基于BRCM软件的水电站厂房电缆敷设技术研究及应用

2019-01-16唐海涛杨礼国

大坝与安全 2018年6期

胡婷，唐海涛，马沧，杨礼国

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

随着大数据时代的到来以及各行各业对工程数字化管理体系的认同，建筑信息模型（BIM）技术广泛应用于工程设计与管理，设计手段与管理理念发生全新转变。随着数字化三维电厂设计理念的不断深化，三维设计在各专业中得到广泛应用。电缆是电厂中非常重要的组成部分，像电厂的血管和神经一样遍布全厂各个角落。电缆敷设是电气设计中最复杂且繁琐的环节，传统二维设计模式下，电缆敷设工作量巨大且耗时长，主要精力消耗在重复性工作上。三维协同设计是工程设计行业发展的必然趋势，Bentley Raceway and Cable Management（简称为BRCM）电缆敷设软件提供了完整的解决方案，可实现三维协同设计和电缆的智能敷设。

1 设计流程

BRCM软件提供了从三维建模到二维出图的整个全过程解决方案，其一体化设计流程如图1所示。流程以工程数据库为核心，存储电缆通道路径信息、起终点设备位置及编码信息，结合电缆清册，依据设定的电缆敷设规则进行大量成批电缆的自动敷设。敷设完成后，基于数据库提取所需的各类图纸和报表。整个过程实现了设计的高效率和成果的精细化。

图1 电缆敷设流程Fig.1 Process of cable laying

1.1 通道设计

设计电缆通道时，考虑工程条件、环境特点、数量技术等因素，选取不同敷设方式，一般来说电厂常用敷设通道有桥架、电缆沟、明管、暗管和竖井。BRCM软件分别有不同模块来实现相应功能。BRCM软件包含槽式、梯架式和托盘式三种桥架类型和多种配件，根据施工图要求定制桥架样式和尺寸，并添加盖板。模型创建方便快捷，还可与其他专业模型进行碰撞检查。

软件强大建模功能具备以下优势：参数化绘制多层桥架，自动处理接头、三通及四通等连接件；采用二三维一体化设计理念，平面绘制时直接观看三维效果；分层布置桥架，设定各层桥架敷设类型；设定桥架编码规则，自动批量编码；给桥架添加自定义属性，输出在报表中[1]。

1.2 设备布置

BRCM软件参数化设备布置模块功能强大，可满足厂房电气设备布置设计。可创建参数化设备及非参数化设备，给设备添加自定义属性，输出在报表中。布置盘柜等设备时可即时修改尺寸参数，定义插入点及接线点信息。支吊架布置模块可以参数化布置支吊架，沿桥架中心线批量布置，如果选中多层多列桥架，软件可以灵活实现矩阵布置。软件分类统计各类设备，实现从三维建模到工程量计算的全过程设计。

1.3 规则设定

软件内置多种敷设规则，包括电压匹配、容积率限制、重量分析以及最短路径原则。针对电压匹配，布置桥架时设置其承载的电缆电压等级（动力、控制、弱电），敷设时按照电压等级进行自动匹配；针对容积率，可批量设定桥架允许的容积率，敷设时如果其承载电缆数量过多，超过容积率的限定，软件会自动查找其他路径；针对重量分析，可批量设定桥架允许的承重值（kg/m），敷设时如果超过容许值，软件会自动查找其他路径；最短路径为软件最底层的敷设规则，满足上述规则前提下，依据查找算法计算每根电缆的最短走线路径，计算电缆长度及其所经过的桥架节点编号。通过以上几种敷设规则，软件自动进行大批量电缆的优化敷设，精确统计电缆长度，从根本上杜绝人为失误，保证设计质量、提高设计效率。

1.4 二维出图

电缆敷设成果保存于数据库中，基于工程数据库，软件可快速生成各类出图报表。利用报表生成器快速生成报表，包括电缆信息及设备桥架信息；报表模板样式可定制，设备及桥架添加的自定义属性可以输出在报表中；报表也可导出为不同格式文件。

电缆敷设后的桥架模型附加承载了各类敷设信息，包括桥架内所敷设电缆以及桥架容积率占用情况，通过动态剖切桥架截面，以表格形式标注在图纸上，如图2所示。另外，软件提供标注工具，用以标注桥架层高、桥架编码等各类信息，标注信息多样化，可以满足多种需求[2]。

图2 桥架剖切信息展示Fig.2 Display of raceway section information

2 工程应用

为验证BRCM软件敷设结果的精准化程度、体现其设计优势，利用其重新模拟敷设已建成的仙游抽水蓄能电站两个机组多达2 000多根的电缆，通过与传统敷设方式对比，评估其高效性和是否节省电缆数量。图3为仙游水电站电气设备布置图。采用了Bentley公司三维设计平台基于ProjectWise实现了多专业协同设计。利用BRCM软件模拟该项目三维电缆敷设前，需要搜集敷设所需的三大类数据，即电缆通道、设备位置及编码以及电缆清册信息。

图3 仙游水电站电气设备布置图Fig.3 Electrical equipment layout of Xianyou pumped storage power station

针对设备位置及编码信息，清册中设备不仅包括电气本专业设备，还包括水机暖通等其他专业的用电设备。由于各专业使用的专业软件不同（如水机暖通专业使用Bentley公司ABD软件），因此涉及到专业软件间数据传递与共享的问题。项目设计时，各专业统一采用编码系统软件，以编码为核心，进行整个项目设备管理，编码的编制和分配符合相关标准规范。Bentley平台下各个专业软件都与编码服务器集成，在专业软件中布置设备时统一编制编码，并保证编码的合法性与合理性。BRCM软件是以编码为纽带，共享其他软件的数据，包括电气专业在Substation软件中布置的设备信息、其他用电专业在OpenPlant和ABD软件中布置的设备信息等，最终导入BRCM软件，匹配电缆清册中起终点设备，参与电缆敷设。

为保证敷设结果真正具备指导施工的作用，需灵活采用不同方式进行敷设。面对大批量电缆，需要多种方式结合进行敷设设计，包括：分批敷设结合单根敷设的方式，即局部调整部分敷设失败的电缆直至成功；自动敷设加上强制走线，如工作电缆和应急电缆不能敷设在同一区域桥架上，需强制指定应急电缆路由；根据实际项目考虑现场施工情况，如分系统或按照区域敷设等。只有综合考虑以上几种方式，敷设结果才能真正指导施工，实现设计施工一体化。按照上述方式敷设仙游抽水蓄能电站两个机组共2 062根电缆，2 062根电缆全部敷设成功，用时8.5 min，如图4所示。

图4 电缆敷设成果Fig.4 Result of cable routing

相比于传统二维设计方法，利用该软件进行电缆敷设，优势主要体现在以下三方面：（1）三维设备桥架模型更加直观，可高亮查看每一根电缆的敷设路由，敷设结果清晰可见；（2）实现了设计的高效率和设计成果的精细化，人工敷设需要对每个区域桥架节点手工编号，并计算其路径，工作量大且难以避免人工计算造成的疏漏；（3）节约造价，精确统计电缆长度，图5为敷设后软件统计的各类型电缆长度，在考虑施工余量的前提下，可节省电缆长度约10%。

图5 电缆长度统计Fig.5 Statistics of cable length

3 路径搜索算法验证

仙游抽水蓄能电站的应用案例验证了三维电缆敷设的高效性和精准性。下面运用路径搜索算法初步验证每一根电缆路由选择的合理性，即在设定规则前提下，遵从最短路径原则，选择最合适的敷设路径。计算机辅助电缆敷设软件究其根本就是在为每一根电缆寻找搜索最优敷设路径，路径搜索算法可实现该功能。路径搜索算法中的A*算法在计算速度与规模上具备一定优势，因此采用A*搜索算法。基于上述工程数据，抽样200根电缆，计算这200根电缆最优路径，将结果与BRCM软件敷设结果对比，初步验证其路径合理性。

A*算法是一种典型的启发式路径搜索算法，核心思想是估价函数的设计。在选择当前节点的下一个搜索节点时，引入启发函数f（n）：

f（n）为可选的下一节点代价；g（n）为从start点到n点的代价；h（n）为n点到end点的代价。

A*算法维护两张表OPEN和CLOSED，OPEN表保存所有可探测且未被访问节点，CLOSED表保存所有已访问节点。启发函数将OPEN表中节点按照代价从低到高排序，依次访问代价最小的节点。当前访问节点根据簿记信息更新代价信息，将其直接连接的子节点放入OPEN表中，并将当前节点放入CLOSED表。A*算法始于将start点放入OPEN表，结束于找到end点或者OPEN表为空，CLOSED表已经包含所有可访问节点。其算法流程图如图6所示，提取所有当前节点的父节点即为整个搜索路径。

应用仙游抽水蓄能电站项目工程数据，流程如下：

图6 A＊算法流程图Fig.6 Flow diagram of A＊algorithm

（1）提取绘制好的三维桥架模型的关键节点路由，关键节点路由包括直段桥架起终点、三通及四通等连接件位置，如图7所示，图中字母代表节点编号。通过MDL编程实现桥架模型信息的读取，将节点序列组织表示成图结构。

图7 桥架关键路由节点Fig.7 Key node of cable routing

（2）过滤电缆清册，从整个工程电缆清册中筛选出200根电缆作为测试样本。

（3）C++编程实现A*算法，节点间距离作为搜索代价，以保证满足最短路径原则。输入步骤（1）中提取的各搜索路径节点，排列步骤（2）中获得的电缆清册中200根电缆敷设优先级，依次敷设电缆。

（4）输出每根电缆的路径节点序列，并与BRCM软件敷设结果（如图8所示）对比。

在不受桥架容积率限制的前提下，采用A*算法搜索电缆路径结果与BRCM软件基本一致，163根电缆敷设结果完全匹配，37根电缆路径有所不同。对比这37根电缆敷设结果的合理性，发现其经过桥架节点较多，BRCM软件敷设结果更加合理准确，在满足最短路径的前提下，拐弯处较少。通过以上仿真数据，充分验证了BRCM软件敷设电缆路由选择的合理性。