BIM技術在500 kV黃渡變電站改造工程中的應用

紀 明，錢澤倫

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

通過建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱BIM)技術的相關軟件建立的三維數字模型中包含建筑物構架的幾何信息、材料信息等相關內容，并且允許設計、施工單位根據設計需求和現場實際情況進行相關的參數和信息的調整[1]，保證模型在設計—竣工—拆除的生命周期內與現場實際吻合。BIM技術使得建筑工程信息集成化，提供了工程信息共享的平臺。

BIM技術作為一個可應用于建筑全生命周期的系統工具，具有如下特點：① 參數化，BIM模型具備建筑物完整信息屬性，這使得分析工程造價、能耗等信息可以完全智能化；② 可視化，與抽象的二維圖紙相比較，利用BIM技術繪制的三維模型往往更加直觀，就算是非專業人士，也能通過模型知道，建筑的某一部分是如何構成的[2]。這為施工和運行單位的溝通與決策提供了可視化的依據；③ 協調性，不同專業間的協調是工程管理過程中的重中之重。在施工前，針對各專業間的碰撞點進行檢測，降低現場施工協調次數與工程更改次數，從而提高工程效率；④ 可模擬性[3]，在工程開工之前可以利用BIM進行4D模擬、消防安全模擬、可持續性分析模擬等，從而降低施工風險。

本文以黃渡500 kV變電站主變增容及配電裝置改造工程為例，闡述了BIM 技術在超高壓變電站設計、施工、管理過程中的相關應用。

1 工程簡介

黃渡500 kV變電站站址位于上海市嘉定區西南12 km的黃渡鎮、曹安公路南側安虹路東側，站址東西長約420 m，南北寬約250 m。目前安裝有4臺750 MVA主變壓器；500 kV出線8回，3/2接線間隔6串，500 kV配電裝置位于變電站西側，南、北向出線；220 kV出線18回，采用雙母線雙分段接線，220 kV配電裝置(戶內GIS)布置在站區南側向南出線；500 kV主變和35 kV無功補償裝置在500 kV東側、220 kV北側，主變按6號、3號、4號、5號依次南北向布置；主控通信樓布置在站區北側，從北側進站。

圖5 黃渡站現狀部分設備族庫模型

本期改造工程新建4臺1 200 MVA自耦變壓器，替換黃渡站現有5，4，3，6號750 MVA主變。黃渡站改造前和改造后的場地布置圖以一次接線圖如圖1至圖4所示。新建黃渡500 kV屋內GIS配電裝置，利用新征地塊建設500 kV戶內GIS配電裝置，形成7個完整串，4臺主變全部進串。拆除現有黃渡500 kV敞開式配電裝置。本期建設10回500 kV出線。分別為2回至蘇州特、2回至徐行、2回至華新直流、2回至泗涇、2回備用。其中，渡泗5101線與蘇州特至黃渡線路的一回路在黃渡站內配串。

圖1 黃渡站改造前場地布置圖

圖2 黃渡站改造前一次接線圖

圖3 黃渡站改造后場地布置圖

圖4 黃渡站改造后一次接線圖

2 BIM在設計深化中的應用

2.1 三維模型建立

BIM模型庫由各式各樣的族所組成，在設計最初階段，需建立完整的設備族庫。族分為常規構件族和特定構件族(見圖5)。在一個項目模型中，常規構建族可以通過設定現有的參數進行控制，從而實現在項目中的獨特性與適用性。然而，項目中無法通過常規族進行搭建的就必須創建特定族。由于在常規族庫中缺少與黃渡站現狀相關的電氣設備族，因此本次項目共創建特定族文件85個，對現場設備的覆蓋率達到80%。此次對500 kV黃渡站站內設備族庫的豐富，同時也給上海電網后期同類型項目實施BIM技術奠定了基礎。

對族庫進行完善后，根據采集的現場數據，依據存檔圖紙建模。建立可視化模型，對現場實際情況做到真實還原。與新建變電站不同的是，現役電氣設備、構支架、建筑物以及鐵塔模型也需要全部建入BIM中，隨后可根據現場實際情況修改平面布置，從而實現工程進度可視化的目的。如圖6為黃渡站改造前進線部分場地模型，包含了鐵塔、門式鋼架、避雷針、罐式斷路器等。根據現狀照片與BIM模型的對比，可以看出BIM模型呈現出對現場較高的還原度。

圖6 黃渡站BIM模型與現實照片對比

2.2 管線碰撞測試

圖7 通過BIM發現設計中的通管路徑問題

使用BIM設計時，不同專業設計人員可以將數據實時上傳數據中心，同時數據中心將其他專業的數據反饋給設計人員。本專業人員隨時可以了解到與其他專業的設計是否存在沖突，發現問題可通過及時協調，避免將問題遺留到施工過程中。通過BIM三維可視化聯審平臺，發現圖7左中500 kV GIS室土建部分的結構柱與電氣部分的GIL通管發生碰撞，圖7右中GIL通管間發生了穿插。如若等到施工過程中才發現這些問題，勢必需要將之前確定的GIL通管路徑方案進行變更，既增加了施工難度，也延長了工程周期，進而提高了工程造價。BIM技術的應用節約了圖紙會審時間，也提高了設計團隊的工作效率，同時也給施工方減少了不必要的麻煩。

3 BIM在施工過程中的應用

3.1 實現高效靈活的場地布置

考慮到施工不能影響站內正常巡視，且施工部位和設備運行區域必須進行有效隔離，通過BIM可視化模型，對站內場地進行靈活布置，從而確保運行設備和場地施工的安全。場地布置總圖如圖8所示。由于在施工初期原6號主變還在運行中，為防止施工人員靠近，在其外側設置安全圍欄，如圖9所示。在組立過渡構架區時，BIM模型下發現作業下方存在220 kV通管，為防止上方墜物對其造成破壞，導致停電事故甚至是人身傷害，需搭設棚架進行保護，如圖10所示。

圖8 場地布置總圖

圖9 原6號主變外側設置安全圍欄

圖10 搭設棚架保護

3.2 優化施工方案

本工程是在原站址內實現12臺主變、500 kV敞開式設備以及無功設備的改造，很多基礎建設需結合設備停電實施。因此，利用BIM建模合理規劃停電施工過渡方案，保證正常施工區域與帶電設備保持足夠的安全距離，最關鍵點確定需停電施工的停電范圍和時間，以便建管單位申請設備停電計劃。

以BIM模型指導黃渡500 kV新構架安裝為例(見圖11)：通過BIM技術可以1:1實現原站內構架、鐵塔及導線三維建模，結合新構架布置位置可以直接測量新構架與500 kV導線距離，從而優化了施工步驟及停電計劃。

(1)首先確定不停電安裝范圍。通過1:1模型測量新構架與運行導線距離(需保證10 m以上安全距離)，確定了第一跨門架可不停電安裝；

(2)優化了渡泗5108線與5101線停役方案。將原計劃全階段同停施工優化為部分同停，先行實施5108線停役時第二跨、第三跨新門架吊裝。減少同停時間，保證了電網安全穩定；

(3)渡泗5108線與5101線同停階段，完成5108線翻接至新門架，同時開展5101線門架吊裝，渡泗5108完成翻接即可復役；

(4)渡泗5101線門架吊裝完成后，導線翻接至新門架，驗收完成后復役；

(5)華渡5115和5116線結合華新直流大修全停，實現新門架吊裝及新鐵塔組立工作，導線依次翻接至新門架后復役。

圖11 500 kV線路搬遷施工過渡階段BIM模型

從圖11中截取的BIM模型中可以獲得相關設施所屬的地塊(圖11a)，現場線路的帶電情況(圖11e)，以及現場施工時單側帶電風險等級(圖11d)等信息，它們將作為現場施工平面布置的重要參考。通過該模型，可以優化停電實施方案，縮短500 kV線路同停時間，減少現場施工安全風險，保證了人身、電網、設備安全。

3.3 模擬施工

利用BIM技術3D模擬特點，本工程成功使用模擬承插型盤扣式模板支撐系統施工。根據施工技術方案模擬搭設，發現有多處現場不能實現的區域，例如支撐處有1.2 m深電纜溝、部分支撐處有主變設備基礎以及剪刀撐設置不合理等等。模擬搭設發現的問題及時反饋給方案編制人員，特殊區域對搭設方案進行修正。盤扣式腳手架安裝過程如圖12所示。

圖12 盤扣式腳手架安裝過程

3.4 實現可視化交底

技術交底是對施工過程中的一項技術指導，交底質量成為施工過程安全質量控制的關鍵因素。利用BIM技術直接將模擬施工以視頻格式導出，實現可視化交底。相對于以往傳統的施工技術員或總工程師圖紙及方案交底，BIM結合虛擬現實和增強現實技術，可實現施工人員與擬建建筑物的互動感知，從而提高了現場施工人員的理解力[4]，減少了施工人員因理解偏差而造成工程事故的概率。

本工程實現了主變及66 kV GIS室高支模施工可視化交底。利用BIM動畫技術制作盤扣式高支模工程施工交底視頻，該視頻從施工工藝技術、施工方法、檢查要求、安全保障措施等幾個方面通過動畫演示的直觀方式實現本項目的技術要點交底。通過動畫展示，向各方準確傳達技術方案內容、施工過程的難點、危險點。監理單位、施工單位利用其監督現場施工效果，通過模型與實際施工情況進行對比，對現場施工質量進行評價。最終形成3D效果的技術交底圖(局部)如圖13所示。

圖13 盤扣式腳手架3D模型(局部)

4 BIM在協同管理過程中的應用

對于建設單位而言，項目從立項到竣工的全過程管控非常重要。由于變電站工程的特殊性，投入運行后的站內設備只能滿足一定時間內供電要求。若涉及再次改造，前期工程的資料就顯得尤為重要。因此，在本工程中通過BIM集成全專業模型，并以集成模型為載體，關聯施工過程中的進度、合同、成本、質量、安全、圖紙、物料等信息后，從而實現了模型協同，資料協同，材料數據協同以及工程動態協同。在本工程中，各類協同主要體現如下。

(1)模型協同。模型輕量化上傳，使其相關管理人員隨時都能在移動設備中查看并使用模型。通過后臺電腦可以清楚確認人員在場地中的位置，可以通過輕量化測距確認其與帶電設備是否保持安全距離。

(2)資料協同。BIM數據庫集成圖片、office文檔、PDF、視頻等各類文件在線預覽查看功能，可按需求詳細對資料文檔進行分文件夾、分權限管理。文件夾劃分支持無線層級，并且每個層級文件夾均可設置權限，滿足項目現場實際資料文檔私密性，解決現場資料文檔因外部原因導致丟失的問題。在為黃渡改造工程中建設單位權限最高，可以查看并保存其余各方的資料。當其他各方需要下載建設方的部分資料時，建設方可以通過資料分享功能來實現各方要求。

(3)材料數據協同。模型構件作為工程中的信息載體，通過對模型構件(材料)的跟蹤，詳細記錄跟蹤人員、跟蹤時間、跟蹤地點和現場工作圖片等信息，可顯示工程中材料的明細，以及各個時間段進場的材料統計。通過材料現場監控管理界面，確認了對應材料所安裝的部位。通過移動端采集上傳，并通過平臺將信息反應在BIM模型上，從而達到信息化管理的目的，為后續管理者查詢管控整體進程提供了依據。

5 結語

黃渡工程的實施對BIM技術在電力行業的推廣具有如下意義。

(1)完善了上海電力BIM的建模標準。采用最新開發的插件技術，在模型的初始階段，做到輕量化設計，為后期平臺以及多數據端口的接入提供先決條件。

(2)完善了上海電力行業的專業族庫?；?018國家電網統一的數據交付標準(行業)，通過大量模塊化，構件化，標準化模塊的形成，模型不再是單一的構件而是全流程共享的構件。

(3)形成電力行業BIM與施工緊密結合的應用流程，提高了施工管理水平。通過模擬施工過程，提前發現問題，找到解決辦法，從而提高施工精度和效率。提高安裝精度，構架、電氣設備切換等角度精細化，通過模擬安裝，縮短安裝周期。

(4)預先形成經過施工論證的運維基礎數據庫。通過BIM模型在施工流程中的全生命周期流轉，達到精細化，模擬化，智慧化施工與運維管理。經過施工階段的增補與修正，形成運維管理階段的數據模型基礎，保證模型與真實的一致性，并可將模型與后期運維系統連接，達到智慧化，集成化的電站運維管理。

(5)形成BIM數據共享機制。將獨立的BIM模型合模成為完整模型大數據，制定工作流程，嚴格執行，通過數據提前規劃工作，避免常見錯誤。確保深化設計的可行性，支持高效的施工，同時確保了從設計到施工保持一致性。