BIM技術在輸變電工程的應用成熟度評價研究

朱云祥，夏華麗，勞詠昶，孫秋潔，劉 提

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，杭州 310008；3.國網浙江省電力有限公司建設分公司，杭州 310009）

0 引言

自2005年BIM（建筑信息模型）由Autodesk公司在中國推廣軟件時首次介紹起，經過十多年的發展，BIM相繼在天津港碼頭、奧林匹克公園瞭望塔、世博會多個場館和配套設施、廣州新CBD珠江新城等項目中獲得應用，其經濟效益和社會效益得到社會認可。因此，在2017年國務院辦公廳《關于促進建筑業持續健康發展的意見》中明確提出發展BIM技術的重要性。

在輸變電工程中，BIM已經成功應用于天津永定河220 kV變電站、上海世博會地下智能變電站、上海容災中心等重要電力工程，尤其在電力市場改革以及智能電網建設全面發展的進程中，電網企業需要利用BIM技術整合工程決策、設計、招投標、施工、竣工等多個階段的信息，實現系統規劃、三維設計、虛擬施工、協同管理、輔助運營的全壽命周期工程管理和信息共享，促進輸變電工程建設持續健康發展。

由于目前BIM在輸變電項目中的應用廣度和深度有限，沒有統一衡量BIM在項目中應用程度的指標，因此亟須一套衡量指標評估項目應用的成熟度和尋找BIM應用薄弱點。本文通過對BIM在輸變電工程應用場景分析，針對應用的深度和廣度建立成熟度評價模型，據此判斷輸變電工程中BIM技術的實施能力，找到不足之處，制定針對性的改善策略和提升建議，以到達更高的應用成熟度。

1 BIM技術在輸變電工程的應用場景分析

BIM既是一種方法和工具，也是利用所創建的模型對項目進行管理的過程。而在輸變電工程領域，BIM是對工程設備、建筑等主體的數字化表達，更是促進各個工程參與方協同合作并自動處理的過程，還是貫穿全壽命周期信息集成和數據分析的工具。因此，BIM技術應用體系至少應包含3個維度，即全過程、全要素、全組織。

1.1 BIM在工程全過程的應用

輸變電工程的全過程包括規劃、設計、施工、運營、改造和拆除6個主要階段，BIM主要成型于規劃至施工階段，運營至改造階段會有局部的維護、記錄、變更等信息的錄入與更新。

（1）規劃階段。BIM可應用于對項目布局進行詳細分析，不同方案的實景仿真比選等決策支撐，還可有效地對大量文檔、圖形等文件進行保管維護，以便數據查詢處理。

（2）設計階段。BIM可應用于建立包含全面項目信息集成的主體模型，當某項數據更新修改時隨之自動更正；處理不同專業之間的協調溝通問題，BIM能使設計沖突、碰撞檢測等協作工作變得簡單，避免信息交流滯后；BIM可視性使得各專業設計人員能從形態形狀、空間位置等方面獲得直觀感受，有效避免設計偏差。

（3）施工階段。BIM可應用于施工進度模擬與安排、自動進行成本分析以及施工方案比對等方面，對工程進行實況模擬尋找解決辦法；向廠商實施傳輸所有構件的形狀、尺寸、工藝等要求，實現構建預制加工的準確預制，縮短施工工期；可應用于物資跟蹤管理，實現物資和設備的完整記錄和實時追蹤；可應用于搭建施工階段的業主、設計單位、總包商、各級分包商、供應商、監理方、招標代理單位等參與方的溝通平臺。

（4）運營、改造和拆除階段。通過BIM集成事故的發生頻率和發生原因，結合實時獲得各類設備、構件等施工工藝、廠商等詳細信息，應用于項目日常管理、定期維護、計劃檢修、事故搶修等方面。

1.2 BIM在工程全要素的應用

輸變電工程全要素包括了安全、質量、進度、成本和人員5個基本要素。安全要素方面，BIM可通過安全控制重點、重點危險源的模擬演示，實現危險源排查、安全檢查以及安全培訓等的應用；質量要素方面，通過現場設備性能、狀態等實行模擬，BIM可應用于材料構件跟蹤，質量實時監控，質量隱患排查等；進度要素方面，通過將空間信息與時間維相結合，實現過程可視化，BIM可應用于進度施工模擬，實施進度計劃優化，進度工作分解，進度分級細化管理等；成本要素方面，通過將物資價格信息、分包報價信息等價值信息集成至BIM模型中，可應用于工程量準確計算，造價變更有效管理，資金使用需求測算，項目全壽命成本優化等方面；人員要素方面，BIM雖然減少了項目參與人員的簡單、重復性工作，但增加了項目管理人員的決策難度，同時對人員素質提出更高的要求。

1.3 BIM在工程全組織的應用

輸變電工程相關的政府部門、業主、設計單位、施工單位、監理單位和廠商等都將參與到工程建設與管理中，在項目的全壽命周期中不斷發揮作用，因而，BIM在工程全組織中的應用分析主要從上述組織單位的角度展開。政府部門對BIM的應用主要有項目環境模擬，城市地理相關的BIM模型開發以及促進BIM發展的政策制定；業主單位對BIM的應用貫穿工程的整個生命周期，主要是通過BIM搭建溝通紐帶和交流平臺，業主作為紐帶將其他參與方連接；設計單位對BIM的應用主要為三維模型設計開發，管線綜合和碰撞檢測設計、協同設計等；施工單位對BIM的應用主要為安全管理、進度控制、質量管理、施工組織協調等；監理單位對BIM的應用主要為項目施工全過程的監督；廠商對BIM的應用主要為結構預制件、設備BIM模型的開發等。

2 應用成熟度評價模型

2.1 成熟度模型相關理論

美國Carnegie-Mellon（卡內基-梅?。┐髮W提出的CMM是成熟度模型的起源，目前已成為最具影響的成熟度模型[1]，之后成熟度模型的主要發展方向為能力成熟度模型和項目管理成熟度模型。而在BIM技術興起后，BIM成熟度模型成為項目管理成熟度模型的重要研究分支，本文主要研究和借鑒了國外2類比較成熟的BIM成熟度評價模型的相關研究體系：其一是NIBS（美國建筑科學協會）提出的一套以項目生命周期為基礎，以信息交換為核心的可量化的BIM評價體系，選擇了數據豐富性、生命周期、變更管理、角色或專業、業務流程、時效性、交付方法、圖形信息、空間能力、信息準確度、互操作性等11個指標要素進行詳細描述。其二是澳大利亞Succar提出的BIM組織管理成熟度模型，簡稱BIMOPM3，由3個維度構成，第1維度為成熟度等級，分為初始級、可定義級、管理級、集成級和優化級；第2維度為建設工程項目生命周期的各個階段；第3維度BIM應用評價指標域，包括了技術層面、過程層面和政策層面。BIMOPM3模型明確了評價BIM應用分析的基本框架。

2.2 BIM在輸變電工程應用成熟度評價指標體系

本文主要在上述2類模型體系的基礎上，根據BIM在輸變電工程應用的主要領域特點，從應用效果角度分析BIM在輸變電工程應用中的廣泛性、深入性。因此，本位將評價維度分為廣度和深度，BIM應用的廣度根據上述項目全過程、全要素和全組織的應用范圍分析開展評價。根據BIMOPM3模型，BIM應用的深度包括功能深度、組織深度和政策深度[2-3]。功能深度是指應用BIM功能的技術能力和解決問題能力，通過模型開發程度、信息完整度、信息交互能力、信息共享程度以及硬件配置等指標來衡量。組織深度是指組織間協同應用BIM的程度和互操作性平臺搭建的程度，通過項目中組織間協同合作深度、各方在BIM應用中的參與度、項目各方的BIM專業水平和BIM工作效率等指標來衡量。政策深度是指在建設過程中BIM應用的標準規范和合同。因此，根據上述分析，建立了BIM在輸變電工程應用成熟度評價指標體系，如表1所示。

2.3 BIM在輸變電工程應用成熟度評價模型

根據表1的BIM應用成熟度評價指標體系，對各指標成熟度進一步進行細化劃分，每個三級評價指標分為5個成熟度等級，由數字1-5來表示成熟度逐漸增加。

表1 BIM在輸變電工程應用成熟度評價指標體系

（1）全過程應用廣度指標：等級1為部分功能應用；等級2為設計階段應用；等級3為規劃階段及設計階段應用；等級4為規劃階段、設計階段及施工階段應用；等級5為全壽命周期應用。其中，規劃階段為BIM模型維護、場地分析、站線策劃、決策支持等；設計階段為方案論證、可視化設計、協同設計、工程量統計等；施工階段為施工進度模擬、施工組織模擬、數字化建造、物料跟蹤等；運營階段為竣工BIM移交、資產管理、運維計劃項目財務；拆除報廢階段為項目拆除、項目退役。

（2）全要素應用廣度指標：等級1為單一要素應用；等級2為少數要素應用；等級3為多數要素應用；等級4為絕大部分要素應用；等級5為安全、質量、進度、成本和人員等要素應用。

（3）全組織應用廣度指標：等級1為單一組織應用；等級2為少數組織應用；等級3為多數組織應用；等級4為絕大部分組織應用；等級5為政府部門、業主、設計單位、施工單位、監理單位和廠商等全組織應用。

（4）BIM三維模型開發程度指標：等級1為概念體量設計；等級2為方案及初步設計；等級3為細部設計（施工圖及深化施工圖）；等級4為加工制造；等級5為竣工后模型。

（5）BIM信息完整度指標：等級1為幾何信息；等級2為幾何信息、構件編碼信息；等級3為幾何信息、構件編碼信息、位置信息；等級4為幾何信息、構件編碼信息、位置信息、功能參數信息；等級5為幾何信息、構件編碼信息、位置信息、功能參數信息、監控傳感器信息。

（6）BIM信息交互能力指標：等級1為人工收集與讀取；等級2為BIM提供有限數據讀??；等級3為BIM提供完全數據讀?。坏燃?為BIM實現有限實時交互；等級5為BIM實現動態實時交互。

（7）BIM信息的共享程度指標：等級1為無共享；等級2為有限信息通過軟件之間各自協議轉換共享；等級3為大部分信息通過軟件之間各自協議轉換共享；等級4為部分軟件使用統一IFC格式或其他進行數據交換；等級5為全部軟件使用統一IFC格式或其他進行數據交換。

（8）硬件配置指標：等級1為設備不齊全、配置不滿足BIM要求；等級2為設備齊全、配置滿足BIM要求；等級3為設備齊全、配置支持BIM快速運行要求；等級4為設備齊全、配置超過BIM快速運行要求；等級5為設備齊全、配置超過BIM快速運行要求，后備充足。

（9）項目組織間協同合作程度指標：等級1為沒有合作；等級2為有一定合作；等級3為各方按照BIM要求合作，配合程度一般；等級4為各方按照BIM要求合作，配合程度較高；等級5為各方按照BIM要求積極合作，共同解決問題。

（10）項目各方BIM應用的參與度指標：等級1為參與度很低；等級2為參與度較低；等級3為參與度一般；等級4為參與度較高；等級5為完全積極參與。

（11）項目各方的BIM專業水平指標：等級1為很低；等級2為比較低；等級3為一般；等級4為比較高；等級5很高。其中，專業水平指各方人員能否熟練使用BIM及BIM相關應用。

（12）BIM工作效率指標：等級1為很低；等級2為比較低；等級3為一般；等級4為比較高；等級5很高。其中，判斷工作效率的標準是看工期是否縮短、工作錯誤是否減少和工作質量是否提高。

（13）BIM標準和規范指標：等級1為無BIM相關標準；等級2為有BIM示范項目，無標準規范；等級3為出臺了相關實施準則和指導方針；等級4為出臺行業標準、判定體系等；等級5為國家、行業、地方等系統規程、指導方針明確。其中，BIM標準規范包括3類：分類編碼標準、數據交換標準、數據產生標準。

（14）BIM合同指標：等級1為有BIM工作的基本內容及交付要求；等級2為明確規定BIM建模深度、模型數據格式；等級3為明確BIM負責人及職責，各參與方的職責、報酬和義務，執行過程的各項規范；等級4為有項目BIM模型成果的交付格式和深度；等級5為有項目專有技術和專利等成果的產權歸屬。其中，判斷依據有BIM合同主要內容詳細程度、履約和報酬等要素。

根據BIM在輸變電工程的應用水平，將BIM應用成熟度評價結果劃分為5個等級[4-5]，分別為：初始級，BIM應用準備階段；可定義級，基于對象的建模階段；管理級，基于模型的協作階段；集成級，基于協作的集成階段；優化級，集成化項目交付階段。

3 算例分析

3.1 BIM技術應用實例

某500 kV輸變電工程采用廣聯達BIM5D平臺進行BIM應用實施，通過三維模型數據接口集成土建、鋼構、機電、幕墻等多個專業模型，并以BIM集成模型為載體，將施工過程中的進度、合同、成本、工藝、質量、安全、圖紙、材料、勞動力等信息集成到同一平臺，模型效果如圖1所示。

圖1 500 kV戶內變電站BIM模型

工程依據施工藍圖及變更修改圖建立變電站三維信息模型，包括建筑、結構（包含鋼結構）、電氣、機電等各專業模型。采用的建模軟件為Au todesk Revit（用于土建和電氣建模）、Tekla Structures（用于鋼結構建模）。采用Lumion軟件制作三維漫游視頻，如圖2所示。

圖2 500 kV戶內變電站三維漫游全景

通過Navisworks軟件對變電站BIM模型進行硬碰撞和軟碰撞的檢查，如圖3所示。

將審查的施工進度計劃和實際施工相關的時間數據導入到BIM5D平臺，實時比較，以關鍵節點為界限進行對比分析，找出進度問題，進行針對性管控。

3.2 BIM應用成熟度評價

按照給定的建設項目BIM應用成熟度等級劃分、評價指標的評分標準，判定所選工程案例的成熟度等級和BIM應用水平。

指標權重采用層次分析法確定，構建了各層次指標的兩兩比較判斷矩陣表，由于本評價模型具有較大的主觀性，因此邀請全程參與該項目且工程經驗豐富的10位專家對指標進行兩兩比較判斷，取各位專家打分的平均值，得到各指標的權重，再針對項目中BIM應用情況，進行成熟度評價，評價結果如表2所示。

表2 某500 kV輸變電工程BIM應用成熟度評價

圖3 500 kV戶內變電站碰撞檢查

由此，該項目得分為3.0225分，在管理級和集成級之間，處于基于模型的協作階段和基于協作的集成階段的中間水平。項目的BIM應用已經取得一定成果，完成了部分專業的BIM建模，模型精細度較高。

4 結論

建立BIM輸變電工程應用成熟度模型，主要是為正確認識現階段BIM的應用實際，理清輸變電行業未來BIM發展的思路和途徑，從而推進輸變電行業信息化和項目管理水平的提升。結合成熟度模型和案例分析結果，對在輸變電行業進一步普及和深化BIM應用提出以下建議：

（1）提高項目參與人員的BIM專業水平。根據案例評價情況，項目業主、施工單位和監理單位雖然合作建立BIM模型并應用于項目管理中，但是能夠熟練應用BIM技術的只有BIM咨詢團隊，項目直接參與單位的BIM專業水平難以滿足BIM全過程應用的需要。

（2）加快輸變電工程BIM軟件的研發。根據案例評價情況，項目BIM模型在解決遇到的技術難題時并未有效、高效地發揮作用，其主要原因為：雖然目前數據交換和共享方面取得一定成果，但設計、施工、運維階段的數據傳遞還沒完全打通，從業主、設計到施工對模型的信息共享程度太低；BIM軟件數據的互操作性差，不能跟蹤進度和成本，缺少應用接口；缺少信息化標準，雖然目前BIM軟件很多，但這些軟件由不同的開發商研發，并不具備互傳信息的功能。

（3）加快形成BIM輸變電行業應用標準體系。制約BIM在輸變電行業發展的重要因素之一是軟件及軟件接口的成熟度和各數據格式的標準化，可通過規范、合同等約束，引導各軟件廠商在開發的過程中進行溝通交流，制定一個統一的開發原則，引導各參與單位在BIM模型建立過程中統一數據格式，標準化數據接口。