變電站的BIM建模仿真與應用研究

張群

摘 要：根據變電站建設工程的實際應用需求，對比分析了傳統CAD技術和BIM技術的特點，并將BIM技術應用于實際變電站設計、運行和維護中，采用Bentley Substation 軟件建立了變電站整體BIM模型。結果表明，BIM技術相較于傳統CAD技術的優勢可以更加直觀的獲取變電站工程中各個環節的不同參數，并對不同設施進行管理和監控，可以有效保障不同專業間的協同工作;且相較于傳統CAD技術，BIM技術可以更加方便、快捷和準確，可以起到縮短工程和提升工作效率的目的，采用BIM建模可以實現變電站建設的全生命周期覆蓋，且可以同步實現二維和三維模型展示。變電站整體BIM模型中包含了變電站各個不同的部位和設施的全方位信息，并可以隨時進行二維圖紙和數據移交，以及根據施工進度等完成施工模擬、模型改進和優化。

關鍵詞：變電站;BIM;建模仿真;應用

中圖分類號：TM 63;F 426.61

文獻標志碼：A

文章編號：1007-757X（2020）11-0051-04

Abstract：Based on the practical application requirements of the substation construction project， the characteristics of traditional CAD technology and BIM technology are compared and analyzed， and the BIM technology is applied to the design， operation and maintenance of the actual substation. The overall BIM model of the substation is established by Bentley substation software. The results show that the BIM technology can obtain the different parameters of each link in substation engineering more intuitively than traditional CAD technology， manage and monitor different facilities， and can effectively guarantee the collaborative work between different disciplines. Compared with traditional CAD technology， the BIM technology can be more convenient， fast and accurate， can shorten the project and improve the work efficiency. The aim of this paper is to use BIM model to realize the whole life cycle coverage of substation construction， and to realize two-dimensional and three-dimensional models display simultaneously. The BIM model of the whole substation contains all-round information of different parts and facilities of the substation， and can transfer two-dimensional drawings and data at any time， and complete construction simulation， model improvement and optimization according to the construction schedule.

Key words：substation;BIM;modeling and simulation;application

0?引言

變電站是指電力系統中對電壓和電流進行變換，接受電能及分配電能的場所。隨著國民經濟的快速發展和居民用電量的提升，變電站在建造場地、電壓等級、設備情況等方面都相較于傳統變電站發生了巨大的變化，并逐步涌現出戶內變電站和地下變電站，占地面積與原來的敞開式戶外變電站相比縮小了很多[1];此外，電壓等級上也逐漸朝終端變電站的大電網輸送模式演變，電氣設備方面則逐步發展到全封閉氣體組合電器（GIS）和半封閉氣體組合電器（HGIS）[2]。建筑信息模型（BIM技術）作為一項多維模型信息集成技術，在建筑工程中應用較為廣泛，而專門針對變電站的BIM建模方面的研究則報道較少[3-4]。而根據BIM技術在其它建筑工程中的應用實踐結果表明，在變電站設計與施工過程中采用BIM建模可以提升不同部門和專業間的溝通效率，還可以協調解決龐大的建設工程中的若干細節問題[5];通過BIM建模可以對變電站的規劃方案進行分析、模擬、驗證及優化，在提升變電站施工效率的同時，節約施工成本，并有助于提高準確性和安全性。

1?BIM技術與特點

傳統變電站工程中多采用CAD技術完成計算機輔助制圖，以滿足變電站工程復雜的構件制圖需求。然而，這項技術還不能支撐完整全產業鏈，設計過程中不同領域與環節之間的關聯性不強[6]，而BIM技術作為一種多維模型信息集成技術，可以解決傳統CAD制圖的弊端并發揮其優點，實現變電站工程的全周期信息模型建設，同時可以對工程管理行為進行建模分析[7]。基于BIM的變電站工程設計轉變示意圖，如圖1所示。

可見，基于BIM技術可以將變電站的二維設計轉變為三維設計、將單純幾何表現轉化為全信息模型集成、將單一設計交付轉變為工程全生命周期交付以及實現各工種協同完成項目的效果等，這些相較于傳統CAD技術的優勢可以更加直觀的獲取變電站工程中各個環節的不同參數，并對不同設施進行管理和監控，并可以有效保障不同專業間的協同工作。

新型BIM技術和傳統CAD技術的對比結果，如表1所示。

分別列出了兩者在變電站建設過程中在基本元素、圖元修改、元素關聯性、整體修改和信息表達上的特點。對比分析可知，新型BIM技術在變電站工程中的應用將相較于傳統CAD技術具有較大的優越性。

2?BIM技術在變電站中的應用

在變電站的建設過程中，大部分數據都來源于設計階段，因此，主要對設計階段的BIM技術進行對比分析。傳統CAD技術和新型BIM技術在變電站設計過程中的設計流程對比，如圖2所示。

可見，對于傳統CAD技術，主要采用二維設計方案，第一層為建筑、結構、電氣和圖紙會審，第二層包括暖通空調、室內和施工。BIM技術則采用三維協同設計方案，在設計過程中，BIM建模要求不同的專業都以三維模型為設計對象進行協同工作，并保證實現數據調用和實時共享。因此，相較于傳統CAD技術，BIM技術可以更加方便、快捷和準確，可以起到縮短工程和提升工作效率的目的。

基于BIM建模的變電站變壓器的三維模型，如圖3所示。

可見，三維模型可以隨時反映不同角度的變壓器信息，包括變壓器正面和反面，以及其他位置、不同部件的相關參數。在三維協同設計工作模型下，不同專業的人員可以對模型建立進行分工并實時共享進度和數據，并根據自身需要優化自己的設計以及隨時分享，避免在最終模型上出現分歧;此外，由于BIM模型中涵蓋的信息來源于不同專業，且各個專業之間已經完成較好的關聯和數據共享，因此，變電站變壓器的三維模型將能夠實現數字化移交，并保證最終的變壓器模型細致、規范以及更加完整，實現了變電站建設的全生命周期覆蓋。

基于BIM建模的變電站三維協同設計流程圖，如圖4所示。

在制定了變電站項目的設計目標后，BIM建模需要對項目進行專業分工，采取統一制圖環境并進行三維模型制作;在三維模型制作過程中，不同專業的（電氣、通信、土建、暖通、水工等）人員進行協同工作和數據共享，然后進行專業三維組裝和模型總裝，之后進行碰撞檢測以進行安全距離效驗，通過后可以隨時跟進需要抽取二維圖紙、生產材料報表和施工進度圖等，并以數字化形式進行交付使用;如果碰撞檢測過程沒有通過則需要重新返回三維模型總裝，而如果安全距離效驗未通過，也同樣需要返回三維模型總裝，在系統修正和調節后再進行下一步的運行。

基于BIM技術完成三維協同設計后即可以進行變電站施工，施工方案的比對流程，如圖5所示。

在施工單位拿到工程文件后，需要進行4D-BIM模型建立，然后根據方案進行數值模擬，分別模型不同的施工方案，包括方案一、方案二、方案三等等，每種方案下都有相應的參數比較，通過系列方案比較得出優選方案。優選出的方案將可以減少施工難點，最大程度的避免施工過程的不確定性，通過模型方案進行施工，更加快捷和安全;此外，BIM模型中對施工的各個環節都進行了細致劃分，可以避免施工沖突和人力、物力浪費，效率會得到明顯提升。

在持續時間較長且成本較高的運行和維護階段，傳統CAD技術和BIM技術在竣工圖紙和竣工模型上又表現出明顯不同的特點。傳統CAD技術竣工圖紙和BIM技術竣工模型的對比結果，如表2所示。

在目前變電站無人值守模型的普及下，變電站的竣工圖紙和竣工模型對運行人員至關重要。表2的對比分析結果可知，CAD技術竣工圖紙的信息表現形式多為點、線等二維平面展示，無法切換成空間模型，非專業人員理解起來較為困難，而BIM技術竣工模型可以同步實現二維和三維模型展示，專業性要求不高，較容易理解。因此，運行人員在采用BIM技術建模的變電站運行和維護中的培訓會更加有效果，維護難度也會降低，同時也可以提升變電站的維護效率和降低運行成本。

利用 Bentley Substation 軟件對主變壓器規模40 MVA、電壓等級110 kV的變電站進行BIM建模。基于BIM技術的變電站整體模型，如圖6所示。

可見，變電站整體模型中包含了各個不同的部位和設施，如進線間隔、橋聯間隔和配電裝置等，在后續工程施工和維護過程中都可以隨時進行二維圖紙和數據移交，同時也可以根據施工進度等完成施工模擬、模型改進和優化，并作為變電站施工管理的依據。

3?總結

基于BIM技術可以將變電站的二維設計轉變為三維設計、將單純幾何表現轉化為全信息模型集成、將單一設計交付轉變為工程全生命周期交付以及實現各工種協同完成項目的效果等，這些相較于傳統CAD技術的優勢可以更加直觀的獲取變電站工程中各個環節的不同參數，并對不同設施進行管理和監控，并可以有效保障不同專業間的協同工作。

新型BIM技術在變電站工程中的應用相較于傳統CAD技術具有較大的優越性。相較于傳統CAD技術，BIM技術可以更加方便、快捷和準確，可以起到縮短工程和提升工作效率的目的。變電站變壓器的三維模型將能夠實現數字化移交，并保證最終的變壓器模型細致、規范以及更加完整，實現了變電站建設的全生命周期覆蓋。

CAD技術竣工圖紙的信息表現形式多為點、線等二維平面展示，無法切換成空間模型，非專業人員理解起來較為困難，而BIM技術竣工模型可以同步實現二維和三維模型展示，專業性要求不高，較容易理解。

參考文獻

[1] 靳書棟，王艷梅，屠慶波，等.基于BIM技術的變電站三維建模[J].中國電力企業管理，2016（10）：88-90.

[2]?Kim M K， Wang Q， Li H. Non-contact sensing based geometric quality assessment of buildings and civil structures：A review[J]. Automation in Construction， 2019（100）：163-179.

[3]?袁建文，張永炘，黃偉文，等.變電站工程BIM建模技術研究[J].中國標準化，2017（18）：143-144.

[4]?肖建華，王天龍，陳龍.變電站帶電水沖洗機器人的運動學建模與仿真分析[J].機械制造，2019，57（11）：29-34.

[5]?Fembek K， Wurm M， Fickert L. Probleme und Gestaltung des elektrischen Schutzes bei der Anbindung von Windpark-Umspannwerken[J]. Elektrotechnik und Informationstechnik， 2004， 121（10）：351-358.

[6]?劉明忠，胡翔，姜振超，等.基于DDRTS的智能變電站全景實時仿真研究[J].自動化與儀器儀表，2019（10）：205-209.

[7]?S Sandmann， S Divanbeigi， H Garbe. Reflexions eigenschaften von Windenergieanlagen im Funkfeld von Funknavigations-?und Radarsystemen[J]. Advances in Radio Science， 2015（13）：9-18.

（收稿日期：2020.04.15）