基于GIM 的模块化变电站电缆敷设三维设计

朱克平，何英静，倪瑞君，徐伟明，鲍双双

（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310008；2.嘉兴恒创电力设计研究院有限公司，浙江 嘉兴 314033）

0 引言

21 世纪初，建筑行业提出了BIM（建筑信息模型）概念，并在后期发展中得到国内外建筑行业广泛应用。 在电气设计方面为了满足变电站全生命周期的要求，2017 年9 月国网公司发布了《输变电工程三维设计模型交互规范》（试行），提出GIM（电网信息模型）的概念，建立以GIM 为基础的承载信息的数据库，实现跨平台共享及信息采集[1]。 该规范规定了GIM 文件的格式，适用于输变电工程初步设计、施工图设计和竣工图设计阶段的三维设计，以及设计成果的交付。 为变电站数字化移交提供了数据基础。 具备三维设计能力也将成为设计院参加工程投标、设计竞赛等的一个基本门槛[2]。

2018 年初，国网浙江公司针对国网基建部下发文件《关于开展输变电工程三维设计扩大试点通知》，进一步提高三维设计专业能力，持续推动三维设计工作，在2019 年12 月实现全面变电站三维设计应用阶段。 因此，推动GIM 标准化发展，对工程进行全寿命周期管理，实现数据共享化具有重要意义。 浙江省公司在各个地级市开展输变电工程三维设计试点工作。

同时变电站设计建设进入模块化阶段。 采用模块化设计具有占地面积小、建设周期短、施工方便等优点。 模块化设计变电站为减少现场湿作业，缩短建设工期，大部分设计都取消了电缆层的设置，给电气设计人员的工作带来了较大的调整。 电缆敷设设计主要依靠二维设计，由于电缆数量非常庞大，通过手动方式排查错误，效率非常低[3]。 通常根据电缆桥架、竖井、电缆沟、用电设备、电气盘柜的位置进行埋管出图、电缆敷设以及材料统计。 但由于图纸空间有限，设备位置不精确，在计算电缆和埋管长度上存在误差，虽然理论上能够实现电缆分层敷设，以及通道填充率检查等，但不能实现电缆在通道中的单层敷设，也查询不到任意通道内电缆的分布情况，更不能保证电缆敷设过程电缆之间的间隔问题[4]。 随着信息技术的发展，利用计算机敷设软件来进行电缆敷设的设计已成为一种常见的手段[5]。

本文采用GIM 软件对一个110 kV 输变电工程实例进行电缆敷设设计，并与传统设计方式进行对比，探讨基于GIM 三维设计的优劣。

1 变电站电缆三维设计方案

1.1 变电站模块化建设简介

关于国网公司《关于印发2016 年推进智能变电站模块化建设工作要点的通知》，积极推进变电站模块化建设势在必行[6]。 模块化变电站提出了一种新的变电站建设模式，将变电站划分为5个功能模块，便于安装、调试，提高建设的质量、效率。 降低变电站成本、减少土地占用、缩短建设周期等是未来模块化变电站的趋势。 目前，浙江地区已经开始逐步推广模块化变电站的建设。

1.2 GIM 三维协同设计优势

较传统的二维设计，基于GIM 的三维工程设计更易建立起建筑物的模型，在三维设计过程中更直观清晰的看见整个项目模型；同时采用参数化设计，同步自动更新，并且能够从模型自动生成所需的设备明细表和相关图纸，推动了数字化设计技术的广泛应用，使设计成果正逐步从工程设计图纸向数字化设计成果过渡[7]。

GIM 技术具有信息共享、协同设计、直观性[8]等特点，改变了传统模式的设计流程，一个模型可以多人或者多专业同时进行，并且能够实时同步他人的设计，避免设计上冲突；同时还具有碰撞检查等功能，避免施工中出现建筑物与桥架碰撞等问题，保证电力输送的安全性[9]。

1.3 设计软件选择

目前支持GIM 标准的软件有STD（R）软件平台、金曲软件平台、Bentley 软件等。

此次项目采用STD（R）软件平台（Revit 2016中文版）进行电缆敷设设计。 Revit 系列软件简单易学，并具有强大的数据库，所有的平面图、三维视图都建立在同一个数据库中，能够将二维、三维之间的数据贯通；参数化程度高，软件提供了大部分的建筑图元，能够满足电气设计特点且全专业配套，因此得到广泛应用。

1.4 设计流程

不同于传统的二维设计，三维设计流程可分为建立模型、布置线路、三维碰撞检查、材料统计和模型成果5 个过程[10]，其流程如图1 所示。

图1 三维设计流程

（1）模型的构建

根据以往的设计经验和实际工程反馈，利用三维设计构建了电缆敷设需要的3 种模型：电缆模型、电缆沟（含电缆支架）模型、埋管模型。

电缆模型：根据不同电压和截面的电缆，构建编制站内的电缆模型库，供电缆敷设时选取，模型如图2、图3 所示。

图2 110 kV 电缆模型

图3 10 kV 电缆模型

电缆沟（含电缆支架）模型：电缆沟（含电缆支架）模型设计是模型构建的重点和难点。 构建该部分模型需要先参数化绘制电缆沟，能够根据电缆通道如拐角、三通、四通等设置相应的节点和模型。 再将电缆沟支架全部扩充到数据库中，通过设置层架所敷设的电缆类别来实现电缆敷设的规则，电缆在电缆沟内敷设必须严格按规范要求分层布置[11]，保证敷设与实际效果一致。 相关的模型如图4、图5 所示。

图4 110 kV 电缆支架模型

图5 10 kV 电缆沟模型

埋管模型：在埋管设计时，排管路径可以作为敷设路径被软件识别。 对于在排管内敷设的电缆按照电压等级、外径、容积率等设定规则自动分管敷设，分管结果可以手工进行调整。 相关的模型如图6 所示。

图6 埋管三维模型

（2）布置线缆

利用构建的电缆模型库信息自动在平面图中查找电缆敷设路径，并按照设定的敷设原则进行优化[12]，再利用断网查看及自动定位功能帮助用户检查设备的接线失误，提高设计质量和效率。

在实际应用中，部分电缆必须通过相应的桥架、层次和节点，且敷设方式因地而异，需要手工对特殊的电缆路径和敷设方式进行调整。

（3）三维碰撞检查

不同于传统的二维设计，三维碰撞检查是三维设计最大优点和亮点。 采用三维碰撞检查可以有效避免后期施工出现电缆相互交叉碰撞、桥架与建筑物之间碰撞等问题，最大程度保障了施工过程的顺利进行，加快施工进程，节约施工周期，降低投资费用。 采用三维碰撞检查主要是埋管与建筑物梁柱板之间，桥架与建筑物梁柱板之间进行碰撞检查。

（4）材料统计

通过前面的流程形成完整的电缆清册，进行完成的材料统计。 采用三维设计统计结果详尽准确，内容可以包括电缆的长度、电缆附加长度、施工裕量、保护管长度、桥架长度、桥架接头甚至托臂、立柱等。

有别于传统的清册表格，可以根据实际需求定制电缆表。 表现形式可以按图纸、按平台、按电缆型号、按设备等，极大方便了工程采购和后期施工。

（5）模型成果

根据以上过程得出的三维模型如图7 所示，可用于生成效果图进行预览和方案对比，也可直接进行三维浏览漫游及简单的浏览视频制作，自动生成电缆沟/桥架剖面图，输出dwg 等格式图纸。

图7 三维模型成果

2 工程实例

2.1 工程简介

将GIM 三维设计应用到110 kV 百步变电站新建工程，该工程采用国家电网公司模块化通用设计110-A3-3 方案（2015 版），变电站采用半户内布置方案，电气设备只有主变压器布置在室外，其余设备均布置在室内[13]。 10 kV 配电装置室、10 kV 电容器室、110 kV GIS 室、二次设备室等布置在配电装置楼内，110 kV 由西侧电缆进线。取消电缆层，电缆敷设采用电缆沟；110 kV GIS采用电缆进出。

由于该方案取消了电缆层，电缆出线走廊十分紧张。 采用传统的二维设计图纸，方案电缆走向如图8 所示，可见电缆出线密集，廊道紧张，给设计人员和工程施工人员带来了较大的挑战。

2.2 工程实例

本文利用Revit 三维软件，结合第一章的设计流程对该输变电工程电缆敷设采用三维仿真建模设计，最终形成相关三维模型如图9 所示。

该工程于2017 年底进行开工建设，2018 年9 月投产，电缆敷设部分于2018 年6 月8 日进场，至6 月24 日完成，工期16 天。 由于采用三维设计，电缆敷设设计部分无变更，工期缩短5 天。

3 应用反馈

3.1 优势分析

根据百步变电站新建工程设计和施工的反馈情况，采用电缆敷设三维设计在直观可视化、缩短周期和降低造价方面有明显的优势（见表1）。

（1）直观可视化

图8 百步变电站新建工程电缆敷设二维设计平面布置

图9 百步变电站新建工程电缆敷设三维设计模型

表1 采用不同设计模式对比

传统的二维设计需要三视图和剖面图才能抽象理解电缆布置实际情况，这往往是设计中最容易忽视的地方。 通过三维设计可快速准确地建立三维实体模型，轻松理解设备之间的空间关系，最大限度避免平面思维的盲区，能够及时发现各个设备之间的碰撞问题，及时避免施工中不必要的问题[14]。 并将整个方案直观地展现给业主、施工人员和后期运维管理人员。 既便于业主的修改、也减少施工的变更，更有利益后期的运维。

（2）缩短周期

根据百步新建工程设计人员反馈，采用三维软件中完成模块和数据库后，使得设计更加方便快捷。 特别是一次设备布置改变时，只要修改模型，就可以重新生成电缆敷设平面图、剖面图以及材料表，修改的工作量减小，出图时间更快。采用该三维设计较以往设计时间缩短1 人/天，较以往工程时间减少了33.3%。

由于在设计阶段采用碰撞检查，就有效避免了碰撞问题，减少了施工过程中的设计变更，根据百步变电站新建工程反馈，能缩短建设周期5天，提高效率23.8%。

（3）工程造价

电缆敷设部分设计涉及的材料种类繁杂且受设备尺寸和前期施工影响较大，因此，采用传统的二维设计时电缆布置和走向并不精确。 大部分设计人员为了减少后期变更，往往在设计阶段会增加相关材料的开列，增加工程造价，造成不必要的浪费。 百步变电站新建工程采用三维设计，该部分造价有效降低了17.2%，相信随着三维设计推广应用，工程造价将进一步降低。

3.2 存在问题

Revit 是GIM 协同设计过程中重要的软件之一，但目前在电缆敷设设计过程中还是存在着部分问题。

在GIM 协同设计过程中，常常需要和多种软件相互配合，Revit 与其他软件的兼容性比较差，对其他软件的支持度较低，这是变电站设计时需要克服的一个难点。

目前GIM 设计中，自带的数据库模型有限，需要后期设计人员在软件运用过程中逐渐总结和完善。 其他系统的工程信息还需要人工录入，由于设备基础数据量大，数据完整率和参数完整率2 个方面也存在一些问题[15]。 随着模型档案的增加，所占用的内存资源也越多，到后期打开一个大型模块可能需要花费较长时间，对内存等硬件设施也有一定的要求。

4 结语

基于GIM 的电缆敷设设计，由二维转向三维，不仅仅是设计工具的变革，也是传统设计思维的转变。 变电站趋向于模块化简化设计，因此对电缆敷设设计的要求越来越高，且未来发展趋势是多专业共同参与的三维协同设计。 通过电缆的虚拟敷设，根据电缆路径的三维模型展示效果，提高现场电缆敷设的效率和施工工艺水平。基于GIM 设计，更好地建立一个标准化、数据共享化平台，促进电力设计行业的发展。