BIM技術(shù)在500 kV黃渡變電站改造工程中的應(yīng)用

紀(jì) 明，錢澤倫

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

通過建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱BIM)技術(shù)的相關(guān)軟件建立的三維數(shù)字模型中包含建筑物構(gòu)架的幾何信息、材料信息等相關(guān)內(nèi)容，并且允許設(shè)計、施工單位根據(jù)設(shè)計需求和現(xiàn)場實際情況進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)和信息的調(diào)整[1]，保證模型在設(shè)計—竣工—拆除的生命周期內(nèi)與現(xiàn)場實際吻合。BIM技術(shù)使得建筑工程信息集成化，提供了工程信息共享的平臺。

BIM技術(shù)作為一個可應(yīng)用于建筑全生命周期的系統(tǒng)工具，具有如下特點：① 參數(shù)化，BIM模型具備建筑物完整信息屬性，這使得分析工程造價、能耗等信息可以完全智能化；② 可視化，與抽象的二維圖紙相比較，利用BIM技術(shù)繪制的三維模型往往更加直觀，就算是非專業(yè)人士，也能通過模型知道，建筑的某一部分是如何構(gòu)成的[2]。這為施工和運行單位的溝通與決策提供了可視化的依據(jù)；③ 協(xié)調(diào)性，不同專業(yè)間的協(xié)調(diào)是工程管理過程中的重中之重。在施工前，針對各專業(yè)間的碰撞點進(jìn)行檢測，降低現(xiàn)場施工協(xié)調(diào)次數(shù)與工程更改次數(shù)，從而提高工程效率；④ 可模擬性[3]，在工程開工之前可以利用BIM進(jìn)行4D模擬、消防安全模擬、可持續(xù)性分析模擬等，從而降低施工風(fēng)險。

本文以黃渡500 kV變電站主變增容及配電裝置改造工程為例，闡述了BIM 技術(shù)在超高壓變電站設(shè)計、施工、管理過程中的相關(guān)應(yīng)用。

1 工程簡介

黃渡500 kV變電站站址位于上海市嘉定區(qū)西南12 km的黃渡鎮(zhèn)、曹安公路南側(cè)安虹路東側(cè)，站址東西長約420 m，南北寬約250 m。目前安裝有4臺750 MVA主變壓器；500 kV出線8回，3/2接線間隔6串，500 kV配電裝置位于變電站西側(cè)，南、北向出線；220 kV出線18回，采用雙母線雙分段接線，220 kV配電裝置(戶內(nèi)GIS)布置在站區(qū)南側(cè)向南出線；500 kV主變和35 kV無功補償裝置在500 kV東側(cè)、220 kV北側(cè)，主變按6號、3號、4號、5號依次南北向布置；主控通信樓布置在站區(qū)北側(cè)，從北側(cè)進(jìn)站。

圖5 黃渡站現(xiàn)狀部分設(shè)備族庫模型

本期改造工程新建4臺1 200 MVA自耦變壓器，替換黃渡站現(xiàn)有5，4，3，6號750 MVA主變。黃渡站改造前和改造后的場地布置圖以一次接線圖如圖1至圖4所示。新建黃渡500 kV屋內(nèi)GIS配電裝置，利用新征地塊建設(shè)500 kV戶內(nèi)GIS配電裝置，形成7個完整串，4臺主變?nèi)窟M(jìn)串。拆除現(xiàn)有黃渡500 kV敞開式配電裝置。本期建設(shè)10回500 kV出線。分別為2回至蘇州特、2回至徐行、2回至華新直流、2回至泗涇、2回備用。其中，渡泗5101線與蘇州特至黃渡線路的一回路在黃渡站內(nèi)配串。

圖1 黃渡站改造前場地布置圖

圖2 黃渡站改造前一次接線圖

圖3 黃渡站改造后場地布置圖

圖4 黃渡站改造后一次接線圖

2 BIM在設(shè)計深化中的應(yīng)用

2.1 三維模型建立

BIM模型庫由各式各樣的族所組成，在設(shè)計最初階段，需建立完整的設(shè)備族庫。族分為常規(guī)構(gòu)件族和特定構(gòu)件族(見圖5)。在一個項目模型中，常規(guī)構(gòu)建族可以通過設(shè)定現(xiàn)有的參數(shù)進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)在項目中的獨特性與適用性。然而，項目中無法通過常規(guī)族進(jìn)行搭建的就必須創(chuàng)建特定族。由于在常規(guī)族庫中缺少與黃渡站現(xiàn)狀相關(guān)的電氣設(shè)備族，因此本次項目共創(chuàng)建特定族文件85個，對現(xiàn)場設(shè)備的覆蓋率達(dá)到80%。此次對500 kV黃渡站站內(nèi)設(shè)備族庫的豐富，同時也給上海電網(wǎng)后期同類型項目實施BIM技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

對族庫進(jìn)行完善后，根據(jù)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，依據(jù)存檔圖紙建模。建立可視化模型，對現(xiàn)場實際情況做到真實還原。與新建變電站不同的是，現(xiàn)役電氣設(shè)備、構(gòu)支架、建筑物以及鐵塔模型也需要全部建入BIM中，隨后可根據(jù)現(xiàn)場實際情況修改平面布置，從而實現(xiàn)工程進(jìn)度可視化的目的。如圖6為黃渡站改造前進(jìn)線部分場地模型，包含了鐵塔、門式鋼架、避雷針、罐式斷路器等。根據(jù)現(xiàn)狀照片與BIM模型的對比，可以看出BIM模型呈現(xiàn)出對現(xiàn)場較高的還原度。

圖6 黃渡站BIM模型與現(xiàn)實照片對比

2.2 管線碰撞測試

圖7 通過BIM發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的通管路徑問題

使用BIM設(shè)計時，不同專業(yè)設(shè)計人員可以將數(shù)據(jù)實時上傳數(shù)據(jù)中心，同時數(shù)據(jù)中心將其他專業(yè)的數(shù)據(jù)反饋給設(shè)計人員。本專業(yè)人員隨時可以了解到與其他專業(yè)的設(shè)計是否存在沖突，發(fā)現(xiàn)問題可通過及時協(xié)調(diào)，避免將問題遺留到施工過程中。通過BIM三維可視化聯(lián)審平臺，發(fā)現(xiàn)圖7左中500 kV GIS室土建部分的結(jié)構(gòu)柱與電氣部分的GIL通管發(fā)生碰撞，圖7右中GIL通管間發(fā)生了穿插。如若等到施工過程中才發(fā)現(xiàn)這些問題，勢必需要將之前確定的GIL通管路徑方案進(jìn)行變更，既增加了施工難度，也延長了工程周期，進(jìn)而提高了工程造價。BIM技術(shù)的應(yīng)用節(jié)約了圖紙會審時間，也提高了設(shè)計團(tuán)隊的工作效率，同時也給施工方減少了不必要的麻煩。

3 BIM在施工過程中的應(yīng)用

3.1 實現(xiàn)高效靈活的場地布置

考慮到施工不能影響站內(nèi)正常巡視，且施工部位和設(shè)備運行區(qū)域必須進(jìn)行有效隔離，通過BIM可視化模型，對站內(nèi)場地進(jìn)行靈活布置，從而確保運行設(shè)備和場地施工的安全。場地布置總圖如圖8所示。由于在施工初期原6號主變還在運行中，為防止施工人員靠近，在其外側(cè)設(shè)置安全圍欄，如圖9所示。在組立過渡構(gòu)架區(qū)時，BIM模型下發(fā)現(xiàn)作業(yè)下方存在220 kV通管，為防止上方墜物對其造成破壞，導(dǎo)致停電事故甚至是人身傷害，需搭設(shè)棚架進(jìn)行保護(hù)，如圖10所示。

圖8 場地布置總圖

圖9 原6號主變外側(cè)設(shè)置安全圍欄

圖10 搭設(shè)棚架保護(hù)

3.2 優(yōu)化施工方案

本工程是在原站址內(nèi)實現(xiàn)12臺主變、500 kV敞開式設(shè)備以及無功設(shè)備的改造，很多基礎(chǔ)建設(shè)需結(jié)合設(shè)備停電實施。因此，利用BIM建模合理規(guī)劃停電施工過渡方案，保證正常施工區(qū)域與帶電設(shè)備保持足夠的安全距離，最關(guān)鍵點確定需停電施工的停電范圍和時間，以便建管單位申請設(shè)備停電計劃。

以BIM模型指導(dǎo)黃渡500 kV新構(gòu)架安裝為例(見圖11)：通過BIM技術(shù)可以1:1實現(xiàn)原站內(nèi)構(gòu)架、鐵塔及導(dǎo)線三維建模，結(jié)合新構(gòu)架布置位置可以直接測量新構(gòu)架與500 kV導(dǎo)線距離，從而優(yōu)化了施工步驟及停電計劃。

(1)首先確定不停電安裝范圍。通過1:1模型測量新構(gòu)架與運行導(dǎo)線距離(需保證10 m以上安全距離)，確定了第一跨門架可不停電安裝；

(2)優(yōu)化了渡泗5108線與5101線停役方案。將原計劃全階段同停施工優(yōu)化為部分同停，先行實施5108線停役時第二跨、第三跨新門架吊裝。減少同停時間，保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定；

(3)渡泗5108線與5101線同停階段，完成5108線翻接至新門架，同時開展5101線門架吊裝，渡泗5108完成翻接即可復(fù)役；

(4)渡泗5101線門架吊裝完成后，導(dǎo)線翻接至新門架，驗收完成后復(fù)役；

(5)華渡5115和5116線結(jié)合華新直流大修全停，實現(xiàn)新門架吊裝及新鐵塔組立工作，導(dǎo)線依次翻接至新門架后復(fù)役。

圖11 500 kV線路搬遷施工過渡階段BIM模型

從圖11中截取的BIM模型中可以獲得相關(guān)設(shè)施所屬的地塊(圖11a)，現(xiàn)場線路的帶電情況(圖11e)，以及現(xiàn)場施工時單側(cè)帶電風(fēng)險等級(圖11d)等信息，它們將作為現(xiàn)場施工平面布置的重要參考。通過該模型，可以優(yōu)化停電實施方案，縮短500 kV線路同停時間，減少現(xiàn)場施工安全風(fēng)險，保證了人身、電網(wǎng)、設(shè)備安全。

3.3 模擬施工

利用BIM技術(shù)3D模擬特點，本工程成功使用模擬承插型盤扣式模板支撐系統(tǒng)施工。根據(jù)施工技術(shù)方案模擬搭設(shè)，發(fā)現(xiàn)有多處現(xiàn)場不能實現(xiàn)的區(qū)域，例如支撐處有1.2 m深電纜溝、部分支撐處有主變設(shè)備基礎(chǔ)以及剪刀撐設(shè)置不合理等等。模擬搭設(shè)發(fā)現(xiàn)的問題及時反饋給方案編制人員，特殊區(qū)域?qū)Υ钤O(shè)方案進(jìn)行修正。盤扣式腳手架安裝過程如圖12所示。

圖12 盤扣式腳手架安裝過程

3.4 實現(xiàn)可視化交底

技術(shù)交底是對施工過程中的一項技術(shù)指導(dǎo)，交底質(zhì)量成為施工過程安全質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素。利用BIM技術(shù)直接將模擬施工以視頻格式導(dǎo)出，實現(xiàn)可視化交底。相對于以往傳統(tǒng)的施工技術(shù)員或總工程師圖紙及方案交底，BIM結(jié)合虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)，可實現(xiàn)施工人員與擬建建筑物的互動感知，從而提高了現(xiàn)場施工人員的理解力[4]，減少了施工人員因理解偏差而造成工程事故的概率。

本工程實現(xiàn)了主變及66 kV GIS室高支模施工可視化交底。利用BIM動畫技術(shù)制作盤扣式高支模工程施工交底視頻，該視頻從施工工藝技術(shù)、施工方法、檢查要求、安全保障措施等幾個方面通過動畫演示的直觀方式實現(xiàn)本項目的技術(shù)要點交底。通過動畫展示，向各方準(zhǔn)確傳達(dá)技術(shù)方案內(nèi)容、施工過程的難點、危險點。監(jiān)理單位、施工單位利用其監(jiān)督現(xiàn)場施工效果，通過模型與實際施工情況進(jìn)行對比，對現(xiàn)場施工質(zhì)量進(jìn)行評價。最終形成3D效果的技術(shù)交底圖(局部)如圖13所示。

圖13 盤扣式腳手架3D模型(局部)

4 BIM在協(xié)同管理過程中的應(yīng)用

對于建設(shè)單位而言，項目從立項到竣工的全過程管控非常重要。由于變電站工程的特殊性，投入運行后的站內(nèi)設(shè)備只能滿足一定時間內(nèi)供電要求。若涉及再次改造，前期工程的資料就顯得尤為重要。因此，在本工程中通過BIM集成全專業(yè)模型，并以集成模型為載體，關(guān)聯(lián)施工過程中的進(jìn)度、合同、成本、質(zhì)量、安全、圖紙、物料等信息后，從而實現(xiàn)了模型協(xié)同，資料協(xié)同，材料數(shù)據(jù)協(xié)同以及工程動態(tài)協(xié)同。在本工程中，各類協(xié)同主要體現(xiàn)如下。

(1)模型協(xié)同。模型輕量化上傳，使其相關(guān)管理人員隨時都能在移動設(shè)備中查看并使用模型。通過后臺電腦可以清楚確認(rèn)人員在場地中的位置，可以通過輕量化測距確認(rèn)其與帶電設(shè)備是否保持安全距離。

(2)資料協(xié)同。BIM數(shù)據(jù)庫集成圖片、office文檔、PDF、視頻等各類文件在線預(yù)覽查看功能，可按需求詳細(xì)對資料文檔進(jìn)行分文件夾、分權(quán)限管理。文件夾劃分支持無線層級，并且每個層級文件夾均可設(shè)置權(quán)限，滿足項目現(xiàn)場實際資料文檔私密性，解決現(xiàn)場資料文檔因外部原因?qū)е聛G失的問題。在為黃渡改造工程中建設(shè)單位權(quán)限最高，可以查看并保存其余各方的資料。當(dāng)其他各方需要下載建設(shè)方的部分資料時，建設(shè)方可以通過資料分享功能來實現(xiàn)各方要求。

(3)材料數(shù)據(jù)協(xié)同。模型構(gòu)件作為工程中的信息載體，通過對模型構(gòu)件(材料)的跟蹤，詳細(xì)記錄跟蹤人員、跟蹤時間、跟蹤地點和現(xiàn)場工作圖片等信息，可顯示工程中材料的明細(xì)，以及各個時間段進(jìn)場的材料統(tǒng)計。通過材料現(xiàn)場監(jiān)控管理界面，確認(rèn)了對應(yīng)材料所安裝的部位。通過移動端采集上傳，并通過平臺將信息反應(yīng)在BIM模型上，從而達(dá)到信息化管理的目的，為后續(xù)管理者查詢管控整體進(jìn)程提供了依據(jù)。

5 結(jié)語

黃渡工程的實施對BIM技術(shù)在電力行業(yè)的推廣具有如下意義。

(1)完善了上海電力BIM的建模標(biāo)準(zhǔn)。采用最新開發(fā)的插件技術(shù)，在模型的初始階段，做到輕量化設(shè)計，為后期平臺以及多數(shù)據(jù)端口的接入提供先決條件。

(2)完善了上海電力行業(yè)的專業(yè)族庫。基于2018國家電網(wǎng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)(行業(yè))，通過大量模塊化，構(gòu)件化，標(biāo)準(zhǔn)化模塊的形成，模型不再是單一的構(gòu)件而是全流程共享的構(gòu)件。

(3)形成電力行業(yè)BIM與施工緊密結(jié)合的應(yīng)用流程，提高了施工管理水平。通過模擬施工過程，提前發(fā)現(xiàn)問題，找到解決辦法，從而提高施工精度和效率。提高安裝精度，構(gòu)架、電氣設(shè)備切換等角度精細(xì)化，通過模擬安裝，縮短安裝周期。

(4)預(yù)先形成經(jīng)過施工論證的運維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。通過BIM模型在施工流程中的全生命周期流轉(zhuǎn)，達(dá)到精細(xì)化，模擬化，智慧化施工與運維管理。經(jīng)過施工階段的增補與修正，形成運維管理階段的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)，保證模型與真實的一致性，并可將模型與后期運維系統(tǒng)連接，達(dá)到智慧化，集成化的電站運維管理。

(5)形成BIM數(shù)據(jù)共享機制。將獨立的BIM模型合模成為完整模型大數(shù)據(jù)，制定工作流程，嚴(yán)格執(zhí)行，通過數(shù)據(jù)提前規(guī)劃工作，避免常見錯誤。確保深化設(shè)計的可行性，支持高效的施工，同時確保了從設(shè)計到施工保持一致性。