BIM在特高压换流站阀厅工程设计中的应用

BIM集成设计交付，集几何、物理、数据于一体的三维变电站模型可以为业主提供真 实的虚拟现实体验，并形成完整的变电站数字样机，提前体验建成后的项目。为业主和运营单位实现变电站的全寿命周期管理奠定基础，为工程的后期维护和改造提供方便，也为设计服务的延伸增值提供可能。


　　
　　 引言

　　以往变电工程的设计还都停留在二维设计手段，主要依赖设计者的空间想象力和制图技能完成空间设计的，这种设计方式的局限性在于缺乏直观的视觉效果和可定量的模型；个专业之间的设计信息是离散，集成性协调性较差；例如带电距离的校验只能基于平面，可能造成安全距离不足；设计交付品缺少必要的可建造性评估，深化设计（施工二次设计）程度不高，给项目建设的难度、进度、安全埋下隐性压力。

　　另外对工程总体空间布置的经济技术比较和优化缺乏控制，很难适应坚强智能电网的建设要求。这种设计方法工作效率较低，对于业主缺乏有效管控，难以适应精细化设计和精益化管理的需求。而当前电网业主例如本文中会提及的北京网联公司已明确提出三维设计、数字化集成移交的要求，并将其作为项目管理的手段融入其工作理念和管理体系中。

　　BIM设计和集成交付有着以下重要的意义：

　　1） 精细化设计，以往各专业离散的二维设计方式中不易发现的错漏碰缺问题在BIM设计环境下能高效地规避。

　　2） 促进各专业之间、设计总包与专项分包之间的协同设计，各专业通过一个设计平台进行设计，提高了不同专业配合的效率，避免交互过程带来的错误。

　　3） BIM集成设计交付，集几何、物理、数据于一体的三维变电站模型可以为业主提供真 实的虚拟现实体验，并形成完整的变电站数字样机，提前体验建成后的项目。为业主和运营单位实现变电站的全寿命周期管理奠定基础，为工程的后期维护和改造提供方便，也为设计服务的延伸增值提供可能。

　　 1 项目概况

　　锦屏－苏南±800kV特高压直流输电工程

　　锦屏－苏南±800kV特高压直流输电工程起点四川西昌市裕隆换流站，落点江苏省苏州市同里换流站。新建±800千伏换流站两座，额定输送容量720万千瓦，最大连续输送容量760万千瓦；新建±800千伏直流输电线路一回，途经四川、云南、重庆、湖南、湖北、安徽、浙江、江苏八省市，全长约2100公里。本文中涉及的BIM

　　应用主要集中在裕隆和同里换流站阀厅工程。

　　 2 项目特点

　　1） 两个换流站所在站区地域跨度大，抗震设防等级差异巨大，适用的设计规范和设计路线不同。设计资料模块化、系列化要求高；

　　2） 站内布置紧凑尤其是作为换流站核心的阀厅，内部空间布置压力更大；

　　3） 布置紧凑随之带来的衍生问题是严格的带电距离校核及周边即有设施冲突检查；

　　4） 包括电力设计院、电力设备供应商、民用建筑设计院的建筑、结构、水暖电、钢结构专项设计、弱电顾问等在内的设计及专项深化设计团队在内的众多设计团队驻网联公司现场设计办公，沟通协调难度大；

　　5） 不同专业、不同设计工具格式多样，接口多；

　　6） 工期紧，不容许由于“错、缺、漏、碰”等设计原因引起的返工遗留到现场；

　　7） 业主需要进行精细化设计（包括精细化图纸、精细化的施工深化设计）；

　　8） 整个项目业主贯彻基于BIM的集成化管理理念和工作流，设计资料三维化提交整合审阅协调。


3 应对措施

　　面对以上项目挑战，中南电力设计院、华东电力设计院、上海建筑设计院会同若干专项设计顾问和深化设计团队，在BIM实施环境下实现了：变电站设计和深化设计过程数字化管理以及项目管理信息可视化。

　　3.1 三维数字化设计的概念

　　三维设计是针对二维设计而言的，在三维设计中，所有变电站中的设备都是通过三维模型展现的，可以更直观、精准地描述各类设备的空间关系。

　　而数字化设计则要形成以数据库为核心的设计成品的数字化体系，实现与设计评审、设备采购、工程建设招投标、现场施工管理、资产管理、生产管理等各个阶段的高质量数字化连接，并最终形成一个终生存储工程信息的管理平台，实现变电工程全寿命周期的数字化。

　　3.2 三维数字化设计的内容

　　三维数字化设计首先必须针对变电设计项目整体，涵盖变电工程设计工作的全部专业内容，对应于电气、土建、结构、水暖、场地等专业。

　　基于强大的数据库后台，实现所有结构化和非结构化设计数据的综合管理。通过设计工具分别进行二维原理图、三维设备布置、场地、建筑等的设计，完成电气、土建等相关计算校验和材料统计，出具施工图纸。

　　设计成果以数字化型式移交给施工、运行、管理等各部门，达到项目的全寿命周期管理。

　　3.3 数字化变电站

　　随着我国经济的持续高速发展，对电网的建设速度和技术水平提出了越来越高的要求，应运而生了“数字化电网”建设理念。传统的二维设计方式已经越来越难以满足业主对设计效率、设计成品质量的要求，为此业主提出了变电站全生命周期管理的需求，因此在电力设计行业应运而生“数字化变电站”的概念。

　　数字化变电站建设的基本目标是将变电站所有信号数字化、所有管理的内容数字化，然后利用先进的控制技术和信息技术，实现对变电站可靠而准确的控制和管理。

　　遵循数字化电网和数字化变电站的建设理念，本项目从全生命周期角度提出数字化变电站BIM实施方案：

　　在变电站设计中采用数字化设计技术，为变电站的建设提供高品质的设计成品；

　　采用变电数字化设计平台，对变电站设计过程实现全面的数字化管理；

　　为后续利用国网公司的数字化采购平台打下基础，结合设计院的数字化设计成果，有条件实现变电站建设阶段的数字化采购；

　　推动施工单位利用变电站BIM模型，采用虚拟建造技术，实现变电站的数字化施工；

　　建立变电站建设阶段管理信息系统，实现变电站建设阶段的信息化管理；

　　使用项目管理软件，实现建设和施工的工程进度管理，结合变电站三维模型，实现工程进度的可视化管理；

　　数字化移交：包括设计向建设、施工、运行的移交，以及建设、施工向运行的移交。

　　变电站BIM设计成果为业主在招标采购环节提供决策支持，在监造和预制阶段，模型能提供详细的构件信息等，缩短采购和监造周期。

　　BIM设计成果的变电站数字样机为业主和施工企业提供可建造性评估、施工方案策划、技术措施优化、合理安排施工顺序等提供支持。特别是在大件设备运输盘运、大跨度钢结构吊装模拟、大型设备安装、检修模拟以及交叉施工协调方面有广泛成熟的应用。

　4 应用情况

　　锦屏－苏南±800kV特高压直流输电工程

　　4.1 建筑结构设计

　　本项目中建筑结构构件例如功能布局、场地、设备基础、土建预留孔、预埋件、电缆沟等均在BIM环境下进行三维设计，这样实施的好处除了可视化直观以外，各专业能即时了解土建设计资料和变更情况，建筑结构也能根据工艺等要求即时调整和优化设计。为后续各专业综合三维集成协调打下技术基础。

　　4.2 土方工程

　　本项目采用GIS地理信息模型系统对站区现状地形和设计地形进行分析和竖向设计，可以一改以往竖向高程设计定性不定量的局面，同时土方填挖计算也无需利用网格法花费大量精力和时间手工计算，任何设计修改与分析结果之间都是参数联动的，设计师能清晰地掌握其优化方向对最终成果技术经济指标的影响趋势和结果，施工单位也能得到一个精确的输入条件，作为后续工作顺利开展的良好开端。

　　4.3 主接线设计与模型布置

　　在BIM设计环境下，设计师能以快速的方式完成二维原理图设计，智能地进行三维设备布置，较为准确地在三维模型中表达带有弧垂的导线、连接线，并进行导线受力分析，生成导线施工报表等设计工作。三维模型通过动态剖切可以自动生成二维平断面图纸，满足施工要求。

　　在三维设计中，二维原理图、三维模型的布置和二维平断面均可以实时、动态、高效地关联，当发生设计修改时，只需要在三维布置中进行调整，所有二维图纸都会自动刷新，而不再需要在平、断面图上进行手动调整，既避免了人为错误的发生，又大幅度地提高了设计效率。

　　4.4 三维保护验算

　　例如在防雷保护范围图中，传统工作方式下只能局限于平面或某个局部剖面中示意保护范围，但在BIM环境下能以动态观察的方式从任何角度检查和查询保护范围和安全距离。这样设计成果传递给施工单位和运维单位也可以利用BIM的这些特性，推演施工方案排查安全隐患，确保编制和执行的安全文明措施的预见性、真实性和有效性。

　　5 专业协同应用情况

　　5.1 土建协调

　　传统项目中经常出现建筑和结构图纸不匹配或表达相互矛盾的设计信息的情况，遗留到施工阶段就会造成设计与施工之间的扯皮推诿，进而影响项目的进度、质量和安全。由于BIM设计工具的特点和其独特的设计方式，项目设计信息模型化的过程如同虚拟环境下的建造过程，80%在今后现场按图施工会遇到的问题在模型化过程中都会提前发现和予以干预，以免现场不必要的窝工和返工。

　　5.2 土建与机电协调

　　众所周知，电气安装正式进场前，有一项必不可少的紧前工作，就是土建验收。其中最常见的问题有土建预留洞尺寸位置与设备安装要求不匹配、土建预埋件（接地、埋件等）与电气安装要求不一致等。

　　在以往的项目中，设计人员或项目管理人员想要检验建筑设计成果是否满足某一电力设备例如变压器安装时，就必须从成千上万张图纸中找到相应的建筑和结构专业图纸，再找到电气设备安装图，甚至还有厂家图纸，大费周章可能只是为了检查下某把闸刀的设备基础是否按要求设计，或埋件留洞是否准确。

　　而在本项目中业主要求无论是负责主电气设计的电力设计院还是负责土建以及土建机电的建筑设计院，包括钢结构、弱电在内的专业分包，在提交二维设计图纸资料的同时必须同时提交三维BIM模型，业主只需要将我们各家设计单位提交的BIM模型整合到一个统一的审阅平台内，便能直观精确地了解他们之间的相对关系和设计现状情况，如此一来业主便可从大量机械繁琐的事物中解放出来，集中精力审阅各家单位之间接口的协调和进度控制上。


5.3 深化设计前置

　　就国内目前行业现状而言，部分专业的施工图深度还不能达到可用于直接施工的程度，例如土建机电和钢结构。因此在民用建筑行业，在施工图后施工前，有一个深化设计环节，其目的就是消除或缩小设计与施工之间的鸿沟，确保设计信息有效传递给施工单位。而类似这样的深化设计在电力建设行业普及程度还不高。现场经常出现管线互相打架、停工返工的情况。

　　以机电深化设计为例，深化单位会将各专业图纸在一张平面中，随后在剖面中调整各专业管线的敷设空间和顺序，进而指导施工。同理钢结构深化单位也会将结构专业的钢结构设计资料深化成工厂能预制，现场可以定位安装的图纸，但在BIM出现之前，由于工具器具的限制，深化设计作用和效果往往没有充分发挥，原因有很多，一是设计院内部未经协调的设计成果不具备深化设计条件，二是深化设计团队缺乏有效的工具。

　　而BIM的出现使施工深化设计的质量、效率大大提高。在这个项目机电管线如何在密布的钢结构杆件之间避让穿行，现场安装的顺序也一目了然。对于预制加工来说，由于BIM模型的真实性的特性，其模型除了具有可视化的作用以外，还可以直接与类似三维打印、数控加工等工艺无缝对接，理论上几乎建模能实现的现场绝大部分都能做得出，而建模都无法实现的现场肯定做不出。

　　综上所述，BIM技术在各专业的协同使问题的发生得到了有效的监控和确定，为施工组织计划和工期进度的顺利完成提供了保障。在设计过程中解决了设计中的常见病、多发病，消灭了设计过程中“错、漏、碰、缺”等问题以及由此造成的设计返工，出图的质量得到极大的提升。

　　6 结语

　　BIM设计具备高效、直观、智能的特点，在适应变电工程日益复杂、设计周期短暂以及数字化移交等要求的同时，完善了设计师充分表达设计思想的手段，是促进项目更高质量、更快速度完成的助推器，也是实现变电工程全寿命周期管理的有效工具。

　　通过使用BIM技术在裕隆同里阀厅工程的三维数字化设计的尝试，积累了些技术储备，在变电设计数字化革命的浪潮中，设计师的水平与软件本身都需要不断的发展与提高，共同推动变电设计行业的技术进步。