基于GIM模塊化變電站電纜管道敷設路徑優(yōu)化

俞辰穎，方瑜，蔡勇

摘 要：針對傳統(tǒng)二維設計存在電纜敷設交叉與線路布控不夠清晰，電纜管道敷設施工及后期運維工作難度較大的問題，本文提出一種基于GIM模塊化變電站電纜管道敷設路徑優(yōu)化設計思路，在分析GIM關鍵技術基礎上，建立GIM三維協(xié)同設計電纜模型，并在研究中以110 kV輸變電工程設計為例，提出電纜管道敷設施工反饋，對比傳統(tǒng)設計，分析出GIM三維設計的技術優(yōu)勢，得出基于GIM模塊化變電站電纜管道敷設路徑能夠實現(xiàn)直觀可視化，縮減電纜施工工期，提高經(jīng)濟效益，降低工程造價17.5%。

關鍵詞：GIM;電纜管道;敷設路徑

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0106-04

Optimization of Cable Duct Laying Path in Modular Substation Based on GIM

Yu Chenying1， Fang Yu1， Cai Yong2

（1.Zhejiang huayun electric power engineering design consulting Co.， Ltd.， Hangzhou 310014， China;2.Construction Department of Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.， Hangzhou 310007，China）

Abstract：In view of the traditional two-dimensional design， cable laying crossover and line control are not clear enough， which is difficult for cable pipeline laying construction and later operation and maintenance work， this paper proposes a design idea of GIM modular substation. On the basis of analyzing the key technologies of GIM， the GIM 3D collaborative design cable model was established， and in the study， taking the 110 kV power transmission and transformation engineering design as an example， we put forward the construction feedback of cable pipeline laying. Compared with the traditional design， the technical advantages of GIM 3D design are analyzed. It is concluded that the cable pipeline laying path based on GIM modular substation can realize the intuitive visualization， reduce the cable construction period， improve the economic efficiency， and reduce the project cost by 17.5%.

Key words：GIM; cable pipeline; laying path

0 引言

建筑信息模型（ Building Information Model，BIM）理論提出后便在國內(nèi)外建筑行業(yè)領域中廣泛應用，2019年我國就已經(jīng)全面進入三維變電站設計階段。在電網(wǎng)信息模型（GIM）技術推動作用下，達到建筑全生命周期推行工程項目管理滿足數(shù)據(jù)共享。同步進展的還有我國的變電站設計，如今已經(jīng)達到模塊化建設中，模塊化設計可以對占地面積有效縮減，極大程度提升了施工便利性。通過大規(guī)模建設模塊化變電站工程，不僅能夠減少施工占地面積，縮減工程周期提升工程工作效率與便捷性等優(yōu)點，還可以減少施工現(xiàn)場的濕作業(yè)量，多數(shù)都取消了電纜層，極大程度減少了電氣設計工作人員的工作量[1-2]。電纜敷設通常運用二維設計，由于龐大的電纜數(shù)量，經(jīng)手動排查易產(chǎn)生錯誤，人為增加工作量，還影響了工期;還要統(tǒng)計豎井、用電設備、電纜橋架、電氣盤柜、材料等[3]。在有限的施工圖紙空間，無法精準定位設備所在位置，理論上雖然可以完成電纜分層敷設設計，但是對于電纜與埋管長度計算上存在誤差，無法實現(xiàn)電纜在通道中的單層敷設。本文提出了運用GIM技術在模塊化變電站電纜管道敷設路徑優(yōu)化設計思路，結合實例對比分析傳統(tǒng)設計方式，得出GIM三維設計技術的特點，以供變電站設計中電纜敷設提供參考。

1 關鍵技術概述

想要建立城市空間規(guī)劃支持系統(tǒng)，并將GIM/RS技術引入其中，就需要認識到設計本系統(tǒng)所需的關鍵技術。

1.1 GIM技術

通過在本研究中將GIM技術和虛擬現(xiàn)實技術（VR）相結合，參照《關于印發(fā)推進智能變電站模塊化建設工作要點的通知》相關規(guī)定[4]，建設包含5大功能塊的新型變電站建設模式，形成縮減工程周期，降低工程造價，減少不必要的土地工程用量等，作為未來模塊化變電站的發(fā)展所趨。運用GIM技術三維建模較傳統(tǒng)工程三維設計，可以降低建筑物的工程模型難度，可以更直觀、清晰的體驗工程項目模型[5]?？梢詫崿F(xiàn)參數(shù)化設計完成自動更新，經(jīng)模型自動化生成設備明細表以及有關圖紙資料，極大推進了數(shù)字化設計技術廣泛運用，更優(yōu)化了工程設計成果，由傳統(tǒng)二維設計過渡至三維設計，圖紙設計過渡至數(shù)字化設計。運用GIM技術擁有協(xié)同設計、直觀以及信息共享多種技術特點等，經(jīng)多人、多專業(yè)同時設計一個GIM模型，確保了最終電纜管道敷設路徑設計的安全性和合理性。

1.2 RS技術

RS遙感技術（Remote Sensing，RS）作為基于航空攝影技術基礎之上，歷經(jīng)社會發(fā)展技術創(chuàng)新，所逐漸廣泛應用于水文、資源、環(huán)境、地質、氣象多領域的新型技術。具有通過非接觸式運用傳感器、物體電磁波各類具備的輻射、反射特點。遙感指的是遙感類電磁波敏感儀器，其能夠在與目標非接觸基礎條件下，對目標進行遙感探測。

綜上，本文設計應用的關鍵技術，運用了可以支持GIM標準軟件的STDR軟件平臺、Bentley軟件以及金曲軟件平臺，完成本次電纜管道敷設設計[6]。Revit系列軟件的學習過程比較簡單，擁有強大數(shù)據(jù)庫，可以在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫內(nèi)建立所有二維、三維視圖，并且融合所有數(shù)據(jù)達到較高的參數(shù)程度，滿足電氣設計的專業(yè)特點。

2 線路規(guī)劃空間建模

2.1 模塊化劃分線路空間

由于輸電線路中擁有多種構件，其形狀大小也不同，導致空間布線不夠規(guī)范，所以應當完成布線空間的三維路線規(guī)劃建模。通過對線路規(guī)劃空間進行網(wǎng)格化處理，抽象理解三維空間作為涵蓋幾何模型空間位置信息的關鍵節(jié)點，這樣即可描述線路規(guī)劃路徑的可能途徑空間節(jié)點。為了對能提出該算法的應用計算效率有效提升，需要首先模塊化劃分布線空間，柵格化劃分特定空間區(qū)域，而非格柵劃分整個空間。

通過劃分路線規(guī)劃空間的若干子空間并集，用表示，路線規(guī)劃的全部空間用A表示，劃分為以下子空間，如圖1所示。在Ai作為線路規(guī)劃中的固定布線路徑，這時的輸電線路經(jīng)該區(qū)域即會形成直接連通性，可以在搜索規(guī)劃路徑中自動化成功跳過這一區(qū)域。如圖1所示的A2作為連接組件，在輸電線路經(jīng)該結構組件過程中，可以視該路徑為T1、T2兩端的直接相連，那么對于S1、S2路線規(guī)劃進行求解過程中，就不需要計算該段的時間，這樣就可以有效提高整個路徑規(guī)劃效率，簡化規(guī)劃過程并柵格化求解空間，有效解決整個算法空間[7]。

2.2 路徑規(guī)劃空間建模

通過應用以往文獻研究成果中的分網(wǎng)格法，運用于本次路徑規(guī)劃空間的模塊化劃分中。首先抽象獲得產(chǎn)品結構中的三維空間模型，在左頂點即三維空間A點原坐標點，建立A的三維坐標系公式：A-xyz。該坐標系內(nèi)形成頂點為A，x軸方向取三維模型的AB最大長度，y軸方向取三維模型AD的最大長度，這樣也就形成了ABCD —ABCD這樣的含有三維路徑規(guī)劃結構模型的立方區(qū)域（如圖2所示）。為了獲取抽象化的輸電線路路徑規(guī)劃環(huán)境模型，需要等分操作該立方空間區(qū)域，根據(jù)AB邊劃分為n等份，可以獲得平面共計n+1個，表示為，之后劃分這共計n+1個的平面獲得m等份，根據(jù)AA邊劃分為1等份，獲得如圖3所示的路徑規(guī)劃平面圖。

根據(jù)以往工程設計經(jīng)驗，設計本次GIM模塊電纜管道敷設三維模型流程如圖4所示。

（1）在構建模型中，電纜建模應當以電壓、截面電纜相關參數(shù)為依據(jù)，構建電纜模型數(shù)據(jù)庫，方便在敷設電纜工程中可以隨時選取。在建構含有電纜支架的電纜溝模型中，建設電纜溝模型作為重難點，應當根據(jù)相關參數(shù)設計電纜溝通道，包括三通、四通、拐角等各模型節(jié)點。之后擴充全部電纜支架至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，經(jīng)設計層架敷設電纜類別，根據(jù)敷設電纜的具體規(guī)則確?？梢苑嫌嘘P規(guī)定標準，確保敷設路徑設計與實際效果相符。對于埋管模型建構過程中，可以經(jīng)軟件成功識別排管路徑，后依照排管內(nèi)部所敷設的電纜管道，根據(jù)不同的外徑、電壓、容積率自動敷設管道，也可以根據(jù)具體細節(jié)手動調(diào)整管道布控結果[8]。

（2）對電纜管道布設過程中，可以根據(jù)管道布設的有關電纜模型信息，自動查找平面圖內(nèi)部的電纜敷設路徑，根據(jù)原本的敷設電纜規(guī)定原則優(yōu)化設計，在斷網(wǎng)后對是否存在電纜設備的接線實物情況進行檢查，這樣能夠通過GIM建模有效提高電纜布設工作效率。同時也能夠對于實際敷設電纜后，經(jīng)有關層次、橋架與節(jié)點，根據(jù)不同的地區(qū)情況手動調(diào)整特殊的電纜敷設方式與路徑。

（3）三維碰撞檢查與二維電纜設計不同，目的就是能夠有效避免電纜管道敷設后期是否會發(fā)生交叉碰撞、碰撞橋架建筑物等問題，從而保證能夠順利完成電纜施工。這樣還能夠運用GIM三維建模檢查電纜布設內(nèi)容，包括埋管、橋架和建筑梁板柱是否存在碰撞問題。

（4）在完成上述模型構建步驟流程后，統(tǒng)計相關材料包括三維設計電纜長度、施工裕量、橋架的長度以及保護管長度、橋架接頭與立柱等。與傳統(tǒng)的統(tǒng)計表格有不同，其能夠依照實際的工作需求完成電纜表定制，呈現(xiàn)直觀的圖紙方式，為材料采購與施工提供極大便利。

（5）如圖5所示的GIM三維模型成果，它能夠應用于對比所生成效果圖的方案預覽，也能夠直接作用于三維圖像、視頻瀏覽制作，最終生成電纜自動敷設溝/橋剖面設計圖。

3 工程實例

3.1 工程簡介

在110 kV模塊化變電站管道敷設路徑優(yōu)化設計中運用GIM技術，均為半戶布設在室外布置主變壓器，其余電氣設備均在室內(nèi)布置。其中在配電裝置樓內(nèi)布設10 kV配電裝置室、10 kV電容器室、110 kV GIS室以及二次設備室，運用了電纜溝敷設110 kV GIS電纜進出。因為該方案設計將電纜層取消，所以電纜出線走廊仍然運用傳統(tǒng)二維設計，能夠發(fā)現(xiàn)該電纜的出線比較密集，緊張的廊道給工程設計施工人員帶來極大挑戰(zhàn)。

3.2 應用軟件

本次設計選用Revit三維軟件，完成輸變電工程電纜敷設三維模型設計，自兩年前開工，一年前投產(chǎn)后電纜敷設設備進場，整個工期共16 d。在運用GIM三維建模設計后，不改變電纜敷設前提下縮減整個施工工期為5 d。

3.3 應用特點

根據(jù)本次通過GIM三維模型模塊化設計變電站電纜管道敷設的設計工程實例，在工程設計以及施工反饋中，具有以下3個特點：

（1）本次工程設計運用GIM三維建模直觀可視化，在傳統(tǒng)二維設計中往往需要借助三維視圖、剖面圖等抽象理解電纜的實際布設等;三維設計能夠準確迅速的建立三維模型，對各電力設備之間的空間位置關系形成更直觀的理解，可以有效解決傳統(tǒng)二維設計中設計主體存在的平面設計思維盲區(qū)，以便更加及時直觀的對各設備碰撞問題及時發(fā)現(xiàn)。并且在整個GIM三維模型設計過程中，可以為施工者、工程業(yè)主以及后期施工維護人員提供更加直觀的布設方案，縮減工程施工周期，方便滿足業(yè)主的工程修改需求，也有助于后期運維。

（2）依照該工程有關設計人員的反饋工作，通過運用三維軟件在完成數(shù)據(jù)庫模塊化設計中，能夠讓整體設計更加方便快捷。尤其在布設一次性設備時只要對模型作出修改，就可以將電纜管道敷設平面圖重新生成，運用GIM三維建模可以達到較快的出圖時間，減小后期敷設修改工作量，根據(jù)工程反饋達到設計時間縮減1人/d，較以往工程實踐縮減工期33.3%，提高了整個工程的效率。

（3）本次工程的道路敷設路徑優(yōu)化設計中，由于電纜敷設需要考慮復雜材料，較大設備尺寸與前期施工影響因素，所以二維設計往往無法實現(xiàn)布設走向精準，為了避免后期工程變更還提前在設計階段增加材料，導致增加了不必要的工程造價。本次工程設計采用GIM三維設計，可以降低17.2%工程造價。

4 結語

本研究提出基于GIM三維建模的模塊化變電站電纜管道敷設路徑優(yōu)化思路，結合工程實例在提前對GIM技術三維建模流程分析前提下，發(fā)現(xiàn)對比傳統(tǒng)設計分析GIM三維設計的技術特點，得出了基于GIM模塊化變電站電纜管道敷設路徑能夠實現(xiàn)直觀可視化，縮減電纜施工工期，提高經(jīng)濟效益，降低工程造價17.5%。

參考文獻

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