BIM技术在牵引供电系统设计中的应用

■ 李良威 李朝阳 徐剑 游霞

牵引变电站作为电气化铁路电力供应的主体，其高质量、高精度的设计和施工对整个铁路的正常、安全、可靠运行具有重要作用。随着铁路建设的迅猛发展，对勘察设计的标准化、规范化、精细化的要求越来越高，现行设计手段已经难以满足铁路，尤其是高速铁路设计的需求。基于建筑信息模型（BIM）技术的三维数字化设计可显著提升设计效率、提高设计精度，能增强设计人员、施工人员、运营管理人员的立体感，是满足市场需求、整体提升设计水平的有效工具。电气化三维数字化设计不仅是设计软件的开发，而且包括一系列设计标准和设计流程的制定，以及观念和设计习惯的更改，会存在一定的转换周期，因此建立电气化铁路牵引供电系统数字化三维设计平台是十分必要和迫切的。

1 传统设计技术与BIM技术对比

目前，我国各铁路设计单位的电气化设计主要采用二维设计软件，这些设计软件尽管在一定程度上提高了设计效率，但也存在一些不足。

（1）对于需要多视图、多剖面描述的复杂空间设计内容，由于二维设计缺乏直观的效果，难免造成遗漏和差错，有些差错到施工阶段才能发现，如限界、电气绝缘方面的差错等，造成不必要的返工和浪费。更为严重的是有些差错甚至在运营期间才发现，给运输安全埋下极大隐患。

（2）设计人员在设计过程中难以对施工现场的地形地貌、桥隧路基等构筑物有直观认识和全面感知，一些复杂和特殊的工点，往往必须通过设计人员反复现场踏勘实测，才能确定技术方案，造成设计周期长，效率低。

（3）由于只能生成二维的设计成果，难以展示设计的立体效果，不能给铁路项目，尤其是海外工程对景观、环评要求提供评估和决策依据。

（4）由于设计成果仅反映各专业单一的设计内容，缺乏共同的设计平台，难以检查专业间的接口关系，不能及时发现相互间的冲突，造成设计质量总体性差。

BIM技术的核心是通过在计算机中建立虚拟的工程三维模型，同时利用数字化技术为这个模型提供完整的、与实际情况一致的工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物及设备构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含非构件对象信息。借助这个富含工程信息的三维模型，工程的信息集成化程度大大提高，从而为工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。与传统设计相比，BIM具有不可替代的优势：

（1）三维数字化设计用完全真实的尺寸和形状在计算机屏幕上展现产品的形状、特征、加工状态、材质等信息，便于产品数据的交流和共享。

（2）计算机可对虚拟设计的三维模型进行实物模型无法实现的各种操作，例如对电气设备、接触网零件或装配件进行各种形式的剖切、电气设备绝缘距离校核和运动模拟等。

（3）具有高技术含量的三维模型还广泛地应用到静/动态干涉检查、性能仿真和模拟等领域，在设计前期就完成所有电气设备的预布置，各种零部件的数字化预装配工作，可显著减少设计变更、错误和返工。

（4）实现施工进度模拟、装配模拟、物料跟踪等，对材料进场与人员、机械及环境进行高效配置，对项目构建可视化的数字建筑模型，使整个工程项目在设计、施工和使用等各阶段都能有效实现科学化、智能化管理，应用BIM技术可实现工程全寿命周期管理理念。

2 牵引变电站的BIM设计

基于BIM技术的三维数字化设计基本流程见图1。

2.1 软件平台的选取

通过国内外市场调研认为，面向建筑物和基础设施生命周期的欧特克BIM解决方案是以Autodesk Revit和AutoCAD Civil 3D等软件创建的智能模型为基础，一系列强大的配套解决方案则能以虚拟方式对项目进行可视化和模拟，并可用于文档制作、专业制图、数据管理和协作，从而进一步发挥BIM的强大优势。在此根据专业特点选取Autodesk Revit 2013作为软件的开发平台。

图1 三维设计的基本流程

2.2 建立电气设备族

在创建电气主接线实现变电所的三维布置时，需要建立统一的标准设备族，所有的电气一次设备元件符号均从设备元件族中调用。三维模型族不仅在几何参数层面上描述电气系统，而且将牵引供电系统工程的设计参数、设计过程、设计规则及行业知识封装于三维模型中，这样才能解决参数、规则对模型的驱动与更新机制问匙。建立电气设备参数化的三维模型是整个牵引供电系统设计的基础。以牵引变压器为例的设备族模型见图2，对应的类型属性见图3。

2.3 电气主接线及三维布置模型

图2 牵引变压器设备族模型

图3 牵引变压器设备族类型属性

电气主接线图是开展牵引供电系统设计的基础，所有电气一次设备对应着相应的电气设备族。以此为基础，结合相应的电气设备布置、间距所要求的规程和规范，实现电气设备的三维布置。牵引变电所三维布置模型见图4。

2.4 后期处理程序

（1）电气网络匹配检查：可通过对电气主接线和电气设备三维布置模型之间的关联，通过电气主接线检查设备布置、设备间连线的正确性，检查设备间电路逻辑关系，直观地反映出电气设备的关联。

（2）碰撞绝缘检查：通过三维模型精确的坐标和属性，自动检查机械安装方面的冲突，以及带电体与接地体之间的绝缘间距要求，避免了工程设计中的“碰、漏、缺”现象，实现高精度无差错设计。

（3）工程数量统计：通过对主接线中设备的统计得到电气设备清单，并对设备材料清册中的设备数量进行核实。

（4）生成施工图：系统可以自动生成平面布置图、立面图、剖面图，该图纸随着三维模型的改动而自动实现关联改动。

（5）协同设计：使各工种之间的设计数据得到可视化共享，系统数据自动更新保证成果的实时性及唯一性，避免传统设计中由于各个专业间互提资料、沟通问题造成的数据前后不一致，并实现正确的设计流程管理。

（6）数据软件接口：牵引变电所三维模型包含整个工程的所有数据，通过数据接口可以很方便地导出设计参数至相关的计算软件，进行分析计算，例如把数据导入CDEGS Software软件，对接地、防雷保护进行仿真计算；可以直观地查看跨步电势、电气设备和导线是否处于避雷装置的保护范围内，提高了设计的准确性和可信度。

3 结束语

基于BIM技术实现牵引变电站的三维设计，为设计方解决了“设计内容是如何建造”的问题；为施工方解决了“施工是否组织合理”的问题；为管理方解决了“如何去管理和控制”的问题。随着铁路电气化建设的发展，业主要求也在提升，尤其是海外工程中，高效率与低误差是设计方与业主共同追求的目标，使用基于BIM技术的三维可视化、协同化、智能化的设计模式，采用先进的设计手段提高设计效率，充分发挥其在牵引供电系统设计中的优势，可实现电气化铁路牵引变电站全寿命周期管理，提高工程设计、施工、运营的科学管理水平，促进电气化铁路全面信息化和现代化，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。

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图4 牵引变电所三维布置模型