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BIM技术应用于阳大铁路接触网设计



概述

阳大铁路是指从阳泉北站到大寨之间,途径阳泉市、晋中市的铁路建设项目。新建阳泉北至大寨铁路项目起点位于阳泉市盂县阳泉北站,由石太客专K101+103引出,终点位于晋中市昔阳县大寨村YSK36+900处,线路全长90.669km,其中正线长77.91km,支线长12.759km。以客为主,以货补客,客货兼顾。阳大铁路是铁三院的BIM试点项目。


接触网设计现状

接触网是电气化铁路系统中的重要环节,包括电气设计、结构设计与机械装配,是一个精细、复杂的系统。传统二维设计以CAD图纸呈现,虽然在设计过程中采用辅助软件提升了设计效率,但在各专业之间,以及与施工单位、业主之间的配合和交流中存在以下缺点。


(1)接触网平面设计中,设备设施通常采用简化的图形符号和线条进行标识,与实际情况相差甚远,不利于直观表达。


(2)接触网专业与其他专业接口较多,二维CAD成果只能展示本专业的设计内容,不能清晰表达与各专业间的详细配合,现场施工过程中易出现碰撞冲突情况,造成返工和损失。


(3)接触网平面二维图纸的设计参数不能涵盖线路的实际情况,对情况复杂的工点,需要设计人员进行现场勘测确定设计方案,可能出现安装图不适用的情况。


BIM技术以3D技术为基础,集成建筑工程项目各种相关的工程数据模型,是对工程项目相关信息详尽的数字化表达。BIM技术可将工程信息内容利用三维模型进行立体直观表达,并赋予设备属性;利用多专业协同设计平台,实时展现各专业的设计内容,避免专业间的“差、错、漏、碰”,BIM技术的诸多优点能有效改善传统设计中的缺陷。随着我国铁路工程向低碳、环保、节能、可持续的方向发展,BIM技术应用于铁路接触网全生命周期是一大趋势。


四电IFC标准及软件

现有国内外BIM标准基本用于建筑行业,并不涵盖铁路行业,因此需要制定一套完整的标准体系,在铁路工程中实现BIM应用的标准化。2013年5月,中国铁路总公司正式启动“铁路工程建设和信息化关键技术研究”等科研项目,包括BIM技术运用于铁路设计、施工、运维各阶段。2015年12月,由铁三院牵头编制,铁路BIM联盟发布《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0版)》,主要涵盖铁路站前各专业领域;2016年7月,由铁一院牵头编制,铁路BIM联盟发布《铁路四电工程信息模型数据存储标准》,主要涵盖铁路通信、信号、电力变电、接触网4个专业领域。


IFC标准对BIM模型数据存储格式、语义扩展方式、数据访问方法、一致性测试进行规范,同时对实现BIM模型属性的加载及工程算量提供标准。铁路四电IFC标准体系的建立和完善是一项长期工作,需要与试点项目进行实践验证。


Bentley软件在工厂设计(石油、化工、电力、医药等)和基础设施(道路、桥梁、市政、水利等)领域具有一定优势,在接触网设计方面也具有其独特优点:


(1)二维设计和三维设计是在Microstation平台上进行,实现了一个平台、一个模型、一个数据架构。


(2)软件内部设置了接触网部件库,能够自动绘制平面和横断面图,以及交付施工的数据和材料明细表。


(3)具有面向对象的参数化创建工具,可实现智能的对象关联、参数化建模等,并实现二维图与三维模型的智能联动。


但Bentley软件在应用细节上不够精确,对我国本土化的接触网设计有待加强。其对接触网的某一局部工点(如车站)的设计可满足要求,但对长大线路设计还需进一步研发拓展。


达索系统的CATIA软件在航空航天、汽车、建筑设计领域有着广泛应用,针对铁路行业采用BIM技术设计特点,提供良好平台,同时实现铁路多专业的协同设计要求。CATIA软件的主要优点如下:


(1)在对工程项目全过程中产生的各类信息(如三维模型、图纸、合同、文档等)进行集中管理的基础上,数据管理平台ENOVIA为项目团队提供信息交流和协同工作环境,对项目中的数据存储、沟通交流、进度计划、质量监控、成本控制等实行统一的协作管理。


(2)实体和曲面能够交互操作,具有强大的建模能力和模型库,满足接触网设计要求,提供智能化的树结构,用户可方便快捷地对模型进行重复修改。


(3)基于骨架联动思想,各专业之间有了紧密联系,当上序专业骨架更改后,相关专业的骨架和设计内容能够联动修改,大幅提高设计效率。


BIM应用

阳大铁路是铁三院的BIM试点项目。选择达索系统的CATIA软件作为BIM设计平台,基于CATIA软件平台采用BIM技术,对接触网专业进行设计的流程主要包括:三维模型建立、上下序信息确认、骨架设计、接触网设备模型布置、设计验证和设计发布等。接触网设备沿线路的架设与桥梁、隧道等密切相关,参考线路专业发布的线路中心线、桥梁专业发布的墩台信息和隧道专业发布的隧道轮廓信息等,利用CATIA软件的Knowledge Pattern进行接触网骨架的生成。


基于CATIA软件平台采用BIM技术的接触网设计能够直观表达接触网设施与桥梁、路基等设施的详细状况,与传统二维设计相比更加直观、精确,对接触网设备位置及型号选择意义重大。


阳大铁路三郊特大桥接触网布置


接触网支柱与桥梁干涉、与声屏障干涉碰撞现象时有发生。二维设计中,接触网专业向桥梁专业提供接触网支柱预留位置,但桥梁墩台由桥梁专业自行设计,在实际施工中出现预留基础距桥边缘过近,出现接触网支柱与桥梁冲突现象;声屏障与线路中心线的距离根据设计者经验得出,因此接触网支柱与声屏障干涉碰撞时有发生。


接触网支柱与桥梁干涉 

接触网支柱与声屏障干涉碰撞


采用BIM设计可快速、清晰发现各专业间的碰撞冲突问题,为专业间的协同配合、设计更改提供极大便利,同时减少施工过程中的返工和损失。


存在问题

阳大铁路全线采用BIM技术,基于CATIA软件平台进行多专业协同设计,初步形成一套设计流程。但BIM技术应用于铁路工程设计处于起步阶段,存在以下问题:

(1)专业标准未成熟。虽然制定了铁路四电工程信息模型数据存储标准,但在实践中还需进一步完善。

(2)专业软件的应用处于起步阶段。虽然CATIA软件的基础功能强大,但在使用中其操作比较繁琐,效率相对不高。

(3)CATIA软件内部没有接触网专业对应的零件模板库。采用BIM设计时,需要设计人员根据标准图纸进行建模积累。

(4)缺少铁路行业设计专用模块。



结束语


BIM技术在各行业的快速发展、优势与作用将愈加明显,其在铁路工程中的应用推广势在必行。由于铁路行业具有专业较多、工作体量庞大、各专业间协同配合较多等特点,目前没有成熟的应用软件平台,设计院和施工单位处于软件平台应用尝试阶段。在中国铁路总公司大力推动及各单位的大力投入下,通过对铁路BIM技术的探索和研究,BIM技术必将成熟运用于铁路工程设计中。