基于bim的电缆模拟敷设技术在变电所施工中的应用

DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2020.01.023

基于BIM的电缆模拟敷设技术在变电所施工中的应用

罗东北

摘 要：电缆的布放是铁路牵引变电所施工中的重点和难点，体现了变电所施工工艺质量。本文研究通过BIM

三维仿真辅助及电缆敷设规划软件直观地完成电缆敷设前的虚拟敷设及调整电缆布设顺序和位置，采用三维线缆信息模型和BIM模型自动生成的报表为施工依据，对施工过程进行有效管理，从而达到提高牵引变电所电缆敷设效率和工艺水平的目的。

关键词：电缆敷设；BIM；牵引变电所；虚拟仿真

Abstract: The laying of cables is the key point and knotty point for construction of railway traction substation, and it

will reflect the quality of the substation construction process. The researches are made on the basis of accomplishing of virtual laying of cables and adjustment of the laying sequence and locations before the actual laying of cables by application of BIM three dimensional simulation assistance and cable laying planning software, and the effective management are implemented to the construction process by application of the reports generated automatically by the three dimensional cable information model and BIM model so as to realize the target to improve the efficiency and process level for laying of cables for traction substation.

Key words: Cable laying; BIM; traction substation; virtual simulation

U227+.4 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2020)01-0085-03 中图分类号：

0 引言

作为电气化铁路的重要设施，牵引变电所建设成本高、施工周期短、施工工艺复杂，对铁路建设项目的管理提出较高要求。电缆布放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，在施工前准备、过程控制、数据交接等方面存在诸多问题，有待改进。

传统的变电所电缆敷设施工方法依靠施工人员根据现场情况和以往施工经验规划电缆走向，以避免电缆交叉和超弯曲半径的情况。但人为排布几百根电缆，工作强度大，难免有考虑不全面，且电缆一旦铺设好很难再进行大幅度更改。

本文以金台铁路牵引变电所施工为例，研究基于BIM的电缆模拟敷设技术。为满足牵引变电所施工工艺的要求，所内电缆布放施工运用BIM技术，结合三维虚拟仿真，对需敷设的每根电缆在软件中提前布置，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，为实现电缆的生命周期管理奠定基础。

作者简介：罗东北.中铁电气化局集团第一工程有限公司，工程师。

1 概述

牵引变电所电缆敷设三维辅助施工仿真，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布放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，并可随时检查电缆实际数量，为电缆的使用提供参考，从而提高牵引变电所电缆敷设效率和技术水平。

2 工作流程

整体工作流程分为工程数据准备、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。施工流程如图1所示。

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施工技术 电气化铁道 2020年第1期

数据接口程序 电缆信息 批量录入 AutoCAD 三维引擎 通道 电缆 工程 三维 报表 建模 敷设 数据库 展示 生成设备定位 生成 断面 电缆 查询 数字化移交 图1 BIM指导电缆施工流程

2.1 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。 2.2 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12种类型的沟槽和支架。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，可变情况将会十分复杂。电缆支架的每个部件相对简单，其组成的角钢、扁钢的规格也是固定的。基于典型的电缆沟和全套支架，将标准化电缆支架部件制成三维图形，可自由组合，并以参数化方式直接调用，方便使用。图2为电缆沟内支架侧视图。

图2 电缆沟内支架侧视图

模型的创建使用图形建模平台，当前铁路四电系统设计图纸多采用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完86

整准确传递以及与二维图纸的结合。

在Revit平台上导入对应的牵引变电所总平面图作为基础架构，能够实现变电所电缆通道模型的快速建立。

2.3 虚拟敷设

电缆的虚拟仿真敷设需要调取2类数据：电缆本体数据、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，根据变电所总平面布置图，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用于指导施工。下面主要从3个方面确定模拟敷设电缆的路径。

模拟敷设主要分2步进行，首先确定电缆的大致敷设路径，然后确定具体的排列位置，包括位于电缆支架的第几层、在该层内排列位置等。为了使电缆敷设美观，需严格遵循以下原则：（1）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交叉；（2）在支架的同一层上排列敷设型号相近、外径相近的电缆；（3）电源电缆和控制电缆分层敷设，不应配置在同一层支架上；（4）电缆在普通支架上叠加不超过1层，桥架上不超过2层；（5）电缆转弯时需严格满足电缆转弯半径要求。

电缆模拟敷设的路径选择主要需满足以下原则：（1）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；（2）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度，敷设控制电缆的支架不宜超过3层；（3）最短原则，在满足上述2条原则的前提下，寻找最短路径；（4）路径人工干预，在现场需考虑多种因素，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，工程师可随时干预运算过程，并可根据

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，继续运算同样满足条件的最短路径。

电缆敷设排布位置需满足以下原则：（1）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长度大于30 m的电缆，短电缆指室内

基于BIM的电缆模拟敷设技术在变电所施工中的应用 罗东北 施工技术 不同设备之间连接的电缆、室外各设备之间连接的电缆或长度小于30 m的电缆；（2）将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；（3）对同一区域内的长电缆排序，以每个室内房间电缆进出口为单位，确定区域内长电缆敷设顺序；（4）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，然后由远及近对电缆敷设顺序做出适当调整；（5）确定电缆在支架上的布设层，每层支架上所排列的电缆及每层支架上电缆由里到外的排列顺序。 2.4 电缆施工指导

指导金台铁路变电所现场电缆敷设主要从2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及相应位置电缆布设对应表、电缆敷设位置表等。

形成完整的电缆敷设模型与数据后，可转化为指导施工的内容，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。图3为典型电缆沟内支架分层示意图。

图3 典型电缆沟内支架分层示意图

以BIM模型为基础可以模拟出虚拟敷设的电缆效果，在实际敷设之前将电缆施工方案调整至最优，避免返工和浪费。对于复杂线路的电缆敷设，可单独形成本根电缆敷设的虚拟动画，完整呈现整根电缆敷设的全过程，更加清晰地指导施工。

电缆敷设BIM模型拥有丰富的数据，能生成多种报表，指导工人按照报表施工，并减少编写报表的工作量。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。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；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；集成电缆沟通道模型的信息，如电缆所处空间的位置、沟宽、沟深、支架位置、支架层数、支架层间距、支架尺寸等。BIM模型中详细的信息集成也为后期的运营维护工作打下了坚实的基础。 2.5 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，提升牵引变电所电缆运维水平。

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。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、电缆沟槽截面图、电缆库存和电缆位置布置表等。

3 结语

本文研究的基于BIM的电缆敷设虚拟仿真技术在国内电气化铁路牵引变电所施工领域处于领先水平，该方法不仅可以优化电缆施工工艺，减少电缆交叉，提高工艺水平，而且可以减少施工工作量，提高施工效率，显著提升管理水平和经济效益。利用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易准确定位电缆标识的普遍问题，促进电缆敷设技术的进步。

参考文献：

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收稿日期：2019-06-18

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