變電站三維設計電氣軟件與土建軟件數據互通解決方案

葉建峰，藥圣琦，李思鵬

( 國網浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000)

0 引言

國家電網公司自2018 起在輸變電工程中全面推行三維設計，要求公司所有新建35kV 電壓等級以上輸變電工程要實現三維設計、三維評審和三維移交。三維設計相比于傳統二維設計，最重要的區別在于現有的二維設計手段沒有數據庫做支撐，很難適應工程信息化和數字化的要求。而三維數字化設計主要以數據庫為核心，以三維模型為依托，通過數據驅動模型，大幅提高了設計文件的數據存儲量并使工程數據的實時調用成為可能[1]。

全國各大電力設計院在幾年的工程實踐中，已經探索出一套可行的變電工程三維設計模式，設計人員主要依托于現行電力三維平臺進行設計工作，但同時依然存在建模工作量大、設計效率低、設計文件在工程實施階段很難應用等問題。巨大的三維設計工作量與日益增長的三維移交需求成為了現階段國網公司推行三維設計的主要矛盾，其核心原因是目前的三維設計軟件不能實現全專業的正向設計，特別是在結構專業三維設計過程中，設計人員需要在結構設計軟件中設計完成后在三維平臺中翻模。

本文針對如何解決結構專業正向三維設計的問題，結合變電站實際設計項目進行研究，旨在完善現有的三維設計模式，提高設計文件質量和設計效率。

1 PKPM在變電站三維設計與移交流程

當前變電站三大三維設計平臺的設計邏輯大致相同，均是以專業間互相協同為基礎開展變電站的模型搭建、碰撞檢查、專業間提資以及數字化移交,各專業協同關系如圖1 所示。

圖1 三維設計專業間協同示意

其中結構專業由于涉及國家規范規程要求，電力三維平臺目前無法進行結構計算，也就不可能進行正向的三維設計。目前，專業認可度較高的結構設計軟件是PKPM 系列軟件，設計人員以PKPM 的設計結構為依托進行結構三維設計。

下面以某變電站工程鋼框架配電裝置樓為例闡述現階段設計人員進行結構三維設計的流程。

步驟一：根據配電裝置樓平面布置在PKPM 中布置鋼梁鋼柱，在PKPM 中完成結構分析、計算和出圖，得到鋼梁鋼柱、連接節點、基礎尺寸、基礎配筋等信息。

步驟二：根據PKPM 中得到的構件草圖在三維平臺中重新建立模型，包括連接件、柱腳節點、混凝土構件配筋等。

步驟三：在三維平臺中按《輸變電工程三維設計建模規范》的要求錄入結構模型的屬性。

步驟四：將完成的結構模型與其他專業模型一起導出GIM 格式提交國網數據中心。

步驟五：施工圖設計階段里對模型進行剖切、標注、添加文字等處理后繪制平面施工圖供施工現場使用。

其中步驟二及步驟五需要花費大量的時間在二維轉化到三維，三維又轉化成二維的重復勞動中，使得結構專業三維設計的效率遠不如二維設計，這違背了推行三維設計的初衷。因此，尋求三維平臺自身的專業化成為解決結構專業正向三維設計的關鍵。

2 PKPM-BIM在變電站三維設計中的應用

由于結構專業規范條目繁多，涉及到有限元分析等底層算法解構問題，目前的電力三維平臺短時間內開發結構模塊難度很大，即使能進行結構計算，也存在圖審市場的認可度問題，因此讓電力三維平臺增加結構計算模塊并不可行。

PKPM 軟件亦在近年推出了自己的BIM 平臺，而結構專業是PKPM 軟件的優勢所在，于是我們嘗試在PKPM-BIM 進行變電站結構專業的三維設計。

下面依然以某變電站工程鋼框架配電裝置樓為例闡述采用PKPM-BIM 進行結構三維設計的流程。

步驟一：在PKPM-BIM 軟件中進行鋼柱鋼梁的布置與設計參數的輸入。

步驟二：在軟件中進行結構分析與計算，依據計算結果配置連接節點和構造設計，完成可視化三維模型，模型屬性將自動依附在模型中。

步驟三：通過模型自動生成施工圖及材料清單。

通過實際操作發現，使用PKPM-BIM 進行三維模型效率遠遠高于直接在電力三維平臺中建模。目前國網公司通用設計方案建筑物以單層、兩層鋼框架結構為主，熟悉PKPM 操作的設計人員僅需花費約一個工作日便能完成一個變電站建筑物的結構三維設計任務。

但是，變電工程三維設計除了要滿足現場施工的需求外，更重要的是要能滿足國網數據中心的移交需求，而移交數據中心平臺必須是以GIM 的格式上傳。目前只有三大電力三維平臺可以將三維模型導出GIM 格式，因此單純使用PKPM-BIM 軟件也不能完成變電工程三維設計的全部任務。

3 三維平臺間的數據交互

由上文可以推知，現階段解決結構專業正向三維設計的最佳方案即將專業平臺中完成的三維模型數據導入到電力三維平臺中，這樣既解決了電力三維平臺建模困難的問題，又解決了專業平臺無法移交國網數據中心的問題。

為此，我們同時與電力BIM 平臺開發廠商及結構專業平臺開發廠商合作，致力于攻破兩大平臺間的壁壘，讓PKPM 平臺與電力三維平臺完成無縫對接。

目前各大電力三維平臺都是基于Revit 平臺或ABD 平臺開發的。因此實現PKPM-BIM與Revit、ABD 平臺的數據互通，即實現了電力三維設計平臺和建筑專業三維軟件的數據交互。由于Revit 與ABD 平臺的版權均屬于外國公司，完全開放數據接口存在一定的困難，為解決這個問題，PKPM-BIM 的研發團隊提出以中心文件*.pmodel 為載體，打通了Revit、ABD和PKPM-BIM 三個平臺之間的數據共享，具體實現原理如下[2]：

首先將PKPM-BIM 平臺的結構模型分為4 類數據，存入到*.pmodel 中：a.幾何圖形數據，如基本圖元數據、幾何數據和多個幾何圖形間的布爾關系等；b.定位數據，如空間絕對坐標、圖元間的相關坐標、樓層標高和偏心值等；c.工程屬性數據(非圖形)，如構件類型、材質、材質強度和耐火極限等；d.荷載數據，如荷載和構件的關聯關系、荷載類型、荷載位置和荷載工況等。

然后參照PKPM-BIM 的結構截面庫，完善Revit 和ABD 的截面庫，如標準型鋼庫、薄壁型鋼庫等，提高Revit 和ABD 平臺對國內電力項目的兼容性；

同時開發Revit 和ABD 數據接口，保證*.pmodel 的中心文件可以在這2 個三維平臺導入導出；將中心文件(.*pmdel)導入到Revit 和ABD 時,數據接口將上述的a 類和b 類數據轉換為可識別的數據，并完成幾何圖形的創建；c 類數據存入到幾何圖形的屬性框中；由于d 類數據主要用于在PKPM-BIM 結構計算分析，因此會存入幾何圖形中，但無法編輯。

通過數據接口，同樣可以將Revit 和ABD 平臺的結構模型分為4 類數據，存入到*.pmodel 中。

在此交互過程中需保證結構模型的屬性信息滿足QGW11810.1-2018《輸變電工程三維設計建模規范》中的要求。

4 變電三維跨平臺協同設計流程

本文針對以上問題，結合變電站項目設計經驗，梳理了變電三維跨平臺協同設計流程，完善平臺間的數據互通。調研多個變電站三維設計項目，將設計流程分為2 個階段：初設階段和施工圖設計階段。

4.1 設計初級階段

根據電氣、建筑等專業提資，如場地布置、屋內凈高要求、設備高度、相間距離等，結構專業在PKPM-BIM 進行結構正向三維設計，包括結構建模、結構計算分析等。在此過程中，由于各專業可能存在的變更，為保證設計質量，需要進行多次結構模型與其他專業模型的碰撞檢查，因此PKPM-PS 的初設結構模型需要與Revit(ABD)的結構模型實現雙向無損的轉換。另外，荷載作為結構模型的重要組成部分，布置工作較大。目前ABD 及Revit 軟件中的荷載類型無法滿足結構計算的要求，因此荷載布置及修改需在PKPM-BIM 完成，且在結構模型的跨平臺轉換過程中保證荷載無損。

4.2 施工圖設計階段

結構專業在PKPM-BIM 完成主體結構的鋼結構節點設計、檁條掛設計、預制樓板的設計、檁條掛板可靠性驗算，生成結構施工圖、算量統計、相關計算書及施工圖設計階段深度要求的結構三維模型等。為滿足全專業三維數字移交要求，需要將PKPM-BIM 的施工圖結構三維模型交付到Revit(ABD)中，與其他專業進行合并，變電三維跨平臺協同設計流程圖如圖2 所示，平臺間的數據對接如圖3、圖4 所示。

圖2 變電三維跨平臺協同設計流程圖

圖3 PKPM-BIM與Revit模型數據對接

圖4 PKPM-BIM與ABD模型數據對接

5 結語

我們通過開放電力三維平臺與專業設計平臺間結構的方式解決了變電工程結構專業正向三維設計的問題，亦為現階段其它專業在三維設計中的疑難問題的解決提供了一條思路。目前電力工程三維設計仍處于快速發展的階段，仍然存在很多亟待解決的問題，因此需要三維平臺開發廠商、各地供電公司及電力設計院共同合作，完善電力三維平臺的各項功能，為日后電力工程信息化、數字化在施工和運維階段的應用提供堅實有效的數據基礎。