基于GIM 的模塊化變電站電纜敷設三維設計

朱克平，何英靜，倪瑞君，徐偉明，鮑雙雙

（1.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，杭州 310008；2.嘉興恒創電力設計研究院有限公司，浙江 嘉興 314033）

0 引言

21 世紀初，建筑行業提出了BIM（建筑信息模型）概念，并在后期發展中得到國內外建筑行業廣泛應用。 在電氣設計方面為了滿足變電站全生命周期的要求，2017 年9 月國網公司發布了《輸變電工程三維設計模型交互規范》（試行），提出GIM（電網信息模型）的概念，建立以GIM 為基礎的承載信息的數據庫，實現跨平臺共享及信息采集[1]。 該規范規定了GIM 文件的格式，適用于輸變電工程初步設計、施工圖設計和竣工圖設計階段的三維設計，以及設計成果的交付。 為變電站數字化移交提供了數據基礎。 具備三維設計能力也將成為設計院參加工程投標、設計競賽等的一個基本門檻[2]。

2018 年初，國網浙江公司針對國網基建部下發文件《關于開展輸變電工程三維設計擴大試點通知》，進一步提高三維設計專業能力，持續推動三維設計工作，在2019 年12 月實現全面變電站三維設計應用階段。 因此，推動GIM 標準化發展，對工程進行全壽命周期管理，實現數據共享化具有重要意義。 浙江省公司在各個地級市開展輸變電工程三維設計試點工作。

同時變電站設計建設進入模塊化階段。 采用模塊化設計具有占地面積小、建設周期短、施工方便等優點。 模塊化設計變電站為減少現場濕作業，縮短建設工期，大部分設計都取消了電纜層的設置，給電氣設計人員的工作帶來了較大的調整。 電纜敷設設計主要依靠二維設計，由于電纜數量非常龐大，通過手動方式排查錯誤，效率非常低[3]。 通常根據電纜橋架、豎井、電纜溝、用電設備、電氣盤柜的位置進行埋管出圖、電纜敷設以及材料統計。 但由于圖紙空間有限，設備位置不精確，在計算電纜和埋管長度上存在誤差，雖然理論上能夠實現電纜分層敷設，以及通道填充率檢查等，但不能實現電纜在通道中的單層敷設，也查詢不到任意通道內電纜的分布情況，更不能保證電纜敷設過程電纜之間的間隔問題[4]。 隨著信息技術的發展，利用計算機敷設軟件來進行電纜敷設的設計已成為一種常見的手段[5]。

本文采用GIM 軟件對一個110 kV 輸變電工程實例進行電纜敷設設計，并與傳統設計方式進行對比，探討基于GIM 三維設計的優劣。

1 變電站電纜三維設計方案

1.1 變電站模塊化建設簡介

關于國網公司《關于印發2016 年推進智能變電站模塊化建設工作要點的通知》，積極推進變電站模塊化建設勢在必行[6]。 模塊化變電站提出了一種新的變電站建設模式，將變電站劃分為5個功能模塊，便于安裝、調試，提高建設的質量、效率。 降低變電站成本、減少土地占用、縮短建設周期等是未來模塊化變電站的趨勢。 目前，浙江地區已經開始逐步推廣模塊化變電站的建設。

1.2 GIM 三維協同設計優勢

較傳統的二維設計，基于GIM 的三維工程設計更易建立起建筑物的模型，在三維設計過程中更直觀清晰的看見整個項目模型；同時采用參數化設計，同步自動更新，并且能夠從模型自動生成所需的設備明細表和相關圖紙，推動了數字化設計技術的廣泛應用，使設計成果正逐步從工程設計圖紙向數字化設計成果過渡[7]。

GIM 技術具有信息共享、協同設計、直觀性[8]等特點，改變了傳統模式的設計流程，一個模型可以多人或者多專業同時進行，并且能夠實時同步他人的設計，避免設計上沖突；同時還具有碰撞檢查等功能，避免施工中出現建筑物與橋架碰撞等問題，保證電力輸送的安全性[9]。

1.3 設計軟件選擇

目前支持GIM 標準的軟件有STD（R）軟件平臺、金曲軟件平臺、Bentley 軟件等。

此次項目采用STD（R）軟件平臺（Revit 2016中文版）進行電纜敷設設計。 Revit 系列軟件簡單易學，并具有強大的數據庫，所有的平面圖、三維視圖都建立在同一個數據庫中，能夠將二維、三維之間的數據貫通；參數化程度高，軟件提供了大部分的建筑圖元，能夠滿足電氣設計特點且全專業配套，因此得到廣泛應用。

1.4 設計流程

不同于傳統的二維設計，三維設計流程可分為建立模型、布置線路、三維碰撞檢查、材料統計和模型成果5 個過程[10]，其流程如圖1 所示。

圖1 三維設計流程

（1）模型的構建

根據以往的設計經驗和實際工程反饋，利用三維設計構建了電纜敷設需要的3 種模型：電纜模型、電纜溝（含電纜支架）模型、埋管模型。

電纜模型：根據不同電壓和截面的電纜，構建編制站內的電纜模型庫，供電纜敷設時選取，模型如圖2、圖3 所示。

圖2 110 kV 電纜模型

圖3 10 kV 電纜模型

電纜溝（含電纜支架）模型：電纜溝（含電纜支架）模型設計是模型構建的重點和難點。 構建該部分模型需要先參數化繪制電纜溝，能夠根據電纜通道如拐角、三通、四通等設置相應的節點和模型。 再將電纜溝支架全部擴充到數據庫中，通過設置層架所敷設的電纜類別來實現電纜敷設的規則，電纜在電纜溝內敷設必須嚴格按規范要求分層布置[11]，保證敷設與實際效果一致。 相關的模型如圖4、圖5 所示。

圖4 110 kV 電纜支架模型

圖5 10 kV 電纜溝模型

埋管模型：在埋管設計時，排管路徑可以作為敷設路徑被軟件識別。 對于在排管內敷設的電纜按照電壓等級、外徑、容積率等設定規則自動分管敷設，分管結果可以手工進行調整。 相關的模型如圖6 所示。

圖6 埋管三維模型

（2）布置線纜

利用構建的電纜模型庫信息自動在平面圖中查找電纜敷設路徑，并按照設定的敷設原則進行優化[12]，再利用斷網查看及自動定位功能幫助用戶檢查設備的接線失誤，提高設計質量和效率。

在實際應用中，部分電纜必須通過相應的橋架、層次和節點，且敷設方式因地而異，需要手工對特殊的電纜路徑和敷設方式進行調整。

（3）三維碰撞檢查

不同于傳統的二維設計，三維碰撞檢查是三維設計最大優點和亮點。 采用三維碰撞檢查可以有效避免后期施工出現電纜相互交叉碰撞、橋架與建筑物之間碰撞等問題，最大程度保障了施工過程的順利進行，加快施工進程，節約施工周期，降低投資費用。 采用三維碰撞檢查主要是埋管與建筑物梁柱板之間，橋架與建筑物梁柱板之間進行碰撞檢查。

（4）材料統計

通過前面的流程形成完整的電纜清冊，進行完成的材料統計。 采用三維設計統計結果詳盡準確，內容可以包括電纜的長度、電纜附加長度、施工裕量、保護管長度、橋架長度、橋架接頭甚至托臂、立柱等。

有別于傳統的清冊表格，可以根據實際需求定制電纜表。 表現形式可以按圖紙、按平臺、按電纜型號、按設備等，極大方便了工程采購和后期施工。

（5）模型成果

根據以上過程得出的三維模型如圖7 所示，可用于生成效果圖進行預覽和方案對比，也可直接進行三維瀏覽漫游及簡單的瀏覽視頻制作，自動生成電纜溝/橋架剖面圖，輸出dwg 等格式圖紙。

圖7 三維模型成果

2 工程實例

2.1 工程簡介

將GIM 三維設計應用到110 kV 百步變電站新建工程，該工程采用國家電網公司模塊化通用設計110-A3-3 方案（2015 版），變電站采用半戶內布置方案，電氣設備只有主變壓器布置在室外，其余設備均布置在室內[13]。 10 kV 配電裝置室、10 kV 電容器室、110 kV GIS 室、二次設備室等布置在配電裝置樓內，110 kV 由西側電纜進線。取消電纜層，電纜敷設采用電纜溝；110 kV GIS采用電纜進出。

由于該方案取消了電纜層，電纜出線走廊十分緊張。 采用傳統的二維設計圖紙，方案電纜走向如圖8 所示，可見電纜出線密集，廊道緊張，給設計人員和工程施工人員帶來了較大的挑戰。

2.2 工程實例

本文利用Revit 三維軟件，結合第一章的設計流程對該輸變電工程電纜敷設采用三維仿真建模設計，最終形成相關三維模型如圖9 所示。

該工程于2017 年底進行開工建設，2018 年9 月投產，電纜敷設部分于2018 年6 月8 日進場，至6 月24 日完成，工期16 天。 由于采用三維設計，電纜敷設設計部分無變更，工期縮短5 天。

3 應用反饋

3.1 優勢分析

根據百步變電站新建工程設計和施工的反饋情況，采用電纜敷設三維設計在直觀可視化、縮短周期和降低造價方面有明顯的優勢（見表1）。

（1）直觀可視化

圖8 百步變電站新建工程電纜敷設二維設計平面布置

圖9 百步變電站新建工程電纜敷設三維設計模型

表1 采用不同設計模式對比

傳統的二維設計需要三視圖和剖面圖才能抽象理解電纜布置實際情況，這往往是設計中最容易忽視的地方。 通過三維設計可快速準確地建立三維實體模型，輕松理解設備之間的空間關系，最大限度避免平面思維的盲區，能夠及時發現各個設備之間的碰撞問題，及時避免施工中不必要的問題[14]。 并將整個方案直觀地展現給業主、施工人員和后期運維管理人員。 既便于業主的修改、也減少施工的變更，更有利益后期的運維。

（2）縮短周期

根據百步新建工程設計人員反饋，采用三維軟件中完成模塊和數據庫后，使得設計更加方便快捷。 特別是一次設備布置改變時，只要修改模型，就可以重新生成電纜敷設平面圖、剖面圖以及材料表，修改的工作量減小，出圖時間更快。采用該三維設計較以往設計時間縮短1 人/天，較以往工程時間減少了33.3%。

由于在設計階段采用碰撞檢查，就有效避免了碰撞問題，減少了施工過程中的設計變更，根據百步變電站新建工程反饋，能縮短建設周期5天，提高效率23.8%。

（3）工程造價

電纜敷設部分設計涉及的材料種類繁雜且受設備尺寸和前期施工影響較大，因此，采用傳統的二維設計時電纜布置和走向并不精確。 大部分設計人員為了減少后期變更，往往在設計階段會增加相關材料的開列，增加工程造價，造成不必要的浪費。 百步變電站新建工程采用三維設計，該部分造價有效降低了17.2%，相信隨著三維設計推廣應用，工程造價將進一步降低。

3.2 存在問題

Revit 是GIM 協同設計過程中重要的軟件之一，但目前在電纜敷設設計過程中還是存在著部分問題。

在GIM 協同設計過程中，常常需要和多種軟件相互配合，Revit 與其他軟件的兼容性比較差，對其他軟件的支持度較低，這是變電站設計時需要克服的一個難點。

目前GIM 設計中，自帶的數據庫模型有限，需要后期設計人員在軟件運用過程中逐漸總結和完善。 其他系統的工程信息還需要人工錄入，由于設備基礎數據量大，數據完整率和參數完整率2 個方面也存在一些問題[15]。 隨著模型檔案的增加，所占用的內存資源也越多，到后期打開一個大型模塊可能需要花費較長時間，對內存等硬件設施也有一定的要求。

4 結語

基于GIM 的電纜敷設設計，由二維轉向三維，不僅僅是設計工具的變革，也是傳統設計思維的轉變。 變電站趨向于模塊化簡化設計，因此對電纜敷設設計的要求越來越高，且未來發展趨勢是多專業共同參與的三維協同設計。 通過電纜的虛擬敷設，根據電纜路徑的三維模型展示效果，提高現場電纜敷設的效率和施工工藝水平。基于GIM 設計，更好地建立一個標準化、數據共享化平臺，促進電力設計行業的發展。