王震宇，武 鵬，馬露露，邊 原

(中鐵電氣化局集團有限公司 設計研究院，北京 100166)

0 引言

國內外高速電氣化鐵路的研究、建設、施工和運行維護經驗表明，要確保高速鐵路接觸網和受電弓的安全性和可靠性，必須要有高質量弓網系統(tǒng)[1]。高質量的接觸網系統(tǒng)，不僅要求高品質的施工技術質量，還需要在高速鐵路線路設計階段對腕臂和吊弦的實際參數進行理論計算[2]，使其達到理論計算水平，才能滿足高速鐵路對接觸網要求，同時減少額外的人力物力，節(jié)約高速鐵路建設成本。

高速鐵路接觸網吊弦工況復雜多變，針對基于BIM參數化建模的高速鐵路接觸網彈性鏈型懸掛的吊弦長度的計算影響因素進行分析[3]，對計算中間過程的數據進行剖析，基于計算數據對影響吊弦長度計算的關鍵因素進行分析，進而有效提高吊弦長度的計算精度，最終用來指導接觸網結構系統(tǒng)優(yōu)化設計和現場施工安裝，實現施工安裝模擬由二維向三維的轉變[4]，為接觸網智能化、信息化工程項目管理打下基礎。

國內吊弦計算方法主要有拋物線法和力矩法2 種，前者是把兩懸掛點之間的線索方程看作是拋物線，把吊弦重力平均分配到線索上，因此也常稱作“均勻載荷法”；后者主要依靠系統(tǒng)平衡時系統(tǒng)內任一點都處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)內任一部分所受合力矩也為零的原理進行求解[5]。傳統(tǒng)方法在精度要求不是很高的情況下可以滿足工程的需要，其優(yōu)點是容易實現，沒有太復雜的理論。此外，整個鐵路行業(yè)同BIM相結合的技術應用還處于起步階段，接觸網BIM建模還達不到真正的參數化和大長干線建模的水平[6]。

本計算系統(tǒng)的核心計算模塊采用獨立研發(fā)的基于理論力學、動力學、均布力法等理論方法提出的均布力矩法、懸掛點力矩平衡及整垮均布力綜合算法，相較于傳統(tǒng)計算體系有效提升了吊弦的計算精度。該計算體系為BIM參數化建模提供真實的接觸網預配數據的同時，還集成BIM 參數化、可視化、遠程計算等信息技術，建立以BIM應用為載體的項目管理信息化平臺[7]，提升項目生產效率、縮短工期、降低建造成本。本計算體系提出的基于BIM參數化的全景顯示技術，利用開發(fā)的軟件技術獲取接觸網系統(tǒng)的三維信息，掌握接觸網三維實施技術，用來指導接觸網結構系統(tǒng)優(yōu)化設計和現場施工安裝，為接觸網數字工程項目管理奠定基礎。

1 系統(tǒng)概述

基于BIM參數化建模的接觸網吊弦計算系統(tǒng)包含3 大部分：非接觸式測量裝置、接觸網腕臂吊弦計算軟件和接觸網參數化建模、輕量化模型展示平臺。高速鐵路快速生成輕量化模型展示平臺如圖1所示。

圖1 高速鐵路快速生成輕量化模型展示平臺Fig.1 Display platform of lightweight model quickly generated by high speed railway

（1）非接觸式測量裝置屬于系統(tǒng)前端測量模塊，采用基于激光雷達測量技術為核心的測量裝置在鐵路上行走，以非接觸方式實時測量鐵路接觸網上導高、拉出值等幾何參數，并將測量結果傳遞給腕臂吊弦計算軟件。

（2）接觸網腕臂吊弦計算軟件屬于系統(tǒng)核心計算模塊，將測量裝置傳遞過來的現場參數導入計算軟件內，進行接觸網腕臂吊弦的計算，并將計算結果導入系統(tǒng)業(yè)務模塊——高速鐵路快速生成輕量化模型展示平臺，為平臺生成鐵路線路、接觸網等模型提供參數支持。

（3）接觸網參數化建模、輕量化模型展示平臺，以參數化方式實現高速接觸網工程及其附屬線路工程的BIM模型快速生成，為滿足項目的長線工程模型顯示需要，系統(tǒng)基于GIS+BIM 可視化引擎，通過腕臂吊弦計算數據的導入，平臺后端參數的自動轉換，根據參數提取已有接觸網及線路工程構件庫中零部件或預配組件模型，在后臺自動生成接觸網及鐵路線路BIM 模型，并在GIS+BIM 引擎中實現輕量化顯示及管理應用[8]。

（4）現場安裝后，測量人員可使用非接觸式測量裝置進行復測，生成的鐵路模型中如有和現場實際情況不符的模型，現場人員可將錯誤模型信息反饋回接觸網腕臂吊弦計算軟件進行重新計算和模型生成。3個子系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。

2 吊弦計算精度分析

2.1 吊弦計算模塊概述

基于BIM參數化建模的吊弦計算軟件是參數化建模展示的基礎和核心，如果計算誤差大，則參數化建模毫無意義。將現場測量數據導入吊弦計算模塊，生成計算后自動導入BIM參數化建模平臺進行模型生成和輕量化展示[9]。通過吊弦計算模塊實現了項目管理系統(tǒng)化和作業(yè)流程自動化的功能，通過工程項目、多用戶權限、基礎數據管理、線材數據、計算參數、現場參數的系統(tǒng)化管理，掌握完整的項目過程數據，打破了輸入輸出數據間的信息壁壘，實現了數據互聯(lián)互通[10]。系統(tǒng)設置閉環(huán)控制，如現場安裝復測后誤差較大，則返回誤差信息至計算模塊，重新進行計算。

以京張高速鐵路(北京北—張家口)懷來至下花園區(qū)間右線22 錨段吊弦計算結果為實例，進行數據驗證和結果分析。根據現場反饋的實測參數和計算所用的線材參數對該錨段吊弦進行計算。

2.2 吊弦計算結果

根據計算出的吊弦長度和現場實際的各定位點接觸線高度進行比較。隨機選取T28-T34 連續(xù)三跨進行展示。T28-T34吊弦計算長度如表1所示。

表1 T28-T34吊弦計算長度Tab.1 Calculated length of dropper T28-T34

從計算結果可以看到，該連續(xù)三跨的接觸線符合支柱兩側定位點的接觸線高度變化趨勢，且相鄰吊弦點的接觸線高度差值合理，符合靜態(tài)參數要求。

2.3 計算結果分析

2.3.1 跨距、第一吊弦距離對吊弦計算結果的影響分析

根據以前京張高速鐵路使用的計算結果進行數據對比分析，發(fā)現該錨段的跨距和第一吊弦距離的設置與目前現場實測數據有出入，在預配計算時第一吊弦距離設置均為5 m，而跨距有幾厘米到十幾厘米，最多到1 m的差值。計算軟件是設定第一吊弦距離，然后根據跨距和吊弦個數自動布置各吊弦的水平位置，該設定方法和京張高速鐵路目前的吊弦布置實際情況完全一致。接觸網示意圖如圖2 所示，假設跨距一定，因為承力索弛度的影響，正常情況下每一跨中間為承力索中心到接觸線中心的最短距離，越靠近兩側定位點則該距離越大。因此，如果改變第一吊弦距離，則各吊弦水平位置發(fā)生變化，然后影響吊弦長度，當吊弦水平位置越靠近跨中，吊弦越短；越靠近兩側定位點，則吊弦越長。

圖2 接觸網示意圖Fig.2 Schematic diagram of catenary

2.3.2 第一吊弦距離對吊弦計算結果的影響

隨機選取T32-T34跨做數據驗證，跨距實測為45.6 m，且保持不變，改變第一吊弦距離，選用實測值5.16 m和原來設計值5 m來做數據對比，第一吊弦距離對吊弦長度影響如表2所示。

表2 第一吊弦距離對吊弦長度影響Tab.2 Influence of the first dropper distance on dropper length

通過結果可以看出，第一吊弦位置的變化對兩側彈吊影響很大，吊弦位置移動僅僅0.16 m，吊弦長度差達到了6.2 mm。第一吊弦距離差距越大，對吊弦長度影響越大。同時可以看出因為跨距不變，且第一吊弦距離變化較小，因而跨中的吊弦布置位置基本一致，影響不大。

2.3.3 跨距對吊弦計算結果的影響

隨機選取T30-T32兩跨做數據驗證，第一吊弦距離根據實測值設定為5.04 m，跨距選用實測值47.4 m 和52.4 m，檢驗跨距增加5 m 對吊弦長度的影響?？缇鄬Φ跸议L度影響如表3所示。

表3 跨距對吊弦長度影響Tab.3 Influence of span on dropper length

通過結果可以看出，跨距的變化對整跨吊弦長度的影響都非常大，越到跨中吊弦長度變化越大，吊弦長度差范圍42～79 mm，且跨距變化越大，對吊弦長度影響越大，該差值不可忽視。

2.3.4 跨距變化對吊弦受力和承力索弛度的影響

進一步剖析原因，是由于跨距變化導致跨中各吊弦點位置變化，進而受力產生變化，最終影響各吊弦點處承力索弛度計算值。依然采用T30-T32兩跨對跨中各吊弦受力值和承力索弛度進行比較?？缇鄬Φ跸沂芰统辛λ鞒诙扔绊懭绫?所示。

表4 跨距對吊弦受力和承力索弛度影響Tab.4 Influence of span on dropper stress and catenary sag

根據計算結果，不論是受力還是弛度影響都非常大，這也是最終導致吊弦長度變化的關鍵所在。尤其在水平曲線路段，計算結果影響更大。

2.3.5 結構高度對吊弦計算結果的影響分析

結構高度H等于承力索高度與接觸線高度的差值，京張高速鐵路的結構高度設計值為1.6 m，接觸線高度5.5 m，承力索高度7.1 m；觀察現場反饋的實際測量數據，發(fā)現每一個定位點的結構高度都不一樣，結構高度是計算吊弦長度的基礎量，跨中每一根吊弦長度需要用結構高度減承力索弛度和接觸線弛度得出。接觸線抬升示意圖如圖3 所示，對于具體的某一跨來說，左右側定位點的承力索高度和接觸線高度如果不同，均會因為高差而引起一個抬升力的變化[11]，進而影響跨中吊弦受力。

圖3 接觸線抬升示意圖Fig.3 Schematic diagram of contact wire lifting

2.3.6 線材等其他參數對吊弦計算結果的影響分析

接觸線、承力索、彈性吊索的線材單位自重、線夾重量、集中負載重量等參數均會影響吊弦計算結果。其中每一跨中如有負載(包括但不限于中心錨結、電連接等)均需要在輸入數據中體現，具體數據包括負載重量和距離左側定位點距離。不同于簡單鏈型懸掛，彈性鏈型懸掛的彈性吊索張力對每一跨的彈吊影響很大，一般設計值為3.5 kN，但是現場實際數據往往參差不齊。在京張高速鐵路現場驗證過程中，遇到計算誤差較大的情況，大部分經過驗證都是由于彈性吊索張力不等于3.5 kN造成。

2.3.7 曲線要素對吊弦計算結果的影響分析

計算軟件需要根據實際地形信息對每一跨吊弦的工況進行分類判斷，進而選取不同的計算模型計算。曲線半徑越小，對計算結果影響越大。

2.4 測量數據原則

吊弦計算需要現場提供支柱號、接觸線高度、承力索高度、拉出值、跨距、彈性吊索長度、中心錨結信息、集中載荷信息、線材信息和線路信息；每跨吊弦數量、第一吊弦距離由計算人員根據設計原則進行設置。需要注意的是線索上所有懸掛的負載均需要在輸入數據中體現，否則會出現較大的計算誤差。對現場測量人員統(tǒng)一測量標準，對計算流程自動化和計算準確度起到關鍵作用。①支柱號：根據現場實際填寫，以前計算結果中支柱號存在和現場實際不符的情況，比如施工圖上存在支柱號+1，-1 等情況，一般施工單位竣工后會重新排列支柱號。②接觸線高度：單位為mm，為定位點距離軌面高度。③承力索高度：單位為mm，為定位點距離軌面高度。④拉出值：單位為mm，正定位為正，反定位為負。⑤每跨吊弦數量：給定設計參數。⑥彈性吊索長度：單位為m，根據現場實際填寫。⑦第一吊弦距離：單位為m，保留小數點后2 位，以左側定位點為基準進行測量。⑧中心錨結信息：中心錨結繩+線夾重量，以及距離左側定位點水平距離。⑨集中載荷信息：集中載荷重量，以及距離左側定位點水平距離。

3 參數化建模

3.1 參數轉換

數據導入平臺后，即可進行數據解析，在后臺自動對導入的水平曲線數據、縱坡曲線數據、支柱數據、腕臂計算數據、吊弦計算數據進行識別，根據不同類型的數據特征生成線路參數表、地形參數表、支柱參數表、腕臂參數表、吊弦參數表等。

3.2 模型生成

參數表生成之后，后臺對線路、地形、接觸網等參數表進行參數提取，并在接觸網工程及線路工程BIM 構件資源庫中匹配對應的零部件或者預配件，結合曲線、緩和曲線的計算以及相應的坐標轉換，通過代碼加載的方式生成線路模型、地形模型、接觸網模型等，再依照提取的空間坐標參數進行拼裝。拼裝完成后，可在平臺前端進行發(fā)布。吊弦BIM模型生成如圖4所示。

圖4 吊弦BIM模型生成Fig.4 BIM model generation for dropper

3.3 模型應用

模型數據交換區(qū)與接觸網零部件構件資源進行數據交互，根據吊弦計算結果中的標識字段傳輸關鍵性模型信息，為生成接觸網模型提供模型元信息[12]。使用模型名稱作為唯一標識，將模型與數據庫進行關聯(lián)，認為在一組三維零部件中不同的模型名稱應該不同。數據庫中不同的模型名稱對應存儲著不同的模型信息，這樣就將模型與數據庫中的數據進行了關聯(lián)[13]。當需要某個模型的信息時，通過數據庫接口，通過這個模型的名稱獲取模型對應的信息即可。快速生成的模型默認放置在空白界面上，根據腕臂吊弦參數自動調用相對應的零部件，并放置到真實的空間坐標上[14]。模型發(fā)布完成后，可通過瀏覽器進行模型瀏覽，結合平臺可實現接觸網工程量統(tǒng)計、形象進度展示等功能，也可通過PC端、移動端進行模型瀏覽。

3.4 效果驗證

基于腕臂吊弦計算軟件為核心的BIM參數化建模平臺在京張高速鐵路現場實際驗證，經過大量的安裝應用和實驗數據對比，計算結果準確，效果良好，施工后的接觸網靜態(tài)測量參數滿足驗標要求。并且，本算法及相關課題已通過中鐵電氣化局集團有限公司的科技成果評審，在工程應用方面達到國內領先水平。

隨機選取京張高速鐵路項目中連續(xù)兩跨數據作展示，在輸入條件完全一致的情況下和現場實測數據對比，吊弦長度現場驗證表如表5 所示，吊弦BIM模型長線展示如圖5所示。

表5 吊弦長度現場驗證表Tab.5 Field verification for dropper length

圖5 吊弦BIM模型長線展示Fig.5 Long line display of dropper BIM model

4 結束語

研究成果表明跨距、第一吊弦距離、結構高度和吊弦長度成正比變化，為現場測量提供標準化依據。經應用后檢測，在多種特殊工況下計算結果準確，施工安裝結果滿足驗標要求。參數化建模真實還原現場數據，對測量、計算和參數化3 部分形成閉環(huán)控制。建立以BIM 可視化應用為載體的信息化項目管理，可快速準確地獲取工程基礎數據，進行碰撞檢查、三維形象進度展示、三維算量等，提升項目生產效率、提高施工質量、縮短工期、降低建造成本，最終形成可交付運維的竣工級數據模型資產[15]，并為數字孿生的引入提供堅實的數據基礎。