BIM技术在广州地铁六号线变配电所电缆敷设中的应用研究

2018-05-17

土木建筑工程信息技术 2018年1期

(中国中铁一局集团电务工程有限公司，西安 710038)

1 引言

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，地铁已成为城市公共交通系统中重要的组成部分。供电系统作为地铁工程的关键系统，其随地铁规模日益扩大，结构形式愈加复杂，对信息化集成化的要求也逐步提高。如何进行信息化发展以适应现代化建设的要求，成为地铁工程供电系统的亟需解决的核心问题。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是基于三维数字技术的建筑业信息化发展技术，具有强大的三维可视化、协同性和信息提取的特点[1]。应用BIM技术，结合设计方案和计算机三维模型能够很好地解决地铁供电系统中的电缆敷设问题[2]。从电缆敷设安装过程中的现场布置、支架布置、电缆敷设、施工人员组织等进行管控。最终达到提前发现方案中的问题，及时优化、调整方案，提高地铁工程供电系统施工效率，推动地铁工程建设的转型升级。

2 传统电缆敷设的局限性

2.1 应用概况

目前，国内外在供电系统信BIM息化管理方面进行了较为深入的研究，取得了一定的成果。如刘睿等人针对35KV变电站进行三维建模和电力工程定额工程量计算方面进行了研究，并提出电力工程造价管理新方向[2]。解莎莎等人研究了基于BIM技术与三维电缆敷设的精细化管理，并开发出BRCM软件，用于营口五矿600m～2烧结工程施工[3]。崔文俊等人研究了BIM技术在基建项目全生命周期中的应用，并以小型项目推广试点实验[4]。王忠诚等人结合BIM技术研究了地铁车站机电管线排布的相关研究，并以苏州站进行试点研究[5]。然而，尽管BIM技术在地铁供电系统信息化取得了较大研究，但其在地铁电缆敷设方面仍存在一些不足。

2.2 应用重难点

在地铁供电系统中，电缆是连接电源设备和供配电设备的关键桥梁。如图1所示，供电电缆分为一次电缆和二次电缆，整个系统电缆种类近200种，导致在狭小的变电所夹层中施工时，电缆美观受到影响，而且其正常运行也受到影响，具体存在以下问题。

图1 供电电缆系统敷设图

(1)现场测量难度大、用料浪费较多

由于传统的电缆敷设图纸或清单中电缆长度都不够精准，和实际用量普遍存在较大偏差。所以通常都是由技术人员依据图纸判断电缆走向，再由施工人员现场测量决定电缆的长度。而现场测量的难度较大，施工人员测量水平的良莠不齐就导致了测量的误差较大，经常造成电缆用料的浪费。

(2)电缆敷设不美观，电缆交叉较多

因为电缆敷设通常都是由技术人员依据图纸判断电缆走向，现场测量出电缆长度，再编写出敷设顺序的。因此对于技术人员的判断依赖较大，而技术人员判断过程中缺乏合理的参照条件，仅凭借传统的二维CAD图纸及施工经验很难保证考虑到位。实际上由于技术人员考虑不到位导致电缆交叉过多而返工的情况也时有发生。

(3)预留量考虑不到位，现场随意盘圈

由于规范标准要求，电缆敷设必须保证预留量，但因为电缆实际的长度、走向及敷设顺序都和图纸有出入，所以预留量无法确定长度，通常都是现场随意盘圈。因而导致现场电缆敷设凌乱、不美观，且也造成电缆用量浪费。

(4)支架位置不合理，电缆走向限制

因为设计图纸考虑不到位，设置不合理，所以大多数情况下电缆支架的位置都与现场实际的设备位置及电缆走向不匹配，限制了电缆的走向和敷设顺序，最终需要花费大量的人力物力来调整解决电缆交叉。

(5)敷设空间限制，机械施工无法展开

供电设备房内敷设电缆受空间限制，电缆敷设将主要以人工敷设为主。人工测量及敷设所导致的测量误差大、敷设顺序不合理等问题都导致了电缆敷设存在交叉、布局不美观，同时也造成了物料的浪费。

3 基于BIM技术的变配电所电缆敷设

3.1 应用需求

基于BIM的电缆敷设应用技术的核心是基于计算机三维模型，应用BIM技术结合现场实际的施工数据对电缆敷设设计方案进行模拟敷设及安装，以优化方案的电缆用量和美观度，并提前发现方案中存在的问题，及时优化、调整方案。

3.2 应用流程

BIM应用流程如2图所示。

图2 基于BIM的电缆敷设流程图

(1)模型布置

在电缆敷设之前，需先布置设备，确定设备位置之后才能确定电缆的走向。因此，在模拟电缆敷设之前，也需要在BIM模型中根据图纸确定设备位置、布置设备。

(2)敷设路径模拟

在现场电缆敷设施工时，必须先布置电缆支架才能进行电缆敷设。因为电缆无法凭空敷设，必须有电缆支架作为支撑。但在BIM模型当中，即使没有电缆支架也可以凭空进行电缆敷设，无需考虑支撑的问题。因此，可以不用顾虑设计图纸当中的支架布局，也就不存在限制电缆走向和敷设顺序的情况。可以做到最合理的电缆敷设设计。

(3)布置支架模拟

在BIM模型中的电缆敷设完成之后，根据模型中的电缆走向布置支架，这样可以保证电缆支架的位置与现场实际的设备位置及电缆走向相匹配，不至于限制了电缆的走向和敷设顺序，也避免了最后调整解决电缆交叉的返工。

(4)统计线缆及支架工程量

基于BIM的高精度模型中包含了项目各类数据信息及几何形状信息，在BIM模型中进行技术测量可以快速、精准地得到电缆敷设所需的各类数据参数。

在BIM模型中，通过明细表可以精准统计电缆长度及支架数量，其中都已经包含预留量，无需重复计算。损耗量按照GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》要求计取5%到10%裕量进行计算，通过这种形式就可以导出电缆采购单。

(5)指导现场施工

在BIM模拟的过程中，电缆敷设无需考虑支撑的问题，都是凭空在没有电缆支架的情况下直接敷设的。目的是避免因设计图纸中的支架布局限制了电缆敷设时路径的优化，可以做到最合理的电缆敷设布局设计。最后再根据电缆路径布置电缆支架。

4 实例分析

4.1 工程概况

广州市轨道交通六号线二期供电系统安装工程主要施工内容为六号线长湴—香雪段牵引供电系统变电安装工程、牵引供电系统接触轨安装工程、综合监控系统工程及疏散平台工程。工程线路长17.4km，共设10座车站，全为地下站。全线共设置了6座牵引降压混合变电所、4座降压变电所和6座跟随式降压变电所。

4.2 应用结果

本项目在具体实施工程中，利用Autodesk Revit软件及Autodesk 3ds Max软件进行现场布置模型的搭建及设施设备模型的绘制、利用Autodesk Navisworks软件进行电缆敷设安装的全过程模拟及最终的模拟动画输出，对电缆敷设安装过程中的现场布置、支架布置、电缆敷设、施工人员组织等进行管控，具体应用效果见图3。

(1)模型布置

本项目为此次基于BIM的电缆敷设应用，建立了设施设备族资源库，其中包含了大量常用的现场设施设备模型的族文件，比如配电柜、变压器等各类设备。使用时只要按需选取模型，设置数据参数即可，方便快速地进行现场设备布置。

图3 设备布置及电缆敷设模拟

图4 电缆支架族配

(2)敷设路径模拟

在BIM模型中进行电缆敷设时，主要依据施工图纸的电缆路径，连接设备后再与现场环境及其他电缆综合考虑布局和走向，不同的电缆以不同的颜色区分(色标如表1所示)。在优化电缆路径时，只需要调整电缆的位置参数(如偏移量)即可，方便快速。一至两个工作日内即可完成一个变电所的电缆布局调整。

图5 模拟电缆敷设

(3)布置支架模拟

在BIM模型中布置支架时，因为已经确定电缆路径及长度了，所以只需要按照规范要求，支架间距保证小于800mm即可。包括电缆预留量的盘圈的辅助支架，因为已经有了电缆模型，布置时也是直接在对应位置布上对应的辅助支架即可。

表1 36kV电缆色相创建

图6 电缆敷设路径规划

图7 电缆相色模拟

图8 BIM电缆支架布置

(4)统计线缆及支架工程量

图9 通过模型导出电缆明细表

(5)指导现场施工

最后模拟完成时的BIM模型中的电缆路径及支架位置都是确定的。因此，在现场电缆敷设施工时，可以先根据优化后的BIM模型中的支架位置布置电缆支架，然后再进行电缆敷设。因为电缆无法凭空敷设，必须有电缆支架作为支撑。

图10 BIM技术的现场应用

4.3 应用分析

本项目通过应用BIM技术进行电缆敷设应用和优化，与其他专业进行协同设计、交叉优化等，充分发挥BIM技术在此方面的优势，解决了以下问题：

(1)测量精准、误差小，避免电缆用量的浪费。利用基于BIM的高精度模型，可以精准地测量出电缆敷设现的各类数据，提前统计计算所需的各种电缆的用量，有效地避免电缆用量的浪费。而且精确的测量数据也可以为电缆敷设走向及顺序提供有效依据。

(2)通过工艺模拟，提前发现电缆敷设可能存在的交叉，及时优化，保持现场的整洁、美观，同时也可以避免传统安装工艺导致的返工。在BIM模型中，可以以可视化的形式预先模拟电缆敷设，通过全视角的可视化模拟，简单直观地发现交叉位置。然后可以在模型中直接进行调整优化，解决交叉问题之后，再将优化后的模型及图纸交付现场，指导施工，保证现场整洁、美观。

(3)提前设置预留量及盘圈方式，精准控制电缆用量。在电缆敷设模拟过程中，对于需要预留电缆的位置提前设置预留量及盘圈方式，既能精确统计出电缆的长度、控制电缆的用量，也可以在优化电缆交叉的同时把盘圈位置和方式一起优化，保证不出现新的交叉。

(4)提前模拟布置支架，从而解决图纸不合理部分，做到与电缆走向准确对应。在电缆敷设模拟过程中，先将电缆敷设的长度及走向确定下来，再模拟布置支架。这样一来，既确保支架与电缆走向准确对应，也保证支架不会变成限制电缆走向的约束，从而保证支架的位置是最合理的。