引用BIM技術集成化建造35 kV變電所的探討

王名洲

中國寰球工程有限公司北京分公司

隨著國內油氣田開發時間的延長,高品質的油氣田越來越少,難采儲量增加,區塊分布零散、產量低;同時,地面條件也越來越差,山區、丘陵、溝壑、灘海等復雜地勢比例不斷增加,帶來了交通不便,地面配套差.另外,國外油氣田開發現場人文條件復雜,交通運輸困難等.上述這些都造成了地面工程建設難度大,管理困難等問題,因此,研究實施"標準化設計、工廠化預制、模塊化施工、機械化作業、信息化管理"(即"五化")顯得尤為重要.其優勢主要體現在以下四方面:①設計標準化、預制模塊化減少了項目從設計到現場安裝、焊接等工作量;②設計有標準化圖紙,施工有模塊現場組裝,設計和建造速度將會明顯提高;③由于運輸的是成品,所以避免運送大量的材料,無論是國內交通不便的地區,還是海外長距離遠洋運輸,都減輕了運輸的負擔;④裝置工廠化預制時可直接實現數字化設計、制造,為數字化管理奠定基礎.同時,形成模塊化、現場組裝也是國內外建造業發展的主流.

油氣田供配電系統主要包括220 kV或110 kV外部供電設施,油氣田內設220 kV變110 kV和110 kV變35 kV的變電所,35 kV變電所出線電壓等級為1.0 kV或0.6 kV,1.0 kV或0.6 kV電壓等級供到井、站等用電場所,如果供到站場,再由站用變壓器把電壓等級轉變為0.4 kV供站場各種設施的動力用電.由于一般外部供電多為110 kV,極少情況下為220 kV,所以一般以110 kV變35 kV為主,如果沒有35 kV供電需求,110 kV可直接變到1.0 kV和0.6 kV供各種用電需求.因此,35 kV變電所屬于油氣田供配電系統的主要設施,其他就是井場或站用變壓器或者供配電線路.目前,在35 kV變電所實施了"標準化設計、工廠化預制、模塊化施工、機械化作業、信息化管理"的建造,最主要的方式就是把整個35 kV變電所按功能分成幾個模塊,每個模塊集成了各個專業的功能,開展設計、預制、安裝,最終實現信息化管理.以此方法實現了標準設計、工廠化預制,搬運到現場一次安裝成功.如果在35 kV變電所的"五化"建設中引用BIM技術建造,將會更有效地提升35 kV變電所建造水平,使其向智能化建設與管理方向發展.

1 BIM技術概念與特征

BIM(建筑信息模型,Building Information Modeling)是建筑學、工程學及土木工程的新工具.目前已經在全球范圍內得到業界的廣泛認可,BIM是運用三維數字化技術配合智能化工具將工程全生命周期中各個階段的數據信息進行整合、集成、分析,最終將這些數據以3D可視化模型及數字報表的方式展現給項目的參與各方,進行工作指導及進度、成本等分析,最終提高項目的整體品質[1].設計團隊、施工單位、設施運營部門和業主等各方人員可以基于BIM進行協同工作,有效提高工作效率,節省資源,降低成本,實現企業可持續發展.

美國國家BIM標準對BIM的定義為:"BIM是建設項目兼具物理特性與功能特性的數字化模型,而且是從建設項目的最初概念設計開始的整個生命周期里作出決策的可靠共享信息資源[2]."

BIM技術主要包含了三點:①BIM是以三維數字技術作為模型的基礎,集成了項目各種相關信息的工程數據模型,是對工程項目設施實體和功能特性的數字化表達;②BIM是一個完善的信息模型,能夠連接項目生命周期不同階段的數據、過程和資源,是對工程對象的完整描述,提供可自動計量、查詢、組合、拆分的實時工程數據,可被項目各參與方普遍享用;③BIM具有單一工程數據源,可解決分布式、異構工程數據之間的一致性和全局共享問題,支持建設項目生命周期中動態的工程信息的創建、管理和共享,是項目實時的共享平臺[2].

BIM技術雖然是建筑信息模型,但該技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具,通過對建筑的數據化、信息化模型整合,在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞,使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對,為設計團隊以及包括建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎,在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用,因此認為可以把該技術應用到工業建造方面.

BIM技術的主要特征有以下五個方面:

(1)可視化.將以往的線條式的構件形成一種三維的立體實物圖形展示在人們的面前,能夠同構件之間形成互動性和反饋性的可視化.

(2)協調性.BIM的協調性服務可以做到設計階段各專業人員之間的協調,施工階段各專業及施工人員與設計的協調,避免各種矛盾發生.

(3)優化性.事實上整個設計、施工、運營的過程就是一個不斷優化的過程,在BIM的基礎上可以做更好的優化.

(4)模擬性.在設計階段,BIM可以對設計上需要進行模擬的內容進行模擬實驗.例如:節能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬、熱能傳導模擬等.在招投標和施工階段可以進行4D模擬(三維模型加項目的發展時間),也就是根據施工的組織設計模擬實際施工,確定合理的施工方案來指導施工.同時還可以進行5D模擬(基于4D模型加造價控制),實現成本控制;后期運營階段可以模擬日常緊急情況的處理方式,例如地震人員逃生模擬及消防人員疏散模擬等.

(5)具有可出圖性.BIM的可出圖性主要基于BIM應用軟件,可實現設計階段或施工階段所需圖紙的輸出,還可以對建筑物進行可視化展示、協調、模擬、優化,幫助建設方給出綜合管線圖(經過碰撞檢查和設計修改,消除了相應錯誤以后)、綜合結構留洞圖(預埋套管圖)、碰撞檢查偵錯報告和建議改進方案[3].

2 研究內容

35 kV變電所的集成化設計可以引用BIM技術.35 kV變電所包括35 kV及10(6)kV兩個電壓等級(不包括110 kV變1.0 kV和0.6 kV),主要有35 kV進線、變壓器、10(6)kV饋線和綜保系統等.需要研究的內容主要有以下三個方面:

(1)確定流程,選擇基礎軟件、工具軟件及平臺軟件等.

(2)創建模型,集成從設計、預制、安裝到運行管理的數據.包括變壓器、控保設施、電容補償器等設備數據信息,以及各種標準、規程和規范等.

(3)從設計到運行管理全生命周期的實施方案,包括設計方案、施工圖和設備與材料表的生成;在設計方案中按功能把35 kV變電所劃分成各模塊,模塊劃分原則應是功能獨立、配套完整、接口標準,滿足這些的同時應追求體積小、便于運輸,設備上也要考慮選擇體積小的高效設備;進行工程量計算和工程造價;虛擬現實技術,三維效果展示、設計協同、碰撞檢查,預制和安裝模擬,建造進度模擬.

3 技術路線

該研究采取的主要技術路線有以下六方面.①調研各種軟件,選擇最適合的建模、計算分析、平臺等支持軟件;②按照35 kV變電所功能,研究科學拆分、優化建立模塊;③調研各油氣田35 kV變電所的基本負荷,確定標準系列,調查中既要考慮大型整裝油氣田,又要考慮零散、自然和配套條件差的油氣田;④調查交通條件差、運輸難度大的油氣田的運輸情況,確定模塊的規格;⑤調研35 kV變電所所用設備、材料、儀器、儀表等的市場信息,包括價格、技術水平、效率、效果等,優選最佳產品,以追求模塊在同等功能下體積最小,調研有關標準、規程和規范,建立BIM數據庫;⑥BIM功能實現包括BIM建模、BIM參數化對象技術、BIM仿真技術、項目各階段的BIM應用、各參與方的BIM應用、各管理職能的BIM應用、BIM實施體系等.

4 實例應用

35 kV變電所可拆分模塊分為35 kV進線與變壓器,10(6)kV饋線與電容補償,綜合自動化保護三個模塊.35 kV進線與變壓器:一端通過架空線路或電纜與站外上級變電站來的電力線路連接,連接要設計標準接口;架空線路或電纜另一端與變壓器相連.10(6)kV饋線與電容補償:35 kV進線與變壓器模塊的出線電纜與電容補償和綜合自動化保護模塊相連,接口處全部設計標準接口.所有模塊均對工廠生產完成,分模塊運輸,現場組裝,實現了工業建造工廠化.

4.1 BIM組織與應用流程

工作組織與流程分九步:①設定目標;②篩選軟件;③BIM軟件建模;④建立BIM信息庫;⑤確定管理要素;⑥確定平臺軟件;⑦確定工具軟件;⑧確定虛擬現實軟件;⑨施工圖等生成.在第⑧步基本可以實現查錯,預見模塊預制、生產運行和管理過程等情況.

4.2 BIM技術應用目標

目標包括:35 kV變電所設計方案制定,施工圖及設備與材料表生成,模塊預制,現場安裝,運營管理與BIM技術相結合,實現工廠化預制、現場流水作業安裝,做到布局合理,環境、材料和設備信息數據精準,實施方案實現參數優化,預制和安裝工藝流程標準化,降低成本,節省工期,提高設計施工質量和效率,實現信息化、智能化管理(圖1).

4.3 基礎軟件與應用軟件確定

基礎軟件選用Bentley,選用原則:軟件應具有基于三維數字圖像技術,支持對三維實體創建和編輯;支持35 kV變電所場景庫,實現快速建模;支持三維數據交換標準,建立的三維模型可以通過IPC等標準輸出為應用軟件使用.

應用軟件主要選取具有以下功能的軟件.幾何造型軟件,按照前文所述35 kV變電所分成3個模塊等進行造型.電氣、通信和自控系統分析軟件主要是對變電所中的3個主要系統進行計算分析及優化.還有火災報警系統、安保系統、智能化設計、可視化、模型檢查、2D/3D同步設計及碰撞檢查、造價、運營、發布審核等軟件(圖2).

圖1 BIM應用目標Fig.1 BIM application target

圖2 BIM核心建模軟件和應用軟件功能Fig.2 BIM core modeling software and application software function

4.4 平臺軟件確定

BIM模型可以在平臺上統一管理,所有用戶可以隨時隨地地獲取最新BIM數據,所有用戶可以隨時溝通.基于三維軟件的技術平臺--Micro Station開發了ABD Electrical,是一套基于BIM的建筑電氣設計系統,在此基礎上可開發為35 kV變電所的設計系統.

4.5 BIM技術應用

(1)在Bentley軟件的基礎上,采用數字化技術,建立包含35 kV變電所中電氣、自控、通信等系統所有信息的數據庫,將35 kV變電所劃分為功能相對獨立的3個模塊,建立以3個模塊為基礎的整體模型.

(2)根據工作目標選擇應用軟件,如計算、優化、可視化、深度設計、造價、查錯、幾何造型、運營管理、審核簽署等軟件;對三個模塊中的電氣、通信設施、自控儀表等按功能進行優化布置;按模塊和變電所需求設計鋼結構外罩和橇體;按功能、規模設定參數;按設計、施工、管理等各參與方的工作需求確定平臺軟件.

(3)計算分析優化選擇電氣設施、通信設施和自控儀表,根據控制目標確定自控點、控制參數及調節范圍.

(4)優化鋼結構設計和橇體設計.

(5)指導模塊化預制.

(6)指導施工安裝.

(7)現場運行數據實時傳至平臺,實現遠程調節、控制,實現安全平穩運行.

5 結束語

BIM技術完全可以用于集成化建造35 kV變電所,利用該技術可以,實現模塊化設計、工廠化生產、組裝化安裝、信息化管理,提高35 kV變電所設計、預制、施工的工作效率,提高管理水平,這是35 kV變電所建造技術的一次飛躍,最終為智能化發展奠定基礎.