基于5D-BIM的變電站管控平臺設(shè)計與實踐研究

馬悅， 屈璐， 曾鈺， 吳洪彥， 滿益珊

（1. 長沙電力設(shè)計院有限公司；2. 長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院）

1 引言

近些年來，隨著科技的不斷發(fā)展，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)也漸趨成熟并逐漸被運用到建筑行業(yè)中，BIM是由美國學(xué)者Aish R.于1986年提出“Building Modeling”概念[1]，BIM模型以三維數(shù)字信息技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程項目各個階段的場景信息，構(gòu)建相應(yīng)的模型協(xié)同操作的施工過程[2]。5D-BIM則是在傳統(tǒng)3D模型的基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)時間（4D）和費用（5D），從而模擬施工各過程，動態(tài)展示實時進(jìn)度和實際費用的技術(shù)。但比起房屋建筑，變電站等電力建筑數(shù)量少，BIM技術(shù)的運用也少。因此，目前很多電力建筑主要依靠傳統(tǒng)的管理模式來管控工程項目，以人為經(jīng)驗為主。為了探索5DBIM管控技術(shù)在電力行業(yè)的運用，改善目前工程全過程管理中存在的管控效率低、延后性等問題，增強電力建設(shè)工程過程管理的精準(zhǔn)度和實時性，特以變電站為對象，成立課題組展開研究。本項目的嘗試和探索，對5D-BIM技術(shù)在電力行業(yè)的運用和推廣提供了重要思路，具有重要借鑒和參考意義。

2 BIM平臺概況

BIM最早于20世紀(jì)70年代，美國教授Chuck Eastmanshou提出了BIM技術(shù)雛形[3]；Mc Kinney K和Fischer M等人在CAD-3D模型與時間進(jìn)度結(jié)合，實現(xiàn)三維模型到四維模型的轉(zhuǎn)變[4]，為后續(xù)BIM-4D理念的形成奠定了基礎(chǔ)。在三維建模模型方面，BIM技術(shù)的應(yīng)用軟件有Revit、ArchiCAD、Vectorworks，Bentley BIM、Projectwise，Dassault System等軟件；在工程進(jìn)度管理方面，Microsoft Project等管理應(yīng)用軟件；在工程造價管理方面，有Innovaya和Solibri，魯班、廣聯(lián)達(dá)BIM5D等軟件；在運維管理方面，有軟件Archibus、BIM360、Delta Server等軟件。

綜上，目前國內(nèi)外對于BIM技術(shù)在項目施工階段工程項目施工進(jìn)度和工程成本聯(lián)合管理等相關(guān)領(lǐng)域研究都比較少[5]。大多數(shù)管理平臺都是著重管理施工階段，比如有專門的4D、5D軟件，但還未出現(xiàn)將3D模型-D進(jìn)度-5D成本關(guān)聯(lián)起來，并從工程全生命周期的各個階段都進(jìn)行管理的管控平臺?；诖?，本項目研究如何構(gòu)建5D-BIM管控平臺，為電力公司能進(jìn)行便捷智能的管控提供有力支撐，同時也為BIM技術(shù)在進(jìn)度-成本控制中的應(yīng)用提供參考。

3 基于5D-BIM的變電站管控平臺構(gòu)建

3.1 總體思路

變電站通常采用典型性設(shè)計，各變電站之間相似性極高，利用三維數(shù)字信息技術(shù)精確布局空間結(jié)構(gòu)，研究多專業(yè)間的精密搭配關(guān)聯(lián)。以BIM規(guī)范為基石，集成支持電網(wǎng)基建可研、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、招標(biāo)及施工的數(shù)字模型資源，并進(jìn)一步構(gòu)建協(xié)調(diào)控制平臺，將計劃工程的節(jié)點與實際工程的模型、進(jìn)度、成本等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)3D模型到4D進(jìn)度，4D進(jìn)度到5D費用的關(guān)聯(lián)，使項目業(yè)主項目部、施工項目部、監(jiān)理等各方面都可以密切配合，實現(xiàn)項目與項目的互聯(lián)互通，實行工作的智能化、流程化、無紙質(zhì)化的管理。

3.2 方法和步驟

3.2.1 電網(wǎng)工程BIM的標(biāo)準(zhǔn)化

BIM技術(shù)在當(dāng)今的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，各個軟件廠商都有自己獨特的模型格式，該項目基于Bentley Substation軟件推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)模型格式標(biāo)準(zhǔn)，建立了一個統(tǒng)一的模型格式和標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于變電站建設(shè)專業(yè)的數(shù)據(jù)屬性存在差異，在整個工程生命周期中，針對變電站工程的各個階段，分別設(shè)定了可研、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計等不同的參數(shù)，為后續(xù)的運維奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 變電站三維模型

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《輸變電工程數(shù)據(jù)移交規(guī)范》（GB/T 38436-2019），本文對模型深度及格式進(jìn)行了定義（見圖1）。

圖1 變電站三維模型

①可研階段：采用LOD 100模型精度，概念化階段模型以圖形方式表示，包含項目信息。

②初步設(shè)計階段：采用LOD 200模型精度，模型深度根據(jù)推導(dǎo)出的初步設(shè)計圖深度建模，設(shè)計模型包含設(shè)計參數(shù)和工程信息。

③施工圖設(shè)計階段：采用LOD 300精度，將設(shè)備模型替換為制造商模型的設(shè)計模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖拆分建模過程和步驟。模型屬性包括設(shè)計參數(shù)、項目參數(shù)等。

④移交模型階段：采用LOD 400模型精度，施工單位需要將竣工模型與進(jìn)度階段相關(guān)聯(lián)起來，項目施工完成后，施工管理單位將模型組織成數(shù)字文件，上傳到控制平臺進(jìn)行數(shù)字傳輸，便于后續(xù)運維管理。

3.2.3 搭建協(xié)同管控平臺

基于C/S體系結(jié)構(gòu)的變電站數(shù)字化施工協(xié)同控制平臺，基于全流程控制思想，以BIM+Access為核心業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)平臺，整合第三方異構(gòu)系統(tǒng)推送的狀態(tài)數(shù)據(jù)。協(xié)同管控平臺的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

協(xié)同管控平臺采用數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)庫層、5DBIM平臺層、綜合應(yīng)用層等四層架構(gòu)，協(xié)同管控平臺的系統(tǒng)功能是項目的基礎(chǔ)信息、三維模型、施工模擬、計劃進(jìn)度、工程費用進(jìn)行管理。

4 某110kV變電站工程的管控實踐

本課題組根據(jù)變電站空間、技術(shù)、環(huán)境等方面的特點，采用5D-BIM技術(shù)，開發(fā)變電站建設(shè)的數(shù)字化管控平臺。并以某110kV變電站建設(shè)為例進(jìn)行了探索?；贐IM建模與協(xié)同控制平臺，采用多項自動化技術(shù)，將三維建模與施工各環(huán)節(jié)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程的工期、成本、現(xiàn)場等數(shù)據(jù)，進(jìn)行5D施工模擬，實現(xiàn)3D模型和實際工程按進(jìn)度進(jìn)行施工增長。精細(xì)、實時、規(guī)范地管理施工進(jìn)度和成本信息。

4.1 系統(tǒng)功能框架設(shè)計

管控平臺的系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。主菜單“工程項目（可研階段）”下的內(nèi)容為工程項目庫的維護(hù)及具體項目信息的建立，有工程信息、工程位置、工程預(yù)覽、可研批復(fù)文件的導(dǎo)入導(dǎo)出等子菜單；主菜單“三維模型（初步設(shè)計階段）”是項目3D信息管理部分，可實現(xiàn)工程地形導(dǎo)入、地形編輯、三維模型導(dǎo)入和初步設(shè)計批復(fù)文件、校核文件的導(dǎo)入導(dǎo)出等功能；主菜單“工程預(yù)算（施工圖設(shè)計）”的子菜單有工程預(yù)算（導(dǎo)入預(yù)算批復(fù)文件）；主菜單“工程預(yù)算（招標(biāo)）”的子菜單有工程控制價（導(dǎo)入控制價內(nèi)容，工程量、清單以及清單價格）；主菜單“進(jìn)度”是關(guān)于工程施工階段的進(jìn)度管理的菜單，由施工單位完成，有施工計劃進(jìn)度導(dǎo)入、修改、導(dǎo)出和生成橫道圖等子菜單，又有關(guān)聯(lián)3D模型和4D進(jìn)度的子菜單，即模型-關(guān)聯(lián)子菜單，以用于后續(xù)的建造模擬子菜單；主菜單“成本計劃（施工準(zhǔn)備階段）”則是展示5D成本與4D進(jìn)度的關(guān)聯(lián)，由施工單位完成，有成本計劃、進(jìn)度-成本關(guān)聯(lián)、成本分析等子菜單；主菜單“成本管理（施工階段）”為施工階段的5D信息管理，可根據(jù)工程實際情況，與預(yù)期的計劃進(jìn)行對比并進(jìn)行糾偏，包括施工實際進(jìn)度、實時成本、進(jìn)度調(diào)整、成本分析、進(jìn)度-成本對比、竣工驗收等子菜單；主菜單“竣工結(jié)算（結(jié)算階段）”有結(jié)算費用、造價分析等子菜單。

圖3 系統(tǒng)功能框架設(shè)計

4.2 三維模型管理

在工程可行性研究階段，管理者可以利用已有的變電站虛擬模型和類似工程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對整個變電站進(jìn)行初步評估。在初步設(shè)計階段，變電站工程項目按初步設(shè)計圖建造3D-BIM模型用以三維仿真模擬。在施工階段，基于施工圖設(shè)計圖的3D-BIM的模型中融入對應(yīng)的施工進(jìn)度階段，即可及時體現(xiàn)施工進(jìn)度狀態(tài)。該模型能夠根據(jù)所顯示的施工進(jìn)度狀況，科學(xué)地將所需資源進(jìn)行合理的分配，從而達(dá)到流水線、動態(tài)操作的目的。

4.3 工程進(jìn)度管理

通過表格導(dǎo)入或者管理人員根據(jù)實際情況工程現(xiàn)場施工進(jìn)度輸入進(jìn)入管控平臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對項目實時進(jìn)度的精細(xì)化管理。在獲取了實際的施工進(jìn)度資料后，按照工期為主線，根據(jù)施工計劃進(jìn)度表和工程預(yù)算成本，以及實際上報的施工進(jìn)度和成本，將變電站三維模型與工期進(jìn)度相結(jié)合，為所有組件賦予時間屬性，得到了變電站4D-BIM進(jìn)度管理模型，通過4D-BIM管理模型可以在可視化設(shè)備操作下實時模擬實際工程。還可以對計劃的施工過程進(jìn)行三維模擬，使工程進(jìn)度與實際進(jìn)度進(jìn)行同步比較，從而達(dá)到工程與規(guī)劃的對比分析。當(dāng)管理者發(fā)現(xiàn)與計劃不符時，可以查閱有關(guān)的檔案資料，了解有關(guān)工程的超前和滯后狀況，以便改正并修正造成偏差的節(jié)點，使計劃和調(diào)整工單得以有效執(zhí)行，圖4模擬了變電站工程項目的部分施工流程。

4.4 工程費用管理

通過表格導(dǎo)入或者管理人員根據(jù)實際情況工程現(xiàn)場施工的實際費用進(jìn)入管控平臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對工程實時費用的精細(xì)管理。在融入時間變量4DBIM變電站進(jìn)度管理模型的基礎(chǔ)上，加上成本變量，成為變電站工程5D-BIM管理模式。并在獲得實際施工費用信息后，以時間表為主線，根據(jù)施工計劃進(jìn)度和工程計劃費用，以及實際施工進(jìn)度和費用，將工程費用與進(jìn)度階段關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)行費用分析。對施工過程費用進(jìn)行整體比較分析，同時對項目計劃費用進(jìn)行同步比較，實現(xiàn)實際與計劃的比較分析。當(dāng)管理者發(fā)現(xiàn)實際與計劃存在偏差時，可以了解相關(guān)項目的超前和滯后狀態(tài)，并可以查看相關(guān)文件的任務(wù)相關(guān)施工情況，調(diào)整相關(guān)項目的進(jìn)度或成本，從而對造成偏差的節(jié)點進(jìn)行整改和調(diào)整，實現(xiàn)項目成本的數(shù)字化管控。

5 結(jié)語

5D-BIM變電站管控平臺形成了立體、實時、精準(zhǔn)的一體化管理模式：①5D-BIM變電站管控平臺匯入3D模型，隨后以3D模型和虛擬建造的形式進(jìn)行施工仿真，實現(xiàn)了可視化管控；②BIM數(shù)據(jù)庫能在任何時間點實現(xiàn)對變電站建設(shè)過程中任意時刻的基礎(chǔ)信息的快速采集，使管理者能完成信息在線數(shù)據(jù)分析，從而在出現(xiàn)風(fēng)險時及時采取應(yīng)對措施；③通過上傳進(jìn)度計劃和費用計劃，以進(jìn)度為主線，分別關(guān)聯(lián)模型與費用，實現(xiàn)3D模型到4D進(jìn)度和4D進(jìn)度到5D成本的聯(lián)系，實現(xiàn)真實的施工情況模擬與工程實時費用分析。

變電站數(shù)字化5D-BIM管控體系是變電站建設(shè)的重要革新，可引入推廣到行業(yè)管理中。在本文中僅構(gòu)架了單機(jī)版5D-BIM平臺，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，未來還將繼續(xù)深化研究聯(lián)機(jī)版的5D-BIM管理平臺。