高速铁路接触网BIM设计研究与应用

梁崇亮，金光，乔锦新，李银生

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

0 引言

接触网系统是电气化铁路的重要组成部分，列车通过受电弓与接触导线的滑动接触来获取电能。为满足列车受流的要求，接触网设计和安装的各项几何参数需要保证高准确性。特别是拉出值、导线高度、定位器坡度、线岔位置、锚段关节等需要进行精确设计。传统的接触网设计一般借助CAD软件，设计过程信息化程度不高、设计效率较低，易引起频繁的设计变更[1-2]。

同时，BIM技术经过多年发展，在节省资源、降低成本、实现可持续发展等方面的优势已得到各界广泛认可[3]。铁路BIM联盟于2013年12月16日在北京召开预备会，会议通过了《关于联合发起成立铁路BIM联盟的倡议书》《铁路BIM联盟第一届理事会1号决议》，积极推动BIM技术在铁路领域的深入应用。

随后各科研院所对BIM技术在接触网系统的应用进行了一定探索：文献[4]基于BIM技术构建铁路工程项目管理系统，实现参建各方的信息共享和传递。文献[5]对接触网工程BIM模型规则检验流程进行详细说明。文献[6—8]探讨BIM技术在铁路工程中的应用情况。文献[9]探讨BIM技术在接触网腕臂预配中的应用。上述文献均未开展接触网BIM设计方面的深入研究与分析。

基于Bentley平台，根据接触网系统专业设计业务流程，研究BIM设计方案，提出软件架构；结合典型工程，分析接触网BIM设计的主要内容、设计步骤、模型整合及应用方法；最后归纳接触网BIM设计的特点，可为接触网系统BIM设计提供一定的指导。

1 接触网BIM设计研究

1.1 设计流程

与传统二维设计流程类似，设计人员需依照各项规范标准及导则进行接触网BIM设计，确定项目技术标准，并通过各专业接口进行后续设计。

接触网设计工作包含项目负责人（专册）、设计、各级复核3个层面。结合设计工作特点，接触网BIM设计架构分为项目负责人、服务器、设计、各级复核4个层面。

项目负责人负责铁路项目信息确认、资料互提、资料上传、设计标准确认、人员安排、各级审核安排、通过管理系统上传各项信息至服务器等工作，上传各项信息至服务器后，项目负责人进行工点配置、任务划分。设计人员根据划分的任务段落，进行区间及车站的接触网BIM设计工作。

设计人员基于项目标准、设计原则及站前数据，进行区间接触网支柱里程、接触网及附加导线锚段划分、安装图号填充等计算工作，并将计算结果写入数据库，专业设计流程架构见图1。

图1 专业设计流程架构

设计人员通过读取数据库中计算得到的数据和预存的接触网BIM构件，完成接触网BIM装配与设计，修改完善设计成果后，将其发送至各级复核及咨询单位。通过完善接触网BIM设计流程，进而保障设计质量。

1.2 软件架构

结合设计工作特点，系统软件架构分为资源层、交互层、表达层、应用层4个层面。

软件架构以数据为核心，提高接触网BIM设计的数字化及信息化程度。基于Bentley平台，可采用典型的C/S架构，建立以构件库、标准规范、设计流程等为主的专业资源数据库。以数据级的专业协同为基础，集成符合我国高速铁路接触网设计标准的设计算法，系统软件架构见图2。

图2 系统软件架构

交互层可实现信息读取、接触网布置计算、图形可视化等工作；资源层主要包含项目执行标准、各专业协同设计资料、专业接口信息等内容；表达层可实现高速铁路三维形状、设备设施信息、各专业接口配合、设计成果较好的展示性；应用层基于设计成果信息的高度集成，具有较好的拓展性与实际应用价值。

2 接触网BIM设计应用

根据我国铁路专业设计规范及BIM技术相关标准，基于Bentley平台进行接触网区间及车站BIM设计软件开发。

2.1 软件主要功能及特点

软件主要功能包括人员权限管理、单元库管理、项目设置、资料输入、分段分带管理、区间计算、快速建模、手动调整、标识标注、数据浏览、视图管理、数量统计、图纸挂接等，软件界面见图3。

图3 软件界面

软件设置数据模型校验、建模断点保存、错误弹窗判定等完善的报错容错机制，可提高设计效率及精度。

2.2 建模步骤

（1）人员权限管理可实现项目负责人对不同项目设计及各级复核人员的人员调配，实现对项目配置的权限管理。

（2）单元库管理可实现对接触网构件单元的分类管理，包含增、删、改、替换、属性编辑等功能，接触网构件单元细节展示见图4。

（3）项目设置可实现项目负责人对主要设计标准、工点划分及线路分带、安装图号与单元映射的配置。

图4 接触网构件单元细节展示

（4）通过软件界面输入线路数据、桥隧工点表等资料，对线路分带、工点表内容进行校验后写入数据库。

（5）区间计算基于项目标准及设计原则、站前数据，实现区间接触网支柱里程、接触网及附加导线锚段划分及计算，完成安装图号填充，并写入数据库，接触网数据准备见图5。

图5 接触网数据准备

（6）快速建模功能通过读取数据库中计算后的接触网BIM三维数据及BIM构件，完成线路三维中心线、接触网基础、支柱、腕臂、下锚补偿装置、附加导线肩架布置，并一键架设接触线、附加导线，接触网BIM自动布置见图6。

图6 接触网BIM自动布置

（7）在车站咽喉区等处可使用手动调整工具对布置成果进行调整，实现模型文件中部分修改和数据库同步更新，车站咽喉区接触网BIM布置见图7。读取调整完善后的接触网BIM设计成果数据，对接触网主要设备零部件、导线等进行数量统计。同时该系统还预留了拓展功能，可实现数据库、BIM构件单元和其他设计要素的关联。

图7 车站咽喉区接触网BIM布置

2.3 模型整合及应用

系统通过读取数据库中计算得到的接触网BIM信息进行自动布置，同时结合在细部设计中进行手动调整的方式，可实现高速铁路接触网BIM快速设计，接触网BIM模型整合成果见图8。

图8 接触网BIM模型整合成果

在此基础上，通过模型链接的方式实现各专业间BIM模型设计成果整合，实现三维GIS场景下的实时漫游、四维施工模拟、碰撞检查等功能，多专业BIM模型整合成果见图9。

图9 多专业BIM模型整合成果

可有效提高设计成果质量，起到节约成本、减少后续变更设计、合理控制工程进度的目的。

3 系统特点

（1）集中管理、同步设计。区间接触网BIM正向设计软件通过人员管理功能，对项目参与人员进行工作分工，由专册对项目进行顶层设计配置后，再交由设计人员同步开展BIM设计，保证一致性。

（2）算法可靠、快速设计。根据接触网设计流程及特点，通过专业计算模块和辅助模块，提高接触网自动布置算法的效率和可靠性。接触网计算模块见图10。

图10 接触网计算模块

（3）数据同源、正向设计。采用同源数据库的方式，以专业成果数字化为核心技术，分别在Autodesk CAD和Microstation中实现二、三维一体化设计与出图，满足现阶段快速创建信息模型、自动生成二维标准化图纸的工作要求。

（4）执行标准、严肃设计。构件单元建模及软件开发过程中严格执行铁路BIM联盟下发的各类标准，保证BIM设计成果满足编码、精度等各项要求。

4 结束语

针对高速铁路工程项目设计、建设、运营全生命周期提出的更高标准和要求，结合BIM技术集成化、参数化、可视化、协同化、信息化等优点，在充分考虑高速铁路接触网设计标准、流程的基础上，研发基于Bentley平台的高速铁路接触网BIM设计软件。

该系统实现了高速铁路接触网区间设计的自动计算与布置，结合手动调整模块，可实现高速铁路接触网区间与车站的快速建模。与目前高速铁路接触网采用CAD设计方式相比，利用BIM技术可显著提高设计效率，而且在展示性、各专业接口配合、信息化等方面具有显著的优势。基于高速铁路接触网BIM设计成果，利用其高度集成的信息化优势，为实现高速铁路工程项目全生命周期信息化打下坚实基础。