BIM技术在模块化变电站建设中的应用分析

李 俊， 张 凡， 李胤渊， 章蓓蓓

(1.国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽 合肥 230071;2.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601)

0 引 言

近年来，我国经济发展迅速，环境污染和效率问题越来越得到社会各界的广泛关注。传统变电站一般采用钢筋混凝土框架结构体系，这种结构体系在施工过程中会对环境造成一定污染，工期和工程质量难以保证，现场管理难度较大，不利于资源的有效利用。模块化变电站的出现很好地解决了这些难题。在整个建设过程中，模块化变电站因其高效、环保、资源节约等优点，在社会上引起了广泛的关注与重视。近几年来，建筑领域正在逐步推广BIM技术，将BIM 技术有效地应用于模块化变电站建设中，可以提高其在设计、生产、施工以及运行维护等阶段的效率，促进模块化变电站得到更好更快地发展。

1 BIM技术对于模块化变电站建设的优势分析

1.1 BIM技术特点分析

BIM是一个建立在设计、施工、运营协调和项目信息基础上的集成过程。BIM 模型创建的过程，是在获取建筑项目中的各类信息和数据基础上，将建筑项目的实际信息通过数字信息虚拟技术模拟出来。BIM 技术以三维模型为表现方式，具有高度可视化、多样模拟化、多专业协调化、可优化性高及可出图性等五大特点。BIM技术整合项目信息与三维模型，设计单位、施工单位以及后期运行维护部门在内各项目的参与方通过BIM技术能够正确理解和高效处理各种相关信息，共同协作，提高生产效率，缩短建设工期和降低工程成本，实现项目全生命周期过程中信息的传递与共享。BIM技术的特点主要有以下几个方面：

(1)根据系统的运作模式，结合项目的特点和要求，自动生成目标。

(2)BIM技术兼容性强，不会出现与其他技术不兼容或严重冲突的情况。

(3)操作较简单，能更好地在项目全寿命周期内进行整体把控。

(4)灵活应对突发问题，很大程度上提升工作质量。

(5)不同专业协同完成，大大提高工作效率。

1.2 模块化变电站特点分析

传统模式的变电站大多都是钢筋混凝土结构，在建造使用中存在很多问题。变电站建设复杂，在建站时会耗费大量人力物力，施工进度缓慢；现场设备的组装、安装环境恶劣，容易造成环境污染；变电站建成后可靠性也相对较差。为解决这些问题，将传统变电站建设方式转变为装配式施工，推行模块化变电站。模块化变电站遵循变电站建设项目全生命周期建设理念，落实国家电网公司“两型一化”变电站的建设思想的具体措施，按照规定、规范和技术管理的要求，根据典型设计方案进行设计，优化布局和垂直设计。模块化变电站摒弃传统土建建筑结构形式，因地制宜，灵活运用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用等特点，在项目全生命周期内实现功能匹配、寿命协调和成本平衡等目标。模块化变电站主要有以下几个特点：

(1)根据国家电网通用设计，实现了高级应用功能的模块化、标准化和装配化。

(2)工厂预制式配件及设备，规模生产，高度集成，提高变电站建设的效率。

(3)工厂模块化制作，实现快速拼装，减少资源消耗，满足环保要求。

(4)各模块单独成舱，具备足够的灵活性和可迁移性，适用不同应用场合和复杂地形。

(5)高标准、高要求、高质量安装电气设备，保证设备运行安全可靠。

1.3 BIM技术对于模块化变电站建设的应用意义

1.3.1 BIM技术有助于提高模块化变电站建设效率

利用BIM技术创建三维模型，协调模块化变电站的各个建设部分，完整设计出模块化变电站整个项目，减少设计人员的工作量。BIM技术的运用可以优化施工方案，模块化变电站建设中施工难点利用三维模型模拟出来，及时发现问题并解决，从而提高施工效率。模块化变电站建设工程量大，造价控制方面十分复杂，利用BIM模型中存储的数据信息，精准高效的进行造价计算，避免人工计算中出现的弊端。BIM技术的应用，提升了模块化变电站建设的效率。

1.3.2 BIM技术有助于提高模块化变电站建设质量

BIM 技术的三维协同设计解决模块化变电站中各专业间的冲突，提高了设计质量。模块化变电站中预制构件通过三维空间建模体现出来，将各种信息集中处理，减少误差，标准化设计生产，保证了预制构件的质量。模块化变电站的三维模型，确保了整个项目的整体以及局部工程建设的准确性，能有效地保证变电站工程施工质量，最终实现工程总进度目标。

1.3.3 BIM技术有助于降低模块化变电站建设成本

设计图纸中的设备、构件及其他工程材料都存储于BIM模型，造价人员能快速准确核对工程量，避免因工程量统计的问题造成项目亏损。BIM技术在应用过程中，发现不合理的地方及时修正，校正误差，避免建设中造成不必要的损耗利用，有效降低了模块化变电站工程成本。BIM技术增强了模块化变电站在造价管理方面的效果。

1.3.4 BIM技术有助于实现模块化变电站建设的全生命周期管理

通过BIM建立的模块化变电站的模型包含在整个建设过程中的实体物理信息，功能信息和运行信息，BIM技术可以为模块化变电站建设所有项目参与方提供完整可靠的数据，保证了不同阶段的信息的完整性和一致性，为模块化变电站建设的全生命周期管理提供技术支持，实现全生命周期的集成管理。BIM应用前后对模块化变电站的项目参与者带来的改变见表1。

表1 BIM应用于模块化变电站后对项目参建方带来的改变

2 BIM技术在模块化变电站建设各阶段中的应用

2.1 设计阶段的应用

模块化变电站的设计是基于分析模块化变电站系统整体功能，将变电站的总体功能分解为多个独立的基本单元模块，依据系列、性能、以及用途等不同的设计要求，选择的不同的单元模块，设计新系统。模块化变电站设计主要包括建筑围护体系、主要建筑物的建筑方案以及主要结构的结构形式这三个方面。模块化变电站中综合管线是设计中重点，涉及各个专业管线与配套设备的设计，以及预制墙板的设计、钢构件的生产加工，设计内容复杂，综合管线主要包括电气设备及线路，给排水管道及线路，通风空调设备及管线及通信线路。变电站采用模块化设计与装配式预制构件，可以节省工程开支，缩短建设工期，更好地控制工程进度，建设高质量的模块化变电站。

基于BIM技术的模块化变电站的设计是根据信息模型协调各专业的设计，分析模型中存储的信息数据，对变电站整体设计进行了优化，及时解决模块化变电站在建设中出现的不合理的问题。BIM协同设计平台将所有专业设计模型集成为一个完整三维模型，利用BIM技术进行碰撞检测、协调及优化。模块化变电站在建设中可能出现的电气布线空间不足，土建预留，预埋不合理，地下水管消防、接地不合理等问题在施工之前及时优化，避免了后期施工阶段可能出现的返工，保证模块化变电站的建设质量。其次，整个变电站工程中电力设备种类多、敷设复杂、工程量大，利用BIM技术可视化的特点可以直观地显示模块化变电站中电力设备、电缆设备等敷设的具体布置，预先发现设计阶段中可能存在的缺陷，并能准确地统计出所需的工程材料。BIM可视化可以形成三维实体图，使得项目从研究规划到设计这一阶段，设计者能够有效地形成交互并反馈, 避免了资源的浪费，提高设计效率，实现了模块化变电站工程的可视化。BIM技术应用于模块化变电站建设的基本流程图如图1所示。

图1 BIM设计的基本流程图

2.2 生产阶段的应用

预制舱形式的二次设备室是模块化变电站的重要组成部分，预制舱体形式可分为标准集装箱、钢结构箱房和预制混凝土箱房，二次设备的数量和尺寸、电缆沟尺寸等因素都会影响预制舱尺寸的选择。在模块化变电站生产阶段，二次设备所需的构件均在工厂加工预制后场内组装调试，保证现场施工基础与厂内设备集成同步进行，主体基础完成后进行现场整体组装，各模块之间的连接调试在现场完成，在项目总体目标实现的前提下，缩短了施工工期。工厂标准化生产避免了因环境变化引起构件的加工质量，有效地保障构件的制作工艺和使用质量，构件预制的标准化流水线加工提高了构件的生产效率，降低了生产和质量检验成本。充分利用预制构件可以有效地减少施工工序，减少原材料的使用量，降低施工管理成本，预制外壳、预制电缆槽等省去现场浇筑和凝固时间，为模块化变电站建设效率提供了重要帮助。

在模块化变电站设计阶段已将模型所需的尺寸、材质、参数等记录在BIM信息平台，例如，预制舱二次设备的数量和尺寸，所需电缆沟的尺寸等都可记录在内。预制构件生产商可从BIM平台调取目标参数作为参考，制定合理的生产计划，实现快速规模生产，再把生产信息重新反馈到BIM平台。施工方可以从BIM信息平台了解所需构件的生产进程，调整好施工计划，做好施工准备。预制舱内二次设备构件生产阶段，将RFID芯片植入到预制构件中，将每个构件编写编码作为构件的唯一标记。通过RFID技术，相关人员就能从芯片中读取该构件的所有信息，如构件材质、尺寸、类型和安装位置等。提高工程管理效率。当设计单位与构件商家出现矛盾时，设计人员可以将问题发送给商家进行反馈，在BIM平台上，设计师和商家可以讨论具体的解决方案，节省时间，提高后期模块化变电站的施工质量。

2.3 施工阶段的应用

由于传统的二维施工图不能表现出变电站建设过程中的细节部分，在实际的施工过程中，往往无法指导施工中出现的复杂的情况，因此，容易导致施工过程中出现许多错误。利用模块化变电站BIM模型的可视化特点，工程施工人员检查和分析模块化变电站的总体布置，纠正设备布置中的偏差和错误，实现变电站的空间资源最大化地利用。BIM技术建立的模块化变电站三维可视化模型，可以对整体模型进行碰撞检测，及时发现电缆沟与断路器基础之间不合理的地方，再反馈到设计方进行设计优化。三维模型还可以对模块化变电站内设施的电气安全距离进行校验，利用BIM三维模型可视化的特点，Bentley Substation接地系统设计自动生成三维接地布置图，与站内设备电气安全距离和其他专业进行碰撞检查，有效地提高了设备间实时距离检测的可靠性，为设备和引线的优化配置提供了技术指导。

基于BIM技术的模块化变电站建设，使得工程实施“预施工”成为可能。BIM技术可以仿真模拟分析模块化变电站施工现场的装配吊装工作，将临时设施、构配件、垂直机械等布置在合理位置，设置临时道路的最佳路线以及车辆运输的路线的分配，确定出最佳的施工方案。将BIM模型导入Navisworks是创建的4D-BIM 系统，通过自动关联形成4D-BIM可视化模型，之后根据工程实际逐步添加施工任务和进度计划等信息，对施工进度进行实时跟踪与监测。BIM技术可以实现三维可视化技术交底，指导安装施工，优化现场物料堆放等。同时，在施工过程中，通过引入5D-BIM模型来进行过程控制，项目方案的成本可以实时模拟出来，方便后期合理利用各类资金。

2.4 运维阶段的应用

由于模块化变电站的规模和数量不同，站内所需配套设备复杂多样，运维人员通过传统方式所能获取的站内设备状态信息有限且滞后，也无法全面了解变电站内各种设备的运行状态，当设备出现潜伏性缺陷和初起故障时，不能及时解决并处理，给运维人员的工作带来诸多不便。面对出现的问题，运行维护人员需要有较高的技术水平。

运维人员通过BIM技术建立的模块化变电站可视化模型，能够准确掌握站内设备各种信息，实时了解变电站设备的具体情况。由于模块化变电站内的电力设备长期处于带电运行状态，从安全性考虑，当设备在运行时，对运维人员进行培训并不现实。基于BIM技术的模块化变电站的三维模型结合运行维护管理系统，运行维护人员通过BIM平台快速掌握变电站各种信息，安全高效的达到对运维人员培训的目的。同时，BIM系统中的相关平台可以实时监控建筑物内的设备，尤其是一些高能耗的设备。当高能耗设备出现问题时，根据BIM平台提供的数据信息，运维管人员精准找到高能耗设备出现问题的原因，并采取措施及时有效地解决问题，使设备恢复正常的运行状态。

3 总 结

BIM技术在模块化变电站建设中的应用，响应国家关于绿色生态号召，很大程度上降低了设计失误率与生产消耗率，将信息数据应用于技术上，在生产过程中全程追踪指导，突破传统变电站建设的落后状态，极大程度上促进了模块化变电站的发展。但目前我国模块化变电站建设还是处于初步发展阶段，对模块化变电站建成的验收与设计等各项工作还没有形成规范的认识，因此，将应用BIM技术应用于模块化变电站建设中，需要我们投入人力与物力，培养掌握BIM技术的新型建筑设计人员，研发配套的BIM平台技术，解决模块化变电站安装技术等存在的难题，更快更好地推进模块化变电站的建设和发展。