BIM技术在既有铁路牵引变电所施工中的应用

雷亚丽

（中铁十七局集团电气化工程有限公司，山西 太原 030000）

牵引变电所是牵引供电系统的重要组成部分[1]，可以称为铁路的心脏。随着铁路建设的飞速发展，其高质量的建设和安全稳定运行对铁路正常运营具有重要意义。然而，牵引变电所内设备多、线路敷设复杂且空间结构紧凑，土建及牵引变电专业交叉施工，施工难度很大，这就对施工单位工期安排、施工工艺提出较高的要求。在传统铁路电气化改造施工过程中，常常会因设计院所提供的图纸，电力、房建、通信等不同专业间设计图纸的不对应，导致施工图纸中存在许多难以发现的错误，在现场施工过程中极易导致返工重做、拖延工期等情况的发生，造成巨大浪费。

BIM技术具有可视化、碰撞检查、模拟施工和施工信息集成等优势。能够在建模过程中发现各种存在的问题，并通过模拟动画等形式，有效协同业主、设计、监理、施工单位、厂家和运营单位等多方，有助于进一步提高施工单位的施工能力以及最终完成工程的质量。

现以泗安至杭州铁路电气化改造工程为例，介绍BIM技术在既有铁路牵引变电所施工中的应用。

1 项目介绍

泗安至杭州铁路既有线电气化改造工程，施工范围为湖州至杭州（宣杭线K79+930-K219+244），线路总长度约205 km，跨度范围大，施工作业点多。新建牵引变电所4座，均为两回110 kV进线，由地方英牵线1802线和溪牵线1815线引入，分别接入所内1、2号主变压器，将电压由110 kV变为27.5 kV后，由馈线接入接触网，为电力机车供电。牵引变电所正常是一回供电，一回备用，每回27.5 kV馈线设一台断路器，一台隔离开关和一台旁路电动开关，每条供电臂设置一台备用断路器。牵引变电所空间结构紧凑，所内设备却多、各类导线大量排布，电缆沟、高压控制室内电缆交叉情况严重。为了有效提高施工效率，减少材料损耗，采用基于BIM技术的牵引变电所施工技术。

2 BIM技术的特点与优势

BIM技术就是将项目全生命期有用的工程信息融合进为三维建筑模型[2]，技术人员能够直观地获取有效数据，具有可视性、模拟性、协调性、优化性和可出图性等应用特点。

在传统的牵引变电所施工中，普遍采用CAD软件进行设计、出图和施工指导。利用该软件所出的图纸是二维的，缺乏直观效果。在设计过程中难免出现差漏，特别是房建与变电专业经常会出现碰撞问题，这些碰撞问题在施工期间被发现，将会返工处理并且浪费资源，影响工期[3]。另外，实际施工环境中存在的一些特殊位置点很难在二维设计图纸显示，会给后续的施工埋下安全施工隐患[4]。牵引变电所场内架构设备及其连接导线较为复杂，在实际施工过程中，使用平面设计难以考虑到空间的距离限制，从而导致设备限界，绝缘距离不足，电缆沟转角及宽度不满足电缆弯曲半径等问题；所内涉及大量专业设备和线路，对施工技术人员的知识水平要求较高；因图纸工程量计算不准确和现场物资管控失效导致的材料浪费时有发生。

采用BIM技术，可以比照设计图纸进行建模，将图纸转化成为三维立体的直观模型，在建模的过程中可以发现设计图纸中的问题，通过碰撞检查可以检查图纸中存在的各种错、漏、碰、缺等内容，从而实现对设计图的优化。BIM技术可以从任意角度进行平剖面出图，使施工图纸变得简单易懂；也可以进行施工模拟视频，对施工技术人员进行三维交底；同时结合现场实际测量数据对安装细节进行仿真，使施工过程预制化、装配化，减少人工，节约材料成本；结合BIM5D平台，可以将每日施工所需材料快速提取方便使用，可以对施工现场材料消耗以及日后计价结算提供可靠依据。

3 BIM技术应用

3.1 软件平台的选择

本项目使用Autodesk公司的Revit软件作为基本建模工具，其具有与CAD图纸软件等数据互通的优势，同时还具备协同工作，参数化族，插件丰富等特点，便于高效、快速建模。

根据当前项目特点选用Autodesk Revit作为主要建模平台，模型浏览及碰撞检查使用NavisWorks，建筑过程模拟及三维技术交底使用Fuzor，广联达BIM5D，工程量计算采用广联达GTJ2018和品茗算量9.5等软件，视觉特效选用3DMAX等。

3.2 族库的建立

牵引变电所专业设备较多，型号和衍生种类较多，首先我们要梳理各类电气设备，建立族库。运用参数化建模的方式，如拉伸放样的长度，旋转半径，构件开合角度等，可以实现以修改族参数的方式使之生成多种不同型号的族，从而实现在较短时间内完成牵引变电所建族工作。变电所内变压器、断路器等专业设备，需要与导线模型进行连接，读取长度等数据，在建族时，采用公制常规模型进行建立，载入自适应常规模型中添加自适应点，从而实现模型自动放置和参数读取功能，如图1和图2所示。

图1 断路器设备族

图2 主变压器设备族

3.3 牵引变电所建模

牵引变电所建筑内容分为主体建筑、构架和基础、场坪及围墙三部分。在室外建模过程中，设计图中场坪平面图未设置轴网，通过绘制X-Y方向的参照平面并进行标注可以有效解决场内架构基础，架构及设备的定位问题。

牵引变电专业建模时，需要对软导线、隔离开关和避雷器等设备的电气特性进行仿真模拟，在模型绘制时需要将计算公式添加至模型中，通过测量数据驱动模型形态。在所内设备间软导线连接时，充分运用参数化的方式建立自适应族，在实现参数化建模的同时，还做到了连接软导线时只需点击两下鼠标，如图3所示，真正做到了快捷高效，满足了连接各类电气设备的需要。根据现场装配式安装一次性到位的需要，将弧垂，驰度等信息参数添加到模型中，对设备实际安装时的物理情况进行仿真，实现了其在现场安装过程中的真实模拟，准确地计算出安装长度和位置，从而实现预装配。

图3 自适应软导线族

牵引变电所主体难点在于室内电缆沟及二次电缆敷设，设备位置和沟槽开口确定等。建模完成后，各专业间设备及建筑进行碰撞检查，对各种错、漏、碰、缺给出直观剖面图，结合设计、建立、运营接收单位的意见，对模型进行协同会审，在预留孔洞，电缆沟倒角，优化模型以增加电缆弯曲半径如图4所示；设备预埋件剖面图交底等方面提供了可视化依据，减少因沟通不畅导致的各类返工，减少浪费，节约成本。

图4 电缆沟拐角优化

3.4 施工安装模拟

牵引电所施工常常因场地施工进度限制，后续变压器、箱柜等设备设施进场需要在土建施工完备的条件下进行。采用BIM技术模拟施工，可以提前将预期施工进度与实际施工进度进行对比，可对当下施工任务进行快速调整，确保施工有效开展。

在室外设备及架构安装时，我们采用软件计算仿真和现场实验相结合的方式进行安装模拟，首先对实际到货的导线做悬挂测试，得出实际安装弧垂高度，结合跨距、引下线长度等参数，对不同悬挂长度下的实际弧垂高度进行取样并求取经验公式，之后将公式以可变参数的形式添加进模型中，再将模型与设备安装及平面布置图准确匹配，得出导线悬挂模型，用以对实际安装效果进行仿真，之后便可通过模型代替悬挂实验，检验软导线实际安装悬挂后的弧垂高度是否满足设计弧垂。同时利用软件能够进行碰撞检查的特点，对接入牵引变电所主体建筑的导线设置碰撞实体模型，并进行碰撞检查，以检验设备安装后是否满足绝缘净距要求，从而实现施工质量的提升。

3.5 工程量统计

根据设计图纸中设备及零部件的分类方式，对模型添加共享属性和可变参数，在明细表统计规则中设置过滤器，实现了快速高效提取电气设备信息列表的功能如图5所示；同时还能够与施工图快速匹配，对设备及系统分类进行检查。有效避免了人为因素所造成的错项、漏项等情况的发生，同时模型还具备将数据文件以IFC格式导出至算量软件进行土建及钢筋算量的能力。此方法中，由于软件中模型实体工程量与其提取的工程量表是映射关系，具有一处修改，处处更新的特点，该方法在项目图纸审查，物资材料需求计划提报以及工程数量梳理等工作方面，起到了较好的作用，有效减少了工程技术人员在从事工程量提取相关工作时所花费的时间。

图5 建筑主体工程量统计

3.6 BIM5D应用

BIM技术对于工程施工最大的优势在于进度及成本的管控，通过对项目BIM模型、进度计划和材料供应信息进行关联，以项目工期为时间轴，对项目施工情况进行动态模拟，将项目施工过程中的进展情况如图6所示，精确到每日材料消耗、建筑形象工程的变化如实反映，为参与各方提供现实参考依据，提前发现问题，保证工程按时优质完成。

图6 BIM5D施工模拟

4 结束语

BIM技术的可视化、碰撞检查、工程数据管理以及强大的仿真能力对在工程项目施工过程中的图纸审查、技术交底、材料供应和进度控制等各个环节均具有较强的指导作用，综合运用BIM技术的各项优势技术，可以有效提高项目施工在各个方面的能力，从而进一步提高建筑工程项目施工质量，达到减少工期节约成本的理想目标。BIM技术起源于房建领域，目前已经在铁路工程、电力工程中的设计、施工、运营等各个环节得到了应用。同时，国内铁路三维设计的应用工作也已经逐步开展，对于像铁路牵引变电所这样的专业、复杂的单项工程开展BIM应用可以有效提高施工质量、缩短工期、节约施工成本，因此将BIM技术在铁路电气化改造工程中进行应用和推广具有较大的价值。

随着我国新建铁路不断建成，国家铁路网不断丰富，既有线铁路电气化改造顺势成为下一步铁路市场的发展方向。而既有线改造对供电系统的施工也提出了更高的要求。为了提高设备运行可靠性，维护便利性，减少因设备故障而导致的铁路运营中断，减少维修、抢修工作，保障铁路运行秩序，必须从根源入手，抓好建设施工时期的关键环节，充分利用BIM技术所提供的三维可视化模型，对施工过程中的各个环节进行优化，有助于把好施工进度关、质量关，维护参与各方共同利益，以实现经济效益最大化。