3D打印BIM模型在變電站三維可視化設(shè)計中的應(yīng)用

初建祥，張彥彪，羅金龍，楊 震，郝小東，郭 帥，倪思遠(yuǎn)

(1.內(nèi)蒙古潤蒙能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；

2.內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

傳統(tǒng)變電站施工圖設(shè)計的成品大都是二維圖紙和文件，設(shè)計成品完成后交付給建設(shè)單位，由建設(shè)單位交付給施工單位、監(jiān)理單位等相關(guān)參建單位作為工程施工和安裝的依據(jù)。三維設(shè)計出現(xiàn)并逐漸深入應(yīng)用，為實現(xiàn)電網(wǎng)工程設(shè)計的數(shù)字化、精細(xì)化和直觀可視化提供了更好的手段和表達(dá)方式[1]。設(shè)計產(chǎn)品的交付形式也更加多樣化，由以往的圖紙交付轉(zhuǎn)化為三維圖形和數(shù)據(jù)一體交付[2]，更有利于提高建設(shè)效率和質(zhì)量。本文主要介紹一種新的三維可視化設(shè)計產(chǎn)品交付形式。

1 二維總平面布置圖及電腦查看三維模型在工程表達(dá)方面的不足

變電站設(shè)計總布置圖包括總交專業(yè)的總平面布置圖以及電氣總平面布置圖、配電裝置平斷面圖、設(shè)備安裝圖等其他相關(guān)專業(yè)各自的布置圖。根據(jù)變電工程施工圖設(shè)計內(nèi)容深度規(guī)定的要求，變電站站區(qū)總平面布置圖應(yīng)標(biāo)明站內(nèi)各建(構(gòu))筑物、配電裝置構(gòu)架、主變場地、圍墻道路等的定位坐標(biāo)；綜合布置站內(nèi)主干道、次干道及檢修道路等，綜合布置站內(nèi)各種主要管溝。變電站二維圖紙樣式如圖1、圖2所示。

圖1 變電站電氣總平面布置圖

圖2 變電站電氣斷面圖

傳統(tǒng)的二維圖紙按照設(shè)計深度的要求完成完全可以用于指導(dǎo)施工，但也存在一定的不足。由于二維表達(dá)可讀性略差，難以表達(dá)復(fù)雜的空間形態(tài)：一是平斷面圖必須結(jié)合起來看圖才能形成立體概念，二是存在空間布置復(fù)雜的工程和一些形狀復(fù)雜的設(shè)備，很難用幾張平斷面圖表達(dá)清楚。對于建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位工程技術(shù)人員難以形成整體的空間概念，全憑個人技術(shù)經(jīng)驗在頭腦中建立空間形體。

雖然三維設(shè)計軟件也具有查看數(shù)字三維模型和漫游功能，但使用三維設(shè)計軟件查看也存在一些困難：

1)三維軟件使用復(fù)雜，一般人員未經(jīng)培訓(xùn)很難熟練應(yīng)用；

2)受漫游視角所限，縮小模型查看整體就不能同時看到細(xì)部，反之放大模型查看細(xì)部就不能同時看到整體，整體和局部視角不可兼得；

3)電腦上的三維查看相當(dāng)于所視范圍內(nèi)的模型投影到一個平面畫面里的疊加狀態(tài)，并沒有實現(xiàn)真正的空間感，比如在一幀靜止畫面很難分清兩個物體的前后、遠(yuǎn)近，只有變換多個投影視角才能弄清物體真實的外形和位置 關(guān)系。

二維圖紙和電腦三維數(shù)字模型雖各有自身優(yōu)勢，但在直觀可視化表達(dá)上還有欠缺，所以理想的表達(dá)方式是在二者的基礎(chǔ)上輔以物理模型的表達(dá)，實現(xiàn)人眼目視的真實場景效果，能從各視角自由地觀看。

傳統(tǒng)工藝制作的項目沙盤就是一種物理模型，應(yīng)用也比較廣泛，主要用于房地產(chǎn)業(yè)進(jìn)行樓盤的模型和小區(qū)規(guī)劃的展示，用到的材料包括石膏、木材、玻璃、塑料等，通過人工切割、定型組裝形成沙盤模型，成品的質(zhì)量主要依賴于手工制作工藝的水平。房屋建筑類多為盒狀外形，墻體可采用板材組裝，尺寸略有偏差也不會影響效果。而變電站的電氣設(shè)備眾多，空間形狀復(fù)雜，手工制作很難精確完成。目前變電站三維設(shè)計已是工程建設(shè)的基本要求，把已完成建模的變電站BIM模型延伸應(yīng)用，采用3D打印技術(shù)打印出來，成為轉(zhuǎn)化成物理模型的捷徑。

2 3D打印技術(shù)簡介

3D打印是一種快速成型的技術(shù)，它以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，把液體或粉末狀可粘合材料通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。打印機(jī)內(nèi)裝有打印材料，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最終把電腦里的數(shù)字模型變成物理模型。3D打印常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被應(yīng)用，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品還無法進(jìn)行大量生產(chǎn)，更適合一些小規(guī)模制造，尤其是個性化定制的產(chǎn)品[3]。

目前采用3D打印技術(shù)打印變電站整體布置還缺乏先例和相關(guān)的經(jīng)驗，為了實現(xiàn)該技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計人員從2019年開始開展了研究，選定了某220kV變電站進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。

3 變電站工程概況

某220 kV變電站本期工程建設(shè)4臺240 MVA主變壓器。220 kV配電裝置本期出線6回，采用雙母線單分段接線；110 kV配電裝置本期出線14回，采用兩個獨(dú)立的雙母線接線；35 kV本期每兩臺主變采用單母線分段接線，建設(shè)4套12 Mvar無功補(bǔ)償裝置。變電站整體布置清晰緊湊、層次分明。進(jìn)站道路自東側(cè)接入，站區(qū)大門向東，220 kV、110 kV屋外配電裝置均采用戶外GIS成套裝置，4臺主變戶外布置在站區(qū)中部。220 kV配電裝置布置在站區(qū)北側(cè)，架空向北出線；110 kV配電裝置布置在站區(qū)南側(cè)，架空向南出線。

主要建筑物尺寸(長×寬×高)：

1)主控通信樓 31.2 m×22.3 m×4.1 m

2) 1#35 kV配電室 32.3 m×12.9 m×6.3 m

3) 2#35 kV配電室 21.8 m×12.9 m×6.3 m

全站主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：

1)圍墻內(nèi)占地面積 1.339 hm2

2)站內(nèi)道路面積 1600 m2

3)站區(qū)總建筑面積 1489.41 m2

4)站區(qū)主電纜溝長度 338 m

5)站區(qū)圍墻長度 476.8 m

6)主變運(yùn)輸路路寬4.5 m，消防環(huán)路路寬4.0 m

220 kV、110 kV屋外配電裝置場地采用方磚及植草磚硬化方式進(jìn)行處理。在各類斷路器、隔離開關(guān)等有操作機(jī)構(gòu)箱的設(shè)備基礎(chǔ)四周鋪設(shè)絕緣地坪。

4 3D打印變電站應(yīng)用技術(shù)路線

4.1 建立BIM三維數(shù)字模型

設(shè)計各專業(yè)利用博超三維設(shè)計軟件進(jìn)行本專業(yè)的模型建立工作，再通過協(xié)同平臺實現(xiàn)全站模型的總裝。各專業(yè)模型符合國家電網(wǎng)公司《輸變電工程三維設(shè)計建模規(guī)范 第1部分：變電站(換流站)》要求的施工圖深度要求。變電站BIM模型如圖3所示。

圖3 變電站BIM模型

電氣一次專業(yè)建模內(nèi)容：變壓器、電容器、組合電器HGIS設(shè)備、避雷器、導(dǎo)線及設(shè)備連線等內(nèi)容。

電氣二次專業(yè)內(nèi)容：屏柜及安防系統(tǒng)模型。

土建專業(yè)建模內(nèi)容：架構(gòu)及設(shè)備支架，各建(構(gòu))筑物、噴淋管道、圍墻、道路、電纜溝及硬化模型。

為了保證模型的準(zhǔn)確性，在完成模型總裝后需對三維模型進(jìn)行碰撞校驗，對于發(fā)生碰撞的模型要重新調(diào)整方案，直至消除所有碰撞，得到最合理的布置方案。

4.2 對BIM三維數(shù)字模型的處理

考慮到3D打印成本和成品展示尺寸的要求，最終確定的打印比例為1∶100，預(yù)估成品平面尺寸為1.7 m×1.4 m。設(shè)計人員建立的BIM模型還不能直接用于3D打印，必須經(jīng)過一定的處理方可使用，主要的模型處理包括以下內(nèi)容(設(shè)計人員通過三維設(shè)計軟件實現(xiàn))：

1)對BIM模型消模處理(去除不必要的部分)。本次展示的是變電站的總體布置，即變電站建成后地上可見部分，對于隱蔽工程不需要打印出來，所以進(jìn)行消模處理，如建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)、電纜溝地下部分和其他地下設(shè)施的模型予以消除。消除的過程需要細(xì)致操作逐一處理，既要保留外露部分，還要保證方便打印 輸出。

2)對BIM模型鏤空處理。3D打印費(fèi)用一般按材料用量收費(fèi)，為了降低成本，對于一些大體積的實體模型沒必要全部輸出打印，比如建筑物等進(jìn)行鏤空處理，在保證成品模型的強(qiáng)度、穩(wěn)定性的前提下，使模型內(nèi)部空心化，減少打印材料用量。

3)對BIM模型修模(改變比例尺寸)。小型構(gòu)件按比例縮小后，尺寸微小， 3D打印受材料性能的限制，細(xì)長的形體比如直徑小于1～2 mm的構(gòu)件難于打印成型，或理論上雖能打印成型，卻在強(qiáng)度、穩(wěn)定性上難以保持外觀形態(tài)。這也是3D打印變電站最大的難點(diǎn)之一。例如變電架構(gòu)梁柱結(jié)構(gòu)中含有φ133 mm×8 mm的鋼管，對于這些構(gòu)件為了保證打印后模型的穩(wěn)固只能進(jìn)行修模處理，主要是不改變長度尺寸及端部定位的前提下加粗模型的直徑，一般要達(dá)到2 mm以上。

4.3 打印機(jī)及打印材料的選擇

打印機(jī)應(yīng)采用工業(yè)級3D打印機(jī)才能保證打印的效果及精度。打印機(jī)選用lite600hd (SLA)光固化打印機(jī)，激光器采用固態(tài)三倍頻率 Nd:YVO4，打印機(jī)精度為±0.1 mm(構(gòu)件邊 長L≤100 mm)或±0.1% ×L(構(gòu) 件 邊 長L＞100 mm)，打印機(jī)的成型范圍為600 mm ×600 mm ×400 mm。設(shè)計人員所提供的BIM三維數(shù)字模型格式需轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)可讀取的格式。

3D打印材料選用光敏樹脂，該材料俗稱紫外線固化無影膠，能在滿足一定波長要求的紫外線的“點(diǎn)擊”照射下實現(xiàn)聚合反應(yīng)，從而使聚合物由樹脂形態(tài)轉(zhuǎn)變成堅硬物質(zhì)形態(tài)，最終實現(xiàn)3D打印模型的立體呈現(xiàn)。

4.4 生成物理模型

1)打印白模。通過計算機(jī)將三維模型分區(qū)形成切片，指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用樹脂材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面粘合起來形成物理模型的白模。

2)底板制作。按產(chǎn)品尺寸要求，制作木制結(jié)構(gòu)底座，并在底座布置底板，底板上進(jìn)行的圍墻、道路、硬化的輪廓線雕刻，從而實現(xiàn)全站各部分區(qū)域的定位及分區(qū)制作。

3)模型上色。設(shè)計人員按照國網(wǎng)公司建模規(guī)范中的顏色要求確定工程中設(shè)備、構(gòu)件的顏色，并提供文本資料。制作人員按照資料要求，先進(jìn)行顏色配比，使顏色接近真實，并且先進(jìn)行一次試驗上色，待顏色確認(rèn)無誤后再進(jìn)行所有模型的手工上色工作。

4)模型拼裝。所有模型上色完成后，按照底板之前確定的位置，將3D打印模型就位固定，實現(xiàn)3D模型的總裝。

5)導(dǎo)線連接。導(dǎo)線按照不同長度及不同弧垂分別打印，在各個設(shè)備固定牢固后，按照先低后高，先短后長的順序掛接導(dǎo)線。

4.5 成品交付

上述所有步驟完成后，將成品模型及底座裝車運(yùn)至現(xiàn)場。考慮現(xiàn)場為施工工地污染嚴(yán)重，所以采用玻璃將頂面蓋住，最后用于各參建單位指導(dǎo)施工使用。

5 3D打印變電站的優(yōu)勢

3D打印變電站BIM模型成果交付施工現(xiàn)場后，實現(xiàn)了成功應(yīng)用，業(yè)主單位和各參建單位反響良好。3D打印變電站成果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 變電站3D打印成果(主變區(qū)域)

圖5 變電站3D打印成果(主控通信樓區(qū)域)

圖6 變電站3D打印成果(電氣接線及空間交跨)

其主要優(yōu)勢如下：

1) 3D打印保證了物理模型的精準(zhǔn)。變電站建(構(gòu))筑物、電氣設(shè)備、其他設(shè)施均為BIM軟件建立的模型打印而來，保證了實體模型的準(zhǔn)確，復(fù)雜的曲面、形體、空間位置、細(xì)部構(gòu)造均實現(xiàn)了精細(xì)化的展現(xiàn)。

2)變電站色彩和材質(zhì)真實呈現(xiàn)，形成了三維工程效果圖。通過色彩處理，建筑物外立面、混凝土電纜溝、鋼材、電氣設(shè)備、地面、大門標(biāo)識墻、消防管道等均按照設(shè)計顏色上色，保證了與工程竣工后的實體色彩一致性。

3)物理模型展示全面細(xì)致。地面硬化、道路、井蓋、電纜溝、站區(qū)圍墻及大門、絕緣地坪及檢修小道、電氣設(shè)備、變壓器油坑、建筑物雨篷、臺階、散水、勒腳等等一應(yīng)俱全，基本上所視范圍施工圖深度的模型都得到了還原。

4)物理模型真實展現(xiàn)了變電站復(fù)雜的空間形態(tài)。變電站模型直觀表達(dá)了各建(構(gòu))筑物設(shè)備設(shè)施的空間相對關(guān)系，直觀表達(dá)了各電氣設(shè)備外形，直觀表達(dá)了電氣接線形式、電氣平斷面、復(fù)雜的空間交跨。

5)工程施工現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。施工單位技術(shù)人員一般對BIM軟件還不能熟練運(yùn)用，通過三維總圖可熟知變電站整體空間布局。物理模型與二維施工圖圖紙結(jié)合提高了圖紙的可讀性和對設(shè)計方案理解的準(zhǔn)確性，節(jié)省了技術(shù)人員讀圖工日，方便審圖、技術(shù)交流討論，顯著提高了溝通效率，并可直觀指導(dǎo)施工。工程現(xiàn)場應(yīng)用見圖7。

圖7 變電站3D打印成果現(xiàn)場應(yīng)用

6 存在的問題及后期展望

目前受技術(shù)條件所限，3D打印變電站全站物理模型還存在以下問題：

1)受3D打印機(jī)可打印尺寸的影響，目前還不能實現(xiàn)變電站整站一次性打印，只能分區(qū)域、分設(shè)備、分建(構(gòu))筑物分別打印，然后組裝成全站模型。

2)三維模型需要設(shè)計人員對細(xì)小構(gòu)件逐一調(diào)整BIM三維數(shù)字模型，使之在打印后能保證強(qiáng)度和剛度，保持穩(wěn)定的外觀形態(tài)。所以BIM模型后期處理的工作量較大，需考慮一定的設(shè)計成本。

后期為了讓3D打印物理模型發(fā)揮更大的實用價值，可以延伸應(yīng)用打印更多不同種類的模型以滿足其他特性的應(yīng)用需求。

1)可通過三維設(shè)計打印變電站全站的開挖圖，注明基坑的標(biāo)高，表明各基坑的深度關(guān)系和影響范圍，可以直觀指導(dǎo)施工開挖和回填的順序，優(yōu)化施工工序，減少重復(fù)開挖和回填的工作量。

2)地下工程是施工的重點(diǎn)難點(diǎn)，包括各建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)、地下設(shè)施溝道、管道，特點(diǎn)是隱蔽施工后不可見，標(biāo)高有深有淺，經(jīng)常有交叉、碰撞、躲避，空間關(guān)系復(fù)雜，二維圖紙很難表達(dá)清晰。無論設(shè)計人員還是施工人員很難通過各專業(yè)單體的圖紙建立起整體的地下空間概念，如能通過3D打印把變電站全站的地下工程建立起實物模型，則可在施工前即能讓相關(guān)人員直觀地了解地下工程的全貌，非常有利于相關(guān)單位技術(shù)溝通、及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理，也可以指導(dǎo)施工人員優(yōu)化施工工序。

3)本次未對建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置進(jìn)行打印，后期可進(jìn)一步細(xì)化，把建筑物(主控樓、配電室)內(nèi)部布置也可打印出來。把建筑物屋面和側(cè)墻模型做成可拆卸式，這樣既可看到建筑物外觀，也可揭開看到建筑物內(nèi)部構(gòu)造。

4)后期還可在3D打印的成品中加入一些標(biāo)注，比如平面尺寸、標(biāo)高、名稱標(biāo)注等等，使3D打印模型具有更強(qiáng)的可讀性，更像一個三維的設(shè)計總布置圖。

5)受3D打印成本和成品展示尺寸的限制，一般打印比例不宜大于1∶100。但1∶100的比例對于特別復(fù)雜的設(shè)備或空間構(gòu)造還是難以實現(xiàn)精細(xì)化表達(dá)，如有需要只能輔助以局部的大比例打印?？蓪ｉT把變電站的設(shè)備或工程局部單體放大打印出來，配合詳細(xì)的施工圖，體現(xiàn)精細(xì)化的設(shè)計。

7 結(jié)語

綜上所述，通過3D打印變電站全站物理模型是三維數(shù)字化BIM設(shè)計的延伸應(yīng)用，可以把二維施工圖紙和三維BIM數(shù)字模型有效結(jié)合起來，可真正實現(xiàn)變電站三維可視化設(shè)計的目標(biāo)，具有較高的實用價值。隨著三維技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，變電站設(shè)計越來越體現(xiàn)工程建設(shè)全生命周期理念。后期3D打印變電站可作為一種新的三維可視化設(shè)計產(chǎn)品交付形式，對業(yè)主移交，在工程竣工投產(chǎn)后，模型還可在運(yùn)行階段(比如仿真培訓(xùn)教學(xué)等方面)進(jìn)一步發(fā)揮作用。