接触网工程BIM模型规则检验

杨社安，尚永峰

（中铁武汉电气化局集团有限公司，湖北武汉 430074）

0 引言

目前，BIM 技术越来越多地应用于铁路四电工程，BIM技术及其信息技术工具的多种能力被逐步应用到设计、施工、监管等各个流程，以提升工作效率与质量，规避系统工程建设风险，提高项目整体效益［1］。虽然BIM技术的应用解决了传统接触网设计的许多问题，但是新问题仍不可避免。例如，建模可能因为人为疏忽而出现错误；二维图纸翻模能检验到模型硬碰撞，却无法避免模型软碰撞；不能及时检验模型是否符合设计标准等。鉴于接触网在铁路工程中的重要性，利用BIM技术进行接触网模型规则检验，协助设计调整，成为保证铁路工程建设顺利进行的有效措施之一［2］。

1 接触网工程BIM技术应用

1.1 应用价值

在传统的接触网工程设计中，存在二维图纸不能直观表现设备与环境的复杂关系、站前接口不易检验、设计冲突不易发觉等问题，需要借助新的技术手段辅助设计工作。BIM技术的核心是在可视化三维模型的基础上，使模型附带与实际情况一致的完整工程信息库，该信息库包括几何信息和非几何信息，如模型内外部空间结构几何信息，构件材料、质量、进度等，可以为设计、施工、运营提供模拟、分析、管理的数据基础。因此，非常有必要引入BIM技术辅助接触网工程进行设计、施工。接触网沿线路三维空间布置示意见图1。

BIM技术应用于接触网工程的优势主要体现在以下方面：

图1 接触网沿线路三维空间布置示意图

（1）为设计方案论证提供条件。BIM模型附带的接触网工程信息库为性能分析提供了基础条件［3］，也为完成接触网工程设计方案提供了便利条件。

（2）为协同设计提供信息基础。接触网中的零部件实体（如支柱、基础、腕臂、接触悬挂、下锚等）可以作为BIM模型的基本图形元素或族实例，利用BIM模型进行接触网设计的过程可以不断确定和修改接触网零部件的空间位置与参数。采用参数化设计，构件属性可实现数据关联与互动，基于BIM 技术的可视化协同设计可即时发现问题并解决设计冲突［4］。

（3）提高设计修改与出图的效率。接触网BIM 模型于计算机中进行模拟建造，设施设备通过属性参数进行区分，软件可快速、准确地识别并提取数据，修改后的模型数据自动更新，大大减少出图工作量。BIM模型支持创建平立剖面设计或施工图纸，生成的图纸来源为一个模型，且图纸与模型实时关联，模型修改则图纸自动修改［5］。利用BIM 模型直接出图，使设计人员专注于设计构思和分析，提高工作效率和设计质量。

1.2 规则检验的必要性

随着我国铁路工程建设持续推进，铁路工程信息量越来越大，对接触网的设计、建设、维修等要求也越来越高，接触网模型精度要求也随之提高。接触网模型应包含更抽象、语义更丰富的信息，仅靠人眼检测难以确保模型质量和精度。

目前，规则检验仅作为设计人员的决策支持系统，仍需用户参与。然而，规则检验的最终目的是作为一个完全自动化系统，使设计人员专注于工程性能本身（如安全性、可持续性等）。显然，还不能达到无用户参与的智能规则检验，仍需在多领域进行规则检验尝试，且需要新技术的融合。

2 智能规则检验实施

2.1 检验依据

模型规则检验不是单纯的碰撞检测，而是利用给定的规则约束信息去验证是否满足该规则的过程。接触网工程的模型规则检验同样不局限于零部件的碰撞检测，应明确定义其规则约束信息，尽管有些规则可嵌入参数化系统内设计生成（如在Rhino 中运行的Grasshopper）。接触网工程BIM 模型规则检验的关键不仅在于具体的规则约束信息，还在于检验对象及参数。因此，在接触网工程设计的范畴下，用于规则检验的候选规则必须清晰、明确、合适，检验参数选取的合理性和规则的来源对于接触网工程设计指导有较重要的影响。整理接触网工程规则检验来源如下：

（1）GB 146.2—1983《标准轨距铁路建筑限界》；（2）GB 50262—2013《铁路工程基本术语标准》；（3）GB/T 32578—2016《轨道交通地面装置电力牵引架空接触网》；

（4） TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》；

（5）TB 10621—2014《高速铁路设计规范》；

（6）TB/T 2073—2010《电气化铁路接触网零部件技术条件》；

（7）TB/T 2074—2010《电气化铁路接触网零部件试验方法》；

（8） TB/T 2075—2010 《电气化铁路接触网零部件》；

（9）TG/01—2014《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》；

（10）TG/01—2014《铁路技术管理规程（普速铁路部分）》；

（11）《电气化铁道接触网基础知识》（中国铁道出版社，2018年）；

（12）《接触网》（中国铁道出版社，2008年）。

2.2 检验流程

通常来说，规则检验是利用人工方式将设计模型技术参数与规则进行比对。该检验以铁路四电工程中的接触网工程为对象，研究利用BIM 技术作为辅助模型审查的工具，以此来降低人工审查可能造成的错误［6］。目前，规则的建立没有一种广泛采用的标准方法，Eastman 等［7］于 2009 年在总结过去 20 年规则检验研究的基础上，提出了一般化规则检验的四阶段模型，该模型四阶段均有不同的功能重点，该规则检验系统包含的功能及检验内容见表1。

表1 规则检验系统包含功能及检验内容

如表1所示，在一般化规则检验流程基础上，得到接触网工程BIM 模型规则检验四阶段：模型准备→规则解读→模型审查→审查报告。

（1）模型准备。接触网工程包含各种零部件，每个零部件都有大量参数，建立的接触网BIM 模型参数类型和数量也比较多［8-9］。对模型进行规则检验，只需要关注特定的参数，而对于类似尺寸标准的信息并没有进行验证的要求。如果对所有参数都进行“扫描”监测，不仅浪费时间，也没有必要。因此对于需要验证的BIM 模型，要按照规则检验的要求进行“初始化”整理，如统一坐标系，对命名规则不一致的参数名称进行调整等，以保证验证顺利通过。

（2）规则解读。根据接触网工程规则检验的标准，对需要验证的检验项目进行设置。根据BIM 模型数据结构，将文本化的检验条目转化为可以加载到BIM 模型上操作的可执行代码，为下一步加载到BIM 模型，并运行模型检验作好准备。

（3）模型审查。利用编程语言与Revit API 将需要运行的检验规则代码加载到BIM 模型，运行检验代码后，对模型中关键参数进行自动提取，与标准参数进行比对，并保留比较结果［10］。

（4）审查报告。对所有检验结果进行汇总，包括所有检测点与规范符合情况，可以支持导出数据明细清单表。

3 BIM模型规则检验实证

3.1 实施情况

本次BIM模型规则检验针对2段不同模型进行，试点范围选取梅汕客专DK86+000—DK104+350 相对典型线路，线路长度18.35 km。该模型检验选取长度2～4个锚段，如果线路长度太长会影响运行速度，因此并不需要太长线路以显示模型检验的可行性。该试点模型第1 段为BIM 设计模型，锚段A 为DK86+000—DK97+450，第2 段为BIM 施工模型。本次模型检验在Revit接触网模型检验插件基础上实施，该插件通过Revit API开发。检验的菜单栏界面见图2。

图2 菜单栏界面

Revit 二次开发模块将接触网设计规范数据写入程序，在布置接触网时通过设计规范中的约束数据或公式，对方案进行校核；对于不满足规范要求的节点，生成明细表格并进行统计。检验的参数限值设置界面见图3。

针对锚段A的BIM设计模型，本次检测具体的实现过程如下：

图3 参数限值设置界面

（1）支柱侧面限界。首先获取项目中所有支柱，由poleInstance.Lookup Parameter（"DK"）.AsDouble（）获取支柱里程信息，poleInstance.Symbol.Lookup Parameter（"il"）.AsDouble（）获取支柱侧面到支柱中心距离。然后根据支柱里程信息和平面曲线公式，计算轨道坐标（此处略），再利用下式计算得支柱侧面限界：

支柱侧面限界=支柱放置点坐标-支柱侧面到中心距离-轨道坐标。

支柱侧面限界检测结果与部分导出明细示意见图4。由图4的具体验核明细可知，检验结果合格。

图4 支柱侧面限界检测结果与部分导出明细示意图

（2）结构高度。以定位线夹（定位器）为基准建立一个列表，将锚段和支柱编号相同的承力索座添加至列表中；根据接触线在定位线夹（定位器）的相对位置和承力索在承力索座的相对位置，分别计算接触线和承力索的坐标；计算接触线和承力索在Z轴上的差值，即为结构高度。结构高度检测结果与部分导出明细示意见图5。由图5 的具体验核明细可知，检验结果合格。

图5 结构高度检测结果与部分导出明细示意图

（3）接触线高度。因为涉及曲线段轨平面超高的处理及线路自身情况，使得接触线高度在模型中有较多前提判断条件。出于研究目的设定一些前提条件，默认曲线外侧为外轨，内侧为内轨；将缓和曲线的参数存入数据库，在缓和曲线转向时随时调用；复线钢轨的轨平面分别抬高并不处于同一平面。具体执行为：根据平面曲线和竖曲线要素值和支柱所在里程数据，计算出A、B`两点坐标，根据超高数据，设置外轨B`点Z轴的高出值得B 坐标；AB 连成线Line line=Line.CreateBound（A，B）；读取D 点到line 的距离line.MakeUnbound（）.Distance（D）；读取C点到line的距离line.MakeUnbound（）.Distance（C）。接触线高度检测结果与部分导出明细示意见图6。由图6 的具体验核明细可知，检验结果合格。

图6 接触线高度检测结果与部分导出明细示意图

（4）接触线坡度。在模型里面查询接触线构件，找出所有接触线实例元素；根据接触线构件编码查询连接接触线两端的支柱；计算公式为：

接触线坡度（‰）=（接触线终点标高偏移-终点支柱底面标高-（接触线起点标高偏移-起点支柱底面标高））×1 000/接触线长度。接触线坡度检测结果与部分导出明细示意见图7。由图7 的具体验核明细可知，检验结果不合格。

图7 接触线坡度检测结果与部分导出明细示意图

（5）吊弦长度。首先获取所有吊弦族实例。在吊弦的实例参数中读取吊弦长度值dropperInstance.LookupParameter（"长度"）.AsDouble（）。吊弦长度检测结果与部分导出明细示意见图8。由图8 的具体验核明细可知，检验结果合格。

图8 吊弦长度检测结果与部分导出明细示意图

3.2 检验结果分析

本次接触网工程BIM 模型检验，是将规则检验融入接触网BIM 模型中，其中包含设计要求和其他方面的要求，从2个方面说明：

（1）接触网工程BIM 模型规则能精确检验构件相对位置。本次检验结果中，5项检验参数仅有接触网坡度1项结果不合格。通过四阶段检验流程的设定，形成一个标准化的模型检验过程，并基于统一的模型要求满足模型规则检验的需求。在接触网坡度不合格的检验结果中，存在多种出错的可能性，如与坡度、底座的高度以及腕臂上构件的定位数据均有关系，但这不影响模型规则检验流程的有效性和检验效果，可以通过结果追溯原因，并一一排除。结果表明，除了模型检验，接触网工程还有很多专业上需要解决的问题。

（2）受制于轨道线路参数影响，接触网工程BIM模型规则检验效果为相对精确。在检验过程中，出于研究模型检验流程的目的，暂未对接触网专业考虑周全，尤其受制于轨面超高、竖曲线、缓和曲线等参数影响。如对于支柱侧面限界的检测，采取默认支柱坐标放置位置正确来检测限界值，这涉及支柱在线路区段以及支柱准确性判断。同时，有关接触线高度的确定涉及内外轨超高后在缓和曲线段上形成的轨平面精度问题。

4 结束语

在分析规则检验研究必要性的基础上，基于文献研究提出接触网工程BIM 模型检验的四阶段流程，通过实例验证了规则检验流程的可行性，并针对模型规则检验中不合格情况进行分析，给接触网专业BIM 模型审查研究提供了借鉴方向。从检验结果看出，可以通过既定的检验流程，给出模型合格或不合格的检验结果，但模型精度依旧难以掌握。因此，需要开发一种自动建模工具，完善模型精度问题，并对设计、施工、现场材料管理等工作进行良好辅助。