BIM技術在模塊化變電站建設中的應用分析

李 俊， 張 凡， 李胤淵， 章蓓蓓

(1.國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230071;2.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

0 引 言

近年來，我國經濟發展迅速，環境污染和效率問題越來越得到社會各界的廣泛關注。傳統變電站一般采用鋼筋混凝土框架結構體系，這種結構體系在施工過程中會對環境造成一定污染，工期和工程質量難以保證，現場管理難度較大，不利于資源的有效利用。模塊化變電站的出現很好地解決了這些難題。在整個建設過程中，模塊化變電站因其高效、環保、資源節約等優點，在社會上引起了廣泛的關注與重視。近幾年來，建筑領域正在逐步推廣BIM技術，將BIM 技術有效地應用于模塊化變電站建設中，可以提高其在設計、生產、施工以及運行維護等階段的效率，促進模塊化變電站得到更好更快地發展。

1 BIM技術對于模塊化變電站建設的優勢分析

1.1 BIM技術特點分析

BIM是一個建立在設計、施工、運營協調和項目信息基礎上的集成過程。BIM 模型創建的過程，是在獲取建筑項目中的各類信息和數據基礎上，將建筑項目的實際信息通過數字信息虛擬技術模擬出來。BIM 技術以三維模型為表現方式，具有高度可視化、多樣模擬化、多專業協調化、可優化性高及可出圖性等五大特點。BIM技術整合項目信息與三維模型，設計單位、施工單位以及后期運行維護部門在內各項目的參與方通過BIM技術能夠正確理解和高效處理各種相關信息，共同協作，提高生產效率，縮短建設工期和降低工程成本，實現項目全生命周期過程中信息的傳遞與共享。BIM技術的特點主要有以下幾個方面：

(1)根據系統的運作模式，結合項目的特點和要求，自動生成目標。

(2)BIM技術兼容性強，不會出現與其他技術不兼容或嚴重沖突的情況。

(3)操作較簡單，能更好地在項目全壽命周期內進行整體把控。

(4)靈活應對突發問題，很大程度上提升工作質量。

(5)不同專業協同完成，大大提高工作效率。

1.2 模塊化變電站特點分析

傳統模式的變電站大多都是鋼筋混凝土結構，在建造使用中存在很多問題。變電站建設復雜，在建站時會耗費大量人力物力，施工進度緩慢；現場設備的組裝、安裝環境惡劣，容易造成環境污染；變電站建成后可靠性也相對較差。為解決這些問題，將傳統變電站建設方式轉變為裝配式施工，推行模塊化變電站。模塊化變電站遵循變電站建設項目全生命周期建設理念，落實國家電網公司“兩型一化”變電站的建設思想的具體措施，按照規定、規范和技術管理的要求，根據典型設計方案進行設計，優化布局和垂直設計。模塊化變電站摒棄傳統土建建筑結構形式，因地制宜，靈活運用標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理、智能化應用等特點，在項目全生命周期內實現功能匹配、壽命協調和成本平衡等目標。模塊化變電站主要有以下幾個特點：

(1)根據國家電網通用設計，實現了高級應用功能的模塊化、標準化和裝配化。

(2)工廠預制式配件及設備，規模生產，高度集成，提高變電站建設的效率。

(3)工廠模塊化制作，實現快速拼裝，減少資源消耗，滿足環保要求。

(4)各模塊單獨成艙，具備足夠的靈活性和可遷移性，適用不同應用場合和復雜地形。

(5)高標準、高要求、高質量安裝電氣設備，保證設備運行安全可靠。

1.3 BIM技術對于模塊化變電站建設的應用意義

1.3.1 BIM技術有助于提高模塊化變電站建設效率

利用BIM技術創建三維模型，協調模塊化變電站的各個建設部分，完整設計出模塊化變電站整個項目，減少設計人員的工作量。BIM技術的運用可以優化施工方案，模塊化變電站建設中施工難點利用三維模型模擬出來，及時發現問題并解決，從而提高施工效率。模塊化變電站建設工程量大，造價控制方面十分復雜，利用BIM模型中存儲的數據信息，精準高效的進行造價計算，避免人工計算中出現的弊端。BIM技術的應用，提升了模塊化變電站建設的效率。

1.3.2 BIM技術有助于提高模塊化變電站建設質量

BIM 技術的三維協同設計解決模塊化變電站中各專業間的沖突，提高了設計質量。模塊化變電站中預制構件通過三維空間建模體現出來，將各種信息集中處理，減少誤差，標準化設計生產，保證了預制構件的質量。模塊化變電站的三維模型，確保了整個項目的整體以及局部工程建設的準確性，能有效地保證變電站工程施工質量，最終實現工程總進度目標。

1.3.3 BIM技術有助于降低模塊化變電站建設成本

設計圖紙中的設備、構件及其他工程材料都存儲于BIM模型，造價人員能快速準確核對工程量，避免因工程量統計的問題造成項目虧損。BIM技術在應用過程中，發現不合理的地方及時修正，校正誤差，避免建設中造成不必要的損耗利用，有效降低了模塊化變電站工程成本。BIM技術增強了模塊化變電站在造價管理方面的效果。

1.3.4 BIM技術有助于實現模塊化變電站建設的全生命周期管理

通過BIM建立的模塊化變電站的模型包含在整個建設過程中的實體物理信息，功能信息和運行信息，BIM技術可以為模塊化變電站建設所有項目參與方提供完整可靠的數據，保證了不同階段的信息的完整性和一致性，為模塊化變電站建設的全生命周期管理提供技術支持，實現全生命周期的集成管理。BIM應用前后對模塊化變電站的項目參與者帶來的改變見表1。

表1 BIM應用于模塊化變電站后對項目參建方帶來的改變

2 BIM技術在模塊化變電站建設各階段中的應用

2.1 設計階段的應用

模塊化變電站的設計是基于分析模塊化變電站系統整體功能，將變電站的總體功能分解為多個獨立的基本單元模塊，依據系列、性能、以及用途等不同的設計要求，選擇的不同的單元模塊，設計新系統。模塊化變電站設計主要包括建筑圍護體系、主要建筑物的建筑方案以及主要結構的結構形式這三個方面。模塊化變電站中綜合管線是設計中重點，涉及各個專業管線與配套設備的設計，以及預制墻板的設計、鋼構件的生產加工，設計內容復雜，綜合管線主要包括電氣設備及線路，給排水管道及線路，通風空調設備及管線及通信線路。變電站采用模塊化設計與裝配式預制構件，可以節省工程開支，縮短建設工期，更好地控制工程進度，建設高質量的模塊化變電站。

基于BIM技術的模塊化變電站的設計是根據信息模型協調各專業的設計，分析模型中存儲的信息數據，對變電站整體設計進行了優化，及時解決模塊化變電站在建設中出現的不合理的問題。BIM協同設計平臺將所有專業設計模型集成為一個完整三維模型，利用BIM技術進行碰撞檢測、協調及優化。模塊化變電站在建設中可能出現的電氣布線空間不足，土建預留，預埋不合理，地下水管消防、接地不合理等問題在施工之前及時優化，避免了后期施工階段可能出現的返工，保證模塊化變電站的建設質量。其次，整個變電站工程中電力設備種類多、敷設復雜、工程量大，利用BIM技術可視化的特點可以直觀地顯示模塊化變電站中電力設備、電纜設備等敷設的具體布置，預先發現設計階段中可能存在的缺陷，并能準確地統計出所需的工程材料。BIM可視化可以形成三維實體圖，使得項目從研究規劃到設計這一階段，設計者能夠有效地形成交互并反饋, 避免了資源的浪費，提高設計效率，實現了模塊化變電站工程的可視化。BIM技術應用于模塊化變電站建設的基本流程圖如圖1所示。

圖1 BIM設計的基本流程圖

2.2 生產階段的應用

預制艙形式的二次設備室是模塊化變電站的重要組成部分，預制艙體形式可分為標準集裝箱、鋼結構箱房和預制混凝土箱房，二次設備的數量和尺寸、電纜溝尺寸等因素都會影響預制艙尺寸的選擇。在模塊化變電站生產階段，二次設備所需的構件均在工廠加工預制后場內組裝調試，保證現場施工基礎與廠內設備集成同步進行，主體基礎完成后進行現場整體組裝，各模塊之間的連接調試在現場完成，在項目總體目標實現的前提下，縮短了施工工期。工廠標準化生產避免了因環境變化引起構件的加工質量，有效地保障構件的制作工藝和使用質量，構件預制的標準化流水線加工提高了構件的生產效率，降低了生產和質量檢驗成本。充分利用預制構件可以有效地減少施工工序，減少原材料的使用量，降低施工管理成本，預制外殼、預制電纜槽等省去現場澆筑和凝固時間，為模塊化變電站建設效率提供了重要幫助。

在模塊化變電站設計階段已將模型所需的尺寸、材質、參數等記錄在BIM信息平臺，例如，預制艙二次設備的數量和尺寸，所需電纜溝的尺寸等都可記錄在內。預制構件生產商可從BIM平臺調取目標參數作為參考，制定合理的生產計劃，實現快速規模生產，再把生產信息重新反饋到BIM平臺。施工方可以從BIM信息平臺了解所需構件的生產進程，調整好施工計劃，做好施工準備。預制艙內二次設備構件生產階段，將RFID芯片植入到預制構件中，將每個構件編寫編碼作為構件的唯一標記。通過RFID技術，相關人員就能從芯片中讀取該構件的所有信息，如構件材質、尺寸、類型和安裝位置等。提高工程管理效率。當設計單位與構件商家出現矛盾時，設計人員可以將問題發送給商家進行反饋，在BIM平臺上，設計師和商家可以討論具體的解決方案，節省時間，提高后期模塊化變電站的施工質量。

2.3 施工階段的應用

由于傳統的二維施工圖不能表現出變電站建設過程中的細節部分，在實際的施工過程中，往往無法指導施工中出現的復雜的情況，因此，容易導致施工過程中出現許多錯誤。利用模塊化變電站BIM模型的可視化特點，工程施工人員檢查和分析模塊化變電站的總體布置，糾正設備布置中的偏差和錯誤，實現變電站的空間資源最大化地利用。BIM技術建立的模塊化變電站三維可視化模型，可以對整體模型進行碰撞檢測，及時發現電纜溝與斷路器基礎之間不合理的地方，再反饋到設計方進行設計優化。三維模型還可以對模塊化變電站內設施的電氣安全距離進行校驗，利用BIM三維模型可視化的特點，Bentley Substation接地系統設計自動生成三維接地布置圖，與站內設備電氣安全距離和其他專業進行碰撞檢查，有效地提高了設備間實時距離檢測的可靠性，為設備和引線的優化配置提供了技術指導。

基于BIM技術的模塊化變電站建設，使得工程實施“預施工”成為可能。BIM技術可以仿真模擬分析模塊化變電站施工現場的裝配吊裝工作，將臨時設施、構配件、垂直機械等布置在合理位置，設置臨時道路的最佳路線以及車輛運輸的路線的分配，確定出最佳的施工方案。將BIM模型導入Navisworks是創建的4D-BIM 系統，通過自動關聯形成4D-BIM可視化模型，之后根據工程實際逐步添加施工任務和進度計劃等信息，對施工進度進行實時跟蹤與監測。BIM技術可以實現三維可視化技術交底，指導安裝施工，優化現場物料堆放等。同時，在施工過程中，通過引入5D-BIM模型來進行過程控制，項目方案的成本可以實時模擬出來，方便后期合理利用各類資金。

2.4 運維階段的應用

由于模塊化變電站的規模和數量不同，站內所需配套設備復雜多樣，運維人員通過傳統方式所能獲取的站內設備狀態信息有限且滯后，也無法全面了解變電站內各種設備的運行狀態，當設備出現潛伏性缺陷和初起故障時，不能及時解決并處理，給運維人員的工作帶來諸多不便。面對出現的問題，運行維護人員需要有較高的技術水平。

運維人員通過BIM技術建立的模塊化變電站可視化模型，能夠準確掌握站內設備各種信息，實時了解變電站設備的具體情況。由于模塊化變電站內的電力設備長期處于帶電運行狀態，從安全性考慮，當設備在運行時，對運維人員進行培訓并不現實。基于BIM技術的模塊化變電站的三維模型結合運行維護管理系統，運行維護人員通過BIM平臺快速掌握變電站各種信息，安全高效的達到對運維人員培訓的目的。同時，BIM系統中的相關平臺可以實時監控建筑物內的設備，尤其是一些高能耗的設備。當高能耗設備出現問題時，根據BIM平臺提供的數據信息，運維管人員精準找到高能耗設備出現問題的原因，并采取措施及時有效地解決問題，使設備恢復正常的運行狀態。

3 總 結

BIM技術在模塊化變電站建設中的應用，響應國家關于綠色生態號召，很大程度上降低了設計失誤率與生產消耗率，將信息數據應用于技術上，在生產過程中全程追蹤指導，突破傳統變電站建設的落后狀態，極大程度上促進了模塊化變電站的發展。但目前我國模塊化變電站建設還是處于初步發展階段，對模塊化變電站建成的驗收與設計等各項工作還沒有形成規范的認識，因此，將應用BIM技術應用于模塊化變電站建設中，需要我們投入人力與物力，培養掌握BIM技術的新型建筑設計人員，研發配套的BIM平臺技術，解決模塊化變電站安裝技術等存在的難題，更快更好地推進模塊化變電站的建設和發展。