基于Revit平臺的變電站三維數字化設計的關鍵因素研究

方鵬 高亞棟 吳祖咸 何凱軍

摘 要：在信息化時代，國家電網對應用大數據和通信技術實現電力系統各個環節的互通互聯展開了大量研究工作。電網工程設計也需要向多專業協同、精細化設計和數據共享方面深入。就變電站三維數字化協同的總體方案進行了探討，基于歐特克公司開發的Revit平臺，分析了專業協同和數據協同技術方面的問題，然后以某220 kV變電站三維設計作為對象，就平臺搭建、整體方案設計、施工圖紙生成和數字化移交進行了實際應用研究。

關鍵詞：變電站;三維數字化;協同

Abstract：In the information age， State Grid has carried out a lot of research work on the interconnection of all links of power systems by applying big data and communication technology. The design of power grid engineering also needs to be deepened in multi-specialty collaboration， fine design and data sharing. At first， the substation 3D digital collaborative scheme is discussed in this paper. Based on the Autodesk Revit formula development platform， it analyzes the professional coordination and data collaborative technology issues， and then taking a 220 kV substation as the research object the paper gives the overall 3D design platform design， generates construction drawings and digital transfer to make the study have practical application.

Key words：substations;three-dimensional digitization;coordination

0 引言

在計算機技術不斷發展的時代背景下，三維數字技術及數據協同共享在設計行業中的應用獲得了前所未有的發展[1-3]。具體到施工的每一個環節，充分利用信息模型以及數據核心，在統一架構的前提下，搭建包含資金流、物資流、工作流的先進平臺，以更好的實現資源共享，同時積極促進采購、施工等眾多方面的縱向集成，工程設計、采購等各種工序的橫向集成，為進一步量化和一體化管理奠定堅實的基礎[4-5]。

目前在國內市政、建筑和道路橋梁領域逐漸開始推廣三維數字技術，但是三維數字化設計在電網行業的應用依然不夠普及，隨著電力物理網時代的到來，智能電網對變電站建設提出了更加嚴格的要求，進一步提升變電站效率和質量迫在眉睫[6-8]。本文深入分析了建筑信息模型BIM在變電站三維數字化協同中的關鍵技術和方案，包括本專業協同、跨專業協同和數據協同，然后以鄭州市某220 kV變電站設計工程為研究對象，就BIM模型創建、整體BIM模型布置、碰撞檢測等方面進行設計，取得了良好的效果，對其他變電站在設計過程中具有一定的參考價值[9-10]。

1 三維數字化技術

三維數字設計的獨特之處主要歸因于與傳統設計相比，避免了大量離散數據的產生，在對各個階段的信息進行搜集確認過程中可以進一步智能化，節約了大量人力物力、進一步有效提升了數據信息的完整性和準確性[11-12]。三維設計最大的優勢便是可以針對結構化數據進行迅速處理，這樣一來保證了工程中設計的大量數據的完整性，不僅如此，還可以有效實現項目各個階段以及整個設計過程的數據共享。

本文三維數字化基于BIM來實現，BIM可以使用線框模型、表面模型或者實體模型來實現對三維模型的表示。本文的研究基于實體模型表示方法，其中實體模型采用布爾運算進行切割、貼合等算法。對于切割算法，傳統的計算方式未無法對變電站的大量曲線和曲面進行精確處理，求解過程需要多次調用交集函數，本文提出利用牛頓迭代公式求解點與曲線之間的切割關系。牛頓迭代算法，如式（1）所示。

該式可以理解為為了求f（xn）=0中x的值，利用x附近某一點xn的函數f′（xi）代入進行迭代求解，直至函數存在且連續。

與傳統的二維CAD設計相比，數字化三維設計手段具有一定的優勢，如表1所示。

1）在各個工作流程以及維護階段的縱、橫向溝通以及交流（以BIM為例）;2）保證項目各環節的健康有序進行;3）對項目整個生命周期進行信息化管理。就BIM本身而言，可以專門針對一些特殊的施工環節進行分析和模擬，同時也可分析模擬施工現場平面布置，提升了整個施工計劃的可行度。另外，BIM還可與施工組織計劃進行結合，從而發揮預演功能，以提升工程的可造型。在對施工組織利用BIM信息化三維技術進行模擬的過程中，可以更加直觀、準確的了解施工的安裝工序和環節，在提升施工效率的同時還能夠兼顧整個安裝過程的要點和難點。

2 變電站三維數字化協同設計方案

變電站設計的三維數字化需滿足以下3個條件：第一，建筑物地下基礎、上部建筑結構以及機電設備等專業確保協同匹配;第二，操作界面簡潔友好，逐步提升被設計師接受和掌握的程度;第三，軟件環境足夠開放，為二次開發提供充足的條件或軟件接口。基于以上三維協同設計要求，本文的基于Revit（Autodesk公司開發），針對其變電站三維數字的設計進行了探索。

2.1 同專業協同

同專業協同主要目的是能夠讓某一個建筑模塊的設計人員同時進行模型設計。其共享的優勢主要表現在協同性方面，對于龐大的三維模型系統，多個人同時進行設計和建模操作，并能夠及時更新設計成果，該方式極大地提升了共享信息的準確性和及時性。在此過程中還可以向其他成員及時的發送變更請求，涉及到的操作有“借用圖元”等，保證交流溝通的順利進行。

2.2 跨專業協同

目前普遍采用的三維協同設計平臺中，主要通過“鏈接”的方式來實現。各專業以鏈接模型的方式對數據進行串聯，模型的共享和設計均在這一平臺中實現。這一優勢主要表現在以下幾方面：首先，模型主體文件獨立存在于數據庫中，關鍵修改操作;其次，修改文件容量小，運行速度快;鏈接文件的讀取和獲取通知具有即時性;但是，跨專業協同的缺陷是不能夠對相關的鏈接模型進行直接編輯，如圖1所示。

2.3 數據協同

為了將設計文件提供合理存儲方式和讀取效率，數據協同是三維數字設計的基礎功能。其內在地包含了項目庫、成品庫以及族庫。這三類最大的區別是儲存的文件類型不同，族庫主要是對有族文件進行存儲和分類的數據庫;成品庫主要是針對項目文件以及涉及到的族數據庫進行存儲;項目庫更多的是對已完結的設計項目文件所有使用族進行存儲和分類。在項目的整個啟動和竣工階段內均會使用到三維協同數據庫，其數據結構流程如圖2所示。

項目實施和完成后，關鍵數據依然可以在其他類似項目總進行套用和流轉，能夠為之后的類似項目設計和改建提供參考。

三維協同數據庫的主要功能包括以下幾點：首先是能夠針對不同層級設計人員分配不同的權限;其次，本專業只能在其職責范圍內進行修改數據，避免出現因錯誤操作而影響其他專業設計成果;最后，數據協同可以詳細記錄操作時間和不同階段的修改細節，進一步減輕項目負責人的工作。

數據庫可存儲較多格式，其中內在的包括了項目自身的模型文件，所用族庫以及相關的圖紙、文檔、計算數據等，保證了整個項目的完整性和一致性，同時促進了數據字化的相關移交工作。

2.4 SLC三維工具包

SLC三維工具包是基于變電站設計所開發的針對性工具包，能夠有效地連接二維原理符號和三維電氣設備，SLC三維工具包的基礎功能就是實現了對數據的刪除、編輯和修正。目前所包括的九個主要功能模塊，如圖3所示。

2 變電站三維數字化應用實例

2.1 工程概況

本文所研究的220 kV變電站位于河南省鄭州市上街區，被鄭州—洛陽—三門峽電網主干線通過，位于鄭州市轄區西部38公里處，與滎陽市接壤。該變電站建設的主要目的是進一步滿足上街區氧化鋁工業用電負荷增長的需求，提升地區電網穩定性。

2.2 整體方案設計

（1） 整體設計

整體設計的目的是真實具體地展示三維變電站方案，確保變電站內的各個空間位置關系合理、距離準確。該220 kV 變電站是一個戶內站，可以從不同的角度觀察全站模型，變壓器側俯視全站三維模型，如圖4所示。三維變電站方案可以實現多角度、多視圖觀察電氣設備模塊的設計效果，發現問題后能夠及時解決。

（2） 邏輯圖設計

Revit平臺對于電氣二維電氣原理符號的制作具有較好匹配性，另外，通過對族文件的編輯有效解決實際智能化設計中的核心問題。在對PVC3維協同數據庫服務器進行訪問時，進行Revit平臺上的客戶端相關軟件的操作，有效實現了對3D族文件的預覽和協同管理。在對三維數字化設計過程中，許多電器元件都應當有對應的電氣原理符號和設備模型，例如電容式電壓互感器，電流互感器等等，電氣布置的相關示意圖，如圖5所示。

（3） 協同設計

Revit系列軟件和三維協同數據庫共同構成了三維設計部分。其目的是展示三維協同設計具體實施過程中的客戶端和服務器之間的關系，同時也包含了數據交換以及協同作業的內容和路徑，將其用不同的顏色進行了一定的區分。

2.3 施工圖紙生成

實現了工程整體方案設計、邏輯圖設計和協同設計后，便可以通過Revit平臺生成施工圖，具體步驟為：

（1） 首先在項目瀏覽器中尋找到相應的變電站項目施工圖紙，新建施工圖圖紙。

（2） 選擇圖框、圖標和圖紙大小，其中包括圖紙的編號、名稱、日期、設計校核人員等信息。

（3） 單擊對應的視圖，將其拖入選定圖紙圖框中，例如可以將不同切面視圖在同一個界面中進行展示，使得所有涉及到的安裝細節能夠體現出來。各種文字注釋和標注的斷面設計，如圖6所示。

2.4 數字化移交

將上街區220 kV變電站作為研究對象，針對數字化移交的詳細信息進行分析，圖7為海河下游變電站的整體三維視圖，如圖7所示。

可以發現數字化移交平臺中包括了4個部分的內容。右上角的詳細信息和漫游設置均可以在軟件中進行編輯，實現了對模型設計的實時控制效果。

3 總結

為研究變電站的三維數字化關鍵技術問題，本文以鄭州

市上街區某變220 kV電站三維數字化設計項目為研究對象，對三維協同技術進行了初步分析探討，然后結合具體的技術方案實現了其三維數字化設計過程，研究發現：

（1） 各個專業通過三維協同平臺實現同步設計后，能及時地對設計成果進行查看，過程中存在的問題能夠及時發現，與處理人員交流次數顯著下降，紙質材料提資的次數也明顯減少，相關的設計效率也可以通過三維設計的視圖關聯功能進一步提升。

（2） 設計效率會隨著數據庫的不斷豐富而得到提升，傳統的圖紙審查方式由人眼核對轉變為數字化移交，只需要通過管理人員在模型中提取即可獲取所需成果。

（3） 現如今變電站三維數字化的設計仍然處于初級階段，與西方發達國家相比還存在著一定的差距。目前我們還需要從以下幾方面進行不斷研究：第一，以模型數據作為前提，對工程造價和工程量進行估算，并且對照一定的數據庫系統來分析和篩選。第二，在三維模型數據庫的大環境中，為相關的管理部門提供更加完整的工程數據，提升施工管理的有效性。

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（收稿日期：2019.09.25）