基于BIM的裝配式變電站數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用研究★

譚 波 趙 娜 張丹妮 李雪婷

(深圳新能電力開發(fā)設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518052)

0 引言

變電站工程的全過程管理對施工進(jìn)度和質(zhì)量管理有直接影響。在建設(shè)管理過程中參與單位較多，易導(dǎo)致信息的零碎化，工程進(jìn)度及質(zhì)量控制的差異化。同時，在項(xiàng)目設(shè)計施工階段信息交流不暢，致使信息無序流動，形成信息孤島。因此傳統(tǒng)的變電站施工方式已無法在工藝精進(jìn)、工期控制、能耗環(huán)保等方面滿足日益增長的變電站全生命周期工程管理的需求。

近年來，廣大學(xué)者對BIM技術(shù)在施工進(jìn)度管理的應(yīng)用進(jìn)行了研究，通過在工程管理中融入BIM技術(shù)的應(yīng)用，可加快施工進(jìn)度并對其進(jìn)行可視化模擬，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化管理[1-3]。變電站數(shù)字化建設(shè)管控系統(tǒng)可基于BIM模型對項(xiàng)目信息集成管理，為項(xiàng)目各參與方實(shí)時提供建筑全生命周期的信息，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的協(xié)同管理，提高建設(shè)效率和質(zhì)量[4-8]。

本文以110 kV龍華中心變電站為依托，將BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制裝配式數(shù)字化變電站的三維數(shù)字化設(shè)計、施工及全生命周期工程管理中，推廣介紹數(shù)字化變電站建設(shè)管控平臺的應(yīng)用發(fā)展。

1 BIM技術(shù)在變電站數(shù)字化建造中的應(yīng)用概述

數(shù)字化裝配式變電站由智能模塊化單元組成，基于信息化可自動進(jìn)行信息采集及處理，同時可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的自動化、智能化及協(xié)同性功能[9]。BIM模型是建筑數(shù)據(jù)信息的承載體，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全過程協(xié)調(diào)管理，同時基于其可視化、模擬性特點(diǎn)，可對建筑外觀及項(xiàng)目運(yùn)行情況進(jìn)行展示，從而便于各參與方之間的溝通及對項(xiàng)目的了解，且可為項(xiàng)目各方的數(shù)據(jù)分析提供參考。

1.1 變電站數(shù)字化規(guī)劃設(shè)計階段

在規(guī)劃設(shè)計階段，基于BIM技術(shù)的特性可對項(xiàng)目進(jìn)行三維展示、協(xié)調(diào)優(yōu)化、仿真模擬等，從而更好的發(fā)現(xiàn)并解決問題，制定出最優(yōu)方案。

1)現(xiàn)地狀況建模與設(shè)計表達(dá)。

依據(jù)變電站建置基地現(xiàn)況、現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)特定區(qū)域的狀況，及對現(xiàn)地條件的仿真，利用3D建置概念設(shè)計各方案的量體模型，以供投建方利用仿真模型進(jìn)行方案比選。同時執(zhí)行變電站土建及主體結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計，構(gòu)建BIM模型提供相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計分析。

2)成本估算與設(shè)計審核。

由BIM模型輸出變電站工程經(jīng)費(fèi)概算，提供成本信息給決策者以決定經(jīng)費(fèi)預(yù)算初步成本估算。利用BIM模型向利害關(guān)系人展示符合原規(guī)劃要件的評估成果，包括可利用法規(guī)檢核軟件檢查模型中的參數(shù)是否符合工程項(xiàng)目指定的法規(guī)，以達(dá)到減少錯誤、節(jié)省反復(fù)檢核時間的目的。

3)設(shè)計表達(dá)。

執(zhí)行變電站的細(xì)部設(shè)計，并使用信息化軟件建置變電站的BIM模型，以提供相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計分析與滿足空間上需求。依據(jù)細(xì)部設(shè)計整合后的BIM模型產(chǎn)出詳細(xì)工項(xiàng)或材料數(shù)量制定發(fā)包預(yù)算，同時，在進(jìn)入施工階段前，建置可應(yīng)用于變電站的現(xiàn)場施工查詢的各專業(yè)設(shè)計圖面。

4)整合協(xié)作。

基于BIM模型的虛空間中可視化的呈現(xiàn)，可通過進(jìn)行變電站及周邊環(huán)境在空間上的需求及系統(tǒng)的分析實(shí)現(xiàn)3D可視化分析仿真，同時也可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成員之間的溝通協(xié)調(diào)、整合協(xié)作的效能。另外在可視化模擬的空間中，可預(yù)先利用檢核軟件進(jìn)行沖突檢測，以減少變更設(shè)計的產(chǎn)生。

1.2 變電站數(shù)字化施工裝配階段

在施工階段，BIM技術(shù)可對項(xiàng)目結(jié)構(gòu)、效果、節(jié)能、造價、進(jìn)度、可行性等進(jìn)行分析，并結(jié)合其他的信息化技術(shù)對施工現(xiàn)場實(shí)時追蹤，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的精確管理[10]。

1)施工系統(tǒng)設(shè)計。

以包括變電站施工現(xiàn)況在內(nèi)的BIM模型為主要載體，優(yōu)化臨時設(shè)施的布置和材料進(jìn)場的布局，選擇最優(yōu)的施工方案。應(yīng)用信息化設(shè)計的軟件工具，對復(fù)雜的變電站整體進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計分析，實(shí)現(xiàn)施工階段的系統(tǒng)性。

2)數(shù)字化組建。

承載項(xiàng)目信息的BIM模型與自動化機(jī)械制造技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，即首先通過BIM模型選取需進(jìn)一步加工構(gòu)件，而后通過自動化建造技術(shù)制造產(chǎn)出，可有效完成數(shù)字化組建作業(yè)。

3)協(xié)同施工作業(yè)。

以變電站工程的BIM模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用軟件檢測項(xiàng)目沖突部位，并對檢測出的沖突問題進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化。通過增加時間維度，實(shí)現(xiàn)4D模型協(xié)同應(yīng)用于規(guī)劃施工階段的各分段工項(xiàng)，優(yōu)化進(jìn)場施作的先后順序作業(yè)。

1.3 變電站數(shù)字化運(yùn)營維護(hù)階段

BIM模型集成了工程建設(shè)全過程信息，使施工階段與運(yùn)維階段信息無縫銜接，項(xiàng)目人員能快速獲取建筑設(shè)施、設(shè)備的信息，為日常的運(yùn)營維護(hù)提供參考，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)維階段的系統(tǒng)性及精細(xì)化管理。

1)數(shù)據(jù)分析與資料整合。

變電站的運(yùn)營中不斷積累的大量數(shù)據(jù)是日后運(yùn)營管理的基礎(chǔ)資料[11]，包含變電站主體和其中MEP元組件相關(guān)信息的BIM模型隨著實(shí)體空間的動態(tài)情況而不斷地更新和改進(jìn)，儲存更多變電站運(yùn)行的關(guān)聯(lián)信息。同時，BIM技術(shù)有資料分類整合、過程細(xì)化分析、信息交互共享的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)檫\(yùn)營過程的決策提供依據(jù)。

2)設(shè)備運(yùn)行及管控。

運(yùn)營技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合，能有效提高對運(yùn)營環(huán)境的監(jiān)測維護(hù)和控制的效率，且可賦予設(shè)備感知功能，當(dāng)設(shè)備內(nèi)指標(biāo)超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)便會及時報警反饋。同時，集成BIM模型和記錄模型中的設(shè)施設(shè)備履歷信息，能精準(zhǔn)擬訂高質(zhì)量與降低維護(hù)成本的計劃，因此BIM技術(shù)下的運(yùn)營管理使設(shè)備更智能化，能大幅的降低由于設(shè)備信息的采集而產(chǎn)生的成本。

3)能耗監(jiān)控與安全。

基于涵蓋變電站耗能數(shù)據(jù)的BIM模型，對項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能分析，優(yōu)化運(yùn)行過程，減少運(yùn)營過程的能源消耗。BIM技術(shù)與其他信息化技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，連接了傳感器和控制器，使工程在能耗分析后能自動管控用電系統(tǒng)。

2 實(shí)例工程中的數(shù)字化模型構(gòu)建

2.1 實(shí)例項(xiàng)目基本信息

110 kV龍華中心變電站位于深圳市龍華新區(qū)，西側(cè)為東環(huán)二路，北側(cè)為梅龍大道，出入口分別設(shè)在北側(cè)的梅龍大道輔道和西側(cè)的東環(huán)二路，站址東南側(cè)為龍華河，見圖1。

110 kV龍華中心變電站作為華南地區(qū)預(yù)制裝配率最高的項(xiàng)目，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，地面以下采用現(xiàn)澆方式，地面以上框架柱，樓層梁，樓板，外墻分別采用預(yù)制柱、預(yù)制疊合梁、預(yù)制疊合板及預(yù)制混凝土外墻板，1號、3號樓梯為預(yù)制裝配式樓梯，2號樓梯為現(xiàn)澆混凝土樓梯，見圖2。

2.2 項(xiàng)目BIM應(yīng)用要求及意義

2.2.1項(xiàng)目BIM要求

110 kV龍華中心變電站BIM技術(shù)在預(yù)制裝配設(shè)計，設(shè)備管線布置、施工模擬、工程管理等方面的應(yīng)用，包括：

1)BIM技術(shù)在機(jī)電深化、工業(yè)化設(shè)計領(lǐng)域的探索，只要通過BIM技術(shù)論證預(yù)制化構(gòu)件的虛擬拼裝問題，并在機(jī)電三維仿真、管線深化、BIM三維出圖領(lǐng)域具體指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2)通過BIM模型與施工進(jìn)度的關(guān)聯(lián)，論證BIM模型與施工進(jìn)度模擬軟件的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的可靠性，建立數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，模擬現(xiàn)場的施工安裝過程，形象的展示現(xiàn)場進(jìn)度，論證施工安防的可實(shí)施性，為各項(xiàng)目管理方提供決策的參考。

3)建立含設(shè)備性能參數(shù)指標(biāo)的設(shè)備品牌族庫，為后續(xù)的物業(yè)管理平臺提供技術(shù)支持。

4)對項(xiàng)目管理方進(jìn)行BIM技術(shù)理念的培訓(xùn)與普及，使其探索新的項(xiàng)目管理模式。

2.2.2項(xiàng)目BIM應(yīng)用意義

BIM技術(shù)可應(yīng)用于建筑全生命周期，其中在110 kV龍華中心變電站項(xiàng)目設(shè)計、施工階段的應(yīng)用，涉及到預(yù)制化構(gòu)件的BIM模型搭建及拆分、構(gòu)件預(yù)拼裝鋼筋打架檢測、預(yù)制構(gòu)件工程量及預(yù)制率統(tǒng)計、預(yù)制化構(gòu)件施工模擬、機(jī)電族庫定制、各方的BIM協(xié)同平臺搭建等。通過BIM技術(shù)的協(xié)同性及模擬性，不僅提高了電網(wǎng)類項(xiàng)目工業(yè)化設(shè)計的精度，而且更好的優(yōu)化了構(gòu)件吊裝模擬的施工方案，并為今后類似的電網(wǎng)工業(yè)化設(shè)計及施工提供了參考。

2.3 項(xiàng)目數(shù)字化模型構(gòu)建

1)主體BIM模型。模型分為整體及細(xì)部BIM模型，見圖3，包含建筑結(jié)構(gòu)主體信息，如幾何信息、物理信息及規(guī)則信息，并能提前對設(shè)計過程中的問題進(jìn)行協(xié)調(diào)。

2)預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)化BIM模型。模型包含構(gòu)件各指標(biāo)參數(shù)，同時可以通過參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動，其中預(yù)制構(gòu)件——柱、梁、板的BIM模型及實(shí)景圖見圖4。

3)機(jī)電模型。可創(chuàng)建的模型有機(jī)電整體和設(shè)備等的BIM模型，見圖5。模型包含管線與機(jī)電設(shè)備，通過建立項(xiàng)目設(shè)備族庫，為后續(xù)的機(jī)電安裝、凈高控制及管理平臺等提供有效的數(shù)據(jù)支持。

3 基于BIM的變電站數(shù)字化建造應(yīng)用概況

3.1 BIM技術(shù)在數(shù)字化設(shè)計階段的應(yīng)用

3.1.1預(yù)制構(gòu)件的BIM模型搭建及拆分

BIM模型標(biāo)準(zhǔn)體系除了能讓各參與方更好地讀取、使用模型外，更重要的是可作為BIM模型在各階段流轉(zhuǎn)的依據(jù)。龍華中心變電站項(xiàng)目除了定制了自身項(xiàng)目的機(jī)電、土建BIM模板體系外，在模型搭建的過程中，還著重考慮預(yù)制構(gòu)件的拆分原則，見圖6。結(jié)合預(yù)制構(gòu)件的拼裝順序和施工模擬過程，可更有效的發(fā)揮指導(dǎo)現(xiàn)場施工、深化圖紙的作用。

3.1.2沖突檢查及優(yōu)化

利用BIM三維可視化模型進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件之間的碰撞檢查，以表格的形式記錄問題類型、次數(shù)、位置。

1)單個預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部碰撞檢查：主要檢查單個預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部的鋼筋、預(yù)埋件、留洞等的尺寸、位置等信息是否準(zhǔn)確并提出優(yōu)化建議。

2)構(gòu)件與構(gòu)件之間的碰撞檢查：主要檢查構(gòu)件與構(gòu)件之間，如柱與梁、梁與板、板與墻等節(jié)點(diǎn)位置的鋼筋、預(yù)埋件等構(gòu)件之間的尺寸位置關(guān)系是否發(fā)生沖突，各個構(gòu)件拼接時是否發(fā)生碰撞與不協(xié)調(diào)的問題。

3)管線碰撞檢查及綜合排布：主要分為單個專業(yè)、各個專業(yè)之間、機(jī)電管線設(shè)備與建筑結(jié)構(gòu)之間三方面的管線碰撞檢查及凈高分析，見圖7。對工程進(jìn)行深化設(shè)計，模擬風(fēng)管、水管及橋架等定位安裝，在建模過程中找到最優(yōu)化的管線布置方案，使管線在符合安裝規(guī)范的前提下更加合理美觀，最后提交BIM機(jī)電管線深化圖紙。

3.1.3構(gòu)件預(yù)拼裝鋼筋碰撞檢測

龍華中心變電站項(xiàng)目基于BIM技術(shù)手段，針對現(xiàn)場疊合樓板、預(yù)制梁、預(yù)制柱之間的拼接過程，提前通過BIM三維仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬拼裝檢查，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的“虛擬預(yù)裝配”。本項(xiàng)目對預(yù)制構(gòu)件兩端裸露的鋼筋進(jìn)行碰撞檢查控制的精度是4 mm，直觀有效的把施工圖中可能出現(xiàn)的各專業(yè)之間的沖突暴露出來，當(dāng)然這也是基于真實(shí)準(zhǔn)確的BIM模型與預(yù)制構(gòu)件的施工工藝結(jié)合才能發(fā)揮指導(dǎo)現(xiàn)場施工的作用，通過BIM預(yù)拼裝技術(shù)能及時發(fā)現(xiàn)并調(diào)整優(yōu)化BIM模型，修正預(yù)制構(gòu)件圖紙，提高圖紙質(zhì)量，節(jié)約成本、縮短工期。

3.1.4預(yù)制構(gòu)件工程量及預(yù)制率統(tǒng)計

傳統(tǒng)的工程量統(tǒng)計往往是基于傳統(tǒng)的CAD圖紙，需要人工不斷的復(fù)核，或者通過二次算量軟件實(shí)現(xiàn)，但BIM的應(yīng)用使工程量與模型實(shí)時關(guān)聯(lián)，根據(jù)項(xiàng)目情況在模型中設(shè)置參數(shù)進(jìn)行構(gòu)件拆分，同時利用項(xiàng)目BIM標(biāo)準(zhǔn)體系中對預(yù)制構(gòu)件的編碼，可快速統(tǒng)計出相應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件及預(yù)制率，見表1。

表1 110 kV龍華中心變電站預(yù)制構(gòu)件匯總表

3.1.5機(jī)電設(shè)備族庫定制

在BIM模型中，基礎(chǔ)族庫對機(jī)電族庫沒有提供足夠支撐，需自行創(chuàng)建符合項(xiàng)目需求的特定機(jī)電設(shè)備族庫。機(jī)電設(shè)備族庫的定制，有利于后期對機(jī)電設(shè)備的信息和安裝管理，提高工作效率，改善傳統(tǒng)粗放式管理模式。

3.1.6BIM出圖

經(jīng)過各類碰撞檢查和優(yōu)化調(diào)整后，可以直接從BIM模型中導(dǎo)出預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)圖和機(jī)電安裝圖，為施工安裝、工程預(yù)算、設(shè)備及構(gòu)件的安放、制作等提供完整的模型和圖紙依據(jù)。主要工作內(nèi)容包括：根據(jù)已批準(zhǔn)的設(shè)計方案編制可供施工和安裝的設(shè)計文件，解決施工中的技術(shù)設(shè)施、工藝做法、用料等問題。

3.2 BIM技術(shù)在數(shù)字化施工階段的應(yīng)用

3.2.1施工BIM模型的創(chuàng)建

在設(shè)計BIM模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場情況及總平面布置添加樹木、圍擋、吊車等施工用具模型深化完善施工總平面布置BIM模型。根據(jù)施工工藝和工序添加模板、腳手架、斜撐等施工用具模型深化完善施工BIM模型，見圖8。施工BIM模型是施工階段BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)。

3.2.2施工方案模擬及優(yōu)化

利用BIM模型對施工方案的模擬進(jìn)行施工方案的優(yōu)劣對比，并與施工方協(xié)調(diào)調(diào)整，確定最優(yōu)方案，以優(yōu)化施工工期及質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量精細(xì)化。

3.2.3施工進(jìn)度模擬及優(yōu)化

在模擬施工方面，由三維建筑信息模型加上時間維度形成四維模擬建造的直觀演示，為準(zhǔn)確的施工安裝提供指導(dǎo)，達(dá)到縮短工期，降低成本的目的。利用BIM模型進(jìn)行施工模擬，能夠反映真實(shí)的施工時間節(jié)點(diǎn)、施工順序及施工工藝，從而將BIM模型與施工方案及時間計劃匹配起來。在模擬過程中，發(fā)現(xiàn)施工方案中有不合理的地方，可與施工方協(xié)調(diào)溝通及時優(yōu)化調(diào)整，如構(gòu)件的吊裝時間及吊裝順序(如預(yù)制樓梯)的優(yōu)化調(diào)整等，并為各專業(yè)施工人員在現(xiàn)場指導(dǎo)施工提供了有效的支持，實(shí)現(xiàn)施工管理前置化。

3.2.4預(yù)制構(gòu)件拼裝施工模擬

施工是一個動態(tài)且歷時長的過程，建筑規(guī)模越大越復(fù)雜，工程越難以管理[12]。橫道圖可用于進(jìn)度計劃管理，但由于其可視化程度低，從而難以明確表達(dá)出項(xiàng)目各個活動之間的復(fù)雜關(guān)系，對施工動態(tài)過程展示有局限。

龍華中心變電站項(xiàng)目利用BIM技術(shù)整合時間和空間信息建立4D模型，對建筑建設(shè)過程進(jìn)行直觀展示。對施工過程重難點(diǎn)部分如預(yù)制構(gòu)件的拼裝順序、預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)安裝等進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化調(diào)整，及時探討出合適的方案，從而實(shí)現(xiàn)工程系統(tǒng)化管控，見圖9。

4 總結(jié)與展望

基于BIM技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)裝配式變電站設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運(yùn)營全過程的管理。同時BIM平臺可進(jìn)行進(jìn)度對比，控制施工周期，同時對每個階段的造價，可根據(jù)模型及時統(tǒng)計。BIM數(shù)據(jù)庫可在快速的獲取信息后及時反饋反映，在發(fā)現(xiàn)風(fēng)險時第一時間采取應(yīng)對措施。裝配式變電站的數(shù)字化建造過程中，通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能自動收集工程中人、材、機(jī)等方面的信息，并反饋至系統(tǒng)，再由系統(tǒng)對項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)布置，消除以往人為因素導(dǎo)致的錯誤。

110 kV龍華中心變電站項(xiàng)目在預(yù)制構(gòu)件設(shè)計、施工階段，通過BIM模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，協(xié)調(diào)優(yōu)化項(xiàng)目沖突部分，提高了設(shè)計的質(zhì)量和效率；在施工階段將BIM技術(shù)與施工組織有效的關(guān)聯(lián)，模擬現(xiàn)場施工的現(xiàn)狀，優(yōu)化施工組織編排，并通過BIM協(xié)同平臺實(shí)現(xiàn)了設(shè)計、施工、業(yè)主之間的有效協(xié)作。

BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二維到三維的改革，對建筑過程的實(shí)施管理有重大影響，推動了建筑業(yè)的信息化發(fā)展，相信BIM技術(shù)將會逐步推廣，實(shí)現(xiàn)全國范圍的應(yīng)用，同時轉(zhuǎn)變建筑企業(yè)的發(fā)展方式。