雷亞麗

（中鐵十七局集團(tuán)電氣化工程有限公司，山西 太原 030000）

牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分[1]，可以稱為鐵路的心臟。隨著鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，其高質(zhì)量的建設(shè)和安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義。然而，牽引變電所內(nèi)設(shè)備多、線路敷設(shè)復(fù)雜且空間結(jié)構(gòu)緊湊，土建及牽引變電專業(yè)交叉施工，施工難度很大，這就對(duì)施工單位工期安排、施工工藝提出較高的要求。在傳統(tǒng)鐵路電氣化改造施工過(guò)程中，常常會(huì)因設(shè)計(jì)院所提供的圖紙，電力、房建、通信等不同專業(yè)間設(shè)計(jì)圖紙的不對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致施工圖紙中存在許多難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中極易導(dǎo)致返工重做、拖延工期等情況的發(fā)生，造成巨大浪費(fèi)。

BIM技術(shù)具有可視化、碰撞檢查、模擬施工和施工信息集成等優(yōu)勢(shì)。能夠在建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)各種存在的問(wèn)題，并通過(guò)模擬動(dòng)畫等形式，有效協(xié)同業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位、廠家和運(yùn)營(yíng)單位等多方，有助于進(jìn)一步提高施工單位的施工能力以及最終完成工程的質(zhì)量。

現(xiàn)以泗安至杭州鐵路電氣化改造工程為例，介紹BIM技術(shù)在既有鐵路牽引變電所施工中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目介紹

泗安至杭州鐵路既有線電氣化改造工程，施工范圍為湖州至杭州（宣杭線K79+930-K219+244），線路總長(zhǎng)度約205 km，跨度范圍大，施工作業(yè)點(diǎn)多。新建牽引變電所4座，均為兩回110 kV進(jìn)線，由地方英牽線1802線和溪牽線1815線引入，分別接入所內(nèi)1、2號(hào)主變壓器，將電壓由110 kV變?yōu)?7.5 kV后，由饋線接入接觸網(wǎng)，為電力機(jī)車供電。牽引變電所正常是一回供電，一回備用，每回27.5 kV饋線設(shè)一臺(tái)斷路器，一臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)和一臺(tái)旁路電動(dòng)開(kāi)關(guān)，每條供電臂設(shè)置一臺(tái)備用斷路器。牽引變電所空間結(jié)構(gòu)緊湊，所內(nèi)設(shè)備卻多、各類導(dǎo)線大量排布，電纜溝、高壓控制室內(nèi)電纜交叉情況嚴(yán)重。為了有效提高施工效率，減少材料損耗，采用基于BIM技術(shù)的牽引變電所施工技術(shù)。

2 BIM技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)就是將項(xiàng)目全生命期有用的工程信息融合進(jìn)為三維建筑模型[2]，技術(shù)人員能夠直觀地獲取有效數(shù)據(jù)，具有可視性、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性等應(yīng)用特點(diǎn)。

在傳統(tǒng)的牽引變電所施工中，普遍采用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、出圖和施工指導(dǎo)。利用該軟件所出的圖紙是二維的，缺乏直觀效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)差漏，特別是房建與變電專業(yè)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碰撞問(wèn)題，這些碰撞問(wèn)題在施工期間被發(fā)現(xiàn)，將會(huì)返工處理并且浪費(fèi)資源，影響工期[3]。另外，實(shí)際施工環(huán)境中存在的一些特殊位置點(diǎn)很難在二維設(shè)計(jì)圖紙顯示，會(huì)給后續(xù)的施工埋下安全施工隱患[4]。牽引變電所場(chǎng)內(nèi)架構(gòu)設(shè)備及其連接導(dǎo)線較為復(fù)雜，在實(shí)際施工過(guò)程中，使用平面設(shè)計(jì)難以考慮到空間的距離限制，從而導(dǎo)致設(shè)備限界，絕緣距離不足，電纜溝轉(zhuǎn)角及寬度不滿足電纜彎曲半徑等問(wèn)題；所內(nèi)涉及大量專業(yè)設(shè)備和線路，對(duì)施工技術(shù)人員的知識(shí)水平要求較高；因圖紙工程量計(jì)算不準(zhǔn)確和現(xiàn)場(chǎng)物資管控失效導(dǎo)致的材料浪費(fèi)時(shí)有發(fā)生。

采用BIM技術(shù)，可以比照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，將圖紙轉(zhuǎn)化成為三維立體的直觀模型，在建模的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中的問(wèn)題，通過(guò)碰撞檢查可以檢查圖紙中存在的各種錯(cuò)、漏、碰、缺等內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)圖的優(yōu)化。BIM技術(shù)可以從任意角度進(jìn)行平剖面出圖，使施工圖紙變得簡(jiǎn)單易懂；也可以進(jìn)行施工模擬視頻，對(duì)施工技術(shù)人員進(jìn)行三維交底；同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)安裝細(xì)節(jié)進(jìn)行仿真，使施工過(guò)程預(yù)制化、裝配化，減少人工，節(jié)約材料成本；結(jié)合BIM5D平臺(tái)，可以將每日施工所需材料快速提取方便使用，可以對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)材料消耗以及日后計(jì)價(jià)結(jié)算提供可靠依據(jù)。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 軟件平臺(tái)的選擇

本項(xiàng)目使用Autodesk公司的Revit軟件作為基本建模工具，其具有與CAD圖紙軟件等數(shù)據(jù)互通的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具備協(xié)同工作，參數(shù)化族，插件豐富等特點(diǎn)，便于高效、快速建模。

根據(jù)當(dāng)前項(xiàng)目特點(diǎn)選用Autodesk Revit作為主要建模平臺(tái)，模型瀏覽及碰撞檢查使用NavisWorks，建筑過(guò)程模擬及三維技術(shù)交底使用Fuzor，廣聯(lián)達(dá)BIM5D，工程量計(jì)算采用廣聯(lián)達(dá)GTJ2018和品茗算量9.5等軟件，視覺(jué)特效選用3DMAX等。

3.2 族庫(kù)的建立

牽引變電所專業(yè)設(shè)備較多，型號(hào)和衍生種類較多，首先我們要梳理各類電氣設(shè)備，建立族庫(kù)。運(yùn)用參數(shù)化建模的方式，如拉伸放樣的長(zhǎng)度，旋轉(zhuǎn)半徑，構(gòu)件開(kāi)合角度等，可以實(shí)現(xiàn)以修改族參數(shù)的方式使之生成多種不同型號(hào)的族，從而實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)完成牽引變電所建族工作。變電所內(nèi)變壓器、斷路器等專業(yè)設(shè)備，需要與導(dǎo)線模型進(jìn)行連接，讀取長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，在建族時(shí)，采用公制常規(guī)模型進(jìn)行建立，載入自適應(yīng)常規(guī)模型中添加自適應(yīng)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)放置和參數(shù)讀取功能，如圖1和圖2所示。

圖1 斷路器設(shè)備族

圖2 主變壓器設(shè)備族

3.3 牽引變電所建模

牽引變電所建筑內(nèi)容分為主體建筑、構(gòu)架和基礎(chǔ)、場(chǎng)坪及圍墻三部分。在室外建模過(guò)程中，設(shè)計(jì)圖中場(chǎng)坪平面圖未設(shè)置軸網(wǎng)，通過(guò)繪制X-Y方向的參照平面并進(jìn)行標(biāo)注可以有效解決場(chǎng)內(nèi)架構(gòu)基礎(chǔ)，架構(gòu)及設(shè)備的定位問(wèn)題。

牽引變電專業(yè)建模時(shí)，需要對(duì)軟導(dǎo)線、隔離開(kāi)關(guān)和避雷器等設(shè)備的電氣特性進(jìn)行仿真模擬，在模型繪制時(shí)需要將計(jì)算公式添加至模型中，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型形態(tài)。在所內(nèi)設(shè)備間軟導(dǎo)線連接時(shí)，充分運(yùn)用參數(shù)化的方式建立自適應(yīng)族，在實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的同時(shí)，還做到了連接軟導(dǎo)線時(shí)只需點(diǎn)擊兩下鼠標(biāo)，如圖3所示，真正做到了快捷高效，滿足了連接各類電氣設(shè)備的需要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝配式安裝一次性到位的需要，將弧垂，馳度等信息參數(shù)添加到模型中，對(duì)設(shè)備實(shí)際安裝時(shí)的物理情況進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了其在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中的真實(shí)模擬，準(zhǔn)確地計(jì)算出安裝長(zhǎng)度和位置，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)裝配。

圖3 自適應(yīng)軟導(dǎo)線族

牽引變電所主體難點(diǎn)在于室內(nèi)電纜溝及二次電纜敷設(shè)，設(shè)備位置和溝槽開(kāi)口確定等。建模完成后，各專業(yè)間設(shè)備及建筑進(jìn)行碰撞檢查，對(duì)各種錯(cuò)、漏、碰、缺給出直觀剖面圖，結(jié)合設(shè)計(jì)、建立、運(yùn)營(yíng)接收單位的意見(jiàn)，對(duì)模型進(jìn)行協(xié)同會(huì)審，在預(yù)留孔洞，電纜溝倒角，優(yōu)化模型以增加電纜彎曲半徑如圖4所示；設(shè)備預(yù)埋件剖面圖交底等方面提供了可視化依據(jù)，減少因溝通不暢導(dǎo)致的各類返工，減少浪費(fèi)，節(jié)約成本。

圖4 電纜溝拐角優(yōu)化

3.4 施工安裝模擬

牽引電所施工常常因場(chǎng)地施工進(jìn)度限制，后續(xù)變壓器、箱柜等設(shè)備設(shè)施進(jìn)場(chǎng)需要在土建施工完備的條件下進(jìn)行。采用BIM技術(shù)模擬施工，可以提前將預(yù)期施工進(jìn)度與實(shí)際施工進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比，可對(duì)當(dāng)下施工任務(wù)進(jìn)行快速調(diào)整，確保施工有效開(kāi)展。

在室外設(shè)備及架構(gòu)安裝時(shí)，我們采用軟件計(jì)算仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行安裝模擬，首先對(duì)實(shí)際到貨的導(dǎo)線做懸掛測(cè)試，得出實(shí)際安裝弧垂高度，結(jié)合跨距、引下線長(zhǎng)度等參數(shù)，對(duì)不同懸掛長(zhǎng)度下的實(shí)際弧垂高度進(jìn)行取樣并求取經(jīng)驗(yàn)公式，之后將公式以可變參數(shù)的形式添加進(jìn)模型中，再將模型與設(shè)備安裝及平面布置圖準(zhǔn)確匹配，得出導(dǎo)線懸掛模型，用以對(duì)實(shí)際安裝效果進(jìn)行仿真，之后便可通過(guò)模型代替懸掛實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)軟導(dǎo)線實(shí)際安裝懸掛后的弧垂高度是否滿足設(shè)計(jì)弧垂。同時(shí)利用軟件能夠進(jìn)行碰撞檢查的特點(diǎn)，對(duì)接入牽引變電所主體建筑的導(dǎo)線設(shè)置碰撞實(shí)體模型，并進(jìn)行碰撞檢查，以檢驗(yàn)設(shè)備安裝后是否滿足絕緣凈距要求，從而實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的提升。

3.5 工程量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中設(shè)備及零部件的分類方式，對(duì)模型添加共享屬性和可變參數(shù)，在明細(xì)表統(tǒng)計(jì)規(guī)則中設(shè)置過(guò)濾器，實(shí)現(xiàn)了快速高效提取電氣設(shè)備信息列表的功能如圖5所示；同時(shí)還能夠與施工圖快速匹配，對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)分類進(jìn)行檢查。有效避免了人為因素所造成的錯(cuò)項(xiàng)、漏項(xiàng)等情況的發(fā)生，同時(shí)模型還具備將數(shù)據(jù)文件以IFC格式導(dǎo)出至算量軟件進(jìn)行土建及鋼筋算量的能力。此方法中，由于軟件中模型實(shí)體工程量與其提取的工程量表是映射關(guān)系，具有一處修改，處處更新的特點(diǎn)，該方法在項(xiàng)目圖紙審查，物資材料需求計(jì)劃提報(bào)以及工程數(shù)量梳理等工作方面，起到了較好的作用，有效減少了工程技術(shù)人員在從事工程量提取相關(guān)工作時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。

圖5 建筑主體工程量統(tǒng)計(jì)

3.6 BIM5D應(yīng)用

BIM技術(shù)對(duì)于工程施工最大的優(yōu)勢(shì)在于進(jìn)度及成本的管控，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目BIM模型、進(jìn)度計(jì)劃和材料供應(yīng)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以項(xiàng)目工期為時(shí)間軸，對(duì)項(xiàng)目施工情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，將項(xiàng)目施工過(guò)程中的進(jìn)展情況如圖6所示，精確到每日材料消耗、建筑形象工程的變化如實(shí)反映，為參與各方提供現(xiàn)實(shí)參考依據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，保證工程按時(shí)優(yōu)質(zhì)完成。

圖6 BIM5D施工模擬

4 結(jié)束語(yǔ)

BIM技術(shù)的可視化、碰撞檢查、工程數(shù)據(jù)管理以及強(qiáng)大的仿真能力對(duì)在工程項(xiàng)目施工過(guò)程中的圖紙審查、技術(shù)交底、材料供應(yīng)和進(jìn)度控制等各個(gè)環(huán)節(jié)均具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，綜合運(yùn)用BIM技術(shù)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)，可以有效提高項(xiàng)目施工在各個(gè)方面的能力，從而進(jìn)一步提高建筑工程項(xiàng)目施工質(zhì)量，達(dá)到減少工期節(jié)約成本的理想目標(biāo)。BIM技術(shù)起源于房建領(lǐng)域，目前已經(jīng)在鐵路工程、電力工程中的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)得到了應(yīng)用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)鐵路三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用工作也已經(jīng)逐步開(kāi)展，對(duì)于像鐵路牽引變電所這樣的專業(yè)、復(fù)雜的單項(xiàng)工程開(kāi)展BIM應(yīng)用可以有效提高施工質(zhì)量、縮短工期、節(jié)約施工成本，因此將BIM技術(shù)在鐵路電氣化改造工程中進(jìn)行應(yīng)用和推廣具有較大的價(jià)值。

隨著我國(guó)新建鐵路不斷建成，國(guó)家鐵路網(wǎng)不斷豐富，既有線鐵路電氣化改造順勢(shì)成為下一步鐵路市場(chǎng)的發(fā)展方向。而既有線改造對(duì)供電系統(tǒng)的施工也提出了更高的要求。為了提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，維護(hù)便利性，減少因設(shè)備故障而導(dǎo)致的鐵路運(yùn)營(yíng)中斷，減少維修、搶修工作，保障鐵路運(yùn)行秩序，必須從根源入手，抓好建設(shè)施工時(shí)期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充分利用BIM技術(shù)所提供的三維可視化模型，對(duì)施工過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，有助于把好施工進(jìn)度關(guān)、質(zhì)量關(guān)，維護(hù)參與各方共同利益，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。