基于BIM参数化建模的接触网吊弦计算在京张高速铁路的应用研究

Application of Catenary Dropper Calculation Based on BIM Parametric Modeling in Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

摘要

随着我国电气化铁路建设的快速增长以及信息化、智能化要求的不断提高，工程设计人员对接触网悬挂的安装要求越来越高，其中吊弦长度计算是接触网悬挂的重中之重。针对基于BIM参数化建模的高速铁路接触网弹性链型悬挂吊弦长度的计算影响因素进行分析，从跨距、第一吊弦距离、结构高度、线材参数、曲线要素等影响吊弦长度计算的关键因素进行数据分析，找出影响吊弦长度的关键因素及变化规律，明确统一的现场测量标准，并通过BIM轻量化平台进行参数化应用，将测量、计算和BIM参数化3部分形成闭环控制，为现场测量和计算提供依据，有效提高吊弦计算的精度，实现施工安装模拟由二维到三维的转变，各环节间数据互联互通，最终为形成高品质的弓网关系提供坚实的基础。

Abstract

As China's electrified railway construction rapidly grows and the information and intelligence requirements continuously improve, engineering designers have grown requirements for the installation of catenary suspension, in which the calculation of dropper length is the top priority of catenary suspension. The factors affecting the calculation of dropper length of elastic chain type catenary of high speed railway based on BIM parametric modeling were analyzed. The data were analyzed from the key factors affecting the calculation of dropper length, such as span, the first suspension string distance, structural height, wire parameters, and curve elements to find out the key factors and change rules affecting the dropper length, clearing field measurement standards. In addition, the parametric application was carried out through a BIM lightweight platform. The three parts of measurement, calculation, and BIM parameterization form a closed-loop control, which provides a basis for on-site measurement and calculation and effectively improves the accuracy of dropper calculation. The construction and installation simulation transforms from two-dimensional to three-dimensional. Data interconnection is realized and finally provides a solid foundation for forming a high-quality OCS relationship.

Graphical abstract

关键词

BIM参数化建模 / 吊弦长度 / 跨距 / 第一吊弦距离 / 承力索弛度 / 结构高度 / 曲线要素 / 轻量化展示

Key words

BIM Parametric Modeling / Dropper Lengths / Span / First Dropper Distance / Catenary Sag / Structure Height / Curve Element / Lightweight Display

0　引言

国内外高速电气化铁路的研究、建设、施工和运行维护经验表明，要确保高速铁路接触网和受电弓的安全性和可靠性，必须要有高质量弓网系统^[1]。高质量的接触网系统，不仅要求高品质的施工技术质量，还需要在高速铁路线路设计阶段对腕臂和吊弦的实际参数进行理论计算^[2]，使其达到理论计算水平，才能满足高速铁路对接触网要求，同时减少额外的人力物力，节约高速铁路建设成本。

高速铁路接触网吊弦工况复杂多变，针对基于BIM参数化建模的高速铁路接触网弹性链型悬挂的吊弦长度的计算影响因素进行分析^[3]，对计算中间过程的数据进行剖析，基于计算数据对影响吊弦长度计算的关键因素进行分析，进而有效提高吊弦长度的计算精度，最终用来指导接触网结构系统优化设计和现场施工安装，实现施工安装模拟由二维向三维的转变^[4]，为接触网智能化、信息化工程项目管理打下基础。

国内吊弦计算方法主要有抛物线法和力矩法2种，前者是把两悬挂点之间的线索方程看作是抛物线，把吊弦重力平均分配到线索上，因此也常称作“均匀载荷法”；后者主要依靠系统平衡时系统内任一点都处于平衡状态，系统内任一部分所受合力矩也为零的原理进行求解^[5]。传统方法在精度要求不是很高的情况下可以满足工程的需要，其优点是容易实现，没有太复杂的理论。此外，整个铁路行业同BIM相结合的技术应用还处于起步阶段，接触网BIM建模还达不到真正的参数化和大长干线建模的水平^[6]。

本计算系统的核心计算模块采用独立研发的基于理论力学、动力学、均布力法等理论方法提出的均布力矩法、悬挂点力矩平衡及整垮均布力综合算法，相较于传统计算体系有效提升了吊弦的计算精度。该计算体系为BIM参数化建模提供真实的接触网预配数据的同时，还集成BIM参数化、可视化、远程计算等信息技术，建立以BIM应用为载体的项目管理信息化平台^[7]，提升项目生产效率、缩短工期、降低建造成本。本计算体系提出的基于BIM参数化的全景显示技术，利用开发的软件技术获取接触网系统的三维信息，掌握接触网三维实施技术，用来指导接触网结构系统优化设计和现场施工安装，为接触网数字工程项目管理奠定基础。

1　系统概述

基于BIM参数化建模的接触网吊弦计算系统包含3大部分：非接触式测量装置、接触网腕臂吊弦计算软件和接触网参数化建模、轻量化模型展示平台。高速铁路快速生成轻量化模型展示平台如图1所示。

（1）非接触式测量装置属于系统前端测量模块，采用基于激光雷达测量技术为核心的测量装置在铁路上行走，以非接触方式实时测量铁路接触网上导高、拉出值等几何参数，并将测量结果传递给腕臂吊弦计算软件。

（2）接触网腕臂吊弦计算软件属于系统核心计算模块，将测量装置传递过来的现场参数导入计算软件内，进行接触网腕臂吊弦的计算，并将计算结果导入系统业务模块——高速铁路快速生成轻量化模型展示平台，为平台生成铁路线路、接触网等模型提供参数支持。

（3）接触网参数化建模、轻量化模型展示平台，以参数化方式实现高速接触网工程及其附属线路工程的BIM模型快速生成，为满足项目的长线工程模型显示需要，系统基于GIS+BIM可视化引擎，通过腕臂吊弦计算数据的导入，平台后端参数的自动转换，根据参数提取已有接触网及线路工程构件库中零部件或预配组件模型，在后台自动生成接触网及铁路线路BIM模型，并在GIS+BIM引擎中实现轻量化显示及管理应用^[8]。

（4）现场安装后，测量人员可使用非接触式测量装置进行复测，生成的铁路模型中如有和现场实际情况不符的模型，现场人员可将错误模型信息反馈回接触网腕臂吊弦计算软件进行重新计算和模型生成。3个子系统形成闭环控制。

2　吊弦计算精度分析

2.1　吊弦计算模块概述

基于BIM参数化建模的吊弦计算软件是参数化建模展示的基础和核心，如果计算误差大，则参数化建模毫无意义。将现场测量数据导入吊弦计算模块，生成计算后自动导入BIM参数化建模平台进行模型生成和轻量化展示^[9]。通过吊弦计算模块实现了项目管理系统化和作业流程自动化的功能，通过工程项目、多用户权限、基础数据管理、线材数据、计算参数、现场参数的系统化管理，掌握完整的项目过程数据，打破了输入输出数据间的信息壁垒，实现了数据互联互通^[10]。系统设置闭环控制，如现场安装复测后误差较大，则返回误差信息至计算模块，重新进行计算。

以京张高速铁路(北京北—张家口)怀来至下花园区间右线22锚段吊弦计算结果为实例，进行数据验证和结果分析。根据现场反馈的实测参数和计算所用的线材参数对该锚段吊弦进行计算。

2.2　吊弦计算结果

根据计算出的吊弦长度和现场实际的各定位点接触线高度进行比较。随机选取T28-T34连续三跨进行展示。T28-T34吊弦计算长度如表1所示。

从计算结果可以看到，该连续三跨的接触线符合支柱两侧定位点的接触线高度变化趋势，且相邻吊弦点的接触线高度差值合理，符合静态参数要求。

2.3　计算结果分析

2.3.1　跨距、第一吊弦距离对吊弦计算结果的影响分析

根据以前京张高速铁路使用的计算结果进行数据对比分析，发现该锚段的跨距和第一吊弦距离的设置与目前现场实测数据有出入，在预配计算时第一吊弦距离设置均为5 m，而跨距有几厘米到十几厘米，最多到1 m的差值。计算软件是设定第一吊弦距离，然后根据跨距和吊弦个数自动布置各吊弦的水平位置，该设定方法和京张高速铁路目前的吊弦布置实际情况完全一致。接触网示意图如图2所示，假设跨距一定，因为承力索弛度的影响，正常情况下每一跨中间为承力索中心到接触线中心的最短距离，越靠近两侧定位点则该距离越大。因此，如果改变第一吊弦距离，则各吊弦水平位置发生变化，然后影响吊弦长度，当吊弦水平位置越靠近跨中，吊弦越短；越靠近两侧定位点，则吊弦越长。

2.3.2　第一吊弦距离对吊弦计算结果的影响

随机选取T32-T34跨做数据验证，跨距实测为45.6 m，且保持不变，改变第一吊弦距离，选用实测值5.16 m和原来设计值5 m来做数据对比，第一吊弦距离对吊弦长度影响如表2所示。

通过结果可以看出，第一吊弦位置的变化对两侧弹吊影响很大，吊弦位置移动仅仅0.16 m，吊弦长度差达到了6.2 mm。第一吊弦距离差距越大，对吊弦长度影响越大。同时可以看出因为跨距不变，且第一吊弦距离变化较小，因而跨中的吊弦布置位置基本一致，影响不大。

2.3.3　跨距对吊弦计算结果的影响

随机选取T30-T32两跨做数据验证，第一吊弦距离根据实测值设定为5.04 m，跨距选用实测值47.4 m和52.4 m，检验跨距增加5 m对吊弦长度的影响。跨距对吊弦长度影响如表3所示。

通过结果可以看出，跨距的变化对整跨吊弦长度的影响都非常大，越到跨中吊弦长度变化越大，吊弦长度差范围42~79 mm，且跨距变化越大，对吊弦长度影响越大，该差值不可忽视。

2.3.4　跨距变化对吊弦受力和承力索弛度的影响

进一步剖析原因，是由于跨距变化导致跨中各吊弦点位置变化，进而受力产生变化，最终影响各吊弦点处承力索弛度计算值。依然采用T30-T32两跨对跨中各吊弦受力值和承力索弛度进行比较。跨距对吊弦受力和承力索弛度影响如表4所示。

根据计算结果，不论是受力还是弛度影响都非常大，这也是最终导致吊弦长度变化的关键所在。尤其在水平曲线路段，计算结果影响更大。

2.3.5　结构高度对吊弦计算结果的影响分析

结构高度H等于承力索高度与接触线高度的差值，京张高速铁路的结构高度设计值为1.6 m，接触线高度5.5 m，承力索高度7.1 m；观察现场反馈的实际测量数据，发现每一个定位点的结构高度都不一样，结构高度是计算吊弦长度的基础量，跨中每一根吊弦长度需要用结构高度减承力索弛度和接触线弛度得出。接触线抬升示意图如图3所示，对于具体的某一跨来说，左右侧定位点的承力索高度和接触线高度如果不同，均会因为高差而引起一个抬升力的变化^[11]，进而影响跨中吊弦受力。

2.3.6　线材等其他参数对吊弦计算结果的影响分析

接触线、承力索、弹性吊索的线材单位自重、线夹重量、集中负载重量等参数均会影响吊弦计算结果。其中每一跨中如有负载(包括但不限于中心锚结、电连接等)均需要在输入数据中体现，具体数据包括负载重量和距离左侧定位点距离。不同于简单链型悬挂，弹性链型悬挂的弹性吊索张力对每一跨的弹吊影响很大，一般设计值为3.5 kN，但是现场实际数据往往参差不齐。在京张高速铁路现场验证过程中，遇到计算误差较大的情况，大部分经过验证都是由于弹性吊索张力不等于3.5 kN造成。

2.3.7　曲线要素对吊弦计算结果的影响分析

计算软件需要根据实际地形信息对每一跨吊弦的工况进行分类判断，进而选取不同的计算模型计算。曲线半径越小，对计算结果影响越大。

2.4　测量数据原则

吊弦计算需要现场提供支柱号、接触线高度、承力索高度、拉出值、跨距、弹性吊索长度、中心锚结信息、集中载荷信息、线材信息和线路信息；每跨吊弦数量、第一吊弦距离由计算人员根据设计原则进行设置。需要注意的是线索上所有悬挂的负载均需要在输入数据中体现，否则会出现较大的计算误差。对现场测量人员统一测量标准，对计算流程自动化和计算准确度起到关键作用。①支柱号：根据现场实际填写，以前计算结果中支柱号存在和现场实际不符的情况，比如施工图上存在支柱号+1，-1等情况，一般施工单位竣工后会重新排列支柱号。②接触线高度：单位为mm，为定位点距离轨面高度。③承力索高度：单位为mm，为定位点距离轨面高度。④拉出值：单位为mm，正定位为正，反定位为负。⑤每跨吊弦数量：给定设计参数。⑥弹性吊索长度：单位为m，根据现场实际填写。⑦第一吊弦距离：单位为m，保留小数点后2位，以左侧定位点为基准进行测量。⑧中心锚结信息：中心锚结绳+线夹重量，以及距离左侧定位点水平距离。⑨集中载荷信息：集中载荷重量，以及距离左侧定位点水平距离。

3　参数化建模

3.1　参数转换

数据导入平台后，即可进行数据解析，在后台自动对导入的水平曲线数据、纵坡曲线数据、支柱数据、腕臂计算数据、吊弦计算数据进行识别，根据不同类型的数据特征生成线路参数表、地形参数表、支柱参数表、腕臂参数表、吊弦参数表等。

3.2　模型生成

参数表生成之后，后台对线路、地形、接触网等参数表进行参数提取，并在接触网工程及线路工程BIM构件资源库中匹配对应的零部件或者预配件，结合曲线、缓和曲线的计算以及相应的坐标转换，通过代码加载的方式生成线路模型、地形模型、接触网模型等，再依照提取的空间坐标参数进行拼装。拼装完成后，可在平台前端进行发布。吊弦BIM模型生成如图4所示。

3.3　模型应用

模型数据交换区与接触网零部件构件资源进行数据交互，根据吊弦计算结果中的标识字段传输关键性模型信息，为生成接触网模型提供模型元信息^[12]。使用模型名称作为唯一标识，将模型与数据库进行关联，认为在一组三维零部件中不同的模型名称应该不同。数据库中不同的模型名称对应存储着不同的模型信息，这样就将模型与数据库中的数据进行了关联^[13]。当需要某个模型的信息时，通过数据库接口，通过这个模型的名称获取模型对应的信息即可。快速生成的模型默认放置在空白界面上，根据腕臂吊弦参数自动调用相对应的零部件，并放置到真实的空间坐标上^[14]。模型发布完成后，可通过浏览器进行模型浏览，结合平台可实现接触网工程量统计、形象进度展示等功能，也可通过PC端、移动端进行模型浏览。

3.4　效果验证

基于腕臂吊弦计算软件为核心的BIM参数化建模平台在京张高速铁路现场实际验证，经过大量的安装应用和实验数据对比，计算结果准确，效果良好，施工后的接触网静态测量参数满足验标要求。并且，本算法及相关课题已通过中铁电气化局集团有限公司的科技成果评审，在工程应用方面达到国内领先水平。

随机选取京张高速铁路项目中连续两跨数据作展示，在输入条件完全一致的情况下和现场实测数据对比，吊弦长度现场验证表如表5所示，吊弦BIM模型长线展示如图5所示。

4　结束语

研究成果表明跨距、第一吊弦距离、结构高度和吊弦长度成正比变化，为现场测量提供标准化依据。经应用后检测，在多种特殊工况下计算结果准确，施工安装结果满足验标要求。参数化建模真实还原现场数据，对测量、计算和参数化3部分形成闭环控制。建立以BIM可视化应用为载体的信息化项目管理，可快速准确地获取工程基础数据，进行碰撞检查、三维形象进度展示、三维算量等，提升项目生产效率、提高施工质量、缩短工期、降低建造成本，最终形成可交付运维的竣工级数据模型资产^[15]，并为数字孪生的引入提供坚实的数据基础。

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基金资助

国家科研院所研究开发专项资金项目(2020YFF0304100)