BIM技術(shù)在廣州地鐵六號(hào)線變配電所電纜敷設(shè)中的應(yīng)用研究

(中國(guó)中鐵一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，西安 710038)

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，地鐵已成為城市公共交通系統(tǒng)中重要的組成部分。供電系統(tǒng)作為地鐵工程的關(guān)鍵系統(tǒng)，其隨地鐵規(guī)模日益擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)形式愈加復(fù)雜，對(duì)信息化集成化的要求也逐步提高。如何進(jìn)行信息化發(fā)展以適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的要求，成為地鐵工程供電系統(tǒng)的亟需解決的核心問(wèn)題。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是基于三維數(shù)字技術(shù)的建筑業(yè)信息化發(fā)展技術(shù)，具有強(qiáng)大的三維可視化、協(xié)同性和信息提取的特點(diǎn)[1]。應(yīng)用BIM技術(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)方案和計(jì)算機(jī)三維模型能夠很好地解決地鐵供電系統(tǒng)中的電纜敷設(shè)問(wèn)題[2]。從電纜敷設(shè)安裝過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)布置、支架布置、電纜敷設(shè)、施工人員組織等進(jìn)行管控。最終達(dá)到提前發(fā)現(xiàn)方案中的問(wèn)題，及時(shí)優(yōu)化、調(diào)整方案，提高地鐵工程供電系統(tǒng)施工效率，推動(dòng)地鐵工程建設(shè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2 傳統(tǒng)電纜敷設(shè)的局限性

2.1 應(yīng)用概況

目前，國(guó)內(nèi)外在供電系統(tǒng)信BIM息化管理方面進(jìn)行了較為深入的研究，取得了一定的成果。如劉睿等人針對(duì)35KV變電站進(jìn)行三維建模和電力工程定額工程量計(jì)算方面進(jìn)行了研究，并提出電力工程造價(jià)管理新方向[2]。解莎莎等人研究了基于BIM技術(shù)與三維電纜敷設(shè)的精細(xì)化管理，并開(kāi)發(fā)出BRCM軟件，用于營(yíng)口五礦600m～2燒結(jié)工程施工[3]。崔文俊等人研究了BIM技術(shù)在基建項(xiàng)目全生命周期中的應(yīng)用，并以小型項(xiàng)目推廣試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)[4]。王忠誠(chéng)等人結(jié)合BIM技術(shù)研究了地鐵車(chē)站機(jī)電管線排布的相關(guān)研究，并以蘇州站進(jìn)行試點(diǎn)研究[5]。然而，盡管BIM技術(shù)在地鐵供電系統(tǒng)信息化取得了較大研究，但其在地鐵電纜敷設(shè)方面仍存在一些不足。

2.2 應(yīng)用重難點(diǎn)

在地鐵供電系統(tǒng)中，電纜是連接電源設(shè)備和供配電設(shè)備的關(guān)鍵橋梁。如圖1所示，供電電纜分為一次電纜和二次電纜，整個(gè)系統(tǒng)電纜種類近200種，導(dǎo)致在狹小的變電所夾層中施工時(shí)，電纜美觀受到影響，而且其正常運(yùn)行也受到影響，具體存在以下問(wèn)題。

圖1 供電電纜系統(tǒng)敷設(shè)圖

(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難度大、用料浪費(fèi)較多

由于傳統(tǒng)的電纜敷設(shè)圖紙或清單中電纜長(zhǎng)度都不夠精準(zhǔn)，和實(shí)際用量普遍存在較大偏差。所以通常都是由技術(shù)人員依據(jù)圖紙判斷電纜走向，再由施工人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量決定電纜的長(zhǎng)度。而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的難度較大，施工人員測(cè)量水平的良莠不齊就導(dǎo)致了測(cè)量的誤差較大，經(jīng)常造成電纜用料的浪費(fèi)。

(2)電纜敷設(shè)不美觀，電纜交叉較多

因?yàn)殡娎|敷設(shè)通常都是由技術(shù)人員依據(jù)圖紙判斷電纜走向，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出電纜長(zhǎng)度，再編寫(xiě)出敷設(shè)順序的。因此對(duì)于技術(shù)人員的判斷依賴較大，而技術(shù)人員判斷過(guò)程中缺乏合理的參照條件，僅憑借傳統(tǒng)的二維CAD圖紙及施工經(jīng)驗(yàn)很難保證考慮到位。實(shí)際上由于技術(shù)人員考慮不到位導(dǎo)致電纜交叉過(guò)多而返工的情況也時(shí)有發(fā)生。

(3)預(yù)留量考慮不到位，現(xiàn)場(chǎng)隨意盤(pán)圈

由于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，電纜敷設(shè)必須保證預(yù)留量，但因?yàn)殡娎|實(shí)際的長(zhǎng)度、走向及敷設(shè)順序都和圖紙有出入，所以預(yù)留量無(wú)法確定長(zhǎng)度，通常都是現(xiàn)場(chǎng)隨意盤(pán)圈。因而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)電纜敷設(shè)凌亂、不美觀，且也造成電纜用量浪費(fèi)。

(4)支架位置不合理，電纜走向限制

因?yàn)樵O(shè)計(jì)圖紙考慮不到位，設(shè)置不合理，所以大多數(shù)情況下電纜支架的位置都與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的設(shè)備位置及電纜走向不匹配，限制了電纜的走向和敷設(shè)順序，最終需要花費(fèi)大量的人力物力來(lái)調(diào)整解決電纜交叉。

(5)敷設(shè)空間限制，機(jī)械施工無(wú)法展開(kāi)

供電設(shè)備房?jī)?nèi)敷設(shè)電纜受空間限制，電纜敷設(shè)將主要以人工敷設(shè)為主。人工測(cè)量及敷設(shè)所導(dǎo)致的測(cè)量誤差大、敷設(shè)順序不合理等問(wèn)題都導(dǎo)致了電纜敷設(shè)存在交叉、布局不美觀，同時(shí)也造成了物料的浪費(fèi)。

3 基于BIM技術(shù)的變配電所電纜敷設(shè)

3.1 應(yīng)用需求

基于BIM的電纜敷設(shè)應(yīng)用技術(shù)的核心是基于計(jì)算機(jī)三維模型，應(yīng)用BIM技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工數(shù)據(jù)對(duì)電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬敷設(shè)及安裝，以優(yōu)化方案的電纜用量和美觀度，并提前發(fā)現(xiàn)方案中存在的問(wèn)題，及時(shí)優(yōu)化、調(diào)整方案。

3.2 應(yīng)用流程

BIM應(yīng)用流程如2圖所示。

圖2 基于BIM的電纜敷設(shè)流程圖

(1)模型布置

在電纜敷設(shè)之前，需先布置設(shè)備，確定設(shè)備位置之后才能確定電纜的走向。因此，在模擬電纜敷設(shè)之前，也需要在BIM模型中根據(jù)圖紙確定設(shè)備位置、布置設(shè)備。

(2)敷設(shè)路徑模擬

在現(xiàn)場(chǎng)電纜敷設(shè)施工時(shí)，必須先布置電纜支架才能進(jìn)行電纜敷設(shè)。因?yàn)殡娎|無(wú)法憑空敷設(shè)，必須有電纜支架作為支撐。但在BIM模型當(dāng)中，即使沒(méi)有電纜支架也可以憑空進(jìn)行電纜敷設(shè)，無(wú)需考慮支撐的問(wèn)題。因此，可以不用顧慮設(shè)計(jì)圖紙當(dāng)中的支架布局，也就不存在限制電纜走向和敷設(shè)順序的情況?？梢宰龅阶詈侠淼碾娎|敷設(shè)設(shè)計(jì)。

(3)布置支架模擬

在BIM模型中的電纜敷設(shè)完成之后，根據(jù)模型中的電纜走向布置支架，這樣可以保證電纜支架的位置與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的設(shè)備位置及電纜走向相匹配，不至于限制了電纜的走向和敷設(shè)順序，也避免了最后調(diào)整解決電纜交叉的返工。

(4)統(tǒng)計(jì)線纜及支架工程量

基于BIM的高精度模型中包含了項(xiàng)目各類數(shù)據(jù)信息及幾何形狀信息，在BIM模型中進(jìn)行技術(shù)測(cè)量可以快速、精準(zhǔn)地得到電纜敷設(shè)所需的各類數(shù)據(jù)參數(shù)。

在BIM模型中，通過(guò)明細(xì)表可以精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)電纜長(zhǎng)度及支架數(shù)量，其中都已經(jīng)包含預(yù)留量，無(wú)需重復(fù)計(jì)算。損耗量按照GB50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》要求計(jì)取5%到10%裕量進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)這種形式就可以導(dǎo)出電纜采購(gòu)單。

(5)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工

在BIM模擬的過(guò)程中，電纜敷設(shè)無(wú)需考慮支撐的問(wèn)題，都是憑空在沒(méi)有電纜支架的情況下直接敷設(shè)的。目的是避免因設(shè)計(jì)圖紙中的支架布局限制了電纜敷設(shè)時(shí)路徑的優(yōu)化，可以做到最合理的電纜敷設(shè)布局設(shè)計(jì)。最后再根據(jù)電纜路徑布置電纜支架。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

廣州市軌道交通六號(hào)線二期供電系統(tǒng)安裝工程主要施工內(nèi)容為六號(hào)線長(zhǎng)湴—香雪段牽引供電系統(tǒng)變電安裝工程、牽引供電系統(tǒng)接觸軌安裝工程、綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程及疏散平臺(tái)工程。工程線路長(zhǎng)17.4km，共設(shè)10座車(chē)站，全為地下站。全線共設(shè)置了6座牽引降壓混合變電所、4座降壓變電所和6座跟隨式降壓變電所。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

本項(xiàng)目在具體實(shí)施工程中，利用Autodesk Revit軟件及Autodesk 3ds Max軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布置模型的搭建及設(shè)施設(shè)備模型的繪制、利用Autodesk Navisworks軟件進(jìn)行電纜敷設(shè)安裝的全過(guò)程模擬及最終的模擬動(dòng)畫(huà)輸出，對(duì)電纜敷設(shè)安裝過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)布置、支架布置、電纜敷設(shè)、施工人員組織等進(jìn)行管控，具體應(yīng)用效果見(jiàn)圖3。

(1)模型布置

本項(xiàng)目為此次基于BIM的電纜敷設(shè)應(yīng)用，建立了設(shè)施設(shè)備族資源庫(kù)，其中包含了大量常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備模型的族文件，比如配電柜、變壓器等各類設(shè)備。使用時(shí)只要按需選取模型，設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù)即可，方便快速地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置。

圖3 設(shè)備布置及電纜敷設(shè)模擬

圖4 電纜支架族配

(2)敷設(shè)路徑模擬

在BIM模型中進(jìn)行電纜敷設(shè)時(shí)，主要依據(jù)施工圖紙的電纜路徑，連接設(shè)備后再與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及其他電纜綜合考慮布局和走向，不同的電纜以不同的顏色區(qū)分(色標(biāo)如表1所示)。在優(yōu)化電纜路徑時(shí)，只需要調(diào)整電纜的位置參數(shù)(如偏移量)即可，方便快速。一至兩個(gè)工作日內(nèi)即可完成一個(gè)變電所的電纜布局調(diào)整。

圖5 模擬電纜敷設(shè)

(3)布置支架模擬

在BIM模型中布置支架時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)確定電纜路徑及長(zhǎng)度了，所以只需要按照規(guī)范要求，支架間距保證小于800mm即可。包括電纜預(yù)留量的盤(pán)圈的輔助支架，因?yàn)橐呀?jīng)有了電纜模型，布置時(shí)也是直接在對(duì)應(yīng)位置布上對(duì)應(yīng)的輔助支架即可。

表1 36kV電纜色相創(chuàng)建

圖6 電纜敷設(shè)路徑規(guī)劃

圖7 電纜相色模擬

圖8 BIM電纜支架布置

(4)統(tǒng)計(jì)線纜及支架工程量

在BIM模型中，通過(guò)明細(xì)表可以精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)電纜長(zhǎng)度及支架數(shù)量，其中都已經(jīng)包含預(yù)留量，無(wú)需重復(fù)計(jì)算。損耗量按照GB50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》要求計(jì)取5%到10%裕量進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)這種形式就可以導(dǎo)出電纜采購(gòu)單。

圖9 通過(guò)模型導(dǎo)出電纜明細(xì)表

(5)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工

最后模擬完成時(shí)的BIM模型中的電纜路徑及支架位置都是確定的。因此，在現(xiàn)場(chǎng)電纜敷設(shè)施工時(shí)，可以先根據(jù)優(yōu)化后的BIM模型中的支架位置布置電纜支架，然后再進(jìn)行電纜敷設(shè)。因?yàn)殡娎|無(wú)法憑空敷設(shè)，必須有電纜支架作為支撐。

圖10 BIM技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.3 應(yīng)用分析

本項(xiàng)目通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行電纜敷設(shè)應(yīng)用和優(yōu)化，與其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)、交叉優(yōu)化等，充分發(fā)揮BIM技術(shù)在此方面的優(yōu)勢(shì)，解決了以下問(wèn)題：

(1)測(cè)量精準(zhǔn)、誤差小，避免電纜用量的浪費(fèi)。利用基于BIM的高精度模型，可以精準(zhǔn)地測(cè)量出電纜敷設(shè)現(xiàn)的各類數(shù)據(jù)，提前統(tǒng)計(jì)計(jì)算所需的各種電纜的用量，有效地避免電纜用量的浪費(fèi)。而且精確的測(cè)量數(shù)據(jù)也可以為電纜敷設(shè)走向及順序提供有效依據(jù)。

(2)通過(guò)工藝模擬，提前發(fā)現(xiàn)電纜敷設(shè)可能存在的交叉，及時(shí)優(yōu)化，保持現(xiàn)場(chǎng)的整潔、美觀，同時(shí)也可以避免傳統(tǒng)安裝工藝導(dǎo)致的返工。在BIM模型中，可以以可視化的形式預(yù)先模擬電纜敷設(shè)，通過(guò)全視角的可視化模擬，簡(jiǎn)單直觀地發(fā)現(xiàn)交叉位置。然后可以在模型中直接進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，解決交叉問(wèn)題之后，再將優(yōu)化后的模型及圖紙交付現(xiàn)場(chǎng)，指導(dǎo)施工，保證現(xiàn)場(chǎng)整潔、美觀。

(3)提前設(shè)置預(yù)留量及盤(pán)圈方式，精準(zhǔn)控制電纜用量。在電纜敷設(shè)模擬過(guò)程中，對(duì)于需要預(yù)留電纜的位置提前設(shè)置預(yù)留量及盤(pán)圈方式，既能精確統(tǒng)計(jì)出電纜的長(zhǎng)度、控制電纜的用量，也可以在優(yōu)化電纜交叉的同時(shí)把盤(pán)圈位置和方式一起優(yōu)化，保證不出現(xiàn)新的交叉。

(4)提前模擬布置支架，從而解決圖紙不合理部分，做到與電纜走向準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。在電纜敷設(shè)模擬過(guò)程中，先將電纜敷設(shè)的長(zhǎng)度及走向確定下來(lái)，再模擬布置支架。這樣一來(lái)，既確保支架與電纜走向準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，也保證支架不會(huì)變成限制電纜走向的約束，從而保證支架的位置是最合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)BIM技術(shù)，對(duì)電纜敷設(shè)的電纜走向、敷設(shè)順序、支架定位等方面進(jìn)行了方案模擬，并對(duì)技術(shù)測(cè)量、實(shí)際用量、實(shí)施管理等方面的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕鉀Q和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電纜敷設(shè)降本增效，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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