引用BIM技術(shù)集成化建造35 kV變電所的探討

王名洲

中國寰球工程有限公司北京分公司

隨著國內(nèi)油氣田開發(fā)時間的延長,高品質(zhì)的油氣田越來越少,難采儲量增加,區(qū)塊分布零散、產(chǎn)量低;同時,地面條件也越來越差,山區(qū)、丘陵、溝壑、灘海等復(fù)雜地勢比例不斷增加,帶來了交通不便,地面配套差.另外,國外油氣田開發(fā)現(xiàn)場人文條件復(fù)雜,交通運輸困難等.上述這些都造成了地面工程建設(shè)難度大,管理困難等問題,因此,研究實施"標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化預(yù)制、模塊化施工、機械化作業(yè)、信息化管理"(即"五化")顯得尤為重要.其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下四方面:①設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制模塊化減少了項目從設(shè)計到現(xiàn)場安裝、焊接等工作量;②設(shè)計有標(biāo)準(zhǔn)化圖紙,施工有模塊現(xiàn)場組裝,設(shè)計和建造速度將會明顯提高;③由于運輸?shù)氖浅善?所以避免運送大量的材料,無論是國內(nèi)交通不便的地區(qū),還是海外長距離遠(yuǎn)洋運輸,都減輕了運輸?shù)呢?fù)擔(dān);④裝置工廠化預(yù)制時可直接實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計、制造,為數(shù)字化管理奠定基礎(chǔ).同時,形成模塊化、現(xiàn)場組裝也是國內(nèi)外建造業(yè)發(fā)展的主流.

油氣田供配電系統(tǒng)主要包括220 kV或110 kV外部供電設(shè)施,油氣田內(nèi)設(shè)220 kV變110 kV和110 kV變35 kV的變電所,35 kV變電所出線電壓等級為1.0 kV或0.6 kV,1.0 kV或0.6 kV電壓等級供到井、站等用電場所,如果供到站場,再由站用變壓器把電壓等級轉(zhuǎn)變?yōu)?.4 kV供站場各種設(shè)施的動力用電.由于一般外部供電多為110 kV,極少情況下為220 kV,所以一般以110 kV變35 kV為主,如果沒有35 kV供電需求,110 kV可直接變到1.0 kV和0.6 kV供各種用電需求.因此,35 kV變電所屬于油氣田供配電系統(tǒng)的主要設(shè)施,其他就是井場或站用變壓器或者供配電線路.目前,在35 kV變電所實施了"標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化預(yù)制、模塊化施工、機械化作業(yè)、信息化管理"的建造,最主要的方式就是把整個35 kV變電所按功能分成幾個模塊,每個模塊集成了各個專業(yè)的功能,開展設(shè)計、預(yù)制、安裝,最終實現(xiàn)信息化管理.以此方法實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、工廠化預(yù)制,搬運到現(xiàn)場一次安裝成功.如果在35 kV變電所的"五化"建設(shè)中引用BIM技術(shù)建造,將會更有效地提升35 kV變電所建造水平,使其向智能化建設(shè)與管理方向發(fā)展.

1 BIM技術(shù)概念與特征

BIM(建筑信息模型,Building Information Modeling)是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具.目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可,BIM是運用三維數(shù)字化技術(shù)配合智能化工具將工程全生命周期中各個階段的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合、集成、分析,最終將這些數(shù)據(jù)以3D可視化模型及數(shù)字報表的方式展現(xiàn)給項目的參與各方,進(jìn)行工作指導(dǎo)及進(jìn)度、成本等分析,最終提高項目的整體品質(zhì)[1].設(shè)計團隊、施工單位、設(shè)施運營部門和業(yè)主等各方人員可以基于BIM進(jìn)行協(xié)同工作,有效提高工作效率,節(jié)省資源,降低成本,實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展.

美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)對BIM的定義為:"BIM是建設(shè)項目兼具物理特性與功能特性的數(shù)字化模型,而且是從建設(shè)項目的最初概念設(shè)計開始的整個生命周期里作出決策的可靠共享信息資源[2]."

BIM技術(shù)主要包含了三點:①BIM是以三維數(shù)字技術(shù)作為模型的基礎(chǔ),集成了項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型,是對工程項目設(shè)施實體和功能特性的數(shù)字化表達(dá);②BIM是一個完善的信息模型,能夠連接項目生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源,是對工程對象的完整描述,提供可自動計量、查詢、組合、拆分的實時工程數(shù)據(jù),可被項目各參與方普遍享用;③BIM具有單一工程數(shù)據(jù)源,可解決分布式、異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題,支持建設(shè)項目生命周期中動態(tài)的工程信息的創(chuàng)建、管理和共享,是項目實時的共享平臺[2].

BIM技術(shù)雖然是建筑信息模型,但該技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具,通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合,在項目策劃、運行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞,使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對,為設(shè)計團隊以及包括建筑、運營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ),在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用,因此認(rèn)為可以把該技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)建造方面.

BIM技術(shù)的主要特征有以下五個方面:

(1)可視化.將以往的線條式的構(gòu)件形成一種三維的立體實物圖形展示在人們的面前,能夠同構(gòu)件之間形成互動性和反饋性的可視化.

(2)協(xié)調(diào)性.BIM的協(xié)調(diào)性服務(wù)可以做到設(shè)計階段各專業(yè)人員之間的協(xié)調(diào),施工階段各專業(yè)及施工人員與設(shè)計的協(xié)調(diào),避免各種矛盾發(fā)生.

(3)優(yōu)化性.事實上整個設(shè)計、施工、運營的過程就是一個不斷優(yōu)化的過程,在BIM的基礎(chǔ)上可以做更好的優(yōu)化.

(4)模擬性.在設(shè)計階段,BIM可以對設(shè)計上需要進(jìn)行模擬的內(nèi)容進(jìn)行模擬實驗.例如:節(jié)能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬、熱能傳導(dǎo)模擬等.在招投標(biāo)和施工階段可以進(jìn)行4D模擬(三維模型加項目的發(fā)展時間),也就是根據(jù)施工的組織設(shè)計模擬實際施工,確定合理的施工方案來指導(dǎo)施工.同時還可以進(jìn)行5D模擬(基于4D模型加造價控制),實現(xiàn)成本控制;后期運營階段可以模擬日常緊急情況的處理方式,例如地震人員逃生模擬及消防人員疏散模擬等.

(5)具有可出圖性.BIM的可出圖性主要基于BIM應(yīng)用軟件,可實現(xiàn)設(shè)計階段或施工階段所需圖紙的輸出,還可以對建筑物進(jìn)行可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化,幫助建設(shè)方給出綜合管線圖(經(jīng)過碰撞檢查和設(shè)計修改,消除了相應(yīng)錯誤以后)、綜合結(jié)構(gòu)留洞圖(預(yù)埋套管圖)、碰撞檢查偵錯報告和建議改進(jìn)方案[3].

2 研究內(nèi)容

35 kV變電所的集成化設(shè)計可以引用BIM技術(shù).35 kV變電所包括35 kV及10(6)kV兩個電壓等級(不包括110 kV變1.0 kV和0.6 kV),主要有35 kV進(jìn)線、變壓器、10(6)kV饋線和綜保系統(tǒng)等.需要研究的內(nèi)容主要有以下三個方面:

(1)確定流程,選擇基礎(chǔ)軟件、工具軟件及平臺軟件等.

(2)創(chuàng)建模型,集成從設(shè)計、預(yù)制、安裝到運行管理的數(shù)據(jù).包括變壓器、控保設(shè)施、電容補償器等設(shè)備數(shù)據(jù)信息,以及各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和規(guī)范等.

(3)從設(shè)計到運行管理全生命周期的實施方案,包括設(shè)計方案、施工圖和設(shè)備與材料表的生成;在設(shè)計方案中按功能把35 kV變電所劃分成各模塊,模塊劃分原則應(yīng)是功能獨立、配套完整、接口標(biāo)準(zhǔn),滿足這些的同時應(yīng)追求體積小、便于運輸,設(shè)備上也要考慮選擇體積小的高效設(shè)備;進(jìn)行工程量計算和工程造價;虛擬現(xiàn)實技術(shù),三維效果展示、設(shè)計協(xié)同、碰撞檢查,預(yù)制和安裝模擬,建造進(jìn)度模擬.

3 技術(shù)路線

該研究采取的主要技術(shù)路線有以下六方面.①調(diào)研各種軟件,選擇最適合的建模、計算分析、平臺等支持軟件;②按照35 kV變電所功能,研究科學(xué)拆分、優(yōu)化建立模塊;③調(diào)研各油氣田35 kV變電所的基本負(fù)荷,確定標(biāo)準(zhǔn)系列,調(diào)查中既要考慮大型整裝油氣田,又要考慮零散、自然和配套條件差的油氣田;④調(diào)查交通條件差、運輸難度大的油氣田的運輸情況,確定模塊的規(guī)格;⑤調(diào)研35 kV變電所所用設(shè)備、材料、儀器、儀表等的市場信息,包括價格、技術(shù)水平、效率、效果等,優(yōu)選最佳產(chǎn)品,以追求模塊在同等功能下體積最小,調(diào)研有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和規(guī)范,建立BIM數(shù)據(jù)庫;⑥BIM功能實現(xiàn)包括BIM建模、BIM參數(shù)化對象技術(shù)、BIM仿真技術(shù)、項目各階段的BIM應(yīng)用、各參與方的BIM應(yīng)用、各管理職能的BIM應(yīng)用、BIM實施體系等.

4 實例應(yīng)用

35 kV變電所可拆分模塊分為35 kV進(jìn)線與變壓器,10(6)kV饋線與電容補償,綜合自動化保護(hù)三個模塊.35 kV進(jìn)線與變壓器:一端通過架空線路或電纜與站外上級變電站來的電力線路連接,連接要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)接口;架空線路或電纜另一端與變壓器相連.10(6)kV饋線與電容補償:35 kV進(jìn)線與變壓器模塊的出線電纜與電容補償和綜合自動化保護(hù)模塊相連,接口處全部設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)接口.所有模塊均對工廠生產(chǎn)完成,分模塊運輸,現(xiàn)場組裝,實現(xiàn)了工業(yè)建造工廠化.

4.1 BIM組織與應(yīng)用流程

工作組織與流程分九步:①設(shè)定目標(biāo);②篩選軟件;③BIM軟件建模;④建立BIM信息庫;⑤確定管理要素;⑥確定平臺軟件;⑦確定工具軟件;⑧確定虛擬現(xiàn)實軟件;⑨施工圖等生成.在第⑧步基本可以實現(xiàn)查錯,預(yù)見模塊預(yù)制、生產(chǎn)運行和管理過程等情況.

4.2 BIM技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)

目標(biāo)包括:35 kV變電所設(shè)計方案制定,施工圖及設(shè)備與材料表生成,模塊預(yù)制,現(xiàn)場安裝,運營管理與BIM技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)工廠化預(yù)制、現(xiàn)場流水作業(yè)安裝,做到布局合理,環(huán)境、材料和設(shè)備信息數(shù)據(jù)精準(zhǔn),實施方案實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化,預(yù)制和安裝工藝流程標(biāo)準(zhǔn)化,降低成本,節(jié)省工期,提高設(shè)計施工質(zhì)量和效率,實現(xiàn)信息化、智能化管理(圖1).

4.3 基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用軟件確定

基礎(chǔ)軟件選用Bentley,選用原則:軟件應(yīng)具有基于三維數(shù)字圖像技術(shù),支持對三維實體創(chuàng)建和編輯;支持35 kV變電所場景庫,實現(xiàn)快速建模;支持三維數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),建立的三維模型可以通過IPC等標(biāo)準(zhǔn)輸出為應(yīng)用軟件使用.

應(yīng)用軟件主要選取具有以下功能的軟件.幾何造型軟件,按照前文所述35 kV變電所分成3個模塊等進(jìn)行造型.電氣、通信和自控系統(tǒng)分析軟件主要是對變電所中的3個主要系統(tǒng)進(jìn)行計算分析及優(yōu)化.還有火災(zāi)報警系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、智能化設(shè)計、可視化、模型檢查、2D/3D同步設(shè)計及碰撞檢查、造價、運營、發(fā)布審核等軟件(圖2).

圖1 BIM應(yīng)用目標(biāo)Fig.1 BIM application target

圖2 BIM核心建模軟件和應(yīng)用軟件功能Fig.2 BIM core modeling software and application software function

4.4 平臺軟件確定

BIM模型可以在平臺上統(tǒng)一管理,所有用戶可以隨時隨地地獲取最新BIM數(shù)據(jù),所有用戶可以隨時溝通.基于三維軟件的技術(shù)平臺--Micro Station開發(fā)了ABD Electrical,是一套基于BIM的建筑電氣設(shè)計系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上可開發(fā)為35 kV變電所的設(shè)計系統(tǒng).

4.5 BIM技術(shù)應(yīng)用

(1)在Bentley軟件的基礎(chǔ)上,采用數(shù)字化技術(shù),建立包含35 kV變電所中電氣、自控、通信等系統(tǒng)所有信息的數(shù)據(jù)庫,將35 kV變電所劃分為功能相對獨立的3個模塊,建立以3個模塊為基礎(chǔ)的整體模型.

(2)根據(jù)工作目標(biāo)選擇應(yīng)用軟件,如計算、優(yōu)化、可視化、深度設(shè)計、造價、查錯、幾何造型、運營管理、審核簽署等軟件;對三個模塊中的電氣、通信設(shè)施、自控儀表等按功能進(jìn)行優(yōu)化布置;按模塊和變電所需求設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)外罩和橇體;按功能、規(guī)模設(shè)定參數(shù);按設(shè)計、施工、管理等各參與方的工作需求確定平臺軟件.

(3)計算分析優(yōu)化選擇電氣設(shè)施、通信設(shè)施和自控儀表,根據(jù)控制目標(biāo)確定自控點、控制參數(shù)及調(diào)節(jié)范圍.

(4)優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和橇體設(shè)計.

(5)指導(dǎo)模塊化預(yù)制.

(6)指導(dǎo)施工安裝.

(7)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)實時傳至平臺,實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、控制,實現(xiàn)安全平穩(wěn)運行.

5 結(jié)束語

BIM技術(shù)完全可以用于集成化建造35 kV變電所,利用該技術(shù)可以,實現(xiàn)模塊化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、組裝化安裝、信息化管理,提高35 kV變電所設(shè)計、預(yù)制、施工的工作效率,提高管理水平,這是35 kV變電所建造技術(shù)的一次飛躍,最終為智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ).