BIM技術(shù)在接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配中的應(yīng)用研究

金 光

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電化處，陜西 西安 710043）

0 引言

BIM技術(shù)將工程項(xiàng)目中的單一構(gòu)件或物體作為基本元素，將描述基本元素的集合數(shù)據(jù)、物理特性、施工要求、價(jià)格資料等相關(guān)屬性進(jìn)行有機(jī)組織，形成數(shù)據(jù)化的工程模型，作為貫穿整個(gè)工程項(xiàng)目全生命周期的數(shù)據(jù)資料庫[1]。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等技術(shù)特點(diǎn)[2-3]。

BIM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，將會(huì)打破傳統(tǒng)平面二維圖的設(shè)計(jì)模式，使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)管理方式等發(fā)生一系列變革，為工程設(shè)計(jì)人員提供一種嶄新的設(shè)計(jì)方法和手段[4-5]。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外在航空航天、汽車等機(jī)械制造行業(yè)及建筑領(lǐng)域均廣泛采用BIM技術(shù)對主要組件進(jìn)行三維模擬裝配，以指導(dǎo)現(xiàn)場人員進(jìn)行精確拼裝，提高制造精度及工作效率[6-7]。

接觸網(wǎng)作為電力機(jī)車供電的重要固定設(shè)施，其工作狀態(tài)關(guān)系到弓網(wǎng)受流質(zhì)量，并直接影響列車運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。

目前，國外高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目中，接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)及施工均采用了精確預(yù)配方式，即根據(jù)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對接觸網(wǎng)腕臂進(jìn)行精確計(jì)算，保證腕臂零部件按預(yù)配計(jì)算結(jié)果提前拼裝，現(xiàn)場施工一次安裝到位，減少后期二次調(diào)整量，確保接觸網(wǎng)安裝狀態(tài)精確，滿足設(shè)計(jì)要求及列車運(yùn)行要求。現(xiàn)階段，我國接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配成果仍主要以二維圖紙的方式表達(dá)，可視化程度較低，信息承載量有限[8]。

在此背景下，將BIM技術(shù)與現(xiàn)有接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)具有接觸網(wǎng)腕臂三維信息可視化裝配功能的專業(yè)軟件，能夠進(jìn)一步提高接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配成果的可用性及可視化程度，從而達(dá)到節(jié)約成本、合理控制工程進(jìn)度的目的，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)鐵路工程項(xiàng)目接觸網(wǎng)系統(tǒng)的信息化運(yùn)維奠定基礎(chǔ)[9-11]。

2 技術(shù)思路

目前，B I M軟件種類較多，各具優(yōu)勢，其中Autodesk公司的Revit軟件作為建筑行業(yè)主流的BIM設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大且應(yīng)用廣泛。在該軟件的基礎(chǔ)上，以二次開發(fā)的方式開發(fā)接觸網(wǎng)腕臂三維可視化裝配軟件系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)二、三維出圖，精細(xì)化算量，工程施工模擬等功能。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）利用Revit軟件參數(shù)化建模的優(yōu)勢，建立接觸網(wǎng)腕臂各組成單元（零部件）的精細(xì)化、參數(shù)化族模型，其建模精度需符合腕臂預(yù)配技術(shù)工程應(yīng)用階段的現(xiàn)場要求。

（2）以數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段，將現(xiàn)有的腕臂預(yù)配技術(shù)算法與Revit軟件的參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型相關(guān)聯(lián)，通過開發(fā)底層數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)腕臂預(yù)配參數(shù)的傳遞，驅(qū)動(dòng)參數(shù)化BIM模型的屬性更新。

（3）在Revit軟件環(huán)境下，通過三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)，根據(jù)各類腕臂預(yù)配安裝形式的要求，實(shí)現(xiàn)腕臂BIM模型的自動(dòng)化裝配。

（4）實(shí)現(xiàn)Revit軟件環(huán)境下接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模型的批量裝配、批量出圖、批量算量功能，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本。

（5）接觸網(wǎng)腕臂BIM預(yù)配成果能夠用于接觸網(wǎng)系統(tǒng)BIM設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維等工程全生命周期中信息模型及數(shù)據(jù)的有效復(fù)用及共享[4-5]。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配是設(shè)計(jì)與施工雙方共同參與完成的一項(xiàng)數(shù)據(jù)量大、計(jì)算強(qiáng)度高的精細(xì)化設(shè)計(jì)工作。根據(jù)接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配技術(shù)對設(shè)計(jì)參數(shù)以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸入的要求，結(jié)合腕臂零部件BIM模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配功能的具體需求，對系統(tǒng)架構(gòu)及工作流程進(jìn)行梳理（見圖1）。

（1）外部測量數(shù)據(jù)。主要包括：軌面寬度、外軌超高、側(cè)面限界、跨距等。

（2）接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)。主要包括：導(dǎo)線高度、結(jié)構(gòu)高度、拉出值、受電弓包絡(luò)線最大抬升高度等。

（3）腕臂零部件參數(shù)化族庫。主要包括：平腕臂底座、斜腕臂底座、平腕臂絕緣子、斜腕臂絕緣子、腕臂支撐管卡子、套管雙耳、承力索座、定位環(huán)、定位管支撐管卡子、定位器、定位支座、定位管卡子、錨支定位卡子、定位線夾等。上述零部件均在Revit軟件環(huán)境下采用族的形式進(jìn)行參數(shù)化建模，并附加必要的幾何、機(jī)械及電氣等屬性信息，形成完整的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配BIM族庫。

以平腕臂絕緣子為例，族模型及其屬性信息見圖2、圖3。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 平腕臂絕緣子族模型

圖3 平腕臂絕緣子族模型屬性信息

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)界面

按照系統(tǒng)架構(gòu)，在Revit軟件環(huán)境下，采用二次開發(fā)的方式，構(gòu)建接觸網(wǎng)腕臂裝配功能模塊。系統(tǒng)功能調(diào)用選項(xiàng)卡及操作界面見圖4、圖5。系統(tǒng)操作界面主要由數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)配置、計(jì)算成果列表、成果輸出選項(xiàng)等幾部分組成。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配計(jì)算

該功能通過調(diào)用現(xiàn)有接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配算法的方式實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)外部測量數(shù)據(jù)和接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)，依據(jù)參數(shù)化計(jì)算模型計(jì)算出腕臂結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的坐標(biāo)，并通過加載相應(yīng)零件的尺寸參數(shù)和工況相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)而推算出腕臂管狀零部件的尺寸及其安裝角度。該功能的實(shí)現(xiàn)需要對預(yù)配數(shù)據(jù)庫及零部件參數(shù)進(jìn)行配置，操作界面見圖6、圖7。

3.2.2 接觸網(wǎng)腕臂BIM模型自動(dòng)化裝配

由于接觸網(wǎng)腕臂模型需要在Revit軟件的三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，因此需要將接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配計(jì)算得到的零部件尺寸、安裝角度及坐標(biāo)等參數(shù)，通過二、三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，精確計(jì)算出腕臂結(jié)構(gòu)各零部件的三維插入點(diǎn)坐標(biāo)，并調(diào)用族庫中相對應(yīng)的零部件族模型，將其加載至正確的位置，從而完成腕臂預(yù)配成果的三維自動(dòng)化裝配。接觸網(wǎng)腕臂BIM模型見圖8。

系統(tǒng)能夠按照接觸網(wǎng)錨段或自定義范圍的方式，通過加載所對應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)及所需族庫模型，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂BIM模型的批量裝配，并自動(dòng)保存至用戶配置路徑中。

圖4 系統(tǒng)功能調(diào)用選項(xiàng)卡

圖5 系統(tǒng)操作界面

圖6 預(yù)配數(shù)據(jù)庫配置界面

圖7 腕臂零部件參數(shù)配置界面

3.2.3 二、三維出圖

接觸網(wǎng)腕臂裝配模型能夠以二、三維相結(jié)合的方式自動(dòng)生成預(yù)配圖紙，該出圖模式與常規(guī)二維出圖模式相比，具有可視化、信息化及參數(shù)化程度高等優(yōu)勢，能夠更為直觀地反映預(yù)配成果，有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工。接觸網(wǎng)腕臂裝配模型出圖形式見圖9。

3.2.4 工程量精細(xì)化統(tǒng)計(jì)

完成預(yù)配模型裝配后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)用Excel表格，動(dòng)態(tài)生成接觸網(wǎng)腕臂零部件工程數(shù)量表，并以單腕臂或批量匯總的形式分類匯總。

圖8 接觸網(wǎng)腕臂BIM模型

圖9 接觸網(wǎng)腕臂裝配模型出圖形式

實(shí)現(xiàn)零部件級工程量的精細(xì)化統(tǒng)計(jì)，能夠?yàn)楝F(xiàn)場施工開展成本分析、物料進(jìn)度管理等工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 模型整合及應(yīng)用

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)各錨段腕臂進(jìn)行精確預(yù)配計(jì)算并建立相匹配的腕臂預(yù)配BIM模型庫，在此基礎(chǔ)上，通過模型鏈接的方式開展專業(yè)內(nèi)與專業(yè)間BIM模型的整合，實(shí)現(xiàn)三維GIS場景下的實(shí)時(shí)漫游、四維施工模擬、碰撞檢查等功能，有效提高設(shè)計(jì)成果質(zhì)量，起到節(jié)約成本、合理控制工程進(jìn)度的目的。專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間模型整合后的三維可視化成果見圖10、圖11。

圖10 接觸網(wǎng)專業(yè)BIM模型整合效果

圖11 多專業(yè)BIM模型整合效果

4 結(jié)束語

系統(tǒng)充分利用BIM技術(shù)參數(shù)化、可視化等優(yōu)勢，結(jié)合接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配技術(shù)的特點(diǎn)，提供表達(dá)形式更為直觀、信息量更為豐富的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配成果，能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工，達(dá)到節(jié)約成本、合理控制工程進(jìn)度的目的[12]。同時(shí)，系統(tǒng)作為接觸網(wǎng)專業(yè)開展BIM技術(shù)應(yīng)用的有益探索，為鐵路工程項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的BIM技術(shù)深化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。