利用GIM 技術開展變電站施工方案推演的探索

宋曉寧 杜 宏

（1、國網青海省電力公司，青海 西寧810008 2、北京洛斯達科技發展有限公司，北京100120）

1 概述

三維設計是三維建模、數字化協同設計、數字化設計成果移交技術與地理信息系統、現代遙感技術的集成應用，可實現工程的三維虛擬展示和信息一體化應用，達到提高設計質量、推動設計技術進步、構建數字化電網、服務工程全壽命周期價值提升的目的。

將三維設計成果，推廣到后續的施工建設階段，提升輸變電工程施工的數字化和信息化，將為打造公司數據資產提供數據支撐，建設公司全業務統一數據中心，實現工程數據全壽命周期應用價值最大化創造技術條件。

國家電網有限公司借鑒BIM技術，開展了電網領域的三維設計模型GIM研究。GIM將可傳承性的輸變電工程信息加以規范，建立統一的模型框架和描述方式，實現不同平臺的采集及應用。GIM技術以數據庫為基礎，研究通用的模型接口技術和統一的編碼系統，建立貫穿輸變電工程全過程的信息模型。

根據國家電網有限公司要求，從2018 年下半年開始，公司新建35 千伏及以上輸變電工程全面應用三維設計；同步開展GIM三維設計成果在施工階段的應用探索。借助先進的信息技術手段提升基建施工方案設計的質量，尋求更加直觀、全面、高效的輔助設計手段，進一步提高基建施工方案的水平，更好地支撐電網建設。

2 進行變電站施工組織方案設計的關鍵技術

2.1 GIM數據預處理和三維解析

由于GIM數據標準為基于三維設計平臺的通用交互格式，所以其中必然存在大量的非三維相關信息，各種模型的關聯關系也與建模方式密切相關；同時參數化定義的形式在進行三維還原的時候存在較大自由度；并且其接入其他外源數據（STL、BIM等）的特性，使得需要借助其他成熟三維引擎輔助處理。綜上所述，GIM數據的三維可視化是一個自由度較大、綜合程度較高、處理難度較大的過程，為達到最優化、最高效的三維可視化效果，GIM原始文件數據需要經過數據結構優化、表面建模、引擎優化等多個步驟。

目前本例已實現的GIM變電站三維可視化中，需要經過一系列的數據預處理、參數化建模、數據庫構建、三維引擎優化等步驟，主要流程包括原始文件解析、參數化建模、三維數據建庫、設備/整站組裝、模型復用、分塊調度等多個步驟。

2.2 施工工序的分解和抽象

變電站施工過程是一個復雜而有序的系統工程。其中施工工序是組成各個單位工程的最小單元，由單位工程組成分項工程。整個變電站施工工程由多個分項工程組成，從而將整個施工過程抽象為“分項工程→單位工程→施工工序”的三級結構。

這是單純由施工組織設計的角度來劃分的，與GIM標準模型的劃分并不能完全對應。因此需要在GIM 數據處理的基礎上，結合實際的施工工序內容，來進行重新的組織和映射。根據在項目應用中的實際情況，總結了根據施工對象的類型，來對GIM模型重新進行分類和組合。

重新劃分的工作，需要協調設計單位來按照劃分的說明來，修改原始的設計成果。重新組合，則無需設計單位處理，只需在對GIM成果預處理過程中，對各個組成部件，進行合并處理，形成新的組合體，并對屬性進行相應的處理。

圖1 GIM 格式數據處理流程

表1 GIM 重新劃分的類別及說明

3 進行變電站施工組織方案設計的數據準備

在分析GIM多層文件結構和引用關系的基礎上，結合渲染引擎特點和GIM可視化業務需求，設計了合理高效的GIM成果模型結構和模型數據庫。

在設計中充分考慮了模型的動態調度、高效渲染需求，支持模型LOD、分層分塊及模型復用等。

采用輕量級數據庫SQLite 存儲GIM成果模型，比文件型的模型數據更具安全和保密性，同時較少文件IO，有利于模型的高效加載。

3.1 參數化模型組裝

GIM 標準原始的參數化模型關聯關系為CBM1-CBM2-CBM3-CBM4-DEV（多級）-PHM（多級）-MOD（多級），而CBM1-CBM2-CBM3-CBM4-DEV（前兩級）這些數據是有實際物理意義的數據（按照整站- 場區- 分區- 設備- 部件等層次關系劃分），按照三維可視化的需求會被入庫，這些數據基本都會有屬性掛接，不能簡單組裝合并。

具體的Mesh 在DEV 里面，存在MODELDATA 表里面；為了調度的方便，設計多加了一層Tile 的Mesh，就是分塊內部的所 有 CBM4 模 型 合 并 的 Mesh 數 據，Mesh 也 是 存 在MODELDATA 表里面。

3.2 IFC 模型重組

IFC 目前是國際通用的BIM標準，在GIM中表達土建與結構。GIM模型中IFC 的數據量大，單個模型三角面可達千萬級，總體數據量達2～4GB；同時IFC 的結構復雜，包含電纜溝、采暖通風、支架、爬梯、排水管道等，土建結構對變電站可視化影響較大。基于以上特點，研究IFC 內部實體模型的復用關系，通過模型復用減少模型數據量，同時減輕可視化系統的壓力。

IFC 模型亦為參數化定義，直接展開數據量巨大，需要重新展開、梳理IFC 模型內部的各種層級關系，通過相同模型進行復用，簡化多層級引用關系等，生成優化重組的三維模型。項目采用Xbim、IFCViewer 等開源庫及工具，實現了IFC 模型文件的解析，并深入研究內部實體間的關系，成功解讀出實體模型的復用關系，采用實體- 矩陣的結構，顯著減少了IFC 模型的數據存儲量。

圖2 IFC 模型示例

3.3 整站模型組裝

以設備組件對象為建模單元，通過引用矩陣關系進行整站設備模型拼裝，將設備模型與其位置、屬性建立統一序列標識，進而組織成完整的帶有屬性信息的變電站整站模型。這種模型組織方式既保留了變電站GIM模型的局部設備的獨立性，也保證了全局模型的完整性。

引用關系高效復用。針對相同設備模型進行復用，簡化多層級引用關系，所有數據扁平化處理為整站- 設備- 模型實體三個層級，達到最高效的模型復用關系。

設備組裝。根據優化的模型復用關系，組裝整站所有設備模型。

局部數據優化調整。針對局部的土建、基礎、設備貼合過近容易造成閃爍效果、以及部分冗余錯誤數據，根據可視化的效果需要對此部分數據進行位置偏移、數據刪除等處理。

4 變電站三維施工方案推演的主要步驟

施工方案推演能夠更加直觀、全面的對變電站項目施工方案的全過程，從而提高施工進度管理的科學性。系統通過如下五個步驟來實現方案的制定和推演。

4.1 設備選型

系統內置了常見的施工機械和設備，這些模型數據都具有各自特點的參數化屬性。在系統預設的設備設施庫中，選擇適合施工工序的機械和設備。在選擇的過程中，可以同步瀏覽機械和設備的屬性。

圖3 設備選型功能界面

4.2 施工布置

通過交互操作的方式，在三維場景中，布置各類施工要素。可以通過不同的工具，來調整施工要素的位置、朝向和尺寸。同時，可以施工要素的參數，來定制如吊車吊臂的長度和抬升的角度。調整過程中，如果與周邊的設備，發生了空間上的沖突，系統將高亮來提醒用戶。

圖4 施工布置功能界面

4.3 工序規劃

利用網狀的流程圖，來標示施工工序的先后順序。通過工序節點間的連線，來建立工序間的前置后續關系。在細節面板中，設置工序節點的施工人數、施工機械、施工周期等基礎參數，并建立節點與三維場景中GIM數據和施工布置數據的聯系，將工序與三維場景關聯起來。以網絡圖變電站施工工序規劃方案中一級對象（單位工程）與二級對象（最小安裝單元工程）在時間維度上的展現。

圖5 工序規劃功能界面

4.4 生成計劃

根據施工節點的連線順序，自動生成施工方案的施工計劃。施工計劃以甘特圖的形式呈現。甘特圖控件可展示工序規劃方案中項目工程的層級結構，以及工序對象的先后關系。

圖6 生成計劃功能界面

4.5 模擬推演

通過推演功能實現變電站施工方案的動態模擬。按照施工工序中的設置，依照施工計劃的進展，顯示或隱藏變電站本體，或施工元素，來展示施工的過程。在推演過程中，可以隨時改變觀看的視角，來發現方案的設計思想，或者不合理的地方，便于優化方案。

圖7 模擬推演功能界面

5 變電站三維施工組織方案設計的實際應用情況

本系統依托于青海冷湖330kV 新建變電站項目，開展研究工作，但從項目開始，就嚴格遵循國網GIM標準規范，因此如果其他變電站有符合GIM 標準的三維設計成果，且數據質量良好，層次分類合理，都可以應用本系統。因此系統在變電站施工建設領域具有廣闊的應用前景，是利用GIM標準數據開展施工管控的通用性平臺。

GIM標準，是國網從全局高度出發，制定的信息化的基礎設施，其設計初衷是要成為類似BIM 的行業標準，成為電力基建行業的全生命周期的數據標準。

同時隨著電力行業突飛猛進的發展，電網基建的項目也越來越向信息化、智能化的方向發展。本項目作為GIM標準在基建施工領域的領先探索，可以在后續眾多的變電站工程中，提供可借鑒，可復制的經驗。

但由于目前尚處于GIM標準推廣的初期，在實踐過程中，發現從三維設計的成果，到輸出標準GIM 數據之間，還有大量的工作要做。由于本系統完全以GIM設計成果作為數據基礎，因此應用成果的質量完全依賴于GIM 成果數據的質量。隨著GIM標準應用的推廣，數據的質量必然會隨之提升，系統的實用度也會隨之而提升，并進而推廣到施工領域的其他專業，比如安全培訓、成本估算、施工監測等場景中。

6 結論

針對目前設計階段和施工階段，缺乏直接快捷統一準確的數據溝通方法的問題，以及由此導致的施工組織設計無法精確進行信息化改造的問題，應用成熟先進的數據處理方法和三維空間圖形顯示技術，開展在GIM標準下，數據處理及可視化，以及交互式施工組織設計方法的研究，取得豐富的技術成果。

（1）通過項目實施，探索出了一條解析和處理GIM 格式三維設計數據的方法。通過解析GIM數據，能夠完整準確地獲得設計人員的設計意圖，能夠精確直觀地表達設計細節，能夠全面高效地反映設備設施的信息。但是GIM數據同時又具有數據龐雜，類型豐富的特點，本次項目實踐，采用了層次細節模型、同類合并、模型替代等技術手段，實現了對GIM數據的清洗、結構化重組和分類入庫等處理工具，極大地暢通了GIM數據應用的路徑。

（2）通過項目實施，摸索出在三維設計成果的基礎上，進行施工組織設計的應用方案。施工組織設計是在項目進入施工階段后的第一項工作，同時也是關鍵的一步。能直接在三維設計成果的構成的場景中，直觀地進行工序的規劃、設計參數的查詢以及施工場地布置等施工方案可視化編輯工作，這改變了施工組織設計的傳統作業方式，從流水線式的模式，過渡到快速迭代試錯的模式，這既降低了對施工組織設計人員的專業知識要求，縮短了設計交底和設計文件理解的過程，使設計人員的精力，更能聚焦到方案的優化過程中，從而提升施工方案的質量和效率。

（3）通過項目實施，驗證了在具有設計精度的三維場景中的，利用多種空間分析工具，輔助進行施工方案優化的方法。與以展示變電站效果為主的系統不同，本系統與導入的GIM標準數據具有同等的數學精度，因此具有了在此基礎上進行精確空間分析計算的可能性，系統在解決了大量計算帶來的性能壓力的前提下，初步試驗了空間量測、碰撞分析、通過性分析等空間分析方法。這些方法為進行施工方案優化提供了有力的支撐。