基于BIM技術(shù)在變電站預(yù)制艙的設(shè)計研究

煙臺東方威思頓電氣有限公司 徐富強(qiáng)

隨著國內(nèi)電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，變電站工程逐步深入到偏遠(yuǎn)地區(qū)作業(yè)，其質(zhì)量受到施工人員、施工技術(shù)、作業(yè)環(huán)境等諸多因素制約，項目施工過程越來越復(fù)雜。以西藏“三區(qū)三州”電網(wǎng)建設(shè)工程為例，其可消除影響地區(qū)跨越式發(fā)展的缺電瓶頸，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展，是民生工程、國家重點(diǎn)工程，然而西藏地區(qū)常年凍土、高寒缺氧、生態(tài)脆弱是變電站建設(shè)無法回避的三大難題。西藏地區(qū)海拔高，人口分布不均，施工過程沒有穩(wěn)定的施工環(huán)境，使工程項目建設(shè)成本幾何增長，工程質(zhì)量驗(yàn)收波動性較大，工程安全隱患也大大增加。針對電網(wǎng)建設(shè)難度加大、設(shè)備運(yùn)輸周期長、等一系列問題，提出運(yùn)用BIM技術(shù)工廠生產(chǎn)制造預(yù)制艙是解決傳統(tǒng)土建模式建設(shè)變電站的關(guān)鍵。

變電站預(yù)制艙在國家電網(wǎng)中的應(yīng)用不斷增加，運(yùn)用BIM技術(shù)在工廠里三維設(shè)計、模塊化生產(chǎn)、整體調(diào)試、現(xiàn)場拼裝的方案日趨成熟。BIM技術(shù)貫徹變電站“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、模塊化建設(shè)、機(jī)械化施工”的設(shè)計理念，利用三維圖形直觀的呈現(xiàn)設(shè)計內(nèi)容，可以快速為項目制定方案，減少設(shè)計周期。工廠模塊化生產(chǎn)、整體調(diào)試方式摒棄了傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑方式，采用由多個預(yù)制艙快速拼接、組裝成形的模式，加快建設(shè)節(jié)奏、降低建設(shè)費(fèi)用。將運(yùn)輸車與艙體匹配運(yùn)輸，整體吊裝和現(xiàn)場拼接，加快變電站建設(shè)速度，縮短建設(shè)工期，節(jié)約建設(shè)成本，降低環(huán)境污染。

BIM技術(shù)主要是通過信息進(jìn)行整合，構(gòu)建預(yù)制艙模型，這樣可對實(shí)際的預(yù)制艙進(jìn)行有效建模和生產(chǎn)管理。BIM技術(shù)主要包括以下特點(diǎn)：利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行建模，數(shù)據(jù)庫中有大量預(yù)制艙模塊，能夠自下而上進(jìn)行設(shè)計。通過確定子系統(tǒng)和組合接口，實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)庫建模；可在一個系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計，而在另一個系統(tǒng)中對該設(shè)計進(jìn)行分析和糾偏，客戶可進(jìn)行優(yōu)化分析，及時確認(rèn)最終方案；在預(yù)制艙從初步設(shè)計到交付完成的全生命生產(chǎn)周期中，為廠家對預(yù)制艙的生產(chǎn)成本、進(jìn)度、質(zhì)量的目標(biāo)控制提供可靠依據(jù)。

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，設(shè)計人員可建立一個虛擬的預(yù)制艙模型，它擁有直觀的三維界面，所有的信息都集合在一個三維圖形的數(shù)據(jù)庫。預(yù)制艙模型整體結(jié)構(gòu)在工程設(shè)計階段為業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方提供很重要的參考數(shù)據(jù)，確認(rèn)的預(yù)制艙圖形在工廠里進(jìn)行加工、生產(chǎn)、調(diào)試，最終交付到用戶現(xiàn)場進(jìn)行拼接。運(yùn)用BIM技術(shù)可減少修改，提高效率，能夠提供模塊化的解決方案和較為專業(yè)化的服務(wù)，克服了西藏“三區(qū)三州”電網(wǎng)建設(shè)工程難題，滿足電力施工進(jìn)度管理和成本節(jié)約的要求。BIM技術(shù)在預(yù)制艙制造領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。

變電站預(yù)制艙是和疫情期間雷神山和火神山醫(yī)院應(yīng)用工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場拼裝建設(shè)方艙的方案類似，簡單、方便、快捷。預(yù)制艙由預(yù)制艙艙體、一次開關(guān)柜和二次設(shè)備屏和智能輔助設(shè)備等組成。預(yù)制艙尺寸符合現(xiàn)場平面布置及運(yùn)輸要求，車間內(nèi)最大化完成艙體焊接、設(shè)備安裝、屏間接線、整體調(diào)試等工作，并作為一個整體運(yùn)輸至變電站工程現(xiàn)場，施工現(xiàn)場開展預(yù)制艙與外部設(shè)備的接線工作。預(yù)制艙總體結(jié)構(gòu)設(shè)計符合國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，根據(jù)工程實(shí)際需要選用材料、結(jié)構(gòu)方案滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，艙體在運(yùn)輸安裝過程中滿足強(qiáng)度和剛度及防火、防腐、防水、耐候性等相關(guān)要求。

1 預(yù)制艙

變電站中使用的預(yù)制艙型式有兩種，一種為單艙型式，由一個預(yù)制艙制作而成；另一種為拼艙型式，由兩個或兩個以上預(yù)制艙工廠制作后現(xiàn)場拼接而成。分割艙體時，拼艙縫宜與開關(guān)柜排列方向平行且遠(yuǎn)離開關(guān)柜。當(dāng)開關(guān)柜單列布置時，柜后維修通道不小于600mm、柜前維修通道不小于900mm，檢修口尺寸宜為700mm。若采用靠墻布置方式，開關(guān)柜后側(cè)宜開設(shè)置檢修門，檢修門滿足設(shè)備搬運(yùn)和檢修的要求。預(yù)制艙的高度宜為3300mm,此高度既可滿足絕大部分電氣設(shè)備在艙內(nèi)安裝的要求,又可兼顧預(yù)制艙運(yùn)輸?shù)缆废薷叩囊?，若高度大?300mm可考慮艙頂拆卸式或上下拼接式。

預(yù)制艙材質(zhì)。預(yù)制艙艙體應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度和剛度，在運(yùn)輸、起吊和安裝時不會變形，不會因起吊或運(yùn)輸對艙體內(nèi)設(shè)備造成影響，具備良好的抗彎性和抗震性能。艙底采用3mm厚度的冷軋鋼板，二次設(shè)備艙地面鋪設(shè)陶瓷靜電地板。艙體外側(cè)采用瓦楞冷軋鋼板，艙內(nèi)側(cè)墻體采用金邦板或FC板做飾面，預(yù)制艙墻體中間采用不易燃燒、密度小、吸水率低導(dǎo)熱系數(shù)小，并有一定強(qiáng)度的巖棉或聚氨酯。外部采用特殊防腐油漆處理工藝，設(shè)計使用年限按30年考慮。

預(yù)制艙結(jié)構(gòu)型式。艙體底架和主架依據(jù)安全結(jié)構(gòu)等級設(shè)計，并進(jìn)行有限元分析。艙體底架由型鋼焊接而成，艙體主架采用等截面方鋼結(jié)構(gòu)，柱間間距應(yīng)依據(jù)艙體受力情況、整體結(jié)構(gòu)和安裝條件確定。艙面板采用輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕壓型鋼板，保證其本身的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。艙頂采用人字形坡屋頂形式，坡度不小于5°，高寒地區(qū)可適當(dāng)增大屋面坡度，預(yù)防漏水和積雪。艙檐下方做高密度散熱孔，保證預(yù)制艙的散熱功能。艙體內(nèi)部采用鋼板或阻燃隔板分成幾個隔室，相應(yīng)安裝一、二次設(shè)備、空調(diào)、照明、消防、智能輔助系統(tǒng)等設(shè)備。艙體內(nèi)所有設(shè)備均在工廠內(nèi)完成接線及調(diào)試工作，并作為一個整體或拆分成幾個單體運(yùn)輸至現(xiàn)場拼接。

預(yù)制艙的防水密封和防腐防銹。為保證艙體內(nèi)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，艙體整體防護(hù)等級達(dá)到IP55，預(yù)制艙的開門處設(shè)有防水密封條，預(yù)制艙的拼接處采用耐候膠或發(fā)泡劑密封，等整體干透后再附上裝飾板?？照{(diào)內(nèi)外連接處開孔用發(fā)泡劑封堵，風(fēng)機(jī)外側(cè)設(shè)有專用的百葉窗或加裝專用防塵網(wǎng)達(dá)到防護(hù)等級的要求。艙體采用有效的防腐蝕措施，結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮便于檢查、刷漆及避免積水。防護(hù)層采用六道防腐工藝，分別是噴砂、吹塵、電弧熱噴鋅、噴環(huán)氧富鋅底漆、噴環(huán)氧中漆、噴丙烯酸聚氨酯面漆。經(jīng)過防腐處理的表面最少在中性鹽霧試驗(yàn)196小時后無金屬腐蝕現(xiàn)象，以便防止現(xiàn)場鹽霧和酸雨的侵蝕。

2 預(yù)制艙相關(guān)

預(yù)制艙內(nèi)安防和消防。預(yù)制艙內(nèi)外設(shè)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，便于主控室了解艙內(nèi)外實(shí)時狀況。預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置緊急報警系統(tǒng)、電話、聲光報警器，煙感探測器。在人員進(jìn)出的門口設(shè)置了兩個5kg手提干式滅火器，滅火器級別應(yīng)按照中危險等級配置。預(yù)制艙設(shè)有工作人員緊急逃生門，工作人員由內(nèi)出外時推動門內(nèi)側(cè)的推桿鎖即可開門，可在任何情況下內(nèi)部出現(xiàn)故障時快速逃生。預(yù)制艙應(yīng)保證良好的防火性能，艙體壁板需保證內(nèi)部或者外部著火時的最低耐火性能為2小時以上,2小時內(nèi)艙體主架和壁板具有防火性及完整性。

預(yù)制艙照明系統(tǒng)。預(yù)制艙內(nèi)照明分為正常照明、事故照明及應(yīng)急照明，目前LED光源是繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代新型光源，正常照明采用交流220V LED光源，并保證足夠的照度，方便艙體內(nèi)部的檢修和調(diào)試。燈具均勻布置在走廊或屏前頂部，艙內(nèi)距地0.75米水平面的照度不小于300LX。艙內(nèi)設(shè)有配電箱、插座、燈開關(guān)等配電設(shè)施，配電箱安裝于門口處，箱體底部距地面高度為1.3m。燈開關(guān)采用嵌入式安裝，設(shè)置于門口處，方便控制，面板底部距地面1.3m側(cè)邊距門框0.2m，面板間距不小于20mm。插座底邊距離地面0.3m，相關(guān)走線均采用暗敷設(shè)。事故照明由直流屏供電，當(dāng)正常照明故障時可自動或手動切換至事故照明。應(yīng)急照明自帶蓄電池，應(yīng)急時間不小于60分鐘，出口處設(shè)帶疏散指示標(biāo)識的應(yīng)急照明。

預(yù)制艙內(nèi)通風(fēng)和加熱系統(tǒng)。艙體一般不設(shè)窗戶，應(yīng)設(shè)置中央空調(diào)、電暖器、風(fēng)機(jī)等供熱、通風(fēng)、調(diào)溫設(shè)備。艙內(nèi)設(shè)置空調(diào)設(shè)施，滿足一、二次設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的需要?？照{(diào)采用帶遠(yuǎn)程報警功能的壁掛式一體工業(yè)空調(diào)，分別布置在艙體短邊中間位置。艙體設(shè)置風(fēng)機(jī)通風(fēng)裝置，風(fēng)道應(yīng)有防塵防水擋板，宜采用正壓通風(fēng)，以防止通風(fēng)時灰塵進(jìn)入艙內(nèi)。預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置大風(fēng)量風(fēng)機(jī)用以在空調(diào)長時間不運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)通風(fēng)換氣。艙內(nèi)設(shè)置帶風(fēng)扇的加熱器，風(fēng)扇可防止因局部位置過熱，從而將熱量擴(kuò)散到艙體各個角落，為艙內(nèi)提供適宜的溫度。

預(yù)制艙接地設(shè)置。預(yù)制艙及其內(nèi)部設(shè)備在站內(nèi)完成保護(hù)接地、防雷接地、工作接地、防靜電接地要求。預(yù)制艙地板下暗敷設(shè)接地干線，按設(shè)備布置的方向敷設(shè)不小于120mm2的接地銅排，在有鹽霧及含有腐蝕氣體的場所母排應(yīng)鍍錫處理。每臺預(yù)制艙的底架外部應(yīng)至少設(shè)有四個明顯的接地點(diǎn)，該接地點(diǎn)應(yīng)采用銅板與底架焊接，并配有M12的銅質(zhì)螺栓，銅板接觸面加工后保持清潔并涂電力復(fù)合脂。預(yù)制艙在高于地板300mm處設(shè)置兩個接地點(diǎn)，接地螺栓受力均勻，并應(yīng)有明顯的接地標(biāo)志。

預(yù)制艙現(xiàn)場安裝。預(yù)制艙到達(dá)安裝現(xiàn)場時進(jìn)行卸貨前檢查，以避免艙體在運(yùn)輸過程中發(fā)生形變，重點(diǎn)檢查艙體門開關(guān)是否順當(dāng)，將外門打開進(jìn)行開門操作若發(fā)現(xiàn)門縫錯位、開閉卡澀，可將事先應(yīng)急處理所提供的墊片對預(yù)制艙進(jìn)行調(diào)整，直至預(yù)制艙外門開關(guān)順暢、門縫密封防撞條緊密結(jié)合為止。卸貨前要組織編制專項吊裝方案，主要考慮吊裝半徑、地基堅固度、電線安全距離等現(xiàn)場環(huán)境的影響。設(shè)備吊裝后，對于單艙型式的預(yù)制艙，艙體骨架整體焊接，直接吊裝在現(xiàn)場的基礎(chǔ)上調(diào)正后，與基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)的槽鋼焊接、固定。拼艙型式的預(yù)制艙吊裝固定在基礎(chǔ)上后，對所有拐角拼接處進(jìn)行清潔和防雨處理，使用耐候膠對接縫進(jìn)行封堵。在設(shè)備上方作業(yè)時，操作人員不得蹬踩設(shè)備，須帶工具袋作業(yè)，防止工具、材料掉下砸傷設(shè)備。假如縫隙達(dá)到變形不易調(diào)整時可使用發(fā)泡劑對縫隙填堵，等完全成功后再封上一層耐候膠，等整體干透后再附上裝飾條，最后用螺栓固定牢靠。

預(yù)制艙模型設(shè)計。通過BIM技術(shù)建立專業(yè)的三維圖形，通過一個虛擬的三維空間給人以更加直觀的感覺，讓當(dāng)事人對整體設(shè)計有更深刻的理解與認(rèn)識，更好地表達(dá)出結(jié)構(gòu)前后、左右的情況，具有較強(qiáng)的對比度。預(yù)制艙設(shè)計中電纜橋架和燈具在狹小的環(huán)境中經(jīng)常與結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞,導(dǎo)致后期的施工難度和成本增加。通過三維圖形直觀明了各專業(yè)之間交叉碰撞，提前優(yōu)化設(shè)計圖紙，避免返工，節(jié)約工期，利用BIM技術(shù)可準(zhǔn)確控制材料的用量，極大減少了材料浪費(fèi)和二次搬運(yùn)等問題，極大降低項目管控的難度，同時可對焊接工人進(jìn)行可視化三維技術(shù)交底，比普通的二維平面圖更清楚，更易施工、降低返工率、節(jié)約成本。變電站預(yù)制艙在開工前利用專業(yè)性的BIM軟件支撐起模型建立、碰撞檢查、場地設(shè)計等應(yīng)用來滿足預(yù)制艙在建設(shè)過程中的實(shí)際需求。利用BIM技術(shù)可進(jìn)行前期的施工策劃和場地的三維模擬場地布置，合理的布置現(xiàn)場平面，動態(tài)地部署各種施工資源和施工現(xiàn)場。其位置描述非常準(zhǔn)確，使設(shè)計人員對所設(shè)計的空間位置一目了然。

預(yù)制艙工程管理。運(yùn)用BIM技術(shù)可直接用來指導(dǎo)預(yù)制艙生產(chǎn)，能提供較為專業(yè)化服務(wù)和智能化的解決方案。運(yùn)用BIM技術(shù)可進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)度模擬，動態(tài)展示生產(chǎn)階段過程和隱蔽工程生產(chǎn)工藝，將多種生產(chǎn)工藝方案的實(shí)施性進(jìn)行比較，最終選擇一個優(yōu)選方案。利用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)綜合控制，根據(jù)進(jìn)度模擬，可對生產(chǎn)的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本協(xié)同管控，提升生產(chǎn)管理水平，從而提高生產(chǎn)的整體效益。完成一個預(yù)制艙所建立的模型數(shù)據(jù)庫和定制的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將成為一種數(shù)字化資源，為下一個預(yù)制艙的三維設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫隨著設(shè)計工作不斷完善，而設(shè)計工作也隨著數(shù)據(jù)庫的完善越來越快速和準(zhǔn)確，有效的提高工程設(shè)計管理水平。

3 結(jié)語

預(yù)制艙生產(chǎn)是BIM技術(shù)的一個重要應(yīng)用，預(yù)制艙及其內(nèi)部的所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)由廠家整體集成，實(shí)現(xiàn)工廠化設(shè)計、生產(chǎn)，減少現(xiàn)場工作量，簡化現(xiàn)場的設(shè)計、施工、調(diào)試、檢修維護(hù)工作。能夠有效的縮短工期，提高工程質(zhì)量，降低施工周期成本，全面提高電網(wǎng)建設(shè)能力。

預(yù)制艙變電站是一種新型清潔變電站，有利于節(jié)能環(huán)保、可提高工程安全和工藝質(zhì)量、降低全壽命周期成本。在預(yù)制艙設(shè)計時，利用三維模型，實(shí)現(xiàn)變電站從“建造”模式提升到“制造”模式的目標(biāo)，在預(yù)裝配與選型上為客戶提供更多方案，降低多次溝通時間變電站預(yù)制艙亦能以模塊化方案快速搭建，布置快速、高度整合、彈性靈活，使現(xiàn)場安裝的材料標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，即保證預(yù)制艙結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確可靠，又兼顧施工進(jìn)度，提升智能化、規(guī)范化管理水平，減少污染。預(yù)制艙在電網(wǎng)中形成模塊化、集成化和智能化建設(shè)水平，運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)“最大化工廠制作，最小化現(xiàn)場施工”的要求，成為變電站建設(shè)發(fā)展的趨勢和主要方向。