三維技術在變電站主控通信室結構設計中的應用及優化

周 鵬

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

當今信息化技術作為建設數字化堅強智能電網的主要技術手段之一。主要體現在現有物理電網的基礎上建立相應的智能化信息網，以全面提高電網的智能化。這就要求電力設計的方向也需要向數字化和智能化方向發展，而現有的傳統二維設計方式基本無法滿足發展方向的要求。由此可見，三維設計[1]將成為未來電力行業設計技術的準入門檻，同時也是設計單位贏得市場，占領前沿技術高地的重要條件。

1 主要技術原理

1.1 協同環境及工作流程

采用Bentley公司的ProjectWise作為可視化系統的協同工作平臺，有效地控制與管理工程項目的規劃、設計、建設過程中的工作內容、數據信息，確保工作內容及數據信息的唯一性、安全性[2-8]。

針對三維設計的特殊性，文中建立了符合本工程的項目流程規則。如圖1所示。

圖1 本工程的項目流程規則圖

1.2 結構體系的確定

在總結試點工程成果的基礎上全面推廣采用裝配式建筑物，結構型式推薦采用鋼框架結構，圍護材料外墻板推薦采用壓型鋼板復合板，內墻板采用金屬板[9]。文中結合本工程特點，主控通信室采用直接裝配式結構體系。

直接裝配式結構體系：結構中所有的桿件按設計尺寸切割，主要的開洞也在工廠完成，并以單根桿件形式運至現場，采用螺栓或自攻螺絲連接，均在現場完成。即現場把“一根根”建筑構件“釘到一起”，再固定上建筑圍護體系，構成完整的建筑物。優點是現場不需進行修改，可用集裝箱運輸，適用于體型復雜的建筑，缺點是現場需進行拼裝，勞動量相對較大。

2 設計優化及主要創新

2.1 結構柱距及構件的標準化

根據建筑平面布置方案，并結合變電站模塊化建設指導意見，結構形式采用鋼框架體系[10]，屋面采用鋼筋桁架自承式屋面板體系。橫向柱距按（3×6.0+4.0）m考慮，縱向按（5.4+3.6）m考慮，符合經濟柱距范圍，見圖2所示。同時屋面采取免找平技術，有效地減小了屋面恒荷載，節約用鋼量。

圖2 主控通信室結構柱布置圖

通過柱距標準化，整個主控通信室的鋼柱類型共2種（HM390×300×10×16及HM340×250×9×14），鋼梁共4種（HM450×200×10×16、HM390×300×10×16、HN340×300×10×16及HN200×200×9×14）。

收稿日期：2020-06-18

作者簡介：周鵬（1984），男，高級工程師，碩士研究生，主要從事電網設計技術的基礎研究工作。

基礎采用獨立基礎，地腳螺栓連接，種類共2種（3.40 m×2.50 m及2.00 m×2.00 m）。見圖3所示。

圖3 主控通信室結構梁、柱及基礎三維模型

通過柱距標準化，將結構梁、柱及基礎最大限度地歸并，使種類及形式最少并形成標準構件庫，提高標準化和通用化水平。為形成裝配式建筑的工業化生產體系提供基礎，為大批量生產提供前提，是低成本的保證。因此，實現構件標準化具有非常重要的意義。

根據現有國網模塊化設計方案，同時考慮鋼結構經濟跨度及柱距，初步建立了單層鋼框架結構的標準化構件庫（屋面采用鋼筋桁架自承式屋面體系），其中主、次梁均按組合梁考慮。具體見表1。

表1 單層鋼框架結構標準構件m

經過4個35 kV變電站綜合配電室（單層鋼框架結構）及2個110 kV全戶內變電站綜合樓（單層鋼框架結構）實際工程鋼框架計算結果發現，表1中的標準構件適用率高達97.3%。只是在110 kV全戶內變電站中由于設備用房與功能用房之間配合上存在以大代小的情況，存在鋼材的浪費。以上結果已納入江西省裝配式變電站施工圖中的標準構件。

地下基礎，由于受到地質條件的影響，文中僅針對天然地基及樁基做了標準構件，天然地基僅針對地基承載力170 kPa≤fak≤210 kPa。但通過實際工程檢驗，結果并不像想象中的適用，因此，建議基礎根據實際工程情況進行各自設計。

2.2 基于結構信息化模型的設計、加工一體化

一直以來，制造行業機械CAD系統制造數字模型不僅用于產品的設計說明，還應用于計算分析及制造等方面。CAD模型可以用來控制機床，使加工流程更加智能化。

變電站中的主控通信室采用的鋼框架也可以采用類似的方法來實現設計加工流程的智能化。所有與鋼結構有關的圖形及信息都已經包含在了PKPM的結構設計模型中[4]。這些設計信息可以導入到PROSTEEL軟件中，并在該軟件中將所有構件進行信息化管理，添加更多制造信息，便于在鋼結構詳圖設計應用中重新使用，如圖4所示。

圖4 添加PKPM模型至PROSTEEL模型的圖片過程

將結構信息模型用于鋼結構詳圖設計和生產成品環節使得設計、加工模型高度一致，不但提高了工作效率，而且改善了成品質量[7]。此外，可以首先利用準確模型在自身專業內進行碰撞檢查，還可在整個工程中進行多專業協同設計。特別是在空間狹小的部位，設計模型及加工模型的高度一致，更能有效地減少了施工過程中由于設計錯誤給工程帶來的返工及損失。

圖5 節點結構信息化模型

利用結構信息化模型更有利于結構框架的總體成本控制。將設計模型與制造模型統一，可提前考慮在制造過程中的問題。生產共享設計模型即縮短加工周期，又可更加準確的進行生產用量的下料并供貨，降低了鋼結構產品的成本[5，6]。

2.3 管理信息化

將設計模型附上信息化標簽如微信二維碼（見圖6），從設計、制作到施工現場安裝，全過程實行科學化組織管理，使各方能夠實現信息共享、及時溝通與辦公自動化，實現基于信息系統的輔助建設過程。

圖6 結構二維碼管理

2.4 工程造價的全過程管理控制

相比傳統工程造價管理，結構信息化模型技術具有其不可比擬的優勢，將傳統工程后面需開展的工作前置于模型建立階段，全面提升工程造價行業效率與信息化管理水平[9]，對于工程全面管理而言有積極意義。

3 結語

通過柱距標準化，將結構梁、柱及基礎最大限度的歸并，使種類及形式最少并形成標準構件庫，提高標準化和通用化水平。將三維設計技術用于鋼結構詳圖設計和制造環節，實現了全數字的設計、成品生產一體化流程。將設計模型直接用于生產環節使得設計生產更加協調，實現制造共享，縮短加工生產周期，降低工程成本。