3D打印BIM模型在變電站三維可視化設計中的應用

初建祥，張彥彪，羅金龍，楊 震，郝小東，郭 帥，倪思遠

(1.內蒙古潤蒙能源有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020；

2.內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

傳統變電站施工圖設計的成品大都是二維圖紙和文件，設計成品完成后交付給建設單位，由建設單位交付給施工單位、監理單位等相關參建單位作為工程施工和安裝的依據。三維設計出現并逐漸深入應用，為實現電網工程設計的數字化、精細化和直觀可視化提供了更好的手段和表達方式[1]。設計產品的交付形式也更加多樣化，由以往的圖紙交付轉化為三維圖形和數據一體交付[2]，更有利于提高建設效率和質量。本文主要介紹一種新的三維可視化設計產品交付形式。

1 二維總平面布置圖及電腦查看三維模型在工程表達方面的不足

變電站設計總布置圖包括總交專業的總平面布置圖以及電氣總平面布置圖、配電裝置平斷面圖、設備安裝圖等其他相關專業各自的布置圖。根據變電工程施工圖設計內容深度規定的要求，變電站站區總平面布置圖應標明站內各建(構)筑物、配電裝置構架、主變場地、圍墻道路等的定位坐標；綜合布置站內主干道、次干道及檢修道路等，綜合布置站內各種主要管溝。變電站二維圖紙樣式如圖1、圖2所示。

圖1 變電站電氣總平面布置圖

圖2 變電站電氣斷面圖

傳統的二維圖紙按照設計深度的要求完成完全可以用于指導施工，但也存在一定的不足。由于二維表達可讀性略差，難以表達復雜的空間形態：一是平斷面圖必須結合起來看圖才能形成立體概念，二是存在空間布置復雜的工程和一些形狀復雜的設備，很難用幾張平斷面圖表達清楚。對于建設單位、施工單位、監理單位工程技術人員難以形成整體的空間概念，全憑個人技術經驗在頭腦中建立空間形體。

雖然三維設計軟件也具有查看數字三維模型和漫游功能，但使用三維設計軟件查看也存在一些困難：

1)三維軟件使用復雜，一般人員未經培訓很難熟練應用；

2)受漫游視角所限，縮小模型查看整體就不能同時看到細部，反之放大模型查看細部就不能同時看到整體，整體和局部視角不可兼得；

3)電腦上的三維查看相當于所視范圍內的模型投影到一個平面畫面里的疊加狀態，并沒有實現真正的空間感，比如在一幀靜止畫面很難分清兩個物體的前后、遠近，只有變換多個投影視角才能弄清物體真實的外形和位置 關系。

二維圖紙和電腦三維數字模型雖各有自身優勢，但在直觀可視化表達上還有欠缺，所以理想的表達方式是在二者的基礎上輔以物理模型的表達，實現人眼目視的真實場景效果，能從各視角自由地觀看。

傳統工藝制作的項目沙盤就是一種物理模型，應用也比較廣泛，主要用于房地產業進行樓盤的模型和小區規劃的展示，用到的材料包括石膏、木材、玻璃、塑料等，通過人工切割、定型組裝形成沙盤模型，成品的質量主要依賴于手工制作工藝的水平。房屋建筑類多為盒狀外形，墻體可采用板材組裝，尺寸略有偏差也不會影響效果。而變電站的電氣設備眾多，空間形狀復雜，手工制作很難精確完成。目前變電站三維設計已是工程建設的基本要求，把已完成建模的變電站BIM模型延伸應用，采用3D打印技術打印出來，成為轉化成物理模型的捷徑。

2 3D打印技術簡介

3D打印是一種快速成型的技術，它以數字模型為基礎，把液體或粉末狀可粘合材料通過逐層打印的方式來構造物體。打印機內裝有打印材料，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最終把電腦里的數字模型變成物理模型。3D打印常在模具制造、工業設計等領域被應用，后逐漸用于一些產品的直接制造。3D打印技術生產出來的產品還無法進行大量生產，更適合一些小規模制造，尤其是個性化定制的產品[3]。

目前采用3D打印技術打印變電站整體布置還缺乏先例和相關的經驗，為了實現該技術的應用，設計人員從2019年開始開展了研究，選定了某220kV變電站進行試點應用。

3 變電站工程概況

某220 kV變電站本期工程建設4臺240 MVA主變壓器。220 kV配電裝置本期出線6回，采用雙母線單分段接線；110 kV配電裝置本期出線14回，采用兩個獨立的雙母線接線；35 kV本期每兩臺主變采用單母線分段接線，建設4套12 Mvar無功補償裝置。變電站整體布置清晰緊湊、層次分明。進站道路自東側接入，站區大門向東，220 kV、110 kV屋外配電裝置均采用戶外GIS成套裝置，4臺主變戶外布置在站區中部。220 kV配電裝置布置在站區北側，架空向北出線；110 kV配電裝置布置在站區南側，架空向南出線。

主要建筑物尺寸(長×寬×高)：

1)主控通信樓 31.2 m×22.3 m×4.1 m

2) 1#35 kV配電室 32.3 m×12.9 m×6.3 m

3) 2#35 kV配電室 21.8 m×12.9 m×6.3 m

全站主要技術經濟指標：

1)圍墻內占地面積 1.339 hm2

2)站內道路面積 1600 m2

3)站區總建筑面積 1489.41 m2

4)站區主電纜溝長度 338 m

5)站區圍墻長度 476.8 m

6)主變運輸路路寬4.5 m，消防環路路寬4.0 m

220 kV、110 kV屋外配電裝置場地采用方磚及植草磚硬化方式進行處理。在各類斷路器、隔離開關等有操作機構箱的設備基礎四周鋪設絕緣地坪。

4 3D打印變電站應用技術路線

4.1 建立BIM三維數字模型

設計各專業利用博超三維設計軟件進行本專業的模型建立工作，再通過協同平臺實現全站模型的總裝。各專業模型符合國家電網公司《輸變電工程三維設計建模規范 第1部分：變電站(換流站)》要求的施工圖深度要求。變電站BIM模型如圖3所示。

圖3 變電站BIM模型

電氣一次專業建模內容：變壓器、電容器、組合電器HGIS設備、避雷器、導線及設備連線等內容。

電氣二次專業內容：屏柜及安防系統模型。

土建專業建模內容：架構及設備支架，各建(構)筑物、噴淋管道、圍墻、道路、電纜溝及硬化模型。

為了保證模型的準確性，在完成模型總裝后需對三維模型進行碰撞校驗，對于發生碰撞的模型要重新調整方案，直至消除所有碰撞，得到最合理的布置方案。

4.2 對BIM三維數字模型的處理

考慮到3D打印成本和成品展示尺寸的要求，最終確定的打印比例為1∶100，預估成品平面尺寸為1.7 m×1.4 m。設計人員建立的BIM模型還不能直接用于3D打印，必須經過一定的處理方可使用，主要的模型處理包括以下內容(設計人員通過三維設計軟件實現)：

1)對BIM模型消模處理(去除不必要的部分)。本次展示的是變電站的總體布置，即變電站建成后地上可見部分，對于隱蔽工程不需要打印出來，所以進行消模處理，如建(構)筑物基礎、電纜溝地下部分和其他地下設施的模型予以消除。消除的過程需要細致操作逐一處理，既要保留外露部分，還要保證方便打印 輸出。

2)對BIM模型鏤空處理。3D打印費用一般按材料用量收費，為了降低成本，對于一些大體積的實體模型沒必要全部輸出打印，比如建筑物等進行鏤空處理，在保證成品模型的強度、穩定性的前提下，使模型內部空心化，減少打印材料用量。

3)對BIM模型修模(改變比例尺寸)。小型構件按比例縮小后，尺寸微小， 3D打印受材料性能的限制，細長的形體比如直徑小于1～2 mm的構件難于打印成型，或理論上雖能打印成型，卻在強度、穩定性上難以保持外觀形態。這也是3D打印變電站最大的難點之一。例如變電架構梁柱結構中含有φ133 mm×8 mm的鋼管，對于這些構件為了保證打印后模型的穩固只能進行修模處理，主要是不改變長度尺寸及端部定位的前提下加粗模型的直徑，一般要達到2 mm以上。

4.3 打印機及打印材料的選擇

打印機應采用工業級3D打印機才能保證打印的效果及精度。打印機選用lite600hd (SLA)光固化打印機，激光器采用固態三倍頻率 Nd:YVO4，打印機精度為±0.1 mm(構件邊 長L≤100 mm)或±0.1% ×L(構 件 邊 長L＞100 mm)，打印機的成型范圍為600 mm ×600 mm ×400 mm。設計人員所提供的BIM三維數字模型格式需轉換為3D打印機可讀取的格式。

3D打印材料選用光敏樹脂，該材料俗稱紫外線固化無影膠，能在滿足一定波長要求的紫外線的“點擊”照射下實現聚合反應，從而使聚合物由樹脂形態轉變成堅硬物質形態，最終實現3D打印模型的立體呈現。

4.4 生成物理模型

1)打印白模。通過計算機將三維模型分區形成切片，指導打印機逐層打印。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用樹脂材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面粘合起來形成物理模型的白模。

2)底板制作。按產品尺寸要求，制作木制結構底座，并在底座布置底板，底板上進行的圍墻、道路、硬化的輪廓線雕刻，從而實現全站各部分區域的定位及分區制作。

3)模型上色。設計人員按照國網公司建模規范中的顏色要求確定工程中設備、構件的顏色，并提供文本資料。制作人員按照資料要求，先進行顏色配比，使顏色接近真實，并且先進行一次試驗上色，待顏色確認無誤后再進行所有模型的手工上色工作。

4)模型拼裝。所有模型上色完成后，按照底板之前確定的位置，將3D打印模型就位固定，實現3D模型的總裝。

5)導線連接。導線按照不同長度及不同弧垂分別打印，在各個設備固定牢固后，按照先低后高，先短后長的順序掛接導線。

4.5 成品交付

上述所有步驟完成后，將成品模型及底座裝車運至現場。考慮現場為施工工地污染嚴重，所以采用玻璃將頂面蓋住，最后用于各參建單位指導施工使用。

5 3D打印變電站的優勢

3D打印變電站BIM模型成果交付施工現場后，實現了成功應用，業主單位和各參建單位反響良好。3D打印變電站成果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 變電站3D打印成果(主變區域)

圖5 變電站3D打印成果(主控通信樓區域)

圖6 變電站3D打印成果(電氣接線及空間交跨)

其主要優勢如下：

1) 3D打印保證了物理模型的精準。變電站建(構)筑物、電氣設備、其他設施均為BIM軟件建立的模型打印而來，保證了實體模型的準確，復雜的曲面、形體、空間位置、細部構造均實現了精細化的展現。

2)變電站色彩和材質真實呈現，形成了三維工程效果圖。通過色彩處理，建筑物外立面、混凝土電纜溝、鋼材、電氣設備、地面、大門標識墻、消防管道等均按照設計顏色上色，保證了與工程竣工后的實體色彩一致性。

3)物理模型展示全面細致。地面硬化、道路、井蓋、電纜溝、站區圍墻及大門、絕緣地坪及檢修小道、電氣設備、變壓器油坑、建筑物雨篷、臺階、散水、勒腳等等一應俱全，基本上所視范圍施工圖深度的模型都得到了還原。

4)物理模型真實展現了變電站復雜的空間形態。變電站模型直觀表達了各建(構)筑物設備設施的空間相對關系，直觀表達了各電氣設備外形，直觀表達了電氣接線形式、電氣平斷面、復雜的空間交跨。

5)工程施工現場應用效果良好。施工單位技術人員一般對BIM軟件還不能熟練運用，通過三維總圖可熟知變電站整體空間布局。物理模型與二維施工圖圖紙結合提高了圖紙的可讀性和對設計方案理解的準確性，節省了技術人員讀圖工日，方便審圖、技術交流討論，顯著提高了溝通效率，并可直觀指導施工。工程現場應用見圖7。

圖7 變電站3D打印成果現場應用

6 存在的問題及后期展望

目前受技術條件所限，3D打印變電站全站物理模型還存在以下問題：

1)受3D打印機可打印尺寸的影響，目前還不能實現變電站整站一次性打印，只能分區域、分設備、分建(構)筑物分別打印，然后組裝成全站模型。

2)三維模型需要設計人員對細小構件逐一調整BIM三維數字模型，使之在打印后能保證強度和剛度，保持穩定的外觀形態。所以BIM模型后期處理的工作量較大，需考慮一定的設計成本。

后期為了讓3D打印物理模型發揮更大的實用價值，可以延伸應用打印更多不同種類的模型以滿足其他特性的應用需求。

1)可通過三維設計打印變電站全站的開挖圖，注明基坑的標高，表明各基坑的深度關系和影響范圍，可以直觀指導施工開挖和回填的順序，優化施工工序，減少重復開挖和回填的工作量。

2)地下工程是施工的重點難點，包括各建(構)筑物基礎、地下設施溝道、管道，特點是隱蔽施工后不可見，標高有深有淺，經常有交叉、碰撞、躲避，空間關系復雜，二維圖紙很難表達清晰。無論設計人員還是施工人員很難通過各專業單體的圖紙建立起整體的地下空間概念，如能通過3D打印把變電站全站的地下工程建立起實物模型，則可在施工前即能讓相關人員直觀地了解地下工程的全貌，非常有利于相關單位技術溝通、及時發現問題并進行處理，也可以指導施工人員優化施工工序。

3)本次未對建筑物內部結構和設備布置進行打印，后期可進一步細化，把建筑物(主控樓、配電室)內部布置也可打印出來。把建筑物屋面和側墻模型做成可拆卸式，這樣既可看到建筑物外觀，也可揭開看到建筑物內部構造。

4)后期還可在3D打印的成品中加入一些標注，比如平面尺寸、標高、名稱標注等等，使3D打印模型具有更強的可讀性，更像一個三維的設計總布置圖。

5)受3D打印成本和成品展示尺寸的限制，一般打印比例不宜大于1∶100。但1∶100的比例對于特別復雜的設備或空間構造還是難以實現精細化表達，如有需要只能輔助以局部的大比例打印?？蓪ｉT把變電站的設備或工程局部單體放大打印出來，配合詳細的施工圖，體現精細化的設計。

7 結語

綜上所述，通過3D打印變電站全站物理模型是三維數字化BIM設計的延伸應用，可以把二維施工圖紙和三維BIM數字模型有效結合起來，可真正實現變電站三維可視化設計的目標，具有較高的實用價值。隨著三維技術的發展和深入應用，變電站設計越來越體現工程建設全生命周期理念。后期3D打印變電站可作為一種新的三維可視化設計產品交付形式，對業主移交，在工程竣工投產后，模型還可在運行階段(比如仿真培訓教學等方面)進一步發揮作用。