BIM技術(shù)在模塊化變電站建設(shè)中的應(yīng)用分析

李 俊， 張 凡， 李胤淵， 章蓓蓓

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230071;2.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

0 引 言

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，環(huán)境污染和效率問題越來越得到社會各界的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)變電站一般采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系在施工過程中會對環(huán)境造成一定污染，工期和工程質(zhì)量難以保證，現(xiàn)場管理難度較大，不利于資源的有效利用。模塊化變電站的出現(xiàn)很好地解決了這些難題。在整個建設(shè)過程中，模塊化變電站因其高效、環(huán)保、資源節(jié)約等優(yōu)點，在社會上引起了廣泛的關(guān)注與重視。近幾年來，建筑領(lǐng)域正在逐步推廣BIM技術(shù)，將BIM 技術(shù)有效地應(yīng)用于模塊化變電站建設(shè)中，可以提高其在設(shè)計、生產(chǎn)、施工以及運行維護等階段的效率，促進模塊化變電站得到更好更快地發(fā)展。

1 BIM技術(shù)對于模塊化變電站建設(shè)的優(yōu)勢分析

1.1 BIM技術(shù)特點分析

BIM是一個建立在設(shè)計、施工、運營協(xié)調(diào)和項目信息基礎(chǔ)上的集成過程。BIM 模型創(chuàng)建的過程，是在獲取建筑項目中的各類信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將建筑項目的實際信息通過數(shù)字信息虛擬技術(shù)模擬出來。BIM 技術(shù)以三維模型為表現(xiàn)方式，具有高度可視化、多樣模擬化、多專業(yè)協(xié)調(diào)化、可優(yōu)化性高及可出圖性等五大特點。BIM技術(shù)整合項目信息與三維模型，設(shè)計單位、施工單位以及后期運行維護部門在內(nèi)各項目的參與方通過BIM技術(shù)能夠正確理解和高效處理各種相關(guān)信息，共同協(xié)作，提高生產(chǎn)效率，縮短建設(shè)工期和降低工程成本，實現(xiàn)項目全生命周期過程中信息的傳遞與共享。BIM技術(shù)的特點主要有以下幾個方面：

(1)根據(jù)系統(tǒng)的運作模式，結(jié)合項目的特點和要求，自動生成目標。

(2)BIM技術(shù)兼容性強，不會出現(xiàn)與其他技術(shù)不兼容或嚴重沖突的情況。

(3)操作較簡單，能更好地在項目全壽命周期內(nèi)進行整體把控。

(4)靈活應(yīng)對突發(fā)問題，很大程度上提升工作質(zhì)量。

(5)不同專業(yè)協(xié)同完成，大大提高工作效率。

1.2 模塊化變電站特點分析

傳統(tǒng)模式的變電站大多都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在建造使用中存在很多問題。變電站建設(shè)復雜，在建站時會耗費大量人力物力，施工進度緩慢；現(xiàn)場設(shè)備的組裝、安裝環(huán)境惡劣，容易造成環(huán)境污染；變電站建成后可靠性也相對較差。為解決這些問題，將傳統(tǒng)變電站建設(shè)方式轉(zhuǎn)變?yōu)檠b配式施工，推行模塊化變電站。模塊化變電站遵循變電站建設(shè)項目全生命周期建設(shè)理念，落實國家電網(wǎng)公司“兩型一化”變電站的建設(shè)思想的具體措施，按照規(guī)定、規(guī)范和技術(shù)管理的要求，根據(jù)典型設(shè)計方案進行設(shè)計，優(yōu)化布局和垂直設(shè)計。模塊化變電站摒棄傳統(tǒng)土建建筑結(jié)構(gòu)形式，因地制宜，靈活運用標準化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理、智能化應(yīng)用等特點，在項目全生命周期內(nèi)實現(xiàn)功能匹配、壽命協(xié)調(diào)和成本平衡等目標。模塊化變電站主要有以下幾個特點：

(1)根據(jù)國家電網(wǎng)通用設(shè)計，實現(xiàn)了高級應(yīng)用功能的模塊化、標準化和裝配化。

(2)工廠預(yù)制式配件及設(shè)備，規(guī)模生產(chǎn)，高度集成，提高變電站建設(shè)的效率。

(3)工廠模塊化制作，實現(xiàn)快速拼裝，減少資源消耗，滿足環(huán)保要求。

(4)各模塊單獨成艙，具備足夠的靈活性和可遷移性，適用不同應(yīng)用場合和復雜地形。

(5)高標準、高要求、高質(zhì)量安裝電氣設(shè)備，保證設(shè)備運行安全可靠。

1.3 BIM技術(shù)對于模塊化變電站建設(shè)的應(yīng)用意義

1.3.1 BIM技術(shù)有助于提高模塊化變電站建設(shè)效率

利用BIM技術(shù)創(chuàng)建三維模型，協(xié)調(diào)模塊化變電站的各個建設(shè)部分，完整設(shè)計出模塊化變電站整個項目，減少設(shè)計人員的工作量。BIM技術(shù)的運用可以優(yōu)化施工方案，模塊化變電站建設(shè)中施工難點利用三維模型模擬出來，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決，從而提高施工效率。模塊化變電站建設(shè)工程量大，造價控制方面十分復雜，利用BIM模型中存儲的數(shù)據(jù)信息，精準高效的進行造價計算，避免人工計算中出現(xiàn)的弊端。BIM技術(shù)的應(yīng)用，提升了模塊化變電站建設(shè)的效率。

1.3.2 BIM技術(shù)有助于提高模塊化變電站建設(shè)質(zhì)量

BIM 技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計解決模塊化變電站中各專業(yè)間的沖突，提高了設(shè)計質(zhì)量。模塊化變電站中預(yù)制構(gòu)件通過三維空間建模體現(xiàn)出來，將各種信息集中處理，減少誤差，標準化設(shè)計生產(chǎn)，保證了預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量。模塊化變電站的三維模型，確保了整個項目的整體以及局部工程建設(shè)的準確性，能有效地保證變電站工程施工質(zhì)量，最終實現(xiàn)工程總進度目標。

1.3.3 BIM技術(shù)有助于降低模塊化變電站建設(shè)成本

設(shè)計圖紙中的設(shè)備、構(gòu)件及其他工程材料都存儲于BIM模型，造價人員能快速準確核對工程量，避免因工程量統(tǒng)計的問題造成項目虧損。BIM技術(shù)在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)不合理的地方及時修正，校正誤差，避免建設(shè)中造成不必要的損耗利用，有效降低了模塊化變電站工程成本。BIM技術(shù)增強了模塊化變電站在造價管理方面的效果。

1.3.4 BIM技術(shù)有助于實現(xiàn)模塊化變電站建設(shè)的全生命周期管理

通過BIM建立的模塊化變電站的模型包含在整個建設(shè)過程中的實體物理信息，功能信息和運行信息，BIM技術(shù)可以為模塊化變電站建設(shè)所有項目參與方提供完整可靠的數(shù)據(jù)，保證了不同階段的信息的完整性和一致性，為模塊化變電站建設(shè)的全生命周期管理提供技術(shù)支持，實現(xiàn)全生命周期的集成管理。BIM應(yīng)用前后對模塊化變電站的項目參與者帶來的改變見表1。

表1 BIM應(yīng)用于模塊化變電站后對項目參建方帶來的改變

2 BIM技術(shù)在模塊化變電站建設(shè)各階段中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計階段的應(yīng)用

模塊化變電站的設(shè)計是基于分析模塊化變電站系統(tǒng)整體功能，將變電站的總體功能分解為多個獨立的基本單元模塊，依據(jù)系列、性能、以及用途等不同的設(shè)計要求，選擇的不同的單元模塊，設(shè)計新系統(tǒng)。模塊化變電站設(shè)計主要包括建筑圍護體系、主要建筑物的建筑方案以及主要結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式這三個方面。模塊化變電站中綜合管線是設(shè)計中重點，涉及各個專業(yè)管線與配套設(shè)備的設(shè)計，以及預(yù)制墻板的設(shè)計、鋼構(gòu)件的生產(chǎn)加工，設(shè)計內(nèi)容復雜，綜合管線主要包括電氣設(shè)備及線路，給排水管道及線路，通風空調(diào)設(shè)備及管線及通信線路。變電站采用模塊化設(shè)計與裝配式預(yù)制構(gòu)件，可以節(jié)省工程開支，縮短建設(shè)工期，更好地控制工程進度，建設(shè)高質(zhì)量的模塊化變電站。

基于BIM技術(shù)的模塊化變電站的設(shè)計是根據(jù)信息模型協(xié)調(diào)各專業(yè)的設(shè)計，分析模型中存儲的信息數(shù)據(jù)，對變電站整體設(shè)計進行了優(yōu)化，及時解決模塊化變電站在建設(shè)中出現(xiàn)的不合理的問題。BIM協(xié)同設(shè)計平臺將所有專業(yè)設(shè)計模型集成為一個完整三維模型，利用BIM技術(shù)進行碰撞檢測、協(xié)調(diào)及優(yōu)化。模塊化變電站在建設(shè)中可能出現(xiàn)的電氣布線空間不足，土建預(yù)留，預(yù)埋不合理，地下水管消防、接地不合理等問題在施工之前及時優(yōu)化，避免了后期施工階段可能出現(xiàn)的返工，保證模塊化變電站的建設(shè)質(zhì)量。其次，整個變電站工程中電力設(shè)備種類多、敷設(shè)復雜、工程量大，利用BIM技術(shù)可視化的特點可以直觀地顯示模塊化變電站中電力設(shè)備、電纜設(shè)備等敷設(shè)的具體布置，預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段中可能存在的缺陷，并能準確地統(tǒng)計出所需的工程材料。BIM可視化可以形成三維實體圖，使得項目從研究規(guī)劃到設(shè)計這一階段，設(shè)計者能夠有效地形成交互并反饋, 避免了資源的浪費，提高設(shè)計效率，實現(xiàn)了模塊化變電站工程的可視化。BIM技術(shù)應(yīng)用于模塊化變電站建設(shè)的基本流程圖如圖1所示。

圖1 BIM設(shè)計的基本流程圖

2.2 生產(chǎn)階段的應(yīng)用

預(yù)制艙形式的二次設(shè)備室是模塊化變電站的重要組成部分，預(yù)制艙體形式可分為標準集裝箱、鋼結(jié)構(gòu)箱房和預(yù)制混凝土箱房，二次設(shè)備的數(shù)量和尺寸、電纜溝尺寸等因素都會影響預(yù)制艙尺寸的選擇。在模塊化變電站生產(chǎn)階段，二次設(shè)備所需的構(gòu)件均在工廠加工預(yù)制后場內(nèi)組裝調(diào)試，保證現(xiàn)場施工基礎(chǔ)與廠內(nèi)設(shè)備集成同步進行，主體基礎(chǔ)完成后進行現(xiàn)場整體組裝，各模塊之間的連接調(diào)試在現(xiàn)場完成，在項目總體目標實現(xiàn)的前提下，縮短了施工工期。工廠標準化生產(chǎn)避免了因環(huán)境變化引起構(gòu)件的加工質(zhì)量，有效地保障構(gòu)件的制作工藝和使用質(zhì)量，構(gòu)件預(yù)制的標準化流水線加工提高了構(gòu)件的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)和質(zhì)量檢驗成本。充分利用預(yù)制構(gòu)件可以有效地減少施工工序，減少原材料的使用量，降低施工管理成本，預(yù)制外殼、預(yù)制電纜槽等省去現(xiàn)場澆筑和凝固時間，為模塊化變電站建設(shè)效率提供了重要幫助。

在模塊化變電站設(shè)計階段已將模型所需的尺寸、材質(zhì)、參數(shù)等記錄在BIM信息平臺，例如，預(yù)制艙二次設(shè)備的數(shù)量和尺寸，所需電纜溝的尺寸等都可記錄在內(nèi)。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)商可從BIM平臺調(diào)取目標參數(shù)作為參考，制定合理的生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)快速規(guī)模生產(chǎn)，再把生產(chǎn)信息重新反饋到BIM平臺。施工方可以從BIM信息平臺了解所需構(gòu)件的生產(chǎn)進程，調(diào)整好施工計劃，做好施工準備。預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備構(gòu)件生產(chǎn)階段，將RFID芯片植入到預(yù)制構(gòu)件中，將每個構(gòu)件編寫編碼作為構(gòu)件的唯一標記。通過RFID技術(shù)，相關(guān)人員就能從芯片中讀取該構(gòu)件的所有信息，如構(gòu)件材質(zhì)、尺寸、類型和安裝位置等。提高工程管理效率。當設(shè)計單位與構(gòu)件商家出現(xiàn)矛盾時，設(shè)計人員可以將問題發(fā)送給商家進行反饋，在BIM平臺上，設(shè)計師和商家可以討論具體的解決方案，節(jié)省時間，提高后期模塊化變電站的施工質(zhì)量。

2.3 施工階段的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)的二維施工圖不能表現(xiàn)出變電站建設(shè)過程中的細節(jié)部分，在實際的施工過程中，往往無法指導施工中出現(xiàn)的復雜的情況，因此，容易導致施工過程中出現(xiàn)許多錯誤。利用模塊化變電站BIM模型的可視化特點，工程施工人員檢查和分析模塊化變電站的總體布置，糾正設(shè)備布置中的偏差和錯誤，實現(xiàn)變電站的空間資源最大化地利用。BIM技術(shù)建立的模塊化變電站三維可視化模型，可以對整體模型進行碰撞檢測，及時發(fā)現(xiàn)電纜溝與斷路器基礎(chǔ)之間不合理的地方，再反饋到設(shè)計方進行設(shè)計優(yōu)化。三維模型還可以對模塊化變電站內(nèi)設(shè)施的電氣安全距離進行校驗，利用BIM三維模型可視化的特點，Bentley Substation接地系統(tǒng)設(shè)計自動生成三維接地布置圖，與站內(nèi)設(shè)備電氣安全距離和其他專業(yè)進行碰撞檢查，有效地提高了設(shè)備間實時距離檢測的可靠性，為設(shè)備和引線的優(yōu)化配置提供了技術(shù)指導。

基于BIM技術(shù)的模塊化變電站建設(shè)，使得工程實施“預(yù)施工”成為可能。BIM技術(shù)可以仿真模擬分析模塊化變電站施工現(xiàn)場的裝配吊裝工作，將臨時設(shè)施、構(gòu)配件、垂直機械等布置在合理位置，設(shè)置臨時道路的最佳路線以及車輛運輸?shù)穆肪€的分配，確定出最佳的施工方案。將BIM模型導入Navisworks是創(chuàng)建的4D-BIM 系統(tǒng)，通過自動關(guān)聯(lián)形成4D-BIM可視化模型，之后根據(jù)工程實際逐步添加施工任務(wù)和進度計劃等信息，對施工進度進行實時跟蹤與監(jiān)測。BIM技術(shù)可以實現(xiàn)三維可視化技術(shù)交底，指導安裝施工，優(yōu)化現(xiàn)場物料堆放等。同時，在施工過程中，通過引入5D-BIM模型來進行過程控制，項目方案的成本可以實時模擬出來，方便后期合理利用各類資金。

2.4 運維階段的應(yīng)用

由于模塊化變電站的規(guī)模和數(shù)量不同，站內(nèi)所需配套設(shè)備復雜多樣，運維人員通過傳統(tǒng)方式所能獲取的站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)信息有限且滯后，也無法全面了解變電站內(nèi)各種設(shè)備的運行狀態(tài)，當設(shè)備出現(xiàn)潛伏性缺陷和初起故障時，不能及時解決并處理，給運維人員的工作帶來諸多不便。面對出現(xiàn)的問題，運行維護人員需要有較高的技術(shù)水平。

運維人員通過BIM技術(shù)建立的模塊化變電站可視化模型，能夠準確掌握站內(nèi)設(shè)備各種信息，實時了解變電站設(shè)備的具體情況。由于模塊化變電站內(nèi)的電力設(shè)備長期處于帶電運行狀態(tài)，從安全性考慮，當設(shè)備在運行時，對運維人員進行培訓并不現(xiàn)實?；贐IM技術(shù)的模塊化變電站的三維模型結(jié)合運行維護管理系統(tǒng)，運行維護人員通過BIM平臺快速掌握變電站各種信息，安全高效的達到對運維人員培訓的目的。同時，BIM系統(tǒng)中的相關(guān)平臺可以實時監(jiān)控建筑物內(nèi)的設(shè)備，尤其是一些高能耗的設(shè)備。當高能耗設(shè)備出現(xiàn)問題時，根據(jù)BIM平臺提供的數(shù)據(jù)信息，運維管人員精準找到高能耗設(shè)備出現(xiàn)問題的原因，并采取措施及時有效地解決問題，使設(shè)備恢復正常的運行狀態(tài)。

3 總 結(jié)

BIM技術(shù)在模塊化變電站建設(shè)中的應(yīng)用，響應(yīng)國家關(guān)于綠色生態(tài)號召，很大程度上降低了設(shè)計失誤率與生產(chǎn)消耗率，將信息數(shù)據(jù)應(yīng)用于技術(shù)上，在生產(chǎn)過程中全程追蹤指導，突破傳統(tǒng)變電站建設(shè)的落后狀態(tài)，極大程度上促進了模塊化變電站的發(fā)展。但目前我國模塊化變電站建設(shè)還是處于初步發(fā)展階段，對模塊化變電站建成的驗收與設(shè)計等各項工作還沒有形成規(guī)范的認識，因此，將應(yīng)用BIM技術(shù)應(yīng)用于模塊化變電站建設(shè)中，需要我們投入人力與物力，培養(yǎng)掌握BIM技術(shù)的新型建筑設(shè)計人員，研發(fā)配套的BIM平臺技術(shù)，解決模塊化變電站安裝技術(shù)等存在的難題，更快更好地推進模塊化變電站的建設(shè)和發(fā)展。