沪宁城际铁路股份有限公司 上海市 200030
摘要：电缆敷设一直是铁路牵引变电所施工中工艺质量的重点体现部分，而传统的电缆敷设策划是由技术能力较强的技术人员根据现场情况和经验进行的综合性布置。实际操作中，受制于技术人员的能力水平参差不齐、经验不足等因素，能较好较快的完成变电所大量电缆的布放一直是施工现场的难题。本课题研究通过BIM的三维仿真辅助，电缆敷设规划软件可以直观地完成电缆在现场敷设前的虚拟敷设，并根据软件中电缆的模拟布放位置在空间中是否交叉或重叠的情况而调整电缆布设顺序和位置。采用三维线缆信息模型和BIM模型中自动生成的报表作为施工依据。同时在施工过程中，可以实时记录电缆的实际敷设结果，建立电缆敷设状态，对施工过程进行有效管理，从而达到提高电气化铁路牵引变电所电缆敷设效率和电缆敷设工艺水平的目的。
关键词：电缆敷设；BIM；牵引变电所；虚拟仿真；施工指导
1引言
沪通铁路是我国“八纵八横”高速铁路主通道之一“沿海通道”的重要组成部分，全长137.28km，对于拓展上海市经济发展空间，促进长三角地区产业布局调整，实现区域资源共享具有积极意义。沪通铁路的的建设带动上海浦东向东部腹地发展！缓解外高桥、洋山港等集装箱码头货运压力，推进航运中心、自贸区建设。
作为电气化铁路的重要设施，牵引变电所成本高、施工周期短、施工工艺复杂，对本项目的管理能力、建设能力等提出很大的挑战。其中电缆布放施工是牵引变电所施工的关键环节，其技术准备复杂、工作繁重、施工时间紧张。在施工过程、过程控制、数据交接等方面存在诸多问题，有待改进。
传统的施工方法，依靠经验丰富的施工人员根据现场情况和过往经验规划电缆走向，以避免电缆交叉和超弯曲半径的情况。但人为的排布几百根电缆难免有一些困难和考虑不全面，而且电缆一旦铺设好，就很难再进行大幅度的更改，进而导致最后的施工工艺质量下降。为满足牵引变电所施工工艺的要求，所内电缆布放施工我们运用BIM技术，结合三维虚拟仿真技术，对每根电缆的敷设在软件中提前布置，在三维模型的基础上，实现可视化显示和准确的电缆定位以及电缆路径的精确定义。也为准确统计电缆的采购、裁剪长度，提供了详尽的信息。最后，完成电缆的数字化模型，可以实现电缆的生命周期管理。
2概述
牵引变电所电缆敷设三维辅助施工仿真，是利用精确的数字化BIM模型，结合电缆敷设软件，完成数字化、可视化、交互性强、高仿真、可扩展的电缆敷设施工管理。通过BIM模型，虚拟的电缆和三维展示可以大幅减少电缆的交叉，电缆敷设规划者可以根据电缆三维仿真结果及时调整电缆的位置。根据虚拟电缆布置的效果，生成电缆敷设顺序表和电缆沟剖面图，并结合VR虚拟仿真等辅助施工方法，为安装人员在实际电缆安装过程中提供有效可靠的指导和帮助。每根电缆的实际长度可根据现场敷设情况实时记录，并可随时检查电缆的实际数量，为电缆的使用提供参考，从而提高牵引变电所的电缆敷设效率和技术水平。
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图1：BIM三维模型展示
3 工作流程
整体工作流程划分为工程数据准备、电缆沟架建模、虚拟仿真、统计出图等几部分。通过在软件中建立数据库存储工程及电缆信息，在Revit 上快速完成BIM建模，在电缆优化敷设软件中进行虚拟敷设，在三维轻量化引擎中展示三维效果，并以此生成施工相关图表。
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图1：BIM指导电缆施工流程图
3.1 电缆数据录入
对牵引变电所室内外的二次电缆进行模拟管理，建立电缆样本数据库，达到为整个模拟敷设流程提供数据支持的目的。电缆清册信息可以利用EXCEL格式，自动识别导入。将电缆信息与模型建立关联，为数据核查和程序运算做准备。
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图2：电缆清册导入
3.2 通道建模
牵引变电所电缆敷设的BIM模型包括电缆沟、电缆保护管、电缆支架、二次电缆、电缆始端和末端设备，其中牵引变电所室内外的电缆沟槽和电缆支架是主要的敷设通道和载体，一般有大约十二种类型的沟槽和支架类型。从施工设计角度来看，电缆沟构造和走向并不复杂，但结合内部电缆支架结构灵活多变、数量众多、电缆敷设尽量不交叉原则后，可变情况将会变得非常多。电缆支架的每个部件都比较简单，其组成的角钢、扁钢的规格也是固定的。在典型的电缆沟和全套支架的基础上，可将标准化电缆支架部件制成三维图形，可以自由组合，并以参数化方式直接调用，方便使用。
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图3：电缆沟内支架侧视图 图4：电缆本体数据与电缆清册校对
模型的创建使用图形建模平台，当前铁路四电设计图纸多采用美国AutoDesk公司的AutoCAD 编辑软件，本项目采用AutoDesk公司的BIM软件Revit作为建模平台，以利于设计阶段图纸信息的完整准确传递以及和二维图纸的结合。
在Revit平台上导入对应的牵引变电所总平图作为基础架构，能够实现变电所电缆通道模型的快速建立。
3.3 虚拟敷设
电缆的虚拟仿真敷设需要调取两类数据，一类是电缆本体的数据，另一类是电缆沟和始末点设备的位置数据。将经过复核无误的电缆清册按照设定的格式批量导入软件，根据牵引变电所总平布置图，利用参数化BIM建模建立电缆沟通道数据，并精确定位起终点设备位置。软件根据预先设定的敷设规则进行敷设路径的自动判别及优化，最后通过人工干预机制进行微调。完成以上内容后，可以生成电缆敷设的初步信息模型。根据完整的电缆敷设BIM模型，可以提供各种图纸和表格作为施工指导，指导施工。
下面主要从三个方面确定模拟敷设电缆的路径。
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模拟敷设主要分两步进行，首先是确定电缆的大致敷设路径，然后确定其具体的排列位置，包括位于电缆支架的哪层、本层内位于第几根等。为电缆敷设美观，需严格遵循以下原则，一是电缆应成排转弯、成排跳层、成排规律重叠，避免电缆在同一平面内的交叉；二是在支架的同一层上排列敷设电缆型号相近、外径相近的电缆；三是电源电缆和控制电缆分层敷设，不应配置在同一层支架上；四是电缆在普通支架上叠加不超过1 层，桥架上不超过2 层；五是六是电缆转弯时要严格满足电缆转弯半径。
电缆模拟敷设的路径选择主要需满足以下原则，一是分类控制，按照规范要求，电力、控制、信号等类型电缆分别敷设在电缆支架的规定层级中，各层级支架能够敷设的电缆类型预先在电缆沟BIM模型中逐一定义；二是占积率控制，按照规范要求，每层支架中电缆的总宽度，不应超过支架宽，敷设控制电缆的支架不宜超过3 层；三是最短原则，在满足上述两条原则的前提下，寻找最短路径；四是路径人工干预，在现场，工程师会考虑多种因素，软件计算的最短路径未必是最优路径，整个敷设仿真过程中，工程师可以随时干预运算过程，并可以根据实际情况强制更正任意电缆的路径。系统在新的设定规则下，继续运算同样满足该条件的最短路径。
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图5：电缆敷设模型展示
电缆敷设排布位置需满足以下原则，一是区分长电缆和短电缆，长电缆通指变电所室外与室内连接的电缆或者长度大于30米的电缆，短电缆室内不同设备之间连接的电缆、室外各设备之间连接的电缆或者长度小于30米的电缆；二是把长电缆按照不同的区域进行排序，先集中敷设一个区域内的长电缆，再敷设区域间的长电缆；三是对同一进行区域内的长电缆排序，以每个室内房建电缆进出口为单位，确定区域内长电缆敷设顺序；四是按照制定好的敷设顺序，并充分考虑各房间电缆进出口处电缆转向情况，确定电缆沟左右侧电缆支架位置，然后由远到近，再对电缆敷设顺序做出适当调整；五是最后确定电缆在支架上布设在哪一层，每层支架上排列哪些电缆及每层支架上电缆由里到外的排列顺序。
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图6：按规则从内到外排列顺序
3.4 电缆施工指导
指导沪通铁路变电所现场电缆敷设主要从两方面进行考虑，一是采用手机、PAD等移动设备直接查看三维模型中电缆敷设效果作为主要指导手段；另一方面通过图纸、电子表格等文档为施工人员提供辅助指导，如电缆各通道不同节点的断面图以及相应位置的电缆布设对应表、电缆敷设位置表等。
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图7：电缆扫描二维码与电缆断面图
形成完整的电缆敷设模型与数据后可完美的转化为指导施工的内容，充分发挥BIM指导施工的作用。通过带有全套数据的BIM模型，附加虚拟仿真敷设的成果，形成全息电缆BIM模型，可以多种方式查看任意数据。
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图7：典型电缆沟内支架分层图
以BIM模型为基础可以模拟出虚拟敷设的电缆效果，可在实际敷设工作之前将电缆施工方案调整至最优，避免返工和浪费。同时对于复杂线路的电缆敷设可以单独形成本根电缆敷设的虚拟动画，可以完整呈现整根电缆从始末端敷设的全过程，更加清晰的指导施工。
电缆敷设BIM模型，带有足够的数据，能生成多种报表，指导工人按照报表施工，并辅助施工人员减少编写报表的工作。软件能够自动生成任意位置的断面图、电缆编号表、任意位置的电缆敷设顺序表等，并可根据敷设结果，辅助制作电缆标识牌，方便后期牵引变电所运行检修。同时模型中可以集成电缆的基本信息，如电缆编号、电缆长度、电缆型号规格、电缆盘号、厂商及出厂日期。能集成电缆的安装信息，如电缆起止点、电缆走向、电缆安装时间。还能集成电缆沟通道模型的信息，如电缆所处每处空间的位置、沟宽、沟深、支架位置、支架层数、支架层间距、支架尺寸等。如此详细的信息集成为后期的运营维护工作也打下了坚实的基础。
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图8：虚拟敷设的电缆效果
3.5 运维期的应用设想
电缆的模拟敷设数据在移交给运营维管单位后，运维单位可在此基础上扩展相关应用，实现电缆运维的可视化、统一化管理，为牵引变电所升级改造及电缆故障处理等工作提供有效的信息化管理手段，提升牵引变电所的电缆运维水平。
其中在运维管理时，可扩展的应用程序包括3D浏览漫游、电缆综合查询和施工图纸访问等。其中3D浏览漫游应用包括模型显示、3D路径显示、设备模型显示、电缆沟和线缆相关参数查询，支持三维场景的多视图管理和基本操作；线缆综合查询应用包括电缆快速检索，沟道内电缆查询，楼层区域查询和与设备相关的电缆查询。施工图应用可用于访问施工图纸，例如平面图纸，电缆沟槽截面图，电缆库存和电缆键位置布置表。
4 总结
本项目研究应用的基于BIM的电缆敷设虚拟仿真技术在国内电气化铁路牵引变电领域处于领先水平。电缆模拟敷设的方法，不仅可以优化电缆施工效果，减少电缆交叉，提高工艺水平，而且可以减少工作量，提高施工效率，显著提高管理水平和经济效益。利用牵引变电所电缆敷设虚拟仿真技术创新电缆施工技术，可以有效克服在运维期间不允许准确定位电缆标识的普遍问题，促进电缆敷设设施技术的进步。
参考文献：
[1]高守直．探索工程项目管理的优化[J]．经营管理者，2009，（09）：261-269．
[2]杨静，姬雪敏，陈立忠，孙长嵩。基于面向对象方法的CSG建模[J].哈尔滨工程大学学报，2002.
[3]张浩.Dijkstra路径寻优在变配电所选址中的应用[J].建筑电气，2012.