BIM技術(shù)在變電站工業(yè)化項目中的應(yīng)用研究
——以110 kV龍華中心變電站為例

謝偉雙，陳利強，周云凱，黃京城，趙暉

（1．筑博設(shè)計股份有限公司，廣東深圳518040；2．長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計學(xué)院，吉林長春130021）

0 引言

建筑信息模型 BIM（Building Information Modeling）是為表達建筑項目的各項數(shù)字化信息而建立虛擬建筑的三維模型，整合各種信息數(shù)據(jù)以模擬真實情況，在項目策劃、設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運營的全周期各階段實現(xiàn)信息共享和傳遞［1］。BIM能夠有效輔助建筑工程的信息集成、交互及協(xié)同工作，是建筑生命期管理的關(guān)鍵［2］。

隨著信息化技術(shù)在建筑行業(yè)的逐步推廣，BIM技術(shù)逐漸成為建筑工程領(lǐng)域信息技術(shù)研究的熱點。作為一種管理概念的BIM，始于19世紀(jì)70年代，現(xiàn)已在歐美發(fā)達國家的建筑工程領(lǐng)域得到很好的推廣與應(yīng)用。近年來，國內(nèi)的建設(shè)項目已越來越多地運用到BIM技術(shù)，建筑、工程和施工行業(yè)的許多公司也在運營中將BIM作為行業(yè)信息化變革的催化劑［3－5］。

110 kV龍華中心變電站項目以建筑全產(chǎn)業(yè)鏈為視角，基于BIM的思維框架，建立各專業(yè)相配合的系統(tǒng)，使得此項目在研發(fā)設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)、建筑施工和運營管理等方面達到較好的配合效果。項目每m2的造價相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆工法略高，但是整個項目工期短、現(xiàn)場作業(yè)人員較少、施工過程的噪音、揚塵問題得到有效控制，對周圍環(huán)境的影響更小。研究BIM技術(shù)在110 kV龍華中心變電站項目中的實施情況，可為研究人員和建筑從業(yè)人員提供在工程項目中的應(yīng)用知識、說明其使用和實施，以及促進工程項目的組織過程。

1 變電站工程概況

龍華中心站位于深圳市龍華新區(qū)，西側(cè)為東環(huán)二路，北側(cè)為梅龍大道，變電站入口設(shè)在西側(cè)東環(huán)二路，出口設(shè)在北側(cè)梅龍大道輔道，站址東南側(cè)為龍華河，項目基地處于龍華河“一河兩岸”風(fēng)光帶，批復(fù)用地面積1519 m2。項目參照南網(wǎng)“第一屆金點獎”的獲獎方案進行優(yōu)化設(shè)計。此外，主體建筑結(jié)構(gòu)采用混凝土組件工廠化現(xiàn)場裝配建設(shè)，總平面按全戶內(nèi)變電站形式布置，主體4層，占地面積670．89 m2，總建筑面積2597．74 m2，地上4層，地下1層。

工程采用了裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，地面以下均為現(xiàn)澆，地面以上框架柱為現(xiàn)澆。110 kV龍華中心變電站作為華南地區(qū)預(yù)制率、裝配率最高的項目，預(yù)制率為61．25%，采用了裝配式整體框架結(jié)構(gòu)形式以及預(yù)制框架柱、預(yù)制疊合梁、疊合樓板、預(yù)制外掛墻板、預(yù)制樓梯5大類鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件，非承重內(nèi)隔墻采用預(yù)制混凝土內(nèi)隔墻。

2 變電站工程BIM技術(shù)解決方案

110 kV龍華中心變電站項目專業(yè)分包多，各專業(yè)協(xié)調(diào)難度大，環(huán)節(jié)復(fù)雜，裝配構(gòu)件設(shè)計生產(chǎn)安裝的難度很高。通常其技術(shù)難點有：（1）施工工藝和管控需要的專業(yè)和環(huán)節(jié)比常規(guī)項目多，協(xié)同難度大；（2）裝配構(gòu)件種類繁多，施工難度大，成本高；（3）預(yù)制構(gòu)件連接處理復(fù)雜，設(shè)計方需要提前與施工方及預(yù)制構(gòu)件廠合作；（4）預(yù)制構(gòu)件體大量重，給吊裝設(shè)備施工帶來很大挑戰(zhàn)，預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件的交界處施工難度大；（5）變電站運行和維護管理難度較大［6］。通過運用BIM技術(shù)，不但為項目制定出可行的解決方案，而且總結(jié)出了一套基于BIM的全過程協(xié)同系統(tǒng)。

利用BIM技術(shù)對項目的每一個預(yù)制構(gòu)件進行模型搭建，能夠真實表達預(yù)制構(gòu)件的尺寸、鋼筋型號等信息，其信息真實地反映了建筑結(jié)構(gòu)的主體信息。BIM模型有助于檢測設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題，包括墻柱定位、構(gòu)件尺寸、門洞尺寸與定位、機電留洞尺寸與定位等信息。創(chuàng)建項目機電模型，包含機電管線、機電設(shè)備，如主變器、散熱器、GIS室設(shè)備等大型機電設(shè)備及管線。通過其三維信息化手段，搭建項目設(shè)備族庫，并錄入設(shè)備的材料、屬性、價格、生產(chǎn)廠商、電氣參數(shù)等性能指標(biāo)，設(shè)計師能根據(jù)設(shè)計方案和設(shè)備從設(shè)備族庫中選擇對應(yīng)的族，為后續(xù)的物業(yè)管理平臺提供技術(shù)支持［7］。

2．1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計流程

BIM方案開始實施之前，就制定一套標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計流程，采用統(tǒng)一規(guī)范設(shè)計方式，各專業(yè)設(shè)計人員均需遵從設(shè)計規(guī)則，大大加快了設(shè)計團隊的配合效率，減少了設(shè)計錯誤，提高了設(shè)計效率，BIM工作流程如圖1所示。從項目中預(yù)制構(gòu)件形式的選擇，到預(yù)制構(gòu)件拆分、安裝連接件預(yù)埋程序、預(yù)制構(gòu)件及施工設(shè)備運輸線路選擇，再到預(yù)制構(gòu)件吊裝前的準(zhǔn)備，每個過程密切考慮和嚴(yán)格管控［8］。

2．2 基于BIM的工業(yè)化制造

110 kV龍華中心變電站工業(yè)化項目采用了混凝土＋鋁模＋PC的新形式，預(yù)制構(gòu)件類型包含預(yù)制凸窗、疊合板、樓梯構(gòu)件，部分預(yù)制構(gòu)件拆分如圖2所示。總體來說，建筑工業(yè)化要求全面精密建造，要全面實現(xiàn)精細化設(shè)計、產(chǎn)品化加工和精密化裝配。而BIM應(yīng)用的優(yōu)勢，是在可視化和3D模擬的層面能所見即所得，這和建筑工業(yè)化的精密建造特點高度契合。而在傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)方式下，由于其粗放型管理模式和誤差較多的現(xiàn)場作業(yè)工藝，無法實現(xiàn)精細化設(shè)計、精密化施工。

圖1 110 kV龍華中心變電站項目BIM工作流程圖

圖2 110 kV龍華中心變電站部分預(yù)制構(gòu)件拆分圖

3 BIM技術(shù)在變電站工業(yè)化項目中的應(yīng)用

110 kV龍華中心變電站是同時開展了多個BIM技術(shù)深化設(shè)計應(yīng)用的項目，通過建立BIM模型，配合設(shè)計進行管線綜合，實現(xiàn)建筑內(nèi)部空間優(yōu)化、管線布置及預(yù)留洞位置優(yōu)化，通過凈高分析，提交碰撞報告及優(yōu)化建議，減少施工錯誤和返工率。

3．1 項目設(shè)計階段應(yīng)用

3．1．1 模數(shù)化構(gòu)件組合及模塊化構(gòu)件庫的建立

在項目設(shè)計過程中，通過BIM技術(shù)對變電站進行建模，對模型進行拆解，再進一步細化設(shè)計，對建筑構(gòu)件進行合理的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化調(diào)整，實現(xiàn)建筑構(gòu)件工廠化生產(chǎn)，實現(xiàn)變電站的裝配式建設(shè)。建模過程中可考慮將相關(guān)構(gòu)件參數(shù)化，結(jié)合預(yù)制構(gòu)件廠的生產(chǎn)工藝，使不同種類的族組成模塊化的構(gòu)件庫，標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫如圖3所示。如利用Revit建立窗臺和欄桿的族，且在預(yù)制構(gòu)件節(jié)點部位進行配筋，大大提高了建模的效率。為保證項目中的族庫方便設(shè)計師使用，除了110 kV龍華中心變電站項目積累的各類構(gòu)件族外，還對族的命名規(guī)則、參數(shù)化管理進行改進。預(yù)制構(gòu)件族的建立也方便設(shè)計方與預(yù)制構(gòu)件廠的交流，使設(shè)計意圖更清晰?；贐IM技術(shù)，利用模塊化構(gòu)件庫，能減少設(shè)計單位和預(yù)制構(gòu)件廠的重復(fù)設(shè)計，提高項目的整體工作效率［9］。

圖3 110 kV龍華中心變電站項目標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫圖

3．1．2 可視化三維模型設(shè)計

110 kV龍華中心變電站項目中除了常規(guī)建筑設(shè)備外，電力設(shè)備種類、管線數(shù)量均多且復(fù)雜。BIM技術(shù)可提供三維可視化模型，并通過即時渲染、動畫、實時漫游和虛擬現(xiàn)實等手段將裝配式構(gòu)件及電器設(shè)備真實地展示給項目各參與方和業(yè)主，BIM整合可視化如圖4所示?？梢暬腂IM模型還可以檢查預(yù)制構(gòu)件之間的組合情況，利于項目各參與方之間的溝通和協(xié)作，促進項目的進度和規(guī)劃［10］。項目以BIM模型作為施工依據(jù)，從按圖紙施工改為按模型施工，其中土建模型與機電各專業(yè)模型的鏈接，清晰展示了變電站機房內(nèi)部空間、管線布置及結(jié)構(gòu)預(yù)留洞合理性，方便提前準(zhǔn)備解決方案，減少施工返工及工期拖延情況。

3．1．3 通過BIM模型優(yōu)化建筑節(jié)點設(shè)計

這家餐廳采取“手機存儲袋”的形式，與員工約定好，上班時間打靜音并且存放在手機袋中，下班再取，并且把這個行為會列入月末的考核當(dāng)中。

在深化設(shè)計階段，各專業(yè)合成好的完整模型能進一步找到建筑方案的不合理之處。項目中疊合樓板的安裝如圖5（a）所示，完成配筋的BIM模型在疊合樓板處的鋼筋錯綜復(fù)雜，通過BIM軟件，在深化設(shè)計階段就能發(fā)現(xiàn)這些不足，并且通過調(diào)整構(gòu)件中鋼筋的參數(shù)，避免之后各個階段的返工。在三維可視化下，對方案的細節(jié)能進行典型部位的精確模擬，以完成最優(yōu)方案，實現(xiàn)施工過程創(chuàng)新化，如梁柱節(jié)點模板方案優(yōu)化、預(yù)制柱支撐系統(tǒng)優(yōu)化等。PC構(gòu)件的搭接不僅要精準(zhǔn)安裝構(gòu)件，還要精準(zhǔn)完成施工流程。BIM模擬能制定最優(yōu)的施工順序，提高施工效率，減少不必要的問題，外墻板的安裝如圖5（b）所示。3．1．4 高效協(xié)同設(shè)計

圖4 BIM整合可視化圖

圖5 110 kV龍華中心變電站項目疊合樓板、外墻板的安裝示意圖

采用BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計，讓項目參與者使用同一個BIM模型工作，所有模型均可迅速交互共享，能極大地提高各方的交流質(zhì)量、減少誤差、提高生產(chǎn)率［11］，同時，施工單位和預(yù)制構(gòu)件廠方可以提前在設(shè)計階段介入項目，更早獲取設(shè)計模型，從而更加合理地劃分模塊，采購材料，預(yù)留足夠多的時間進行工廠加工。設(shè)計師均在同一個建筑模型上工作，所有信息均可實時交互，可視化三維模型使設(shè)計成果直觀，還可以進行不同專業(yè)設(shè)計沖突檢查，大大提高設(shè)計精度和效率［12］。

3．1．5 碰撞檢查分析及設(shè)計優(yōu)化

110 kV龍華中心變電站項目中的碰撞包括預(yù)制構(gòu)件間、預(yù)制構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備與結(jié)構(gòu)以及機電管線本身的碰撞等。該項目的BIM模型完成后，通過Navisworks軟件進行碰撞檢查，Navisworks直接載入AutoDesk Revit信息模型，通過軟件平臺自動查找建筑結(jié)構(gòu)、管線、設(shè)備之間的沖突，并且生成一份碰撞檢查報告［13］。報告中包含碰撞點的快照與具體位置信息，并按照編號與具體位置相結(jié)合的方式告訴設(shè)計師模型中發(fā)生碰撞問題的位置，設(shè)計師參照碰撞報告來修正BIM模型，達到在正式施工之前解決存在的碰撞隱患，項目中2樓碰撞檢查如圖6所示。

圖6 110 kV龍華中心變電站2樓碰撞檢查圖

3．1．6 管線綜合優(yōu)化

在110 kV龍華中心變電站項目中，整合的土建＋給排水＋電氣＋消防＋弱電各專業(yè)模型，對碰撞點進行管線綜合優(yōu)化，并按照管線安裝的空間調(diào)整順序，根據(jù)三維圖形顯示出碰撞位置、碰撞管線和設(shè)備名稱以及對應(yīng)的圖紙位置。通過BIM技術(shù)的輔助，確定了如何在充分利用有限空間的前提下，合理地安置重型設(shè)施。在這個項目中，項目團隊的高壓電器設(shè)備設(shè)計工程師、高壓線路設(shè)計工程師和建筑師均使用BIM來優(yōu)化變電站的設(shè)計。BIM技術(shù)的應(yīng)用，改變了以二維圖紙作為溝通媒介所可能產(chǎn)生的溝通不暢問題，提升了項目團隊之間的溝通效率。

110 kV龍華中心變電站工業(yè)化項目，通過已創(chuàng)建的BIM主體模型直接創(chuàng)建平、立、剖二維圖紙及三維效果圖，生成了一套完整的設(shè)計圖，能夠充分表達施工安排，提高審核通過率。BIM出圖包括編制圖框模板、尺寸標(biāo)注等，盡量滿足規(guī)范要求及出圖習(xí)慣。機電模型的精安裝如圖7所示，用BIM模型自動生成平面圖，在復(fù)雜節(jié)點處配合三維軸側(cè)圖，更加有利于安裝指導(dǎo)，控制實際管路走向，保留成圖，為以后管路維修做出依據(jù)，并能精確定位問題部位。

圖7 基于BIM的機電設(shè)備管線圖

3．2 項目施工管理階段應(yīng)用

3．2．1 結(jié)合預(yù)制構(gòu)件廠將BIM技術(shù)運用于構(gòu)件項目生產(chǎn)階段

通過BIM模型，可以查看預(yù)制構(gòu)件的重量、鋼筋用量、混泥土用量、材質(zhì)、鋼筋組合處理方式等信息，如果進行后期修改，直接修改參數(shù)即可驅(qū)動。構(gòu)件詳圖由BIM模型直接生成，將構(gòu)件空間信息完整直觀地傳達給構(gòu)件生產(chǎn)廠家，如圖8所示。信息量豐富的BIM模型可以使得設(shè)計方與預(yù)制構(gòu)件廠更好地進行信息交流，提供給預(yù)制構(gòu)件廠BIM模型的參數(shù)，包括構(gòu)件尺寸、材質(zhì)、做法、數(shù)量等信息，從而確定合理的生產(chǎn)流程和做法。對構(gòu)件信息復(fù)核，進而根據(jù)工廠自己的生產(chǎn)狀況，對模型中出現(xiàn)的問題及時反饋給設(shè)計方，及時交流生產(chǎn)和設(shè)計信息，提升預(yù)制構(gòu)件的信息化程度［14］。

圖8 基于BIM的參數(shù)化預(yù)制構(gòu)件圖

3．2．2 通過BIM技術(shù)組織施工場地

將預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行組裝，如何合理放置預(yù)制構(gòu)件是施工的重點。應(yīng)用BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場模擬布置，包括施工區(qū)、備料區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)等。通過多方案比較，優(yōu)化吊車位置以及施工布置［15］。在三維視圖下布置場地，對布置合理性進行直觀判斷，對場地布置進行優(yōu)化，Autodesk Navisworks軟件下場地布置如圖9所示。

圖9 Autodesk Navisworks軟件下場地布置圖

3．2．3 PC構(gòu)件安裝施工模擬

預(yù)制構(gòu)件的吊裝是工業(yè)化項目中重要的施工工序，對110 kV龍華中心變電站項目施工工期和施工質(zhì)量具有重要影響。在模擬施工方面，Navisworks軟件用時間形成四維模擬建造的直觀演示，結(jié)合施工單位的施工方案，優(yōu)化構(gòu)件吊裝方案以及整個項目的計劃，為準(zhǔn)確的施工安裝提供指導(dǎo)［16］。根據(jù)實際場地、施工設(shè)備及各專業(yè)的三維信息模型，能模擬吊裝過程中可能存在的各項典型風(fēng)險，如吊車與施工場地及環(huán)境之間（高壓線、周圍的樹木等）可能產(chǎn)生的碰撞；因吊車的型號、噸位及臂長等造成的吊點位置改變。

4 結(jié)語

在110 kV龍華中心變電站項目的工業(yè)化全過程中，運用國內(nèi)外多種BIM軟件及插件，同時結(jié)合筑博科技的PC建筑信息管理系統(tǒng)，搭建了工業(yè)化建筑的BIM解決方案，為110 kV龍華中心變電站項目的最終落地，提高了工程管理水平、縮短了工期、較好地保證了建設(shè)質(zhì)量。目前BIM技術(shù)在裝配式項目中的運用還側(cè)重于設(shè)計階段，對于施工階段如無線射頻識別技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合、實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的制造、運輸、裝配等工業(yè)化建造的全過程可視化管理，以及利用BIM技術(shù)與工業(yè)化項目整體內(nèi)裝的集成中保持建筑信息的完整性，使得最后能高效運維管理項目，還需要進一步的共同研究。