面向電力工程全過程設計的BIM建模技術研究

劉 睿 陳凱凱

(華北電力大學，北京 102206)

0 引言

BIM技術是一種持續(xù)改進建筑計劃、設計、建造、運營和維護過程的技術，它使用標準化的機器可讀的信息模型為每個建筑部件及設備建模，該模型包含獨立創(chuàng)建和收集的能夠在建筑的全生命周期使用的建筑部件及設備信息[1]。

BIM技術在民用建筑中的應用日漸成熟，而在電力等基礎設施行業(yè)中發(fā)展較慢。其原因可歸結為:一者電力等基礎設施行業(yè)體量大，專業(yè)分工多，新技術應用難度大；再者電力等基礎設施行業(yè)大多屬于政府投資項目，其運用新技術的動力不足。

電力工程BIM設計技術是借助三維設計和數(shù)字化設計技術，以三維設計模型為主要成果、設計成果在全生命周期范圍內得到應用的先進設計技術。電力BIM技術是數(shù)字信息技術在電力工程的具體應用，是用于設計、建造、管理的數(shù)字化方法。電力工程BIM設計的核心成果是三維設計模型，三維設計模型以電力工程各相關信息數(shù)據為基礎，對工程建設全要素進行數(shù)字化表達，建立輸變電設備、設施及材料等物理模型和電氣一、二次接線等邏輯模型的工程信息集合，具備完備性、關聯(lián)性、一致性、唯一性、擴展性等特點，且滿足可視化、可分析、可編輯、可出圖等工程全壽命周期應用需求。

電力工程BIM設計是利用BIM設計的理念、方法和手段，通過專業(yè)化的BIM設計工具，對電力工程進行全過程設計，輸出符合BIM設計理念、標準和規(guī)范的設計成果。

電力工程BIM設計是將BIM技術融入到電力工程的設計過程，實現(xiàn)多個專業(yè)共同參與整個電力工程的協(xié)同設計，包括電氣、總圖、建筑、結構、水暖、技經等專業(yè)，利用專業(yè)的、成熟的智能輔助設計工具，實現(xiàn)在整個工程設計過程中設計數(shù)據的共享、繼承及協(xié)同，實現(xiàn)專業(yè)間的多維協(xié)同設計。設計中形成的數(shù)字化數(shù)據可以共享傳遞給施工、采購、運維等階段，覆蓋工程項目各個階段，具有數(shù)字化關聯(lián)關系，服務于電力工程全壽命周期管理。

電力工程BIM設計的最終目的是提高設計效率和產品質量，為設計評審、設計移交、設備采購、工程建設招標、現(xiàn)場施工管理、ERP(Enterprise Resource Planning)資產管理系統(tǒng)、PMIS(Project Management Information System)生產管理系統(tǒng)等各個階段的工程管理提供數(shù)據源支撐，提高電力工程全壽命周期管理效率和質量。

電力工程BIM設計方法有三維數(shù)字化建模，多專業(yè)協(xié)同設計，三維建模標準設計。三維協(xié)同設計優(yōu)化了常規(guī)設計的串行設計模式，可縮短項目的設計周期。

1 電力工程BIM設計流程

電力工程BIM設計技術是三維技術、數(shù)字化技術、協(xié)同技術在電力設計領域的集成創(chuàng)新；是以電力設計對象數(shù)字化表達為基礎，實現(xiàn)電力基礎信息集成化、設計過程智能化、設計平臺一體化、專業(yè)設計協(xié)同化、設計成果數(shù)字化、可視化、應用成果全程化；形成包含設計對象數(shù)據、工程過程信息等內容。利用BIM設計技術對變電站工程進行了設計，電力工程BIM設計方法有三維數(shù)字化建模，多專業(yè)協(xié)同設計，三維建模標準設計。三維協(xié)同設計優(yōu)化了常規(guī)設計的串行設計模式，可縮短項目的設計周期。三維協(xié)同設計的平臺架構如圖1所示。

2 電力工程BIM全過程設計

2.1 電力工程BIM設計準備

工程開始之前需收集工程所需圖紙。首先收集工程電氣一次相關圖紙，包括主接線圖、平面布置圖、各配電裝置的布置圖、斷面圖以及接線圖；然后收集土建相關圖紙。電力工程設計范圍包括電氣一次、總圖、建筑、結構、水暖等內容。

2.2 設備建族

電力工程BIM設計開始，首先進行設備族模型建立，需要建立本工程BIM設計所需的設備族模型包括變壓器,斷路器,電流互感器,電壓互感器,HGIS,GIS,避雷器,電抗器,電容器組,站用變,屏柜,隔離開關等相關設備族模型。

2.3 主接線設計

以BIM為理念的主接線設計,設計內容涵蓋系統(tǒng)設計、主接線系統(tǒng)搭建、確定主變容量和電抗器及電容器組參數(shù)等信息、短路電流計算、設備選型校驗、設備賦值、回路標注、期次劃分、設備編碼、主接線設計成果發(fā)布等內容[2]。

2.4 電氣布置設計

電氣布置設計的內容包括電氣一次設計布置和電氣二次設計布置[3]。其中，電氣一次設計布置包括電氣一次設備布置、母線布置、導線連接、電纜溝和橋架布置、照明設備布置、避雷針及避雷線布置、接地網布置等，電氣二次布置包括屏柜布置、屏柜內裝置及柜面布置、監(jiān)控攝像頭布置、防護網布置、消防報警布置等[4]。

可以分成兩種辦法進行設備布置：一種是首先進行主接線設計，把主接線已經賦值的設備導入工程模型庫里面，然后進行設備布置；另一種是主接線與設備布置同時進行，然后給設備賦值，通過編碼把兩者聯(lián)合起來。在已經完成的主接線設計基礎上，進行電氣一次設備布置，設備布置主要以第一種方式進行操作。

2.5 防雷接地設計

三維防雷設計的內容包括避雷針布置、防雷計算、輸出保護范圍表和計算書。有效的防雷保護可以減少或者避免人員財產損失。而對于電力工程來說更是重中之重，如果設計有缺陷那將會造成重大事故。

對于大型工程來說，接地設計跟防雷設計一樣是不可缺少的一部分，有效的接地保護可以減少或者避免人員財產損失。而對于電力工程來說更是重中之重，當電力設計遇到故障或者事故的時候，可以保護檢修或者操作人員人身安全。但是在接地設計包括接地網的繪制、接地極的插入、大量的準確材料統(tǒng)計，以及修改方案后材料的更新等。

2.6 總圖設計

總圖設計即總平面圖設計，總圖專業(yè)的主要內容包括站區(qū)的總平面設計、站區(qū)的護坡、擋土墻等的設計、站區(qū)內道路的規(guī)劃以及對廠區(qū)內各種建筑物、構筑物的具體布置[5]。

總圖設計思路根據站區(qū)所在的地理位置、站區(qū)的容量及站區(qū)內的建構筑物劃分情況等進行設計。設計思路為通過Civil 3D對站區(qū)周邊地形環(huán)境進行模擬，模擬站區(qū)用地的基本情況，并將站區(qū)及周邊環(huán)境導入到Revit然后對站區(qū)進行詳細道路、圍墻、電纜溝及排水溝等的設計。

2.7 結構設計

結構設計主要分為場地結構和建筑結構兩部分：場地結構及承重類結構，承擔設備及建筑的主要受力部分，主要包括場地中的構架、支架及建筑底部基礎、基礎埋件及建筑中起到支撐作用的部分，如框架結構中的梁、板、柱等部分[6]。場地結構中主要進行設計的內容包括場地中的構架、支架、相關基礎及埋件。

在實際的設計過程中，場地結構和建筑結構應結合設計，一方面滿足建筑的安全適用性，另一方面滿足建筑的經濟性，控制建筑的成本，以滿足建筑相關的經濟技術指標。

2.8 建筑設計

建筑BIM設計應用技術已經比較成熟，變電站BIM設計中的建筑設計方法和一般建筑BIM設計一樣。在變電站中，建筑設計內容主要包括主控通信樓設計、繼電器小室設計、配電室設計和消防小室設計等。

2.9 水暖設計

水暖設計是指水工設計和暖通設計，設計內容包括給排水系統(tǒng)設計、消防噴淋系統(tǒng)設計、暖通系統(tǒng)設計等。水暖設計步驟包括：管道構件配置，管道數(shù)據信息配置，管道系統(tǒng)類型建立，水暖設備模型布置等。

2.10 協(xié)同設計

三維協(xié)同設計是BIM設計的核心，是設計技術發(fā)展的方向和趨勢，是提升設計管理水平、設計效率和質量的主要手段和方法。協(xié)同設計可以將不同專業(yè)的設計信息和成果通過交互和整合形成有機整體[7]。

協(xié)同設計思路是基于三維設計平臺進行實際工程協(xié)同設計應用，一般需要對工程參與人員的角色和權限進行劃分，明確不同專業(yè)間的專業(yè)分工和權限。各專業(yè)按照設計流程和任務各自開展設計工作，在設計的過程中通過協(xié)同設計平臺進行成果發(fā)布和提資交互，通過協(xié)同設計平臺進行各專業(yè)設計成果的整合，并對設計成果進行電氣安全凈距校驗、碰撞檢查、防火間距校核、安裝通道和吊裝空間檢查等，校核設計中問題并進行相應的修改和完善，直至完全滿足設計要求和深度。

3 設計成果

工程BIM設計完成后可以輸出的初步設計成果主要包括以下內容：全站BIM設計模型；場地平整圖和土方量計算結果表；主接線設計圖紙；平面圖和斷面圖；材料統(tǒng)計表；計算結果表和計算書；安全凈距校核、碰撞檢查等；全站三維渲染和漫游成果等。全站成果圖和局部圖如圖2所示。

4 結語

隨著我國電力工程運營規(guī)模不斷加大，傳統(tǒng)管理和技術手段難以應對日益增加的任務，亟待尋求更加有效的管理和技術手段。本文通過對電力工程設計階段的流程梳理，為BIM技術在電力工程設計全過程中的應用提供參考依據，同時也可為其他基礎設施領域參考。

本文旨在推動電力工程BIM設計技術的快速發(fā)展，為BIM技術在其他基礎設施行業(yè)的應用提供參考思路。下一步工作計劃:以電力工程BIM在設計階段的應用為基礎，拓展到采購、施工、運維等全生命周期中，使電力工程BIM在電力工程中得到持續(xù)應用。