基于BIM+智慧變電站基建管理系統研究

弓國軍 符國暉 周亞敏

摘要：隨著大數據、云計算等技術的不斷發展，電力企業積極開展數字化基建工作，推進企業的數字化轉型。傳統的二維圖紙存在形象性差等缺點，本文采用傾斜攝影和激光點云技術與BIM技術相結合的方法建立BIM模型，并對模型進行了輕量化處理;利用物聯網、云技術把設計、施工階段的BIM模型與業務管理系統相結合，搭建了BIM+智慧變電站基建管理系統平臺。本文對智慧變電站基建管理系統的研究將促進電力工程建設管理向三維化、可視化、數字化轉型，有效提升企業的科學決策能力和管理水平。

關鍵詞：BIM;智慧變電站;基建管理;模型建模

隨著電力能源行業的不斷發展，數字化和物聯網將成為核心基礎設施，智能互聯傳感器能夠根據需要收集、處理和轉換數據，新一代電力系統、智能電網控制及運行等能源技術取得了突破性進展，能源企業通過對豐富數據進行智能分析，進而提供能源設備實時監控、智能家居、消費分析等服務[1]。數字技術是第四次工業革命的核心技術，數字化轉型已成為未來能源及電力企業發展的關鍵戰略。

近年來，隨著我國電網建設力度的加快及發展方式的轉變，電力企業加快部署數字化建設和轉型工作，積極開展電力工程基建的數字化工作。利用大數據、云計算、物聯網及可視化技術手段，對電網工程的設計、施工等資料進行三維數字化統一集中管理，打造三維數字化電網，推動基建工作三維標準化，實現基建的管理創新[2]。同時，通過構建電網工程三維數字化應用服務平臺，實現核心資源集中管理、統一調控、優化配置、合理布局，促進數據流轉與共享，實現生產過程數字化模擬與智能決策。

建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM），是在工程項目設計、施工、運營與管理全生命周期內，面向多參與方協調、數據共享、信息集成管理與利用的虛擬仿真技術，通過三維數字技術模擬建筑物所具有的真實信息，提供相互協調、內部一致的信息模型[3]。隨著BIM技術在在輸變電工程中的應用逐步深入，從以設計階段應用為主，向規劃、設計、施工和運行檢修階段全面應用擴展，提升了工程精細化管理能力與整體管理績效[4]。可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性，以及一體化性、參數化性、信息完備性是BIM技術最主要的特點，由于整個設計、施工、運營的過程就是一個不斷優化的過程，如果合理的應用BIM技術，整個管理周期內項目會等到更好的優化、更好運營效果[5-6]。BIM模型所包含的工程數據在其整個建筑生命周期中的各個時期都可以進行整改，以達到設計周期縮短、設計施工成本減少、返工減少的作用[7]。

本文在某110kV變電站基建工程實例的基礎上，開展BIM技術的研究與創新應用，打造具有數字化特色的智慧變電站基建管理系統。首先介紹了BIM技術在工程建設階段的應用，然后提出了智慧變電站基建管理系統建設思路，最后介紹了本文的BIM模型建模方法，展示了BIM+智慧變電站基建管理平臺的部分功能。利用BIM技術實現基于統一工程信息模型進行數字化設計和施工，實現項目協同管理，減少錯漏碰、避免返工、節約成本、提高效益和質量，并為變電站未來智能化運維、檢修，提供有力的數據支撐。

1 ?BIM技術在工程建設階段的應用

BIM系統采用三維建模技術構建項目立體模型，對建筑物外立面進行高質量渲染并制作動態特效，對建筑物內部通過仿真的紋理、光效進行渲染，給人以真實感和直接視覺沖擊，并通過數據集成與智能終端，實現虛擬與現實的無縫銜接與聯動。

（1）項目規劃決策階段

BIM技術對于建設項目在技術和經濟上可行性論證提供幫助，提高論證結果的準確性和可靠性。在項目規劃階段，業主需要確定出建設項目方案的技術與經濟可行性和是否滿足類型、質量、功能等要求。規劃階段主要用于現狀建模、成本預算、階段規劃、場地分析、空間規劃等，BIM技術可以為廣大業主提供概要模型，針對建設項目方案進行分析、模擬，從而為整個項目的建設降低成本、縮短工期并提高質量。

（2）項目實施階段

基于傳統工程管理下的施工計劃、施工質量和施工安全管理，主要由于工程與圖紙之間不存在協同關聯、施工原材料質量檢驗單一、施工過程質量控制不到位和施工場地安全隱患控制工作不充足、施工人員安全意識不足，導致施工方面的施工進度計劃調整、施工質量不合格和安全事故發生頻繁。而BIM技術的核心就是把信息化結合到工程項目的設計中，使BIM模型與設計、施工管理之間存在協同關系，提高工程項目管理水平，在很大程度上使項目施工管理有了可觀的改變。

（3）項目使用運維階段

在BIM參數模型中，項目施工階段做出的修改將全部實時更新并形成最終BIM竣工模型，該竣工模型將作為各種設備管理的數據庫為系統的維護提供依據。建筑物的結構設施（如墻、樓板、屋頂等）和設備設施（如設備、管道等）在建筑物使用壽命期間，都需要不斷得到維護。BIM模型則恰恰可以充分發揮數據記錄和空間定位的優勢，通過結合運營維護管理系統，制定合理的維護計劃，依次分配專人做專項維護工作，從而使建筑物在使用過程中出現突發狀況的概率大為降低。

2 ?BIM+智慧變電站基建管理系統建設思路

在開發BIM技術之前，整個項目生命周期涉及到的規劃、設計、施工、運營和維護管理，只能通過2D圖紙說明來進行，并且對施工現場管理的實際幫助還非常有限。原因在于2D圖紙不具備聯動性，對其管理、保存以及閱讀都有一定的限制，而近年來BIM技術的發展，使包含建筑信息的三維BIM模型，在與施工進度計劃結合后，形成了可以對施工進度控制的4D模型，甚至可以與成本單價單個結合形成5D模型對項目成本管控，還可以通過專用BIM軟件制作4D施工模擬動漫，有利于提高工程施工的前瞻性。在BIM技術應用與實踐過程中存在的問題主要有：（1）業主、監理、施工單位沒有平臺對三維設計成果進行可視化瀏覽;（2）二維圖紙形象性差，缺少三維可視化評審輔助工具;（3）三維模型資產未能與業務深度融合，無法促進管理的轉型與提升等。

由此可見，建設統一的變電站基建工程三維數字化管控系統勢在必行，通過三維數字化系統，打通設計、施工、驗收、運營項目管理全生命周期，以三維模型為載體，提高工程建設的集成化程度，實現信息共享和無損傳遞，提高工程建設的質量和效率，促進工程建設行業生產方式的轉變，為智慧化、數字化基建的轉型提供支撐。

基于BIM技術為一體的施工管理平臺建設是一個“研發、應用、優化、深層探索”的過程，能夠協調管理建設工程全生命周期中各參與方的工作。本文BIM+智慧變電站基建管理系統建設思路，以基建全過程管理為主軸，以六大管理為核心，以三維模型為載體，將三維模型與業務進行深度融合，打造進度可視、過程透明、管理智能的可視化基建管理系統，實現信息的無縫共享和全過程可視化三維管控，促進工程建設管理向三維化、可視化、數字化轉型，提高設計、施工、運維乃至整個工程生命期的質量和效率，提升科學決策和管理水平，如圖1所示。

3 ?基于BIM+智慧變電站基建管理平臺

采用“平臺+終端”打造BIM+智慧變電站基建管理平臺，通過靈活接入與統一集中監控，實現基建的數據化管控。其次，結合移動應用，對變電站基建項目管理進行全面覆蓋，平臺架構，如圖2所示。

3.1BIM模型建模

BIM模型作為智慧變電站基建管理系統建設的載體，貫穿整個基建項目的全過程，因此模型的建模尤為重要。本文將三維建模軟件的人工模型與采用傾斜攝影、激光點云技術的三維模型相結合，構建更加真實、便捷的BIM模型。此外，本文還對BIM模型進行了輕量化轉換，進一步提升用戶體驗。

3.1.1 ?傾斜攝影

傾斜攝影測量技術改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界[8]，如圖3所示。采用傾斜攝影技術進行三維建模具有以下優點：

（1）真實性。傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實的反映地物的實際情況，極大的彌補了基于正射影像應用的不足。

（2）低成本。采用人工建模方式一兩年才能完成的一個中小城市建模工作，通過傾斜攝影建模方式只需要三至五個月時間即可完成。

（3）數據量小。傾斜攝影技術獲取的影像的數據量小，其影像的數據格式可采用成熟的技術快速進行網絡發布，實現共享應用。

BIM技術和傾斜攝影模型可以很好地結合，通過統一的地理空間坐標，兩者可以實現疊加瀏覽、相互補充。在宏觀視角，通過傾斜攝影快速獲取變電站的整體走向和分布;在微觀視角，可以借助BIM了解變電站的幾何細節、查詢屬性，并通過傾斜攝影模型獲取周邊環境信息。

3.1.2 ?激光點云

激光點云技術是利用三維激光掃描建筑物形成三維點云數據，用于獲取高精度高分辨率的數字模型，如圖4所示。三維激光掃描技術利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據[9]。相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。三維激光掃描技術具有速度快、精度高、面測量和非接觸式等優點，有效地解決了施工現場復雜的測量問題。

在施工過程中BIM模型是至關重要的，采用三維掃描技術作為有效連接BIM模型和工程現場的紐帶。三維激光掃描通過高精度點云可以迅速高精度復制施工現場，在不影響施工前提下，將施工過程數據完整保留，從而有效地、完整地記錄下工程現場復雜的情況。

3.1.3 ?模型輕量化

基于桌面的三維模型大多數采用單文件或幾個文件來存儲模型信息，而單個大文件不利于網絡端傳輸。一方面，大的文件傳輸需要更多的等待時間，另一方面，用戶需等待模型下載完成后才能解析顯示。因此，需對模型文件進行轉換，把原始的模型文件轉換為適合網絡傳輸和輕量化顯示的文件格式。設計三維模型輕量化流程如下：

（1）構建模型流。與在線視頻播放一樣，用戶不需要下載和緩存完整的視頻才能觀看，只要點擊播放后邊下載邊緩存邊播放。下載過程，用戶不需要等待，可以進行其他操作。

（2）幾何唯一性表達。在模型轉換過程中，把具有相同形狀的幾何對象進行唯一性表達。使用相似體的識別算法可以大大減少幾何體的數量，減少模型的大小。

（3）數據壓縮。數據壓縮可以大大減少網絡傳輸時間，尤其對于json和幾何數據，算法可以達到幾倍的壓縮率。

（4）模型封裝。將BIM模型的展示、操作（比如放大、縮小、刨切、點選構件、透明、著色、測量、漫游等）、BIM數據提取等功能以API的形式進行封裝。

3.2BIM+智慧變電站基建管理平臺

平臺的功能主要包括技術監控、造價監控、基建采購監控、質量監控、安全監控、進度監控、現場監控和數字化資料管理等，通過這些功能可以實現對當前項目的造價、進度等信息進行360°全景監控，可以更加直觀地了解項目的進展情況。下面主要對技術監控和造價監控為例對平臺進行簡要地介紹。

3.2.1 ?技術監控

技術監控主要包括設計成果展示、模型版本管理、設計輔助評審、評審問題跟蹤和設計變更。其中的設計成果展示主要功能如圖5所示，包括：（1）分專業展示，可從設計的角度，對三維模型進行分專業瀏覽，主要包括電氣、土建兩大專業。（2）設備臺賬樹管理，將臺賬樹中主要設備與模型進行關聯，通過點擊臺賬樹中的設備可快速進行三維設備模型的定位。（3）三維模型屬性查閱，點擊主要設備模型可鉆取設備的屬性信息，主要包括設備型號、額定電壓、出廠廠家等。（4）二維設計圖紙管理，將電氣一次、電氣二次、土建等部分的二維設計圖紙進行系統固化，并將二維設計圖紙與三維模型進行關聯，通過鼠標點擊可進行二維圖紙與三維模型的靈活切換。（5）BIM模型空間漫游，使用者可身歷其境般的進行實景漫游，使用鍵盤上控制鍵或者鼠標可進行前后左右的自由移動，實現零距離查看變電站基建工程中的各種細節。

3.2.2 ?造價監控

造價監控包括概算監控、資金計劃監控和費用變更監控。概算監控給出了總概算視圖及四大科目的費用分布，將概算、清冊與主要模型關聯，并對相關主要設備的費用進行可視展示，如圖6所示;資金計劃監控通過圖形化方式，對所有合同的數量、總金額、結算情況、結算金額進行統計，點擊可鉆取相關合同清單;費用變更監控結合概預算，根據設計變更單與費用變更單，對項目的費用變更情況進行統計，構建鮮活、三維可視的費用變更視圖。

4 ?結論

本文采用傾斜攝影和激光點云技術與BIM技術相結合的方法建立BIM模型，并對模型進行了輕量化處理;利用物聯網、云技術把設計、施工階段的BIM模型與業務管理系統相結合，搭建了BIM+智慧變電站基建管理系統平臺。該系統以BIM模型為載體，集項目所有的幾何、物理、功能和性能信息與一體，并貫穿設計、施工、運營全過程，管理者可用通過可視化監控，降低運營管理成本，規避工程延期風險。從而提升企業的精細化管理水平，為電力工程基建管理的數字化發展提供支持。

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