基于BIM的裝配式變電站數字化建設應用研究★

譚 波 趙 娜 張丹妮 李雪婷

(深圳新能電力開發設計院有限公司，廣東 深圳 518052)

0 引言

變電站工程的全過程管理對施工進度和質量管理有直接影響。在建設管理過程中參與單位較多，易導致信息的零碎化，工程進度及質量控制的差異化。同時，在項目設計施工階段信息交流不暢，致使信息無序流動，形成信息孤島。因此傳統的變電站施工方式已無法在工藝精進、工期控制、能耗環保等方面滿足日益增長的變電站全生命周期工程管理的需求。

近年來，廣大學者對BIM技術在施工進度管理的應用進行了研究，通過在工程管理中融入BIM技術的應用，可加快施工進度并對其進行可視化模擬，實現項目信息化管理[1-3]。變電站數字化建設管控系統可基于BIM模型對項目信息集成管理，為項目各參與方實時提供建筑全生命周期的信息，從而實現項目的協同管理，提高建設效率和質量[4-8]。

本文以110 kV龍華中心變電站為依托，將BIM技術應用于預制裝配式數字化變電站的三維數字化設計、施工及全生命周期工程管理中，推廣介紹數字化變電站建設管控平臺的應用發展。

1 BIM技術在變電站數字化建造中的應用概述

數字化裝配式變電站由智能模塊化單元組成，基于信息化可自動進行信息采集及處理，同時可實現電網的自動化、智能化及協同性功能[9]。BIM模型是建筑數據信息的承載體，可實現項目全過程協調管理，同時基于其可視化、模擬性特點，可對建筑外觀及項目運行情況進行展示，從而便于各參與方之間的溝通及對項目的了解，且可為項目各方的數據分析提供參考。

1.1 變電站數字化規劃設計階段

在規劃設計階段，基于BIM技術的特性可對項目進行三維展示、協調優化、仿真模擬等，從而更好的發現并解決問題，制定出最優方案。

1)現地狀況建模與設計表達。

依據變電站建置基地現況、現有設施內特定區域的狀況，及對現地條件的仿真，利用3D建置概念設計各方案的量體模型，以供投建方利用仿真模型進行方案比選。同時執行變電站土建及主體結構的概念設計，構建BIM模型提供相關系統的設計分析。

2)成本估算與設計審核。

由BIM模型輸出變電站工程經費概算，提供成本信息給決策者以決定經費預算初步成本估算。利用BIM模型向利害關系人展示符合原規劃要件的評估成果，包括可利用法規檢核軟件檢查模型中的參數是否符合工程項目指定的法規，以達到減少錯誤、節省反復檢核時間的目的。

3)設計表達。

執行變電站的細部設計，并使用信息化軟件建置變電站的BIM模型，以提供相關系統的設計分析與滿足空間上需求。依據細部設計整合后的BIM模型產出詳細工項或材料數量制定發包預算，同時，在進入施工階段前，建置可應用于變電站的現場施工查詢的各專業設計圖面。

4)整合協作。

基于BIM模型的虛空間中可視化的呈現，可通過進行變電站及周邊環境在空間上的需求及系統的分析實現3D可視化分析仿真，同時也可實現項目成員之間的溝通協調、整合協作的效能。另外在可視化模擬的空間中，可預先利用檢核軟件進行沖突檢測，以減少變更設計的產生。

1.2 變電站數字化施工裝配階段

在施工階段，BIM技術可對項目結構、效果、節能、造價、進度、可行性等進行分析，并結合其他的信息化技術對施工現場實時追蹤，實現項目的精確管理[10]。

1)施工系統設計。

以包括變電站施工現況在內的BIM模型為主要載體，優化臨時設施的布置和材料進場的布局，選擇最優的施工方案。應用信息化設計的軟件工具，對復雜的變電站整體進行細節設計分析，實現施工階段的系統性。

2)數字化組建。

承載項目信息的BIM模型與自動化機械制造技術結合應用，即首先通過BIM模型選取需進一步加工構件，而后通過自動化建造技術制造產出，可有效完成數字化組建作業。

3)協同施工作業。

以變電站工程的BIM模型為基礎，應用軟件檢測項目沖突部位，并對檢測出的沖突問題進行協調優化。通過增加時間維度，實現4D模型協同應用于規劃施工階段的各分段工項，優化進場施作的先后順序作業。

1.3 變電站數字化運營維護階段

BIM模型集成了工程建設全過程信息，使施工階段與運維階段信息無縫銜接，項目人員能快速獲取建筑設施、設備的信息，為日常的運營維護提供參考，從而實現運維階段的系統性及精細化管理。

1)數據分析與資料整合。

變電站的運營中不斷積累的大量數據是日后運營管理的基礎資料[11]，包含變電站主體和其中MEP元組件相關信息的BIM模型隨著實體空間的動態情況而不斷地更新和改進，儲存更多變電站運行的關聯信息。同時，BIM技術有資料分類整合、過程細化分析、信息交互共享的優點，能夠為運營過程的決策提供依據。

2)設備運行及管控。

運營技術與BIM技術的結合，能有效提高對運營環境的監測維護和控制的效率，且可賦予設備感知功能，當設備內指標超過相應標準便會及時報警反饋。同時，集成BIM模型和記錄模型中的設施設備履歷信息，能精準擬訂高質量與降低維護成本的計劃，因此BIM技術下的運營管理使設備更智能化，能大幅的降低由于設備信息的采集而產生的成本。

3)能耗監控與安全。

基于涵蓋變電站耗能數據的BIM模型，對項目進行節能分析，優化運行過程，減少運營過程的能源消耗。BIM技術與其他信息化技術結合應用，連接了傳感器和控制器，使工程在能耗分析后能自動管控用電系統。

2 實例工程中的數字化模型構建

2.1 實例項目基本信息

110 kV龍華中心變電站位于深圳市龍華新區，西側為東環二路，北側為梅龍大道，出入口分別設在北側的梅龍大道輔道和西側的東環二路，站址東南側為龍華河，見圖1。

110 kV龍華中心變電站作為華南地區預制裝配率最高的項目，采用裝配整體式框架結構，地面以下采用現澆方式，地面以上框架柱，樓層梁，樓板，外墻分別采用預制柱、預制疊合梁、預制疊合板及預制混凝土外墻板，1號、3號樓梯為預制裝配式樓梯，2號樓梯為現澆混凝土樓梯，見圖2。

2.2 項目BIM應用要求及意義

2.2.1項目BIM要求

110 kV龍華中心變電站BIM技術在預制裝配設計，設備管線布置、施工模擬、工程管理等方面的應用，包括：

1)BIM技術在機電深化、工業化設計領域的探索，只要通過BIM技術論證預制化構件的虛擬拼裝問題，并在機電三維仿真、管線深化、BIM三維出圖領域具體指導現場施工。

2)通過BIM模型與施工進度的關聯，論證BIM模型與施工進度模擬軟件的數據關聯的可靠性，建立數據傳輸標準，模擬現場的施工安裝過程，形象的展示現場進度，論證施工安防的可實施性，為各項目管理方提供決策的參考。

3)建立含設備性能參數指標的設備品牌族庫，為后續的物業管理平臺提供技術支持。

4)對項目管理方進行BIM技術理念的培訓與普及，使其探索新的項目管理模式。

2.2.2項目BIM應用意義

BIM技術可應用于建筑全生命周期，其中在110 kV龍華中心變電站項目設計、施工階段的應用，涉及到預制化構件的BIM模型搭建及拆分、構件預拼裝鋼筋打架檢測、預制構件工程量及預制率統計、預制化構件施工模擬、機電族庫定制、各方的BIM協同平臺搭建等。通過BIM技術的協同性及模擬性，不僅提高了電網類項目工業化設計的精度，而且更好的優化了構件吊裝模擬的施工方案，并為今后類似的電網工業化設計及施工提供了參考。

2.3 項目數字化模型構建

1)主體BIM模型。模型分為整體及細部BIM模型，見圖3，包含建筑結構主體信息，如幾何信息、物理信息及規則信息，并能提前對設計過程中的問題進行協調。

2)預制構件的參數化BIM模型。模型包含構件各指標參數，同時可以通過參數進行驅動，其中預制構件——柱、梁、板的BIM模型及實景圖見圖4。

3)機電模型。可創建的模型有機電整體和設備等的BIM模型，見圖5。模型包含管線與機電設備，通過建立項目設備族庫，為后續的機電安裝、凈高控制及管理平臺等提供有效的數據支持。

3 基于BIM的變電站數字化建造應用概況

3.1 BIM技術在數字化設計階段的應用

3.1.1預制構件的BIM模型搭建及拆分

BIM模型標準體系除了能讓各參與方更好地讀取、使用模型外，更重要的是可作為BIM模型在各階段流轉的依據。龍華中心變電站項目除了定制了自身項目的機電、土建BIM模板體系外，在模型搭建的過程中，還著重考慮預制構件的拆分原則，見圖6。結合預制構件的拼裝順序和施工模擬過程，可更有效的發揮指導現場施工、深化圖紙的作用。

3.1.2沖突檢查及優化

利用BIM三維可視化模型進行預制構件之間的碰撞檢查，以表格的形式記錄問題類型、次數、位置。

1)單個預制構件內部碰撞檢查：主要檢查單個預制構件內部的鋼筋、預埋件、留洞等的尺寸、位置等信息是否準確并提出優化建議。

2)構件與構件之間的碰撞檢查：主要檢查構件與構件之間，如柱與梁、梁與板、板與墻等節點位置的鋼筋、預埋件等構件之間的尺寸位置關系是否發生沖突，各個構件拼接時是否發生碰撞與不協調的問題。

3)管線碰撞檢查及綜合排布：主要分為單個專業、各個專業之間、機電管線設備與建筑結構之間三方面的管線碰撞檢查及凈高分析，見圖7。對工程進行深化設計，模擬風管、水管及橋架等定位安裝，在建模過程中找到最優化的管線布置方案，使管線在符合安裝規范的前提下更加合理美觀，最后提交BIM機電管線深化圖紙。

3.1.3構件預拼裝鋼筋碰撞檢測

龍華中心變電站項目基于BIM技術手段，針對現場疊合樓板、預制梁、預制柱之間的拼接過程，提前通過BIM三維仿真技術進行虛擬拼裝檢查，實現預制構件的“虛擬預裝配”。本項目對預制構件兩端裸露的鋼筋進行碰撞檢查控制的精度是4 mm，直觀有效的把施工圖中可能出現的各專業之間的沖突暴露出來，當然這也是基于真實準確的BIM模型與預制構件的施工工藝結合才能發揮指導現場施工的作用，通過BIM預拼裝技術能及時發現并調整優化BIM模型，修正預制構件圖紙，提高圖紙質量，節約成本、縮短工期。

3.1.4預制構件工程量及預制率統計

傳統的工程量統計往往是基于傳統的CAD圖紙，需要人工不斷的復核，或者通過二次算量軟件實現，但BIM的應用使工程量與模型實時關聯，根據項目情況在模型中設置參數進行構件拆分，同時利用項目BIM標準體系中對預制構件的編碼，可快速統計出相應的預制構件及預制率，見表1。

表1 110 kV龍華中心變電站預制構件匯總表

3.1.5機電設備族庫定制

在BIM模型中，基礎族庫對機電族庫沒有提供足夠支撐，需自行創建符合項目需求的特定機電設備族庫。機電設備族庫的定制，有利于后期對機電設備的信息和安裝管理，提高工作效率，改善傳統粗放式管理模式。

3.1.6BIM出圖

經過各類碰撞檢查和優化調整后，可以直接從BIM模型中導出預制構件生產圖和機電安裝圖，為施工安裝、工程預算、設備及構件的安放、制作等提供完整的模型和圖紙依據。主要工作內容包括：根據已批準的設計方案編制可供施工和安裝的設計文件，解決施工中的技術設施、工藝做法、用料等問題。

3.2 BIM技術在數字化施工階段的應用

3.2.1施工BIM模型的創建

在設計BIM模型的基礎上，根據現場情況及總平面布置添加樹木、圍擋、吊車等施工用具模型深化完善施工總平面布置BIM模型。根據施工工藝和工序添加模板、腳手架、斜撐等施工用具模型深化完善施工BIM模型，見圖8。施工BIM模型是施工階段BIM應用的基礎。

3.2.2施工方案模擬及優化

利用BIM模型對施工方案的模擬進行施工方案的優劣對比，并與施工方協調調整，確定最優方案，以優化施工工期及質量，實現施工質量精細化。

3.2.3施工進度模擬及優化

在模擬施工方面，由三維建筑信息模型加上時間維度形成四維模擬建造的直觀演示，為準確的施工安裝提供指導，達到縮短工期，降低成本的目的。利用BIM模型進行施工模擬，能夠反映真實的施工時間節點、施工順序及施工工藝，從而將BIM模型與施工方案及時間計劃匹配起來。在模擬過程中，發現施工方案中有不合理的地方，可與施工方協調溝通及時優化調整，如構件的吊裝時間及吊裝順序(如預制樓梯)的優化調整等，并為各專業施工人員在現場指導施工提供了有效的支持，實現施工管理前置化。

3.2.4預制構件拼裝施工模擬

施工是一個動態且歷時長的過程，建筑規模越大越復雜，工程越難以管理[12]。橫道圖可用于進度計劃管理，但由于其可視化程度低，從而難以明確表達出項目各個活動之間的復雜關系，對施工動態過程展示有局限。

龍華中心變電站項目利用BIM技術整合時間和空間信息建立4D模型，對建筑建設過程進行直觀展示。對施工過程重難點部分如預制構件的拼裝順序、預制構件節點安裝等進行模擬分析，優化調整，及時探討出合適的方案，從而實現工程系統化管控，見圖9。

4 總結與展望

基于BIM技術的應用，可實現裝配式變電站設計、生產、施工、運營全過程的管理。同時BIM平臺可進行進度對比，控制施工周期，同時對每個階段的造價，可根據模型及時統計。BIM數據庫可在快速的獲取信息后及時反饋反映，在發現風險時第一時間采取應對措施。裝配式變電站的數字化建造過程中，通過對物聯網技術的應用能自動收集工程中人、材、機等方面的信息，并反饋至系統，再由系統對項目進行任務布置，消除以往人為因素導致的錯誤。

110 kV龍華中心變電站項目在預制構件設計、施工階段，通過BIM模型進行協同設計，協調優化項目沖突部分，提高了設計的質量和效率；在施工階段將BIM技術與施工組織有效的關聯，模擬現場施工的現狀，優化施工組織編排，并通過BIM協同平臺實現了設計、施工、業主之間的有效協作。

BIM技術實現了二維到三維的改革，對建筑過程的實施管理有重大影響，推動了建筑業的信息化發展，相信BIM技術將會逐步推廣，實現全國范圍的應用，同時轉變建筑企業的發展方式。