基于BIM技術的輸變電工程管控與評估方法研究

郭 政，楊賢輝，左 云，陳會鵬，唐 瑋

（國網江西省電力有限公司建設分公司，江西 南昌 330000）

輸變電工程是電網建設過程中的重要組成部分，與其他行業的建設工程相比，輸變電工程因交叉領域過多而獨具行業特點。研究表明，輸變電工程項目在電力行業建設和管理過程中多以企業管理的思路開展項目建設與管理，上述方式缺乏高效率的工程建設和管控體系，導致工程項目延期、缺陷事故頻發等問題[1-4]。而BIM技術是以建筑數據信息為基礎，通過建立三維視圖模型應用于大規模項目建設過程中，住建部也曾發文大力推廣BIM技術，提高工程建設的設計水平、降低工程成本。近年來，BIM技術也逐漸由建筑行業引入到電力行業中，將電力工程項目與BIM技術相結合，建立工程項目的BIM模型，推動電力行業的發展[5-8]。文獻[9]詳細介紹了電力工程的建模流程，將BIM技術引入到變電站工程建設中，構建建筑模型與鋼筋混凝土模型，以推動電力工程實施的進展。

1 BIM技術

1.1 基本原理

BIM技術是基于數據基礎平臺，通過構建全方位的透析圖，并可對工程項目進行更改的新一代信息技術。文中基于BIM技術開發輸變電工程管控的信息平臺，使得輸變電工程在實施過程中能夠進行實時信息共享與數據銜接，該過程貫穿整個輸變電工程。

1.2 功能與特點

在BIM技術中，輸變電工程項目內的各種參數信息統一存放于數據庫中，以整合互不相干的各部分信息。根據數據庫結構的不同，可將其分為基本數據與附屬數據。基本數據為工程項目中對實體的屬性表征，比如輸變電工程金具的物理參數、空間參數等；附屬數據為基本數據的其他表述，例如技術參數。根據輸變電工程的需要，在模型描述中構建基本數據與附屬數據，為分析工程對象的空間、結構提供依據[10-11]。BIM模型實質為包含各種數據的復合模型，通過分析各數據之間的關聯，模擬描述實際的工程，實現輸變電工程的信息融合，為工程施工提供支持。

基于信息數據傳遞視角，通過BIM技術建模有以下兩個顯著功能：

1）信息數據傳遞

BIM技術以信息數據為基礎，能實現輸變電工程的信息化建設，對管控項目進行跨時間、跨周期的全方位管理，通過BIM技術將輸變電工程可視化，便于施工方、設計方與運營方三方協同管理。為了實現上述功能，需要進行信息數據共享，建設標準信息平臺，最終實現數據交互。應用BIM技術進行輸變電工程管理涉及多種類型的數據信息，其中包括了電氣及建筑工程基礎信息數據、多維定位數據信息、工程物理性參數信息等。通過綜合分析上述各類信息，全面多角度地考量制定工程進度、施工管理、造價等管控方案。

2）BIM技術建模

BIM技術的功能之一為整合數據端口進行數據傳輸，包括工程設計與實施過程中的各類數據，并可使項目參與者融合到項目實施的各個過程管理中，該過程通過仿真建模來實現。

在BIM模型中，所有的視圖以及圖紙均是通過同一數據庫來實現的。項目參與者在操作過程中，BIM軟件記錄各個操作的數據信息，該信息可通過模型引擎修改，保證數據的可篡改性。輸變電工程模型可協調各類信息，無需參與者處理或更新鏈接，并可通過BIM軟件修改圖元[12]。表1為BIM常見類型及特點。

表1 BIM常見類型及特點

2 輸變電工程管控模型

2.1 輸變電工程管控概述

輸變電工程管控與其他項目類似，是在資源條件受限制的情況下對輸變電工程項目進行全方位管理，以實現工程項目的精益化目標。管控過程中對項目的成本、進度、質量進行約束，重點對項目的薄弱環節進行控制。由于輸變電工程項目一般均在室外施工，受地形條件、天氣變化等因素影響較大，且施工程序較多、銜接較復雜，需對項目整個過程進行動態、系統性、綜合性的管控，在管控過程中，應用BIM基礎數據信息和計算機技術實現管理升級[13-15]。

2.2 應用思路

BIM技術的關鍵在于建筑模型的數據集成，首先需要利用BIM技術搭建建筑模型，再進行可研規劃，由設計單位、施工單位、監理單位完成工程項目的設計、建設與運營。并基于軟件平臺對BIM模型進行維護，從而實現數據共享，提高工程項目的效率與生產率。輸變電工程可分為工程前期調研、工程設計、工程施工建設、工程總體評價四個維度的內容，建立適用于輸變電工程的BIM三維模型，進行數據標準統一分析，達到工程項目的全方位管控。

1）信息數據

信息數據是項目建設的基礎，包括整個項目過程產生的文檔資料、工程技術規范文件、圖紙等各類信息數據資料，而應用BIM技術進行輸變電工程管理是目前研究領域的前沿，相關標準仍未設立。

2）BIM模型

文中研究的輸變電工程項目以鋼筋混凝土與鐵塔為主要原料，通過Tekla軟件構架精準高效的BIM模型，并使用Project軟件進行模型的優化。

3）應 用

根據工程特點，應用BIM技術進行輸變電工程管理，主要在造價、進度、質量方面進行管控，運用可視化技術在項目整個過程中發揮作用。

根據以上分析，基于BIM技術的輸變電工程項目管控應用結構如圖1所示。

圖1 輸變電工程項目管控結構

2.3 模型建立

在輸變電工程管控應用過程中，需依據數據接口將所建立的模型導入，利用Tekla軟件直接建立輸變電工程項目的3D信息模型。模型中包含建設所需要的鋼筋混凝土構件、金具、鋼結構等工具欄，通過該軟件可以便捷地建立工程模型。建模之前創建軸線，按照工程圖紙以及工程進度建模，并輸入工程參數、物理屬性、經濟參數等數據。

建立輸變電工程的三維模型后，將輸變電工程項目的進度時間表對應至相應節點，完成進度管控。通過軟件分解建立進度機構，并與三維模型中的基礎構建共同形成4D信息模型。建立4D模型之后，在信息平臺上采集數據，基于各部分的單元信息，最終建立數據共享訪問平臺。

Tekla軟件擁有x，y，z3個坐標軸，其表示模型的3個方向，使用多個軸線可以提高模型的精度。3D視圖可以展示建筑模型的三維方位，可對施工過程完成管控。輸變電工程中常見的建筑物有鐵塔、方向樁、中心樁等，且鐵塔一般按段分布，這樣有利于實現多角度視圖效果。通過軸線與高視圖共同合作完成此項目，在鐵塔連接處設置螺栓并建立三維視圖。使用Tekla Structures創建輸變電工程構件，根據模型選擇對應的構件，在工程建設復雜處加設螺栓、穿孔的建模。其所建立的XY平面視圖如圖2所示。

圖2 XY平面視圖

3 輸變電工程評估方法

3.1 評估體系構建

一般輸變電工程項目的特點為投資建設周期長、資金密集、安全隱患多，對于輸變電工程的管控需要依據科學性、整體性、安全性與層次性的原則。輸變電工程按照工程分類形成分層分區的參數體系，該體系包括建設工程所需的各類數據，比如整個項目過程產生的文檔資料、工程技術規范文件、圖紙等信息數據。將數據信息分為三層，分別為狀態信息層、傳感數據層與應用交互層，每層列舉輸變電工程項目中的所有數據，為構建輸變電工程評估體系提供支持，通過實時狀態數據分析匯總得到全景綜合狀態信息[16]。圖3所示為構建評估體系關鍵參數的總體思路，運用關聯分析提取BIM模型的關鍵參量，保留強相關數據量，構建評估系統的關鍵參數。

圖3 構建關鍵參數的總體思路

3.2 數據清洗與檢測

按照數據來源的不同檢驗數據的質量。當所提供的數據質量不達標時進行數據清洗工作，具體內容包括數據去噪、平滑處理、填補缺失數據等。通過以上處理使輸入至應用層的數據標準化，然后建立輸變電工程數據趨勢相關模型，對數據的可行性進行進一步分析。

輸變電工程管控數據流由海量、有時間序列的多源數據信息構成，由于異常數據信息具有隨機性，因此難以建立準確的樣本集。評估的原則為利用大量正常數據判斷輸變電工程的科學性，其主要技術路線如圖4所示。

圖4 數據檢測技術路線

3.3 風險評估流程

基于數據流的輸變電工程風險評估可分為兩個步驟：1）根據輸變電工程項目的建設要求，篩選出符合的評估指標，采用時間序列分析法建立評估模型，根據綜合得分評價各類風險因素，并確立各關聯參考值，最終判斷出評價因子的權值；2）在評價體系確定的情況下，從風險管控的角度對輸變電工程進行模糊評價，得到總體風險水平。根據以上步驟確立輸變電工程評價體系，評估輸變電工程的科學性。

4 案例應用分析

4.1 案例概述

以某1 000 kV特高壓輸電線路工程為例，對文中所提理論進行模擬應用。該輸電工程線路全長4 230 km，總投資300億元，新建鐵塔500座，建設工期為2015年～2019年底。土建部分需要桿塔為#5218、#5219、#5220，其中#5218塔的形式為直柱板式，混凝土等級為C30，其余參數按照國標建設。

4.2 BIM模型建立

根據第二節分析，應用BIM技術實施工程前期-工程建設-工程評價三方面的應用，并對項目成本進行管控，對項目實施過程中的設計施工圖紙、工程建設、工程結算等建立三維視圖。以文中所提建模方法，利用Tekla Structures建立該1 000 kV輸電線路工程項目的三維模型。通過簡單設置對BIM模型進行檢查，以發現鐵塔模型的碰撞問題。在該輸電工程中共發生8處碰撞，如表2所示。為防止建設過程中螺栓多角鋼無法施工造成項目延期，對角鋼切割加工，避免產生誤工。

表2 鐵塔碰撞問題

4.3 工程管控

通過對輸電線路工程的成本分析與工作量統計，解決人工效率低的問題，基于BIM技術形成動態預算表。表3為BIM技術對該輸電線路工程管控的細節表。

表3 BIM技術工程管控細節表

5 結束語

BIM技術通過構建透析圖，可以對工程項目進行全方位的管控，文中基于信息采集與處理技術，結合BIM技術構架輸變電工程管控的信息平臺，使得輸變電工程在實施過程中能夠進行實時信息共享與數據銜接，該過程貫穿整個輸變電工程。以信息數據為基礎，基于BIM技術建立輸變電工程的三維可視化模型，其關鍵在于建筑模型的數據集成。文中利用BIM技術搭建建筑模型，并通過軟件平臺對BIM模型進行維護，實現數據共享，提高工程項目的效率與生產率，并從風險管控的角度對輸變電工程進行模糊評價，評估輸變電工程的科學性，達到對輸變電工程項目的全方位管控。通過1 000 kV特高壓輸電線路工程實例驗證，解決輸變電工程實施過程中人工效率低以及安全頻發的問題，具備一定的工程實用價值。