BIM技术在地铁供电系统全生命周期应用
2022-01-21张栋梁王刘辉
张栋梁，王刘辉
（中铁第四勘察设计院集团有限公司 电气化设计研究院，湖北 武汉 430063）
0 引言
近年来，从国家到地方政府都逐渐意识到BIM技术应用的重要性，相继出台了一系列与BIM相关的政策性文件及规范。各大城市积极响应政府政策，大力推动BIM技术在地铁工程中的应用［1］。
地铁牵引供电系统给地铁的运行提供动力，保障地铁正常运营。目前，地铁供电系统在设计、施工、运维阶段存在可视化程度低、信息无法有效整合和运维智能化程度不高的问题，制约着地铁行业的进一步发展［2］。为有效解决上述问题，提出BIM技术在地铁供电系统全生命周期中的应用场景及方案，以达到提升工程设计、建设质量以及智能运维水平的目的。
1 设计阶段
1.1 设计技术
1.1.1 传统设计
传统的供电系统设计采用AutoCAD软件进行二维制图。供电系统专业接口多、设备型号繁杂，二维设计无法直观、立体地展示设计方案及进行管线碰撞检查，往往容易导致施工人员无法准确清晰地理解设计意图，造成管线“打架”或设备安装错位。
1.1.2 BIM技术
基于Revit软件及BIM协同设计等工作平台，在多个专业之间进行数据共享和协同设计等工作，实现供电系统设计方案的可视化表达［3-4］。通过碰撞检测、智能校验等手段提升设计方案的质量。
1.2 供电系统BIM设计
1.2.1 设备模型布置
结合工程实际，建立标准化、规范化、精细化和完备化的供电设备族库，族模型能够直观准确地反映设备相应的几何信息、材质信息和技术参数。在供电设备用房布置设备模型，并进行设备运输路径校验及安全距离校验；优化设备布置方案，提高供电用房利用率；标记设备操作面和背面，直观地比较各个布置方案的优缺点，摘选最方便运营使用的设备布置方案。
1.2.2 接地设计
通过接地辅助设计软件，动态绘制接地网（见图1），自动进行工程量清单的计算和编制（见图2），校验相关参数，自动完成车站及场段的接地设计［5］。
图1 接地网平面和三维效果图
图2 接地网工程量清单
1.2.3 电缆敷设
利用BIM技术规划定位电缆支架的安装位置，规划电缆路径和电缆敷设的排布顺序。在BIM模拟电缆敷设过程中，不断优化调整电缆敷设排布位置，并对电缆上柜和弯曲弧度进行统一要求（见图3）。在电缆交叉的特殊位置，通过对模型进行合理规划及碰撞检查，避免电缆杂乱无序及管线碰撞冲突问题的发生，从而有效优化设计方案。利用BIM技术搭建的电缆敷设模型，可全方位展示电缆敷设情况（见图4），同时也可快速进行工程算量，并提升统计和审核效率［6］。
图3 电缆敷设设计界面
图4 电缆敷设模型与现场敷设对比
1.2.4 接触网设计
传统的接触网设计存在可视程度低、装配尺寸无法自动提取及限界校验困难等问题。BIM技术采用可视化的参数设计，实现了接触网方案的立体化表达，并为工程构建性能分析提供条件。在接触网零部件、接触网装配等方面应用BIM技术，通过碰撞检查、工程量提取统计等应用提升设计质量，不仅有效解决了上述问题，也为接触网工厂预配安装及智能运维创造了条件。柔性接触网设计界面及模型见图5。
图5 柔性接触网设计界面及模型
1.3 协同设计
1.3.1 多专业间的协同
BIM技术使得建筑、结构以及各系统专业之间的设计数据得以可视化共享。相关专业的设计人员通过VAULT等BIM协同设计平台进行专业间的协同设计，实现各专业模型的整合，并根据最新设计提资更新相应的BIM模型，为管线碰撞检查、设备安全距离校验等奠定基础［7］。
1.3.2 碰撞检查
不同专业图纸众多，采用传统的二维图纸进行检查难以发现管线冲突和碰撞问题。采用BIM技术将各专业的模型进行整合，并对上述BIM模型进行碰撞检查（见图6）。根据碰撞检测结果优化管线路径，能够避免设计中出现“碰击、遗漏、缺陷”的现象，消除安全隐患。
图6 管线碰撞检查
1.3.3 智能校验
通过三维模型精确的坐标和属性，进行设备间安全距离校验、电气设备与管线及建筑间安全距离校验。智能校验功能可以在设计阶段检查出设计问题和专业间接口问题，避免设计冲突，提高设计质量和施工效率。
1.4 模型信息管理
利用标准化、规范化和精细化的供电设备族库进一步建立供电系统BIM信息库，信息库内模型封装设备的几何信息和电气信息［8］。通过管理和调用信息库的族模型，并采用辅助设计软件实现BIM“装配式”建模。
1.5 可视化发布
供电系统设计方案进行可视化发布，利于设计院、施工方和业主更快速地掌握现场情况，提高建设效率，保证各方的满意度。
移动端的设计成果巡游（见图7）、VR展示（见图8）、电缆查询、图档查询、模拟施工等功能，大幅提高了设计数据的应用价值，彻底改变了传统二维图纸审核、交底及会审模式。设计成果通过更为轻便、真实、立体的手段得以展现。
图7 移动端展示
图8 VR展示
2 施工阶段
2.1 设备运输路径模拟
由于受到设备尺寸及建筑结构的影响，在传统施工过程中，可能出现设备无法运进房间的情况。基于BIM技术，模拟供电系统设备的运输安装流程（见图9），能够优化设备运输安装路径、缩短施工周期。
图9 设备运输路径模拟
2.2 基于BIM的虚拟建造
传统的设计存在与施工方信息交互延时和信息发布知晓面不够广的问题，难以对施工流程优化，部分问题在施工过程中暴露出来，给施工带来困难。在施工阶段，将BIM技术应用于复杂的地铁施工场景，通过使用各种可视设备对在计算机上建立的BIM模型反复模拟施工过程，预先发现可能出现的问题和存在的风险，并逐一制定相应措施，以优化施工方案，保证项目施工的顺利完成。
2.3 施工进度管理
充分利用可视化的图表、模型和动画等方式跟踪管理项目的实际进度，并通过与计划进度进行对比分析的方式达到检查和优化项目进度的目的。平台实时发布施工动态数据，方便现场施工管理人员能及时全面地了解设计数据信息。施工方能够全面准确地掌握施工情况，及时发现并处理施工过程中出现的问题，从而准确把控施工进度，提升施工质量。相较于传统的施工进度管理方式，采用基于BIM技术的施工进度管理平台（见图10）效率更高，能够更好地协调施工进度和优化施工流程，提高工程建设质量和效率。
图10 基于BIM的施工进度管理
2.4 施工成本管理
基于相关BIM模型建立施工成本管理平台（见图11），动态管理和控制施工成本。上述管理平台能够及时准确地生成设备材料采购计划、施工人员配置计划和资金需求应用计划等，辅助施工成本管理。借助管理平台中模型的材料信息，施工单位严格控制各种施工材料的用量，确定合理的价格，真正做到“限额领料”［9］。采用施工成本管理平台，自动进行变更计算计价、工程计量结算；自动保存相应变更记录和计量记录，方便相关方进行查询；可以实现项目成本信息的实时掌握，实现施工成本的动态管理和最优控制。
图11 基于BIM的施工成本管理
3 运维阶段
采用地铁全线各专业BIM竣工模型建立城市轨道交通BIM数字化运维管理平台（见图12）。通过平台与电力监控等系统进行数据交换，自动获取供电系统设备运行的实时记录及历史动态数据和事件记录。该平台还包括人员管理、维修计划制定、设备维护记录、资产信息管理、数据统计分析等功能，能够为实现地铁智能运维提供强有力的技术支撑与保障［10］。
图12 轨道交通运维管理平台
4 结束语
智慧化已成为当前城市轨道交通高质量发展的主要方向，BIM技术将在其中发挥重要的作用。结合供电系统专业特点，从设计、施工和运维阶段等各个阶段介绍BIM技术在地铁供电系统中的应用方案，明确供电系统向设计可视化、施工信息化、运维智慧化的发展思路和前进方向。BIM技术的应用将会推动国内地铁供电系统设计、施工质量及运维水平的全面提升，促进智慧城轨的建设与发展。
