基于BIM+智慧變電站基建管理系統(tǒng)研究

弓國(guó)軍 符國(guó)暉 周亞敏

摘要：隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展，電力企業(yè)積極開(kāi)展數(shù)字化基建工作，推進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)的二維圖紙存在形象性差等缺點(diǎn)，本文采用傾斜攝影和激光點(diǎn)云技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合的方法建立BIM模型，并對(duì)模型進(jìn)行了輕量化處理;利用物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)把設(shè)計(jì)、施工階段的BIM模型與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，搭建了BIM+智慧變電站基建管理系統(tǒng)平臺(tái)。本文對(duì)智慧變電站基建管理系統(tǒng)的研究將促進(jìn)電力工程建設(shè)管理向三維化、可視化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，有效提升企業(yè)的科學(xué)決策能力和管理水平。

關(guān)鍵詞：BIM;智慧變電站;基建管理;模型建模

隨著電力能源行業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)將成為核心基礎(chǔ)設(shè)施，智能互聯(lián)傳感器能夠根據(jù)需要收集、處理和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，新一代電力系統(tǒng)、智能電網(wǎng)控制及運(yùn)行等能源技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，能源企業(yè)通過(guò)對(duì)豐富數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，進(jìn)而提供能源設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能家居、消費(fèi)分析等服務(wù)[1]。數(shù)字技術(shù)是第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為未來(lái)能源及電力企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略。

近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)力度的加快及發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，電力企業(yè)加快部署數(shù)字化建設(shè)和轉(zhuǎn)型工作，積極開(kāi)展電力工程基建的數(shù)字化工作。利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)及可視化技術(shù)手段，對(duì)電網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)、施工等資料進(jìn)行三維數(shù)字化統(tǒng)一集中管理，打造三維數(shù)字化電網(wǎng)，推動(dòng)基建工作三維標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)基建的管理創(chuàng)新[2]。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建電網(wǎng)工程三維數(shù)字化應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)核心資源集中管理、統(tǒng)一調(diào)控、優(yōu)化配置、合理布局，促進(jìn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)與共享，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化模擬與智能決策。

建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM），是在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)與管理全生命周期內(nèi)，面向多參與方協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)共享、信息集成管理與利用的虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)三維數(shù)字技術(shù)模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，提供相互協(xié)調(diào)、內(nèi)部一致的信息模型[3]。隨著B(niǎo)IM技術(shù)在在輸變電工程中的應(yīng)用逐步深入，從以設(shè)計(jì)階段應(yīng)用為主，向規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行檢修階段全面應(yīng)用擴(kuò)展，提升了工程精細(xì)化管理能力與整體管理績(jī)效[4]?？梢暬f(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性，以及一體化性、參數(shù)化性、信息完備性是BIM技術(shù)最主要的特點(diǎn)，由于整個(gè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程就是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程，如果合理的應(yīng)用BIM技術(shù)，整個(gè)管理周期內(nèi)項(xiàng)目會(huì)等到更好的優(yōu)化、更好運(yùn)營(yíng)效果[5-6]。BIM模型所包含的工程數(shù)據(jù)在其整個(gè)建筑生命周期中的各個(gè)時(shí)期都可以進(jìn)行整改，以達(dá)到設(shè)計(jì)周期縮短、設(shè)計(jì)施工成本減少、返工減少的作用[7]。

本文在某110kV變電站基建工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，開(kāi)展BIM技術(shù)的研究與創(chuàng)新應(yīng)用，打造具有數(shù)字化特色的智慧變電站基建管理系統(tǒng)。首先介紹了BIM技術(shù)在工程建設(shè)階段的應(yīng)用，然后提出了智慧變電站基建管理系統(tǒng)建設(shè)思路，最后介紹了本文的BIM模型建模方法，展示了BIM+智慧變電站基建管理平臺(tái)的部分功能。利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一工程信息模型進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)和施工，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目協(xié)同管理，減少錯(cuò)漏碰、避免返工、節(jié)約成本、提高效益和質(zhì)量，并為變電站未來(lái)智能化運(yùn)維、檢修，提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 ?BIM技術(shù)在工程建設(shè)階段的應(yīng)用

BIM系統(tǒng)采用三維建模技術(shù)構(gòu)建項(xiàng)目立體模型，對(duì)建筑物外立面進(jìn)行高質(zhì)量渲染并制作動(dòng)態(tài)特效，對(duì)建筑物內(nèi)部通過(guò)仿真的紋理、光效進(jìn)行渲染，給人以真實(shí)感和直接視覺(jué)沖擊，并通過(guò)數(shù)據(jù)集成與智能終端，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的無(wú)縫銜接與聯(lián)動(dòng)。

（1）項(xiàng)目規(guī)劃決策階段

BIM技術(shù)對(duì)于建設(shè)項(xiàng)目在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行性論證提供幫助，提高論證結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在項(xiàng)目規(guī)劃階段，業(yè)主需要確定出建設(shè)項(xiàng)目方案的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性和是否滿足類型、質(zhì)量、功能等要求。規(guī)劃階段主要用于現(xiàn)狀建模、成本預(yù)算、階段規(guī)劃、場(chǎng)地分析、空間規(guī)劃等，BIM技術(shù)可以為廣大業(yè)主提供概要模型，針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目方案進(jìn)行分析、模擬，從而為整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)降低成本、縮短工期并提高質(zhì)量。

（2）項(xiàng)目實(shí)施階段

基于傳統(tǒng)工程管理下的施工計(jì)劃、施工質(zhì)量和施工安全管理，主要由于工程與圖紙之間不存在協(xié)同關(guān)聯(lián)、施工原材料質(zhì)量檢驗(yàn)單一、施工過(guò)程質(zhì)量控制不到位和施工場(chǎng)地安全隱患控制工作不充足、施工人員安全意識(shí)不足，導(dǎo)致施工方面的施工進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整、施工質(zhì)量不合格和安全事故發(fā)生頻繁。而B(niǎo)IM技術(shù)的核心就是把信息化結(jié)合到工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，使BIM模型與設(shè)計(jì)、施工管理之間存在協(xié)同關(guān)系，提高工程項(xiàng)目管理水平，在很大程度上使項(xiàng)目施工管理有了可觀的改變。

（3）項(xiàng)目使用運(yùn)維階段

在BIM參數(shù)模型中，項(xiàng)目施工階段做出的修改將全部實(shí)時(shí)更新并形成最終BIM竣工模型，該竣工模型將作為各種設(shè)備管理的數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)的維護(hù)提供依據(jù)。建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)施（如墻、樓板、屋頂?shù)龋┖驮O(shè)備設(shè)施（如設(shè)備、管道等）在建筑物使用壽命期間，都需要不斷得到維護(hù)。BIM模型則恰恰可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)記錄和空間定位的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)合運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理系統(tǒng)，制定合理的維護(hù)計(jì)劃，依次分配專人做專項(xiàng)維護(hù)工作，從而使建筑物在使用過(guò)程中出現(xiàn)突發(fā)狀況的概率大為降低。

2 ?BIM+智慧變電站基建管理系統(tǒng)建設(shè)思路

在開(kāi)發(fā)BIM技術(shù)之前，整個(gè)項(xiàng)目生命周期涉及到的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)管理，只能通過(guò)2D圖紙說(shuō)明來(lái)進(jìn)行，并且對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)管理的實(shí)際幫助還非常有限。原因在于2D圖紙不具備聯(lián)動(dòng)性，對(duì)其管理、保存以及閱讀都有一定的限制，而近年來(lái)BIM技術(shù)的發(fā)展，使包含建筑信息的三維BIM模型，在與施工進(jìn)度計(jì)劃結(jié)合后，形成了可以對(duì)施工進(jìn)度控制的4D模型，甚至可以與成本單價(jià)單個(gè)結(jié)合形成5D模型對(duì)項(xiàng)目成本管控，還可以通過(guò)專用BIM軟件制作4D施工模擬動(dòng)漫，有利于提高工程施工的前瞻性。在BIM技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)題主要有：（1）業(yè)主、監(jiān)理、施工單位沒(méi)有平臺(tái)對(duì)三維設(shè)計(jì)成果進(jìn)行可視化瀏覽;（2）二維圖紙形象性差，缺少三維可視化評(píng)審輔助工具;（3）三維模型資產(chǎn)未能與業(yè)務(wù)深度融合，無(wú)法促進(jìn)管理的轉(zhuǎn)型與提升等。

由此可見(jiàn)，建設(shè)統(tǒng)一的變電站基建工程三維數(shù)字化管控系統(tǒng)勢(shì)在必行，通過(guò)三維數(shù)字化系統(tǒng)，打通設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目管理全生命周期，以三維模型為載體，提高工程建設(shè)的集成化程度，實(shí)現(xiàn)信息共享和無(wú)損傳遞，提高工程建設(shè)的質(zhì)量和效率，促進(jìn)工程建設(shè)行業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，為智慧化、數(shù)字化基建的轉(zhuǎn)型提供支撐。

基于BIM技術(shù)為一體的施工管理平臺(tái)建設(shè)是一個(gè)“研發(fā)、應(yīng)用、優(yōu)化、深層探索”的過(guò)程，能夠協(xié)調(diào)管理建設(shè)工程全生命周期中各參與方的工作。本文BIM+智慧變電站基建管理系統(tǒng)建設(shè)思路，以基建全過(guò)程管理為主軸，以六大管理為核心，以三維模型為載體，將三維模型與業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，打造進(jìn)度可視、過(guò)程透明、管理智能的可視化基建管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)縫共享和全過(guò)程可視化三維管控，促進(jìn)工程建設(shè)管理向三維化、可視化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提高設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維乃至整個(gè)工程生命期的質(zhì)量和效率，提升科學(xué)決策和管理水平，如圖1所示。

3 ?基于BIM+智慧變電站基建管理平臺(tái)

采用“平臺(tái)+終端”打造BIM+智慧變電站基建管理平臺(tái)，通過(guò)靈活接入與統(tǒng)一集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)基建的數(shù)據(jù)化管控。其次，結(jié)合移動(dòng)應(yīng)用，對(duì)變電站基建項(xiàng)目管理進(jìn)行全面覆蓋，平臺(tái)架構(gòu)，如圖2所示。

3.1BIM模型建模

BIM模型作為智慧變電站基建管理系統(tǒng)建設(shè)的載體，貫穿整個(gè)基建項(xiàng)目的全過(guò)程，因此模型的建模尤為重要。本文將三維建模軟件的人工模型與采用傾斜攝影、激光點(diǎn)云技術(shù)的三維模型相結(jié)合，構(gòu)建更加真實(shí)、便捷的BIM模型。此外，本文還對(duì)BIM模型進(jìn)行了輕量化轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。

3.1.1 ?傾斜攝影

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)改變了以往航測(cè)遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界[8]，如圖3所示。采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維建模具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）真實(shí)性。傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)的反映地物的實(shí)際情況，極大的彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。

（2）低成本。采用人工建模方式一兩年才能完成的一個(gè)中小城市建模工作，通過(guò)傾斜攝影建模方式只需要三至五個(gè)月時(shí)間即可完成。

（3）數(shù)據(jù)量小。傾斜攝影技術(shù)獲取的影像的數(shù)據(jù)量小，其影像的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。

BIM技術(shù)和傾斜攝影模型可以很好地結(jié)合，通過(guò)統(tǒng)一的地理空間坐標(biāo)，兩者可以實(shí)現(xiàn)疊加瀏覽、相互補(bǔ)充。在宏觀視角，通過(guò)傾斜攝影快速獲取變電站的整體走向和分布;在微觀視角，可以借助BIM了解變電站的幾何細(xì)節(jié)、查詢屬性，并通過(guò)傾斜攝影模型獲取周邊環(huán)境信息。

3.1.2 ?激光點(diǎn)云

激光點(diǎn)云技術(shù)是利用三維激光掃描建筑物形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型，如圖4所示。三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)[9]。相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破。三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、面測(cè)量和非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的測(cè)量問(wèn)題。

在施工過(guò)程中BIM模型是至關(guān)重要的，采用三維掃描技術(shù)作為有效連接BIM模型和工程現(xiàn)場(chǎng)的紐帶。三維激光掃描通過(guò)高精度點(diǎn)云可以迅速高精度復(fù)制施工現(xiàn)場(chǎng)，在不影響施工前提下，將施工過(guò)程數(shù)據(jù)完整保留，從而有效地、完整地記錄下工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的情況。

3.1.3 ?模型輕量化

基于桌面的三維模型大多數(shù)采用單文件或幾個(gè)文件來(lái)存儲(chǔ)模型信息，而單個(gè)大文件不利于網(wǎng)絡(luò)端傳輸。一方面，大的文件傳輸需要更多的等待時(shí)間，另一方面，用戶需等待模型下載完成后才能解析顯示。因此，需對(duì)模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把原始的模型文件轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸和輕量化顯示的文件格式。設(shè)計(jì)三維模型輕量化流程如下：

（1）構(gòu)建模型流。與在線視頻播放一樣，用戶不需要下載和緩存完整的視頻才能觀看，只要點(diǎn)擊播放后邊下載邊緩存邊播放。下載過(guò)程，用戶不需要等待，可以進(jìn)行其他操作。

（2）幾何唯一性表達(dá)。在模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中，把具有相同形狀的幾何對(duì)象進(jìn)行唯一性表達(dá)。使用相似體的識(shí)別算法可以大大減少幾何體的數(shù)量，減少模型的大小。

（3）數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)壓縮可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，尤其對(duì)于json和幾何數(shù)據(jù)，算法可以達(dá)到幾倍的壓縮率。

（4）模型封裝。將BIM模型的展示、操作（比如放大、縮小、刨切、點(diǎn)選構(gòu)件、透明、著色、測(cè)量、漫游等）、BIM數(shù)據(jù)提取等功能以API的形式進(jìn)行封裝。

3.2BIM+智慧變電站基建管理平臺(tái)

平臺(tái)的功能主要包括技術(shù)監(jiān)控、造價(jià)監(jiān)控、基建采購(gòu)監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)控、安全監(jiān)控、進(jìn)度監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)字化資料管理等，通過(guò)這些功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前項(xiàng)目的造價(jià)、進(jìn)度等信息進(jìn)行360°全景監(jiān)控，可以更加直觀地了解項(xiàng)目的進(jìn)展情況。下面主要對(duì)技術(shù)監(jiān)控和造價(jià)監(jiān)控為例對(duì)平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)要地介紹。

3.2.1 ?技術(shù)監(jiān)控

技術(shù)監(jiān)控主要包括設(shè)計(jì)成果展示、模型版本管理、設(shè)計(jì)輔助評(píng)審、評(píng)審問(wèn)題跟蹤和設(shè)計(jì)變更。其中的設(shè)計(jì)成果展示主要功能如圖5所示，包括：（1）分專業(yè)展示，可從設(shè)計(jì)的角度，對(duì)三維模型進(jìn)行分專業(yè)瀏覽，主要包括電氣、土建兩大專業(yè)。（2）設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)管理，將臺(tái)賬樹(shù)中主要設(shè)備與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)點(diǎn)擊臺(tái)賬樹(shù)中的設(shè)備可快速進(jìn)行三維設(shè)備模型的定位。（3）三維模型屬性查閱，點(diǎn)擊主要設(shè)備模型可鉆取設(shè)備的屬性信息，主要包括設(shè)備型號(hào)、額定電壓、出廠廠家等。（4）二維設(shè)計(jì)圖紙管理，將電氣一次、電氣二次、土建等部分的二維設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行系統(tǒng)固化，并將二維設(shè)計(jì)圖紙與三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊可進(jìn)行二維圖紙與三維模型的靈活切換。（5）BIM模型空間漫游，使用者可身歷其境般的進(jìn)行實(shí)景漫游，使用鍵盤上控制鍵或者鼠標(biāo)可進(jìn)行前后左右的自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零距離查看變電站基建工程中的各種細(xì)節(jié)。

3.2.2 ?造價(jià)監(jiān)控

造價(jià)監(jiān)控包括概算監(jiān)控、資金計(jì)劃監(jiān)控和費(fèi)用變更監(jiān)控。概算監(jiān)控給出了總概算視圖及四大科目的費(fèi)用分布，將概算、清冊(cè)與主要模型關(guān)聯(lián)，并對(duì)相關(guān)主要設(shè)備的費(fèi)用進(jìn)行可視展示，如圖6所示;資金計(jì)劃監(jiān)控通過(guò)圖形化方式，對(duì)所有合同的數(shù)量、總金額、結(jié)算情況、結(jié)算金額進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)擊可鉆取相關(guān)合同清單;費(fèi)用變更監(jiān)控結(jié)合概預(yù)算，根據(jù)設(shè)計(jì)變更單與費(fèi)用變更單，對(duì)項(xiàng)目的費(fèi)用變更情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建鮮活、三維可視的費(fèi)用變更視圖。

4 ?結(jié)論

本文采用傾斜攝影和激光點(diǎn)云技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合的方法建立BIM模型，并對(duì)模型進(jìn)行了輕量化處理;利用物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)把設(shè)計(jì)、施工階段的BIM模型與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，搭建了BIM+智慧變電站基建管理系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)以BIM模型為載體，集項(xiàng)目所有的幾何、物理、功能和性能信息與一體，并貫穿設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程，管理者可用通過(guò)可視化監(jiān)控，降低運(yùn)營(yíng)管理成本，規(guī)避工程延期風(fēng)險(xiǎn)。從而提升企業(yè)的精細(xì)化管理水平，為電力工程基建管理的數(shù)字化發(fā)展提供支持。

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