yàn)是利用人工方式將設(shè)計(jì)模型技術(shù)參數(shù)與規(guī)則進(jìn)行比對。該檢驗(yàn)以鐵路四電工程中的接觸網(wǎng)工程為對象，研究利用BIM 技術(shù)作為輔助模型審查的工具，以此來降低人工審查可能造成的錯誤［6］。目前，規(guī)則的建立沒有一種廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，Eastman 等［7］于 2009 年在總結(jié)過去 20 年規(guī)則檢驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一般化規(guī)則檢驗(yàn)的四階段模型，該模型四階段均有不同的功能重點(diǎn)，該規(guī)則檢驗(yàn)系統(tǒng)包含的功能及檢驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1 規(guī)則檢驗(yàn)系統(tǒng)包含功能及檢驗(yàn)內(nèi)容

如表1所示，在一般化規(guī)則檢驗(yàn)流程基礎(chǔ)上，得到接觸網(wǎng)工程BIM 模型規(guī)則檢驗(yàn)四階段：模型準(zhǔn)備→規(guī)則解讀→模型審查→審查報(bào)告。

（1）模型準(zhǔn)備。接觸網(wǎng)工程包含各種零部件，每個零部件都有大量參數(shù)，建立的接觸網(wǎng)BIM 模型參數(shù)類型和數(shù)量也比較多［8-9］。對模型進(jìn)行規(guī)則檢驗(yàn)，只需要關(guān)注特定的參數(shù)，而對于類似尺寸標(biāo)準(zhǔn)的信息并沒有進(jìn)行驗(yàn)證的要求。如果對所有參數(shù)都進(jìn)行“掃描”監(jiān)測，不僅浪費(fèi)時間，也沒有必要。因此對于需要驗(yàn)證的BIM 模型，要按照規(guī)則檢驗(yàn)的要求進(jìn)行“初始化”整理，如統(tǒng)一坐標(biāo)系，對命名規(guī)則不一致的參數(shù)名稱進(jìn)行調(diào)整等，以保證驗(yàn)證順利通過。

（2）規(guī)則解讀。根據(jù)接觸網(wǎng)工程規(guī)則檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，對需要驗(yàn)證的檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)BIM 模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將文本化的檢驗(yàn)條目轉(zhuǎn)化為可以加載到BIM 模型上操作的可執(zhí)行代碼，為下一步加載到BIM 模型，并運(yùn)行模型檢驗(yàn)作好準(zhǔn)備。

（3）模型審查。利用編程語言與Revit API 將需要運(yùn)行的檢驗(yàn)規(guī)則代碼加載到BIM 模型，運(yùn)行檢驗(yàn)代碼后，對模型中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行自動提取，與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比對，并保留比較結(jié)果［10］。

（4）審查報(bào)告。對所有檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，包括所有檢測點(diǎn)與規(guī)范符合情況，可以支持導(dǎo)出數(shù)據(jù)明細(xì)清單表。

3 BIM模型規(guī)則檢驗(yàn)實(shí)證

3.1 實(shí)施情況

本次BIM模型規(guī)則檢驗(yàn)針對2段不同模型進(jìn)行，試點(diǎn)范圍選取梅汕客專DK86+000—DK104+350 相對典型線路，線路長度18.35 km。該模型檢驗(yàn)選取長度2～4個錨段，如果線路長度太長會影響運(yùn)行速度，因此并不需要太長線路以顯示模型檢驗(yàn)的可行性。該試點(diǎn)模型第1 段為BIM 設(shè)計(jì)模型，錨段A 為DK86+000—DK97+450，第2 段為BIM 施工模型。本次模型檢驗(yàn)在Revit接觸網(wǎng)模型檢驗(yàn)插件基礎(chǔ)上實(shí)施，該插件通過Revit API開發(fā)。檢驗(yàn)的菜單欄界面見圖2。

圖2 菜單欄界面

Revit 二次開發(fā)模塊將接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范數(shù)據(jù)寫入程序，在布置接觸網(wǎng)時通過設(shè)計(jì)規(guī)范中的約束數(shù)據(jù)或公式，對方案進(jìn)行校核；對于不滿足規(guī)范要求的節(jié)點(diǎn)，生成明細(xì)表格并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。檢驗(yàn)的參數(shù)限值設(shè)置界面見圖3。

針對錨段A的BIM設(shè)計(jì)模型，本次檢測具體的實(shí)現(xiàn)過程如下：

圖3 參數(shù)限值設(shè)置界面

（1）支柱側(cè)面限界。首先獲取項(xiàng)目中所有支柱，由poleInstance.Lookup Parameter（"DK"）.AsDouble（）獲取支柱里程信息，poleInstance.Symbol.Lookup Parameter（"il"）.AsDouble（）獲取支柱側(cè)面到支柱中心距離。然后根據(jù)支柱里程信息和平面曲線公式，計(jì)算軌道坐標(biāo)（此處略），再利用下式計(jì)算得支柱側(cè)面限界：

支柱側(cè)面限界=支柱放置點(diǎn)坐標(biāo)-支柱側(cè)面到中心距離-軌道坐標(biāo)。

支柱側(cè)面限界檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意見圖4。由圖4的具體驗(yàn)核明細(xì)可知，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

圖4 支柱側(cè)面限界檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意圖

（2）結(jié)構(gòu)高度。以定位線夾（定位器）為基準(zhǔn)建立一個列表，將錨段和支柱編號相同的承力索座添加至列表中；根據(jù)接觸線在定位線夾（定位器）的相對位置和承力索在承力索座的相對位置，分別計(jì)算接觸線和承力索的坐標(biāo)；計(jì)算接觸線和承力索在Z軸上的差值，即為結(jié)構(gòu)高度。結(jié)構(gòu)高度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意見圖5。由圖5 的具體驗(yàn)核明細(xì)可知，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

圖5 結(jié)構(gòu)高度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意圖

（3）接觸線高度。因?yàn)樯婕扒€段軌平面超高的處理及線路自身情況，使得接觸線高度在模型中有較多前提判斷條件。出于研究目的設(shè)定一些前提條件，默認(rèn)曲線外側(cè)為外軌，內(nèi)側(cè)為內(nèi)軌；將緩和曲線的參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，在緩和曲線轉(zhuǎn)向時隨時調(diào)用；復(fù)線鋼軌的軌平面分別抬高并不處于同一平面。具體執(zhí)行為：根據(jù)平面曲線和豎曲線要素值和支柱所在里程數(shù)據(jù)，計(jì)算出A、B`兩點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)超高數(shù)據(jù)，設(shè)置外軌B`點(diǎn)Z軸的高出值得B 坐標(biāo)；AB 連成線Line line=Line.CreateBound（A，B）；讀取D 點(diǎn)到line 的距離line.MakeUnbound（）.Distance（D）；讀取C點(diǎn)到line的距離line.MakeUnbound（）.Distance（C）。接觸線高度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意見圖6。由圖6 的具體驗(yàn)核明細(xì)可知，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

圖6 接觸線高度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意圖

（4）接觸線坡度。在模型里面查詢接觸線構(gòu)件，找出所有接觸線實(shí)例元素；根據(jù)接觸線構(gòu)件編碼查詢連接接觸線兩端的支柱；計(jì)算公式為：

接觸線坡度（‰）=（接觸線終點(diǎn)標(biāo)高偏移-終點(diǎn)支柱底面標(biāo)高-（接觸線起點(diǎn)標(biāo)高偏移-起點(diǎn)支柱底面標(biāo)高））×1 000/接觸線長度。接觸線坡度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意見圖7。由圖7 的具體驗(yàn)核明細(xì)可知，檢驗(yàn)結(jié)果不合格。

圖7 接觸線坡度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意圖

（5）吊弦長度。首先獲取所有吊弦族實(shí)例。在吊弦的實(shí)例參數(shù)中讀取吊弦長度值dropperInstance.LookupParameter（"長度"）.AsDouble（）。吊弦長度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意見圖8。由圖8 的具體驗(yàn)核明細(xì)可知，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

圖8 吊弦長度檢測結(jié)果與部分導(dǎo)出明細(xì)示意圖

3.2 檢驗(yàn)結(jié)果分析

本次接觸網(wǎng)工程BIM 模型檢驗(yàn)，是將規(guī)則檢驗(yàn)融入接觸網(wǎng)BIM 模型中，其中包含設(shè)計(jì)要求和其他方面的要求，從2個方面說明：

（1）接觸網(wǎng)工程BIM 模型規(guī)則能精確檢驗(yàn)構(gòu)件相對位置。本次檢驗(yàn)結(jié)果中，5項(xiàng)檢驗(yàn)參數(shù)僅有接觸網(wǎng)坡度1項(xiàng)結(jié)果不合格。通過四階段檢驗(yàn)流程的設(shè)定，形成一個標(biāo)準(zhǔn)化的模型檢驗(yàn)過程，并基于統(tǒng)一的模型要求滿足模型規(guī)則檢驗(yàn)的需求。在接觸網(wǎng)坡度不合格的檢驗(yàn)結(jié)果中，存在多種出錯的可能性，如與坡度、底座的高度以及腕臂上構(gòu)件的定位數(shù)據(jù)均有關(guān)系，但這不影響模型規(guī)則檢驗(yàn)流程的有效性和檢驗(yàn)效果，可以通過結(jié)果追溯原因，并一一排除。結(jié)果表明，除了模型檢驗(yàn)，接觸網(wǎng)工程還有很多專業(yè)上需要解決的問題。

（2）受制于軌道線路參數(shù)影響，接觸網(wǎng)工程BIM模型規(guī)則檢驗(yàn)效果為相對精確。在檢驗(yàn)過程中，出于研究模型檢驗(yàn)流程的目的，暫未對接觸網(wǎng)專業(yè)考慮周全，尤其受制于軌面超高、豎曲線、緩和曲線等參數(shù)影響。如對于支柱側(cè)面限界的檢測，采取默認(rèn)支柱坐標(biāo)放置位置正確來檢測限界值，這涉及支柱在線路區(qū)段以及支柱準(zhǔn)確性判斷。同時，有關(guān)接觸線高度的確定涉及內(nèi)外軌超高后在緩和曲線段上形成的軌平面精度問題。

4 結(jié)束語

在分析規(guī)則檢驗(yàn)研究必要性的基礎(chǔ)上，基于文獻(xiàn)研究提出接觸網(wǎng)工程BIM 模型檢驗(yàn)的四階段流程，通過實(shí)例驗(yàn)證了規(guī)則檢驗(yàn)流程的可行性，并針對模型規(guī)則檢驗(yàn)中不合格情況進(jìn)行分析，給接觸網(wǎng)專業(yè)BIM 模型審查研究提供了借鑒方向。從檢驗(yàn)結(jié)果看出，可以通過既定的檢驗(yàn)流程，給出模型合格或不合格的檢驗(yàn)結(jié)果，但模型精度依舊難以掌握。因此，需要開發(fā)一種自動建模工具，完善模型精度問題，并對設(shè)計(jì)、施工、現(xiàn)場材料管理等工作進(jìn)行良好輔助。