基于GIM 的模塊化變電站電纜敷設(shè)三維設(shè)計

朱克平，何英靜，倪瑞君，徐偉明，鮑雙雙

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，杭州 310008；2.嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計研究院有限公司，浙江 嘉興 314033）

0 引言

21 世紀初，建筑行業(yè)提出了BIM（建筑信息模型）概念，并在后期發(fā)展中得到國內(nèi)外建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用。 在電氣設(shè)計方面為了滿足變電站全生命周期的要求，2017 年9 月國網(wǎng)公司發(fā)布了《輸變電工程三維設(shè)計模型交互規(guī)范》（試行），提出GIM（電網(wǎng)信息模型）的概念，建立以GIM 為基礎(chǔ)的承載信息的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)跨平臺共享及信息采集[1]。 該規(guī)范規(guī)定了GIM 文件的格式，適用于輸變電工程初步設(shè)計、施工圖設(shè)計和竣工圖設(shè)計階段的三維設(shè)計，以及設(shè)計成果的交付。 為變電站數(shù)字化移交提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 具備三維設(shè)計能力也將成為設(shè)計院參加工程投標、設(shè)計競賽等的一個基本門檻[2]。

2018 年初，國網(wǎng)浙江公司針對國網(wǎng)基建部下發(fā)文件《關(guān)于開展輸變電工程三維設(shè)計擴大試點通知》，進一步提高三維設(shè)計專業(yè)能力，持續(xù)推動三維設(shè)計工作，在2019 年12 月實現(xiàn)全面變電站三維設(shè)計應(yīng)用階段。 因此，推動GIM 標準化發(fā)展，對工程進行全壽命周期管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享化具有重要意義。 浙江省公司在各個地級市開展輸變電工程三維設(shè)計試點工作。

同時變電站設(shè)計建設(shè)進入模塊化階段。 采用模塊化設(shè)計具有占地面積小、建設(shè)周期短、施工方便等優(yōu)點。 模塊化設(shè)計變電站為減少現(xiàn)場濕作業(yè)，縮短建設(shè)工期，大部分設(shè)計都取消了電纜層的設(shè)置，給電氣設(shè)計人員的工作帶來了較大的調(diào)整。 電纜敷設(shè)設(shè)計主要依靠二維設(shè)計，由于電纜數(shù)量非常龐大，通過手動方式排查錯誤，效率非常低[3]。 通常根據(jù)電纜橋架、豎井、電纜溝、用電設(shè)備、電氣盤柜的位置進行埋管出圖、電纜敷設(shè)以及材料統(tǒng)計。 但由于圖紙空間有限，設(shè)備位置不精確，在計算電纜和埋管長度上存在誤差，雖然理論上能夠?qū)崿F(xiàn)電纜分層敷設(shè)，以及通道填充率檢查等，但不能實現(xiàn)電纜在通道中的單層敷設(shè)，也查詢不到任意通道內(nèi)電纜的分布情況，更不能保證電纜敷設(shè)過程電纜之間的間隔問題[4]。 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，利用計算機敷設(shè)軟件來進行電纜敷設(shè)的設(shè)計已成為一種常見的手段[5]。

本文采用GIM 軟件對一個110 kV 輸變電工程實例進行電纜敷設(shè)設(shè)計，并與傳統(tǒng)設(shè)計方式進行對比，探討基于GIM 三維設(shè)計的優(yōu)劣。

1 變電站電纜三維設(shè)計方案

1.1 變電站模塊化建設(shè)簡介

關(guān)于國網(wǎng)公司《關(guān)于印發(fā)2016 年推進智能變電站模塊化建設(shè)工作要點的通知》，積極推進變電站模塊化建設(shè)勢在必行[6]。 模塊化變電站提出了一種新的變電站建設(shè)模式，將變電站劃分為5個功能模塊，便于安裝、調(diào)試，提高建設(shè)的質(zhì)量、效率。 降低變電站成本、減少土地占用、縮短建設(shè)周期等是未來模塊化變電站的趨勢。 目前，浙江地區(qū)已經(jīng)開始逐步推廣模塊化變電站的建設(shè)。

1.2 GIM 三維協(xié)同設(shè)計優(yōu)勢

較傳統(tǒng)的二維設(shè)計，基于GIM 的三維工程設(shè)計更易建立起建筑物的模型，在三維設(shè)計過程中更直觀清晰的看見整個項目模型；同時采用參數(shù)化設(shè)計，同步自動更新，并且能夠從模型自動生成所需的設(shè)備明細表和相關(guān)圖紙，推動了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使設(shè)計成果正逐步從工程設(shè)計圖紙向數(shù)字化設(shè)計成果過渡[7]。

GIM 技術(shù)具有信息共享、協(xié)同設(shè)計、直觀性[8]等特點，改變了傳統(tǒng)模式的設(shè)計流程，一個模型可以多人或者多專業(yè)同時進行，并且能夠?qū)崟r同步他人的設(shè)計，避免設(shè)計上沖突；同時還具有碰撞檢查等功能，避免施工中出現(xiàn)建筑物與橋架碰撞等問題，保證電力輸送的安全性[9]。

1.3 設(shè)計軟件選擇

目前支持GIM 標準的軟件有STD（R）軟件平臺、金曲軟件平臺、Bentley 軟件等。

此次項目采用STD（R）軟件平臺（Revit 2016中文版）進行電纜敷設(shè)設(shè)計。 Revit 系列軟件簡單易學，并具有強大的數(shù)據(jù)庫，所有的平面圖、三維視圖都建立在同一個數(shù)據(jù)庫中，能夠?qū)⒍S、三維之間的數(shù)據(jù)貫通；參數(shù)化程度高，軟件提供了大部分的建筑圖元，能夠滿足電氣設(shè)計特點且全專業(yè)配套，因此得到廣泛應(yīng)用。

1.4 設(shè)計流程

不同于傳統(tǒng)的二維設(shè)計，三維設(shè)計流程可分為建立模型、布置線路、三維碰撞檢查、材料統(tǒng)計和模型成果5 個過程[10]，其流程如圖1 所示。

圖1 三維設(shè)計流程

（1）模型的構(gòu)建

根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗和實際工程反饋，利用三維設(shè)計構(gòu)建了電纜敷設(shè)需要的3 種模型：電纜模型、電纜溝（含電纜支架）模型、埋管模型。

電纜模型：根據(jù)不同電壓和截面的電纜，構(gòu)建編制站內(nèi)的電纜模型庫，供電纜敷設(shè)時選取，模型如圖2、圖3 所示。

圖2 110 kV 電纜模型

圖3 10 kV 電纜模型

電纜溝（含電纜支架）模型：電纜溝（含電纜支架）模型設(shè)計是模型構(gòu)建的重點和難點。 構(gòu)建該部分模型需要先參數(shù)化繪制電纜溝，能夠根據(jù)電纜通道如拐角、三通、四通等設(shè)置相應(yīng)的節(jié)點和模型。 再將電纜溝支架全部擴充到數(shù)據(jù)庫中，通過設(shè)置層架所敷設(shè)的電纜類別來實現(xiàn)電纜敷設(shè)的規(guī)則，電纜在電纜溝內(nèi)敷設(shè)必須嚴格按規(guī)范要求分層布置[11]，保證敷設(shè)與實際效果一致。 相關(guān)的模型如圖4、圖5 所示。

圖4 110 kV 電纜支架模型

圖5 10 kV 電纜溝模型

埋管模型：在埋管設(shè)計時，排管路徑可以作為敷設(shè)路徑被軟件識別。 對于在排管內(nèi)敷設(shè)的電纜按照電壓等級、外徑、容積率等設(shè)定規(guī)則自動分管敷設(shè)，分管結(jié)果可以手工進行調(diào)整。 相關(guān)的模型如圖6 所示。

圖6 埋管三維模型

（2）布置線纜

利用構(gòu)建的電纜模型庫信息自動在平面圖中查找電纜敷設(shè)路徑，并按照設(shè)定的敷設(shè)原則進行優(yōu)化[12]，再利用斷網(wǎng)查看及自動定位功能幫助用戶檢查設(shè)備的接線失誤，提高設(shè)計質(zhì)量和效率。

在實際應(yīng)用中，部分電纜必須通過相應(yīng)的橋架、層次和節(jié)點，且敷設(shè)方式因地而異，需要手工對特殊的電纜路徑和敷設(shè)方式進行調(diào)整。

（3）三維碰撞檢查

不同于傳統(tǒng)的二維設(shè)計，三維碰撞檢查是三維設(shè)計最大優(yōu)點和亮點。 采用三維碰撞檢查可以有效避免后期施工出現(xiàn)電纜相互交叉碰撞、橋架與建筑物之間碰撞等問題，最大程度保障了施工過程的順利進行，加快施工進程，節(jié)約施工周期，降低投資費用。 采用三維碰撞檢查主要是埋管與建筑物梁柱板之間，橋架與建筑物梁柱板之間進行碰撞檢查。

（4）材料統(tǒng)計

通過前面的流程形成完整的電纜清冊，進行完成的材料統(tǒng)計。 采用三維設(shè)計統(tǒng)計結(jié)果詳盡準確，內(nèi)容可以包括電纜的長度、電纜附加長度、施工裕量、保護管長度、橋架長度、橋架接頭甚至托臂、立柱等。

有別于傳統(tǒng)的清冊表格，可以根據(jù)實際需求定制電纜表。 表現(xiàn)形式可以按圖紙、按平臺、按電纜型號、按設(shè)備等，極大方便了工程采購和后期施工。

（5）模型成果

根據(jù)以上過程得出的三維模型如圖7 所示，可用于生成效果圖進行預覽和方案對比，也可直接進行三維瀏覽漫游及簡單的瀏覽視頻制作，自動生成電纜溝/橋架剖面圖，輸出dwg 等格式圖紙。

圖7 三維模型成果

2 工程實例

2.1 工程簡介

將GIM 三維設(shè)計應(yīng)用到110 kV 百步變電站新建工程，該工程采用國家電網(wǎng)公司模塊化通用設(shè)計110-A3-3 方案（2015 版），變電站采用半戶內(nèi)布置方案，電氣設(shè)備只有主變壓器布置在室外，其余設(shè)備均布置在室內(nèi)[13]。 10 kV 配電裝置室、10 kV 電容器室、110 kV GIS 室、二次設(shè)備室等布置在配電裝置樓內(nèi)，110 kV 由西側(cè)電纜進線。取消電纜層，電纜敷設(shè)采用電纜溝；110 kV GIS采用電纜進出。

由于該方案取消了電纜層，電纜出線走廊十分緊張。 采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計圖紙，方案電纜走向如圖8 所示，可見電纜出線密集，廊道緊張，給設(shè)計人員和工程施工人員帶來了較大的挑戰(zhàn)。

2.2 工程實例

本文利用Revit 三維軟件，結(jié)合第一章的設(shè)計流程對該輸變電工程電纜敷設(shè)采用三維仿真建模設(shè)計，最終形成相關(guān)三維模型如圖9 所示。

該工程于2017 年底進行開工建設(shè)，2018 年9 月投產(chǎn)，電纜敷設(shè)部分于2018 年6 月8 日進場，至6 月24 日完成，工期16 天。 由于采用三維設(shè)計，電纜敷設(shè)設(shè)計部分無變更，工期縮短5 天。

3 應(yīng)用反饋

3.1 優(yōu)勢分析

根據(jù)百步變電站新建工程設(shè)計和施工的反饋情況，采用電纜敷設(shè)三維設(shè)計在直觀可視化、縮短周期和降低造價方面有明顯的優(yōu)勢（見表1）。

（1）直觀可視化

圖8 百步變電站新建工程電纜敷設(shè)二維設(shè)計平面布置

圖9 百步變電站新建工程電纜敷設(shè)三維設(shè)計模型

表1 采用不同設(shè)計模式對比

傳統(tǒng)的二維設(shè)計需要三視圖和剖面圖才能抽象理解電纜布置實際情況，這往往是設(shè)計中最容易忽視的地方。 通過三維設(shè)計可快速準確地建立三維實體模型，輕松理解設(shè)備之間的空間關(guān)系，最大限度避免平面思維的盲區(qū)，能夠及時發(fā)現(xiàn)各個設(shè)備之間的碰撞問題，及時避免施工中不必要的問題[14]。 并將整個方案直觀地展現(xiàn)給業(yè)主、施工人員和后期運維管理人員。 既便于業(yè)主的修改、也減少施工的變更，更有利益后期的運維。

（2）縮短周期

根據(jù)百步新建工程設(shè)計人員反饋，采用三維軟件中完成模塊和數(shù)據(jù)庫后，使得設(shè)計更加方便快捷。 特別是一次設(shè)備布置改變時，只要修改模型，就可以重新生成電纜敷設(shè)平面圖、剖面圖以及材料表，修改的工作量減小，出圖時間更快。采用該三維設(shè)計較以往設(shè)計時間縮短1 人/天，較以往工程時間減少了33.3%。

由于在設(shè)計階段采用碰撞檢查，就有效避免了碰撞問題，減少了施工過程中的設(shè)計變更，根據(jù)百步變電站新建工程反饋，能縮短建設(shè)周期5天，提高效率23.8%。

（3）工程造價

電纜敷設(shè)部分設(shè)計涉及的材料種類繁雜且受設(shè)備尺寸和前期施工影響較大，因此，采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計時電纜布置和走向并不精確。 大部分設(shè)計人員為了減少后期變更，往往在設(shè)計階段會增加相關(guān)材料的開列，增加工程造價，造成不必要的浪費。 百步變電站新建工程采用三維設(shè)計，該部分造價有效降低了17.2%，相信隨著三維設(shè)計推廣應(yīng)用，工程造價將進一步降低。

3.2 存在問題

Revit 是GIM 協(xié)同設(shè)計過程中重要的軟件之一，但目前在電纜敷設(shè)設(shè)計過程中還是存在著部分問題。

在GIM 協(xié)同設(shè)計過程中，常常需要和多種軟件相互配合，Revit 與其他軟件的兼容性比較差，對其他軟件的支持度較低，這是變電站設(shè)計時需要克服的一個難點。

目前GIM 設(shè)計中，自帶的數(shù)據(jù)庫模型有限，需要后期設(shè)計人員在軟件運用過程中逐漸總結(jié)和完善。 其他系統(tǒng)的工程信息還需要人工錄入，由于設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)完整率和參數(shù)完整率2 個方面也存在一些問題[15]。 隨著模型檔案的增加，所占用的內(nèi)存資源也越多，到后期打開一個大型模塊可能需要花費較長時間，對內(nèi)存等硬件設(shè)施也有一定的要求。

4 結(jié)語

基于GIM 的電纜敷設(shè)設(shè)計，由二維轉(zhuǎn)向三維，不僅僅是設(shè)計工具的變革，也是傳統(tǒng)設(shè)計思維的轉(zhuǎn)變。 變電站趨向于模塊化簡化設(shè)計，因此對電纜敷設(shè)設(shè)計的要求越來越高，且未來發(fā)展趨勢是多專業(yè)共同參與的三維協(xié)同設(shè)計。 通過電纜的虛擬敷設(shè)，根據(jù)電纜路徑的三維模型展示效果，提高現(xiàn)場電纜敷設(shè)的效率和施工工藝水平?；贕IM 設(shè)計，更好地建立一個標準化、數(shù)據(jù)共享化平臺，促進電力設(shè)計行業(yè)的發(fā)展。