面向電力工程全過程設計的BIM建模技術研究

劉 睿 陳凱凱

(華北電力大學，北京 102206)

0 引言

BIM技術是一種持續改進建筑計劃、設計、建造、運營和維護過程的技術，它使用標準化的機器可讀的信息模型為每個建筑部件及設備建模，該模型包含獨立創建和收集的能夠在建筑的全生命周期使用的建筑部件及設備信息[1]。

BIM技術在民用建筑中的應用日漸成熟，而在電力等基礎設施行業中發展較慢。其原因可歸結為:一者電力等基礎設施行業體量大，專業分工多，新技術應用難度大；再者電力等基礎設施行業大多屬于政府投資項目，其運用新技術的動力不足。

電力工程BIM設計技術是借助三維設計和數字化設計技術，以三維設計模型為主要成果、設計成果在全生命周期范圍內得到應用的先進設計技術。電力BIM技術是數字信息技術在電力工程的具體應用，是用于設計、建造、管理的數字化方法。電力工程BIM設計的核心成果是三維設計模型，三維設計模型以電力工程各相關信息數據為基礎，對工程建設全要素進行數字化表達，建立輸變電設備、設施及材料等物理模型和電氣一、二次接線等邏輯模型的工程信息集合，具備完備性、關聯性、一致性、唯一性、擴展性等特點，且滿足可視化、可分析、可編輯、可出圖等工程全壽命周期應用需求。

電力工程BIM設計是利用BIM設計的理念、方法和手段，通過專業化的BIM設計工具，對電力工程進行全過程設計，輸出符合BIM設計理念、標準和規范的設計成果。

電力工程BIM設計是將BIM技術融入到電力工程的設計過程，實現多個專業共同參與整個電力工程的協同設計，包括電氣、總圖、建筑、結構、水暖、技經等專業，利用專業的、成熟的智能輔助設計工具，實現在整個工程設計過程中設計數據的共享、繼承及協同，實現專業間的多維協同設計。設計中形成的數字化數據可以共享傳遞給施工、采購、運維等階段，覆蓋工程項目各個階段，具有數字化關聯關系，服務于電力工程全壽命周期管理。

電力工程BIM設計的最終目的是提高設計效率和產品質量，為設計評審、設計移交、設備采購、工程建設招標、現場施工管理、ERP(Enterprise Resource Planning)資產管理系統、PMIS(Project Management Information System)生產管理系統等各個階段的工程管理提供數據源支撐，提高電力工程全壽命周期管理效率和質量。

電力工程BIM設計方法有三維數字化建模，多專業協同設計，三維建模標準設計。三維協同設計優化了常規設計的串行設計模式，可縮短項目的設計周期。

1 電力工程BIM設計流程

電力工程BIM設計技術是三維技術、數字化技術、協同技術在電力設計領域的集成創新；是以電力設計對象數字化表達為基礎，實現電力基礎信息集成化、設計過程智能化、設計平臺一體化、專業設計協同化、設計成果數字化、可視化、應用成果全程化；形成包含設計對象數據、工程過程信息等內容。利用BIM設計技術對變電站工程進行了設計，電力工程BIM設計方法有三維數字化建模，多專業協同設計，三維建模標準設計。三維協同設計優化了常規設計的串行設計模式，可縮短項目的設計周期。三維協同設計的平臺架構如圖1所示。

2 電力工程BIM全過程設計

2.1 電力工程BIM設計準備

工程開始之前需收集工程所需圖紙。首先收集工程電氣一次相關圖紙，包括主接線圖、平面布置圖、各配電裝置的布置圖、斷面圖以及接線圖；然后收集土建相關圖紙。電力工程設計范圍包括電氣一次、總圖、建筑、結構、水暖等內容。

2.2 設備建族

電力工程BIM設計開始，首先進行設備族模型建立，需要建立本工程BIM設計所需的設備族模型包括變壓器,斷路器,電流互感器,電壓互感器,HGIS,GIS,避雷器,電抗器,電容器組,站用變,屏柜,隔離開關等相關設備族模型。

2.3 主接線設計

以BIM為理念的主接線設計,設計內容涵蓋系統設計、主接線系統搭建、確定主變容量和電抗器及電容器組參數等信息、短路電流計算、設備選型校驗、設備賦值、回路標注、期次劃分、設備編碼、主接線設計成果發布等內容[2]。

2.4 電氣布置設計

電氣布置設計的內容包括電氣一次設計布置和電氣二次設計布置[3]。其中，電氣一次設計布置包括電氣一次設備布置、母線布置、導線連接、電纜溝和橋架布置、照明設備布置、避雷針及避雷線布置、接地網布置等，電氣二次布置包括屏柜布置、屏柜內裝置及柜面布置、監控攝像頭布置、防護網布置、消防報警布置等[4]。

可以分成兩種辦法進行設備布置：一種是首先進行主接線設計，把主接線已經賦值的設備導入工程模型庫里面，然后進行設備布置；另一種是主接線與設備布置同時進行，然后給設備賦值，通過編碼把兩者聯合起來。在已經完成的主接線設計基礎上，進行電氣一次設備布置，設備布置主要以第一種方式進行操作。

2.5 防雷接地設計

三維防雷設計的內容包括避雷針布置、防雷計算、輸出保護范圍表和計算書。有效的防雷保護可以減少或者避免人員財產損失。而對于電力工程來說更是重中之重，如果設計有缺陷那將會造成重大事故。

對于大型工程來說，接地設計跟防雷設計一樣是不可缺少的一部分，有效的接地保護可以減少或者避免人員財產損失。而對于電力工程來說更是重中之重，當電力設計遇到故障或者事故的時候，可以保護檢修或者操作人員人身安全。但是在接地設計包括接地網的繪制、接地極的插入、大量的準確材料統計，以及修改方案后材料的更新等。

2.6 總圖設計

總圖設計即總平面圖設計，總圖專業的主要內容包括站區的總平面設計、站區的護坡、擋土墻等的設計、站區內道路的規劃以及對廠區內各種建筑物、構筑物的具體布置[5]。

總圖設計思路根據站區所在的地理位置、站區的容量及站區內的建構筑物劃分情況等進行設計。設計思路為通過Civil 3D對站區周邊地形環境進行模擬，模擬站區用地的基本情況，并將站區及周邊環境導入到Revit然后對站區進行詳細道路、圍墻、電纜溝及排水溝等的設計。

2.7 結構設計

結構設計主要分為場地結構和建筑結構兩部分：場地結構及承重類結構，承擔設備及建筑的主要受力部分，主要包括場地中的構架、支架及建筑底部基礎、基礎埋件及建筑中起到支撐作用的部分，如框架結構中的梁、板、柱等部分[6]。場地結構中主要進行設計的內容包括場地中的構架、支架、相關基礎及埋件。

在實際的設計過程中，場地結構和建筑結構應結合設計，一方面滿足建筑的安全適用性，另一方面滿足建筑的經濟性，控制建筑的成本，以滿足建筑相關的經濟技術指標。

2.8 建筑設計

建筑BIM設計應用技術已經比較成熟，變電站BIM設計中的建筑設計方法和一般建筑BIM設計一樣。在變電站中，建筑設計內容主要包括主控通信樓設計、繼電器小室設計、配電室設計和消防小室設計等。

2.9 水暖設計

水暖設計是指水工設計和暖通設計，設計內容包括給排水系統設計、消防噴淋系統設計、暖通系統設計等。水暖設計步驟包括：管道構件配置，管道數據信息配置，管道系統類型建立，水暖設備模型布置等。

2.10 協同設計

三維協同設計是BIM設計的核心，是設計技術發展的方向和趨勢，是提升設計管理水平、設計效率和質量的主要手段和方法。協同設計可以將不同專業的設計信息和成果通過交互和整合形成有機整體[7]。

協同設計思路是基于三維設計平臺進行實際工程協同設計應用，一般需要對工程參與人員的角色和權限進行劃分，明確不同專業間的專業分工和權限。各專業按照設計流程和任務各自開展設計工作，在設計的過程中通過協同設計平臺進行成果發布和提資交互，通過協同設計平臺進行各專業設計成果的整合，并對設計成果進行電氣安全凈距校驗、碰撞檢查、防火間距校核、安裝通道和吊裝空間檢查等，校核設計中問題并進行相應的修改和完善，直至完全滿足設計要求和深度。

3 設計成果

工程BIM設計完成后可以輸出的初步設計成果主要包括以下內容：全站BIM設計模型；場地平整圖和土方量計算結果表；主接線設計圖紙；平面圖和斷面圖；材料統計表；計算結果表和計算書；安全凈距校核、碰撞檢查等；全站三維渲染和漫游成果等。全站成果圖和局部圖如圖2所示。

4 結語

隨著我國電力工程運營規模不斷加大，傳統管理和技術手段難以應對日益增加的任務，亟待尋求更加有效的管理和技術手段。本文通過對電力工程設計階段的流程梳理，為BIM技術在電力工程設計全過程中的應用提供參考依據，同時也可為其他基礎設施領域參考。

本文旨在推動電力工程BIM設計技術的快速發展，為BIM技術在其他基礎設施行業的應用提供參考思路。下一步工作計劃:以電力工程BIM在設計階段的應用為基礎，拓展到采購、施工、運維等全生命周期中，使電力工程BIM在電力工程中得到持續應用。