耿肖，石瑞霞，趙傳

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

目前，我國(guó)已成為世界上電氣化鐵路和高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家。2021年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，規(guī)劃綱要指出到2035年，鐵路規(guī)模將達(dá)20萬(wàn)km左右，其中高速鐵路約6.1萬(wàn)km［1］。越來(lái)越多的高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，對(duì)運(yùn)輸組織效率、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效率都提出了更高要求，將先進(jìn)的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)與鐵路業(yè)務(wù)深度融合，有助于高速鐵路的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)向智能化邁進(jìn)。

在接觸網(wǎng)工程領(lǐng)域，部分鐵路設(shè)計(jì)院正在開展BIM工程試點(diǎn)并已在部分項(xiàng)目中取得成果。但從總體看，建設(shè)主體多元、信息數(shù)據(jù)分散，尤其是缺乏數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、數(shù)據(jù)關(guān)系定義和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)分析。設(shè)計(jì)與施工2階段各自為政，BIM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)率低，不僅使BIM核心信息數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全生命周期流轉(zhuǎn)過(guò)程中大打折扣，而且制約了現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與未來(lái)智能化趨勢(shì)在鐵路工程建造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

在新的發(fā)展階段，采用以BIM+GIS技術(shù)為核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息技術(shù)與工程設(shè)計(jì)、建造技術(shù)相結(jié)合的手段［2］，通過(guò)三維模型與信息數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，提高數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率，對(duì)促進(jìn)智能高鐵建設(shè)具有重要意義。

1 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)主要基于二維CAD，采用平面布置設(shè)計(jì)圖與安裝圖相結(jié)合的方式。在平面布置設(shè)計(jì)圖中注明接觸網(wǎng)支柱的里程、限界、基礎(chǔ)類型、腕臂裝配圖號(hào)等信息，通過(guò)腕臂裝配圖號(hào)索引至對(duì)應(yīng)的腕臂安裝圖，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)在工廠進(jìn)行腕臂預(yù)配加工后運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)安裝。

接觸網(wǎng)BIM設(shè)計(jì)中腕臂裝配雖然能反映每一處接觸網(wǎng)腕臂安裝形式，但存在腕臂類型多樣、建模繁雜、不能參數(shù)化驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題［3-6］。

1.1 腕臂裝配圖設(shè)計(jì)

針對(duì)不同速度等級(jí)的電氣化鐵路項(xiàng)目，中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司、各設(shè)計(jì)單位發(fā)布的接觸網(wǎng)腕臂裝配通用參考圖主要包括：隧道外（隧道內(nèi)）中間柱、非絕緣關(guān)節(jié)、絕緣關(guān)節(jié)、分相關(guān)節(jié)、道岔等位置的腕臂安裝形式。通用腕臂裝配圖一般采用標(biāo)準(zhǔn)限界和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)信息，不能反映每個(gè)工點(diǎn)的腕臂安裝情況。腕臂裝配圖一般基于TB/T 2075—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》，結(jié)合軌面坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系，通過(guò)一定的設(shè)計(jì)原則和邏輯關(guān)系來(lái)確定各接觸網(wǎng)零件的裝配方式。通用腕臂安裝圖中的信息一般包括腕臂的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系、零件屬性及數(shù)量、圖紙使用說(shuō)明等。

1.2 腕臂預(yù)配計(jì)算

腕臂預(yù)配計(jì)算一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)腕臂安裝設(shè)計(jì)圖開展進(jìn)一步細(xì)化，包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量—預(yù)配計(jì)算—工廠加工—現(xiàn)場(chǎng)安裝—驗(yàn)收等環(huán)節(jié)。其中腕臂預(yù)配計(jì)算依賴的參數(shù)主要有現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)、零件參數(shù)3類。不同腕臂計(jì)算軟件的計(jì)算規(guī)則不同，其核心思想都是通過(guò)零件尺寸、零件幾何關(guān)系和接觸懸掛荷載計(jì)算，確定零件加工尺寸，以滿足設(shè)計(jì)要求的導(dǎo)高和拉出值（見(jiàn)圖1）。零件參數(shù)由零件中標(biāo)廠家確定，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)由施工單位測(cè)量確定，設(shè)計(jì)參數(shù)由設(shè)計(jì)原則確定，三者相互作用，共同決定計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果主要包括各類管件的長(zhǎng)度、接觸網(wǎng)零件的安裝位置、定位器選型等。

圖1 腕臂預(yù)配計(jì)算成果示意圖

1.3 腕臂裝配BIM設(shè)計(jì)

在接觸網(wǎng)二維設(shè)計(jì)中，安裝圖與平面圖是分離的，通過(guò)安裝圖號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而在三維設(shè)計(jì)中，腕臂裝配是接觸網(wǎng)沿線路空間布置的基礎(chǔ)，腕臂位置決定了接觸懸掛線材的空間位置。腕臂裝配BIM設(shè)計(jì)依賴接觸網(wǎng)零件，一般將零散的接觸網(wǎng)零件通過(guò)點(diǎn)、線、面進(jìn)行三維空間約束，完成腕臂三維模型組裝（見(jiàn)圖2）。

圖2 通過(guò)零件約束的腕臂三維模型

直接采用零件模型約束的建模方式難以滿足長(zhǎng)大區(qū)間BIM設(shè)計(jì)效率和參數(shù)可變性要求，例如，更換零件、修改設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)無(wú)法完成對(duì)接觸網(wǎng)腕臂裝配的模型重構(gòu)，不利于模型的重復(fù)利用。

2 基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的腕臂裝配BIM建模

2.1 總體目標(biāo)與技術(shù)路線

基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建?？傮w目標(biāo)為：通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的方式，快速完成接觸網(wǎng)腕臂裝配的BIM建模，提升建模效率和成果數(shù)據(jù)的利用率。具體技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

圖3 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的接觸網(wǎng)腕臂BIM建模技術(shù)路線

（1）構(gòu)建接觸網(wǎng)腕臂裝配母板庫(kù)。腕臂裝配類型歸類為正定位、反定位、非工作支3種類型的組合，每種類型再拓展不同子類型，例如，反定位可以拓展為將定位管吊線改為支撐方式、取消防風(fēng)拉線、取消腕臂支撐等子類型。母板采用二維約束方式進(jìn)行單獨(dú)管理，以便進(jìn)行調(diào)用、保存、修改操作。根據(jù)零件參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)和測(cè)量參數(shù)等外部參數(shù)可以驅(qū)動(dòng)母板中的參數(shù)計(jì)算。

（2）建立接觸網(wǎng)零件三維模型庫(kù)。主要包括腕臂支持裝置零件、腕臂底座、定位裝置等零件。接觸網(wǎng)零件模型應(yīng)包含完整的屬性信息，例如廠家、材質(zhì)、零件代號(hào)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量單位、關(guān)鍵尺寸參數(shù)、附注、防腐等級(jí)、關(guān)鍵點(diǎn)位置等。

（3）建立參數(shù)化驅(qū)動(dòng)邏輯關(guān)系。通過(guò)簡(jiǎn)易骨架約束，再通過(guò)零件模型綁定骨架的方式，簡(jiǎn)化約束計(jì)算量。以簡(jiǎn)化的正定位為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的上、下底座坐標(biāo)位置，設(shè)計(jì)的承力索、接觸線位置等4處關(guān)鍵點(diǎn)，利用三角函數(shù)關(guān)系便可計(jì)算出腕臂管長(zhǎng)度、零件位置關(guān)系等預(yù)配數(shù)據(jù)信息。

（4）建立零件與參數(shù)的約束關(guān)系。在接觸網(wǎng)三維零件建模過(guò)程中定義零件關(guān)鍵參數(shù)，三維零件模型與母板綁定之前進(jìn)行參數(shù)匹配，若模型關(guān)鍵參數(shù)與母板參數(shù)一致，則進(jìn)行模型綁定；若不一致則返回修改母板庫(kù)，以模型參數(shù)為輸入?yún)?shù)重新計(jì)算母板后進(jìn)行模型綁定。模型綁定主要通過(guò)零件關(guān)鍵點(diǎn)確定插入位置，利用約束關(guān)系將零件模型與對(duì)應(yīng)骨架線綁定。

（5）成果利用標(biāo)準(zhǔn)化。利用腕臂裝配母板庫(kù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)形成腕臂預(yù)配工點(diǎn)成果數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以向下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)流轉(zhuǎn)腕臂管加工尺寸，以直接用于智能化工廠預(yù)配加工，也可通過(guò)圖紙方式直觀顯示每處腕臂的外觀尺寸，自動(dòng)建立支柱“一桿一檔”數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的腕臂建模形式，可以快速完成特殊工點(diǎn)的腕臂設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成腕臂裝配表，補(bǔ)充圖紙說(shuō)明后形成腕臂安裝圖設(shè)計(jì)成果。

2.2 整體架構(gòu)

基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM快速建模程序整體架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)接觸網(wǎng)腕臂BIM建模程序整體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：主要包括項(xiàng)目數(shù)據(jù)、零件參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)及規(guī)范化的成果數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)均采用規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)或Excel格式進(jìn)行交互，便于程序識(shí)別和機(jī)器識(shí)別。

（2）技術(shù)層：技術(shù)層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心功能，主要包括數(shù)據(jù)管理、模型集成、腕臂裝配計(jì)算。其核心為腕臂裝配母板設(shè)計(jì)、母板計(jì)算、模型綁定等技術(shù)，包含計(jì)算結(jié)果判斷、誤差修正等功能。

（3）功能層：實(shí)現(xiàn)腕臂裝配圖設(shè)計(jì)、腕臂工點(diǎn)預(yù)配計(jì)算的核心功能。具體包括母板設(shè)計(jì)、零件與母板的關(guān)聯(lián)、腕臂模型母板的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)、不同廠家零件的調(diào)整替換、成果管理、批量計(jì)算及導(dǎo)出等功能。

（4）應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂安裝圖設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)計(jì)算，計(jì)算成果向施工階段智能建造流轉(zhuǎn)，以及向運(yùn)維階段數(shù)字化交付的延伸。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 零件模型庫(kù)建設(shè)

零件三維模型是接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，利用建模軟件建立接觸網(wǎng)零件三維模型，定義屬性參數(shù)及關(guān)鍵點(diǎn)，用于模型參數(shù)與母板參數(shù)比對(duì)、模型與母板綁定。

3.2 腕臂裝配母板建設(shè)

母板為線型骨架結(jié)構(gòu)，是零件模型的關(guān)鍵參數(shù)和約束集合，腕臂裝配母板及模型綁定過(guò)程見(jiàn)圖5。母板中包含初始化的零件參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，包含參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的約束計(jì)算規(guī)則以及成果輸出標(biāo)注模板。直接利用線型母板進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)計(jì)算，在計(jì)算后綁定對(duì)應(yīng)三維零件的方式，可大大簡(jiǎn)化直接利用零件模型進(jìn)行三維約束的約束計(jì)算量，提升接觸網(wǎng)BIM三維空間布置設(shè)計(jì)效率。

圖5 母板建立及模型綁定過(guò)程

3.3 母板計(jì)算規(guī)則

腕臂裝配模型根據(jù)不同工點(diǎn)的具體參數(shù)而變化。以正定位母板骨架計(jì)算為例，根據(jù)接觸網(wǎng)支柱的超高值確定接觸網(wǎng)受電弓中心線，通過(guò)接觸網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高確定該處懸掛點(diǎn)的接觸線位置，記作點(diǎn)A；根據(jù)接觸網(wǎng)懸掛設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)高度可得到該懸掛點(diǎn)承力索及承力索座的位置，記作點(diǎn)B；根據(jù)測(cè)量的上、下腕臂底座位置D、E，利用零件參數(shù)和三角函數(shù)關(guān)系，可以計(jì)算出C、F、G、H、I、J、K各點(diǎn)的位置（見(jiàn)圖6）。

圖6 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建模計(jì)算示例

在BIM建模軟件中，利用已建好的零件庫(kù)，根據(jù)二維約束結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)一一嵌入，即可構(gòu)建根據(jù)技術(shù)參數(shù)、零件參數(shù)及測(cè)量參數(shù)驅(qū)動(dòng)的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM模型。

3.4 腕臂預(yù)配計(jì)算誤差及撓度修正

由于接觸網(wǎng)零件之間多為鉸接關(guān)系，存在一定的螺栓、螺母鉸接位移誤差。此外，在承力索座位置承受接觸懸掛荷載之后，會(huì)在腕臂管產(chǎn)生彎矩引起的撓度，腕臂管越長(zhǎng)，撓度變化越明顯［7］。在預(yù)配計(jì)算中適當(dāng)添加裕度，對(duì)鉸接誤差及撓度誤差進(jìn)行修正，更能精準(zhǔn)控制現(xiàn)場(chǎng)安裝后的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度。

4 成果應(yīng)用

4.1 接觸網(wǎng)BIM設(shè)計(jì)

利用完善的零件庫(kù)、腕臂裝配母板庫(kù)能夠快速進(jìn)行接觸網(wǎng)腕臂三維設(shè)計(jì)，在接觸網(wǎng)BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中，僅需考慮接觸網(wǎng)的三維空間布置，可以通過(guò)關(guān)鍵字或腕臂安裝母板編號(hào)自動(dòng)匹配腕臂安裝形式。根據(jù)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，批量完成1個(gè)錨段甚至整個(gè)區(qū)間的接觸網(wǎng)腕臂設(shè)計(jì)，為接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化、智能化提供有力支撐。

此外，對(duì)于咽喉區(qū)、關(guān)節(jié)等復(fù)雜接觸懸掛區(qū)段，能夠通過(guò)直觀效果判斷接觸網(wǎng)的走向以及腕臂與相鄰線路帶電體、接地體的安全距離。

4.2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到智能化預(yù)配數(shù)據(jù)中心

利用腕臂裝配數(shù)據(jù)、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，流轉(zhuǎn)至腕臂預(yù)配工廠，進(jìn)行腕臂自動(dòng)下料、切割、組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的BIM信息流轉(zhuǎn)功能，并指導(dǎo)下游施工［8-9］。在京張、京雄、漢十高鐵等相關(guān)項(xiàng)目中均開展了一定程度的智能腕臂預(yù)配裝備應(yīng)用，進(jìn)一步將智能裝備與BIM設(shè)計(jì)成果結(jié)合，通過(guò)機(jī)械化、信息化方式提升作業(yè)效率，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.3 提升施工管理信息化水平

研究BIM信息向下游拓展應(yīng)用的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，提供可通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的接觸網(wǎng)BIM模型，供下游單位提前預(yù)覽接觸網(wǎng)安裝形式。建立含設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、零件數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、施工管理數(shù)據(jù)等多階段、多類別的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，研究接觸網(wǎng)建造過(guò)程的大數(shù)據(jù)挖掘及流轉(zhuǎn)策略，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)BIM信息及模型的多重應(yīng)用，提升接觸網(wǎng)建造階段信息化管理水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用還存在很大提升空間，上述參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建模方法，可快速完成接觸網(wǎng)腕臂裝配設(shè)計(jì)，為接觸網(wǎng)腕臂裝配BIM建模提供了一種新思路。該設(shè)計(jì)思路采用基于Revit的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)路線也適用于CAD或其他三維建模軟件。