高昉

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043）

BIM技術是目前我國鐵路行業(yè)備受關注的信息化技術，已成為促進鐵路工程建設管理方式改革及鐵路工程建設信息化的主要推動力［1］。BIM應用不僅是設計工具的變革，也是一種設計理念、生產(chǎn)方式的變革，是一個長期而艱巨的變革過程［2］。鐵路行業(yè)各領域的BIM技術應用范圍與深度也在逐漸發(fā)展。鐵路設計單位電力專業(yè)面臨實現(xiàn)BIM設計的機遇與挑戰(zhàn)，鐵路電力專業(yè)傳統(tǒng)設計手段存在諸多不足，一定程度上制約著整個鐵路項目的設計周期，具有實現(xiàn)信息化設計的強大內生驅動力，建立其BIM設計工具系統(tǒng)意義重大。但目前相關研究處于起步階段，成果較少，已有的電力專業(yè)BIM設計工具非常有限，其智能化程度、內容、架構等方面均不能滿足鐵路電力BIM設計要求。以服務鐵路建設全生命周期為目的，搭建數(shù)據(jù)驅動、信息完整、架構合理、設計高效的符合國際BIM標準的BIM設計工具系統(tǒng)，能夠最大化地發(fā)揮信息價值，解決傳統(tǒng)設計手段的問題，為鐵路事業(yè)的智能化、信息化提供支撐。從系統(tǒng)論、方法論的角度，結合電力專業(yè)實際特點及鐵路BIM技術應用現(xiàn)狀，對電力專業(yè)BIM設計工具系統(tǒng)進行探討，給出設計工具范例，并提出展望。

1 傳統(tǒng)鐵路電力專業(yè)設計現(xiàn)狀

鐵路電力專業(yè)覆蓋范圍廣、內容多，從高壓外電源到插座接線都屬于電力專業(yè)設計范圍。梳理傳統(tǒng)設計流程，與鐵路行業(yè)其他專業(yè)以及行業(yè)外電力專業(yè)對比，傳統(tǒng)鐵路電力設計手段具有以下特點：設計工作量大、處理信息量大、專業(yè)對接多、制約因素多、外業(yè)勘察工作量大、設計周期緊張、資料變化頻繁導致設計返工多、配合施工工作量大、業(yè)主關注程度高。

依靠傳統(tǒng)設計手段，電力專業(yè)設計效率低、水平不高，嚴重制約設計周期，甚至制約鐵路建設周期。如果建立信息模型，借助專門的設計工具與設計方法，上述問題在實現(xiàn)BIM設計過程中將得到一定程度的解決。對傳統(tǒng)設計流程進行基于BIM技術的系統(tǒng)化改造，以期形成系統(tǒng)化的方法與數(shù)據(jù)庫，以及系統(tǒng)化的作業(yè)模式。

2 信息模型與技術標準支撐

2.1 信息模型

鐵路站前專業(yè)BIM設計一般專注于全線路大場景下的幾何建模，由于專業(yè)特點，涉及到的計算、分析等所占比重較少。而電力專業(yè)則不同，除了設備幾何模型的設計，還需要處理大量專業(yè)計算、分析與選型，以及附加信息說明。因此鐵路電力專業(yè)BIM設計必須根植于專業(yè)特點，建立信息模型既要實現(xiàn)設備的三維幾何建模與附屬信息，也不可忽視表達設備之間關系的信息，通過將傳統(tǒng)設計中的計算、選型、設備布置、設計經(jīng)驗等內容進行標準化封裝，使之成為信息模型建設的基礎材料。

2.2 技術標準支撐

針對鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的一系列BIM技術標準［3-7］，鐵路電力專業(yè)BIM設計體系需建立在這些標準的底層架構上，結合本專業(yè)內容、特點進行相關標準的擴充與驗證，并在數(shù)據(jù)模型的建立與信息流通、存儲過程中遵循標準要求。建立能夠兼容本專業(yè)既有內容、標準體系與鐵路BIM標準體系的結構樹。鐵路電力專業(yè)基于IFC標準的結構樹局部示意見圖1。

圖1 鐵路電力專業(yè)基于IFC標準的結構樹局部示意圖

3 設計工具系統(tǒng)

系統(tǒng)是由相互作用、相互依賴的若干部分組合而成、具有特定功能的有機整體，而且這個有機整體又是它從屬的更大系統(tǒng)的組成部分［8］。鐵路電力專業(yè)是一個復雜系統(tǒng)，涵蓋外部電源、貫通線、車站外線、動力及照明配電、FAS與BAS設計等部分，每一部分都是相對獨立的設計內容，各部分之間存在緊密聯(lián)系，同時它又從屬于整個鐵路全專業(yè)所形成的大系統(tǒng)。以系統(tǒng)論的方法，對鐵路電力專業(yè)BIM設計工具進行統(tǒng)籌考慮，建立專業(yè)設計工具系統(tǒng)（見圖2），包括內部設計工具之間的信息流通渠道，并且統(tǒng)一搭建本專業(yè)設計體系對外接口。

圖2 鐵路電力專業(yè)BIM設計工具系統(tǒng)

鐵路電力專業(yè)設計工具系統(tǒng)的研發(fā)應分步推進，一方面可從低壓變電所入手，以其為系統(tǒng)中心環(huán)節(jié)承上啟下，搭建整個設計系統(tǒng)，并預留相關接口。另一方面，對于幾何建模工作量最大的室內外動力及照明配電部分，開發(fā)專門的BIM設計工具，解決設計行業(yè)目前普遍面臨的三維設計手段不充足的問題。

3.1 低壓變電所設計

針對接口眾多、提資反復、重讀工作量大的低壓變電所設計，梳理其傳統(tǒng)設計流程，整理相關標準、經(jīng)驗，在此基礎上開發(fā)完成跨AutoCAD、Office、Bentley平臺的BIM設計軟件（見圖3），可實現(xiàn)低壓變電所的信息化全自動設計，并可輸出三維模型（dgn格式）與二維圖紙。值得關注的是，在開發(fā)過程中，探索出基于傳統(tǒng)設計的標準化整理、自動計算與校驗選型、三維模型智能識別、二維圖紙自動生成的全套設計經(jīng)驗，為后續(xù)軟件開發(fā)提供借鑒，并在程序內部搭建與照明、動力配電等相關內容的接口，后期可以自動生成配電箱系統(tǒng)圖等內容，所完成的BIM模型可在施工、運維階段發(fā)揮相關作用。利用建立的信息模型，還可結合建筑環(huán)境，一鍵式智能化實現(xiàn)所內設備三維布置（見圖4）。

圖3 變電所BIM設計工具局部界面

圖4 一鍵式變電所設備三維布置效果圖

3.2 照明BIM設計工具

通過鐵路電力照明BIM設計工具可以實現(xiàn)照明BIM設計的半自動化，在三維Bentley平臺中完成管線選型、配電箱系統(tǒng)圖生成、設備自動連線、照度計算、自動統(tǒng)計工程量等功能。由于涉及到需要匹配不同的設計環(huán)境以及不同設計人員的操作習慣，該工具尚在逐步完善中。

3.3 其他部分

動力配電設計、電力外線設計、外電源設計、FAS及BAS設計等內容均有待借助專門的研發(fā)，形成專門的設計工具，在實現(xiàn)標準化設計的同時，完成三維模型設計，并給出能夠服務于全生命周期的信息模型。

4 數(shù)據(jù)驅動設計

BIM設計的生命力在于以數(shù)據(jù)驅動設計。在建立數(shù)據(jù)驅動的鐵路電力BIM設計工具系統(tǒng)過程中，同時進行標準建設、自動設計、應用平臺、多專業(yè)協(xié)同設計的推進與完善。在某一項目的BIM設計過程中，形成數(shù)據(jù)流通鏈條，依托逐漸完善的數(shù)據(jù)庫，形成全息化的數(shù)據(jù)模型，模型在需要的場合自動表達出相關屬性，并在軟件執(zhí)行過程中完成相關操作，自動設計、標準建設、協(xié)同設計、應用平臺都是其發(fā)揮作用的重要場合（見圖5）。

圖5 鐵路電力專業(yè)數(shù)據(jù)驅動設計示意圖

自動設計可以解決電力專業(yè)設計工作量大、易返工的難題。協(xié)同設計可以解決電力專業(yè)接口眾多、配合繁復的問題。標準建設可以為電力專業(yè)BIM設計成果應用提供保障。應用平臺建設是面對不同領域用戶的最終途徑。上述各方面都需要鐵路電力專業(yè)BIM研究人員集思廣益，多維度吸收有價值的智慧成果，以期在應用及研究中實現(xiàn)突破。智能電網(wǎng)領域的研究成果為新型能源接入、特高壓輸電、大電網(wǎng)運行控制、數(shù)字化變電站、數(shù)字化電網(wǎng)等發(fā)展奠定了基礎［9］，值得鐵路電力專業(yè)BIM設計人員關注。又如常見的電力專業(yè)照明控制系統(tǒng)，需要敷設專門的控制線纜、配套專門的平臺，但其智能化程度往往不能滿足用戶要求。當電力專業(yè)BIM技術更加成熟時，可以借助完善的信息模型及光波聯(lián)網(wǎng)技術、AI技術，實現(xiàn)鐵路電力專業(yè)照明燈具的無線高度智能化控制，不僅節(jié)能還將提升業(yè)主及乘客的滿意度。

5 結束語

當前，推進BIM技術在鐵路工程全過程的研究應用仍然任重道遠［10］。BIM技術應用于鐵路電力設計領域大有可為。鐵路電力專業(yè)BIM設計工具系統(tǒng)將逐漸建立完善，對設計的支撐度會越來越高。以數(shù)據(jù)驅動設計的思想推進電力專業(yè)BIM設計，打通數(shù)據(jù)流通鏈條，可以最大化發(fā)揮信息價值，更好地服務于工程全生命周期。在不同的應用場合，借助于AI技術及硬件智能化、云技術等，鐵路電力專業(yè)信息模型會展現(xiàn)出越來越多的創(chuàng)新點。設計人員應對此持開放的視角，期待實現(xiàn)進一步提升效能的創(chuàng)新點。鐵路電力專業(yè)BIM設計工具中的很多內容也可以應用到其他行業(yè)，如軌道交通、工業(yè)與民用建筑等，助力經(jīng)濟社會共同發(fā)展。