基于BRCM軟件的水電站廠房電纜敷設技術研究及應用

胡 婷，唐海濤，馬 滄，楊禮國

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來以及各行各業(yè)對工程數(shù)字化管理體系的認同，建筑信息模型（BIM）技術廣泛應用于工程設計與管理，設計手段與管理理念發(fā)生全新轉變。隨著數(shù)字化三維電廠設計理念的不斷深化，三維設計在各專業(yè)中得到廣泛應用。電纜是電廠中非常重要的組成部分，像電廠的血管和神經(jīng)一樣遍布全廠各個角落。電纜敷設是電氣設計中最復雜且繁瑣的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)二維設計模式下，電纜敷設工作量巨大且耗時長，主要精力消耗在重復性工作上。三維協(xié)同設計是工程設計行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，Bentley Raceway and Cable Management（簡稱為BRCM）電纜敷設軟件提供了完整的解決方案，可實現(xiàn)三維協(xié)同設計和電纜的智能敷設。

1 設計流程

BRCM軟件提供了從三維建模到二維出圖的整個全過程解決方案，其一體化設計流程如圖1所示。流程以工程數(shù)據(jù)庫為核心，存儲電纜通道路徑信息、起終點設備位置及編碼信息，結合電纜清冊，依據(jù)設定的電纜敷設規(guī)則進行大量成批電纜的自動敷設。敷設完成后，基于數(shù)據(jù)庫提取所需的各類圖紙和報表。整個過程實現(xiàn)了設計的高效率和成果的精細化。

圖1 電纜敷設流程Fig.1 Process of cable laying

1.1 通道設計

設計電纜通道時，考慮工程條件、環(huán)境特點、數(shù)量技術等因素，選取不同敷設方式，一般來說電廠常用敷設通道有橋架、電纜溝、明管、暗管和豎井。BRCM軟件分別有不同模塊來實現(xiàn)相應功能。BRCM軟件包含槽式、梯架式和托盤式三種橋架類型和多種配件，根據(jù)施工圖要求定制橋架樣式和尺寸，并添加蓋板。模型創(chuàng)建方便快捷，還可與其他專業(yè)模型進行碰撞檢查。

軟件強大建模功能具備以下優(yōu)勢：參數(shù)化繪制多層橋架，自動處理接頭、三通及四通等連接件；采用二三維一體化設計理念，平面繪制時直接觀看三維效果；分層布置橋架，設定各層橋架敷設類型；設定橋架編碼規(guī)則，自動批量編碼；給橋架添加自定義屬性，輸出在報表中[1]。

1.2 設備布置

BRCM軟件參數(shù)化設備布置模塊功能強大，可滿足廠房電氣設備布置設計?？蓜?chuàng)建參數(shù)化設備及非參數(shù)化設備，給設備添加自定義屬性，輸出在報表中。布置盤柜等設備時可即時修改尺寸參數(shù)，定義插入點及接線點信息。支吊架布置模塊可以參數(shù)化布置支吊架，沿橋架中心線批量布置，如果選中多層多列橋架，軟件可以靈活實現(xiàn)矩陣布置。軟件分類統(tǒng)計各類設備，實現(xiàn)從三維建模到工程量計算的全過程設計。

1.3 規(guī)則設定

軟件內置多種敷設規(guī)則，包括電壓匹配、容積率限制、重量分析以及最短路徑原則。針對電壓匹配，布置橋架時設置其承載的電纜電壓等級（動力、控制、弱電），敷設時按照電壓等級進行自動匹配；針對容積率，可批量設定橋架允許的容積率，敷設時如果其承載電纜數(shù)量過多，超過容積率的限定，軟件會自動查找其他路徑；針對重量分析，可批量設定橋架允許的承重值（kg/m），敷設時如果超過容許值，軟件會自動查找其他路徑；最短路徑為軟件最底層的敷設規(guī)則，滿足上述規(guī)則前提下，依據(jù)查找算法計算每根電纜的最短走線路徑，計算電纜長度及其所經(jīng)過的橋架節(jié)點編號。通過以上幾種敷設規(guī)則，軟件自動進行大批量電纜的優(yōu)化敷設，精確統(tǒng)計電纜長度，從根本上杜絕人為失誤，保證設計質量、提高設計效率。

1.4 二維出圖

電纜敷設成果保存于數(shù)據(jù)庫中，基于工程數(shù)據(jù)庫，軟件可快速生成各類出圖報表。利用報表生成器快速生成報表，包括電纜信息及設備橋架信息；報表模板樣式可定制，設備及橋架添加的自定義屬性可以輸出在報表中；報表也可導出為不同格式文件。

電纜敷設后的橋架模型附加承載了各類敷設信息，包括橋架內所敷設電纜以及橋架容積率占用情況，通過動態(tài)剖切橋架截面，以表格形式標注在圖紙上，如圖2所示。另外，軟件提供標注工具，用以標注橋架層高、橋架編碼等各類信息，標注信息多樣化，可以滿足多種需求[2]。

圖2 橋架剖切信息展示Fig.2 Display of raceway section information

2 工程應用

為驗證BRCM軟件敷設結果的精準化程度、體現(xiàn)其設計優(yōu)勢，利用其重新模擬敷設已建成的仙游抽水蓄能電站兩個機組多達2 000多根的電纜，通過與傳統(tǒng)敷設方式對比，評估其高效性和是否節(jié)省電纜數(shù)量。圖3為仙游水電站電氣設備布置圖。采用了Bentley公司三維設計平臺基于ProjectWise實現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同設計。利用BRCM軟件模擬該項目三維電纜敷設前，需要搜集敷設所需的三大類數(shù)據(jù)，即電纜通道、設備位置及編碼以及電纜清冊信息。

圖3 仙游水電站電氣設備布置圖Fig.3 Electrical equipment layout of Xianyou pumped storage power station

針對設備位置及編碼信息，清冊中設備不僅包括電氣本專業(yè)設備，還包括水機暖通等其他專業(yè)的用電設備。由于各專業(yè)使用的專業(yè)軟件不同（如水機暖通專業(yè)使用Bentley公司ABD軟件），因此涉及到專業(yè)軟件間數(shù)據(jù)傳遞與共享的問題。項目設計時，各專業(yè)統(tǒng)一采用編碼系統(tǒng)軟件，以編碼為核心，進行整個項目設備管理，編碼的編制和分配符合相關標準規(guī)范。Bentley平臺下各個專業(yè)軟件都與編碼服務器集成，在專業(yè)軟件中布置設備時統(tǒng)一編制編碼，并保證編碼的合法性與合理性。BRCM軟件是以編碼為紐帶，共享其他軟件的數(shù)據(jù)，包括電氣專業(yè)在Substation軟件中布置的設備信息、其他用電專業(yè)在OpenPlant和ABD軟件中布置的設備信息等，最終導入BRCM軟件，匹配電纜清冊中起終點設備，參與電纜敷設。

為保證敷設結果真正具備指導施工的作用，需靈活采用不同方式進行敷設。面對大批量電纜，需要多種方式結合進行敷設設計，包括：分批敷設結合單根敷設的方式，即局部調整部分敷設失敗的電纜直至成功；自動敷設加上強制走線，如工作電纜和應急電纜不能敷設在同一區(qū)域橋架上，需強制指定應急電纜路由；根據(jù)實際項目考慮現(xiàn)場施工情況，如分系統(tǒng)或按照區(qū)域敷設等。只有綜合考慮以上幾種方式，敷設結果才能真正指導施工，實現(xiàn)設計施工一體化。按照上述方式敷設仙游抽水蓄能電站兩個機組共2 062根電纜，2 062根電纜全部敷設成功，用時8.5 min，如圖4所示。

圖4 電纜敷設成果Fig.4 Result of cable routing

相比于傳統(tǒng)二維設計方法，利用該軟件進行電纜敷設，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三方面：（1）三維設備橋架模型更加直觀，可高亮查看每一根電纜的敷設路由，敷設結果清晰可見；（2）實現(xiàn)了設計的高效率和設計成果的精細化，人工敷設需要對每個區(qū)域橋架節(jié)點手工編號，并計算其路徑，工作量大且難以避免人工計算造成的疏漏；（3）節(jié)約造價，精確統(tǒng)計電纜長度，圖5為敷設后軟件統(tǒng)計的各類型電纜長度，在考慮施工余量的前提下，可節(jié)省電纜長度約10%。

圖5 電纜長度統(tǒng)計Fig.5 Statistics of cable length

3 路徑搜索算法驗證

仙游抽水蓄能電站的應用案例驗證了三維電纜敷設的高效性和精準性。下面運用路徑搜索算法初步驗證每一根電纜路由選擇的合理性，即在設定規(guī)則前提下，遵從最短路徑原則，選擇最合適的敷設路徑。計算機輔助電纜敷設軟件究其根本就是在為每一根電纜尋找搜索最優(yōu)敷設路徑，路徑搜索算法可實現(xiàn)該功能。路徑搜索算法中的A*算法在計算速度與規(guī)模上具備一定優(yōu)勢，因此采用A*搜索算法?；谏鲜龉こ虜?shù)據(jù)，抽樣200根電纜，計算這200根電纜最優(yōu)路徑，將結果與BRCM軟件敷設結果對比，初步驗證其路徑合理性。

A*算法是一種典型的啟發(fā)式路徑搜索算法，核心思想是估價函數(shù)的設計。在選擇當前節(jié)點的下一個搜索節(jié)點時，引入啟發(fā)函數(shù)f（n）：

f（n）為可選的下一節(jié)點代價；g（n）為從start點到n點的代價；h（n）為n點到end點的代價。

A*算法維護兩張表OPEN和CLOSED，OPEN表保存所有可探測且未被訪問節(jié)點，CLOSED表保存所有已訪問節(jié)點。啟發(fā)函數(shù)將OPEN表中節(jié)點按照代價從低到高排序，依次訪問代價最小的節(jié)點。當前訪問節(jié)點根據(jù)簿記信息更新代價信息，將其直接連接的子節(jié)點放入OPEN表中，并將當前節(jié)點放入CLOSED表。A*算法始于將start點放入OPEN表，結束于找到end點或者OPEN表為空，CLOSED表已經(jīng)包含所有可訪問節(jié)點。其算法流程圖如圖6所示，提取所有當前節(jié)點的父節(jié)點即為整個搜索路徑。

應用仙游抽水蓄能電站項目工程數(shù)據(jù)，流程如下：

圖6 A＊算法流程圖Fig.6 Flow diagram of A＊algorithm

（1）提取繪制好的三維橋架模型的關鍵節(jié)點路由，關鍵節(jié)點路由包括直段橋架起終點、三通及四通等連接件位置，如圖7所示，圖中字母代表節(jié)點編號。通過MDL編程實現(xiàn)橋架模型信息的讀取，將節(jié)點序列組織表示成圖結構。

圖7 橋架關鍵路由節(jié)點Fig.7 Key node of cable routing

（2）過濾電纜清冊，從整個工程電纜清冊中篩選出200根電纜作為測試樣本。

（3）C++編程實現(xiàn)A*算法，節(jié)點間距離作為搜索代價，以保證滿足最短路徑原則。輸入步驟（1）中提取的各搜索路徑節(jié)點，排列步驟（2）中獲得的電纜清冊中200根電纜敷設優(yōu)先級，依次敷設電纜。

（4）輸出每根電纜的路徑節(jié)點序列，并與BRCM軟件敷設結果（如圖8所示）對比。

在不受橋架容積率限制的前提下，采用A*算法搜索電纜路徑結果與BRCM軟件基本一致，163根電纜敷設結果完全匹配，37根電纜路徑有所不同。對比這37根電纜敷設結果的合理性，發(fā)現(xiàn)其經(jīng)過橋架節(jié)點較多，BRCM軟件敷設結果更加合理準確，在滿足最短路徑的前提下，拐彎處較少。通過以上仿真數(shù)據(jù)，充分驗證了BRCM軟件敷設電纜路由選擇的合理性。

圖8 敷設后電纜清冊Fig.8 Cable material list

4 結語

充分驗證了應用BRCM軟件進行電纜敷設的科學性，軟件將傳統(tǒng)人工設計轉變?yōu)槿^程自動化設計，大大提高了工作效率并實現(xiàn)設計成果的精細化。三維設計是全新的理念，是設計工作從粗放型向集約型轉變的重要工具，特別對于施工階段，對材料采購和施工指導有很大幫助。