变电站的BIM建模仿真与应用研究

张群

摘 要：根据变电站建设工程的实际应用需求，对比分析了传统CAD技术和BIM技术的特点，并将BIM技术应用于实际变电站设计、运行和维护中，采用Bentley Substation 软件建立了变电站整体BIM模型。结果表明，BIM技术相较于传统CAD技术的优势可以更加直观的获取变电站工程中各个环节的不同参数，并对不同设施进行管理和监控，可以有效保障不同专业间的协同工作;且相较于传统CAD技术，BIM技术可以更加方便、快捷和准确，可以起到缩短工程和提升工作效率的目的，采用BIM建模可以实现变电站建设的全生命周期覆盖，且可以同步实现二维和三维模型展示。变电站整体BIM模型中包含了变电站各个不同的部位和设施的全方位信息，并可以随时进行二维图纸和数据移交，以及根据施工进度等完成施工模拟、模型改进和优化。

关键词：变电站;BIM;建模仿真;应用

中图分类号：TM 63;F 426.61

文献标志码：A

文章编号：1007-757X（2020）11-0051-04

Abstract：Based on the practical application requirements of the substation construction project， the characteristics of traditional CAD technology and BIM technology are compared and analyzed， and the BIM technology is applied to the design， operation and maintenance of the actual substation. The overall BIM model of the substation is established by Bentley substation software. The results show that the BIM technology can obtain the different parameters of each link in substation engineering more intuitively than traditional CAD technology， manage and monitor different facilities， and can effectively guarantee the collaborative work between different disciplines. Compared with traditional CAD technology， the BIM technology can be more convenient， fast and accurate， can shorten the project and improve the work efficiency. The aim of this paper is to use BIM model to realize the whole life cycle coverage of substation construction， and to realize two-dimensional and three-dimensional models display simultaneously. The BIM model of the whole substation contains all-round information of different parts and facilities of the substation， and can transfer two-dimensional drawings and data at any time， and complete construction simulation， model improvement and optimization according to the construction schedule.

Key words：substation;BIM;modeling and simulation;application

0 引言

变电站是指电力系统中对电压和电流进行变换，接受电能及分配电能的场所。随着国民经济的快速发展和居民用电量的提升，变电站在建造场地、电压等级、设备情况等方面都相较于传统变电站发生了巨大的变化，并逐步涌现出户内变电站和地下变电站，占地面积与原来的敞开式户外变电站相比缩小了很多[1];此外，电压等级上也逐渐朝终端变电站的大电网输送模式演变，电气设备方面则逐步发展到全封闭气体组合电器（GIS）和半封闭气体组合电器（HGIS）[2]。建筑信息模型（BIM技术）作为一项多维模型信息集成技术，在建筑工程中应用较为广泛，而专门针对变电站的BIM建模方面的研究则报道较少[3-4]。而根据BIM技术在其它建筑工程中的应用实践结果表明，在变电站设计与施工过程中采用BIM建模可以提升不同部门和专业间的沟通效率，还可以协调解决庞大的建设工程中的若干细节问题[5];通过BIM建模可以对变电站的規划方案进行分析、模拟、验证及优化，在提升变电站施工效率的同时，节约施工成本，并有助于提高准确性和安全性。

1 BIM技术与特点

传统变电站工程中多采用CAD技术完成计算机辅助制图，以满足变电站工程复杂的构件制图需求。然而，这项技术还不能支撑完整全产业链，设计过程中不同领域与环节之间的关联性不强[6]，而BIM技术作为一种多维模型信息集成技术，可以解决传统CAD制图的弊端并发挥其优点，实现变电站工程的全周期信息模型建设，同时可以对工程管理行为进行建模分析[7]。基于BIM的变电站工程设计转变示意图，如图1所示。

可见，基于BIM技术可以将变电站的二维设计转变为三维设计、将单纯几何表现转化为全信息模型集成、将单一设计交付转变为工程全生命周期交付以及实现各工种协同完成项目的效果等，这些相较于传统CAD技术的优势可以更加直观的获取变电站工程中各个环节的不同参数，并对不同设施进行管理和监控，并可以有效保障不同专业间的协同工作。

新型BIM技术和传统CAD技术的对比结果，如表1所示。

分别列出了两者在变电站建设过程中在基本元素、图元修改、元素关联性、整体修改和信息表达上的特点。对比分析可知，新型BIM技术在变电站工程中的应用将相较于传统CAD技术具有较大的优越性。

2 BIM技术在变电站中的应用

在变电站的建设过程中，大部分数据都来源于设计阶段，因此，主要对设计阶段的BIM技术进行对比分析。传统CAD技术和新型BIM技术在变电站设计过程中的设计流程对比，如图2所示。

可见，对于传统CAD技术，主要采用二维设计方案，第一层为建筑、结构、电气和图纸会审，第二层包括暖通空调、室内和施工。BIM技术则采用三维协同设计方案，在设计过程中，BIM建模要求不同的专业都以三维模型为设计对象进行协同工作，并保证实现数据调用和实时共享。因此，相较于传统CAD技术，BIM技术可以更加方便、快捷和准确，可以起到缩短工程和提升工作效率的目的。

基于BIM建模的变电站变压器的三维模型，如图3所示。

可见，三维模型可以随时反映不同角度的变压器信息，包括变压器正面和反面，以及其他位置、不同部件的相关参数。在三维协同设计工作模型下，不同专业的人员可以对模型建立进行分工并实时共享进度和数据，并根据自身需要优化自己的设计以及随时分享，避免在最终模型上出现分歧;此外，由于BIM模型中涵盖的信息来源于不同专业，且各个专业之间已经完成较好的关联和数据共享，因此，变电站变压器的三维模型将能够实现数字化移交，并保证最终的变压器模型细致、规范以及更加完整，实现了变电站建设的全生命周期覆盖。

基于BIM建模的变电站三维协同设计流程图，如图4所示。

在制定了变电站项目的设计目标后，BIM建模需要对项目进行专业分工，采取统一制图环境并进行三维模型制作;在三维模型制作过程中，不同专业的（电气、通信、土建、暖通、水工等）人员进行协同工作和数据共享，然后进行专业三维组装和模型总装，之后进行碰撞检测以进行安全距离效验，通过后可以随时跟进需要抽取二维图纸、生产材料报表和施工进度图等，并以数字化形式进行交付使用;如果碰撞检测过程没有通过则需要重新返回三维模型总装，而如果安全距离效验未通过，也同样需要返回三维模型总装，在系统修正和调节后再进行下一步的运行。

基于BIM技术完成三维协同设计后即可以进行变电站施工，施工方案的比对流程，如图5所示。

在施工单位拿到工程文件后，需要进行4D-BIM模型建立，然后根据方案进行数值模拟，分别模型不同的施工方案，包括方案一、方案二、方案三等等，每种方案下都有相应的参数比较，通过系列方案比较得出优选方案。优选出的方案将可以减少施工难点，最大程度的避免施工过程的不确定性，通过模型方案进行施工，更加快捷和安全;此外，BIM模型中对施工的各个环节都进行了细致划分，可以避免施工冲突和人力、物力浪费，效率会得到明显提升。

在持续时间较长且成本较高的运行和维护阶段，传统CAD技术和BIM技术在竣工图纸和竣工模型上又表现出明显不同的特点。传统CAD技术竣工图纸和BIM技术竣工模型的对比结果，如表2所示。

在目前变电站无人值守模型的普及下，变电站的竣工图纸和竣工模型对运行人员至关重要。表2的对比分析结果可知，CAD技术竣工图纸的信息表现形式多为点、线等二维平面展示，无法切换成空间模型，非专业人员理解起来较为困难，而BIM技术竣工模型可以同步实现二维和三维模型展示，专业性要求不高，较容易理解。因此，运行人员在采用BIM技术建模的变电站运行和维护中的培训会更加有效果，维护难度也会降低，同时也可以提升变电站的维护效率和降低运行成本。

利用 Bentley Substation 軟件对主变压器规模40 MVA、电压等级110 kV的变电站进行BIM建模。基于BIM技术的变电站整体模型，如图6所示。

可见，变电站整体模型中包含了各个不同的部位和设施，如进线间隔、桥联间隔和配电装置等，在后续工程施工和维护过程中都可以随时进行二维图纸和数据移交，同时也可以根据施工进度等完成施工模拟、模型改进和优化，并作为变电站施工管理的依据。

3 总结

基于BIM技术可以将变电站的二维设计转变为三维设计、将单纯几何表现转化为全信息模型集成、将单一设计交付转变为工程全生命周期交付以及实现各工种协同完成项目的效果等，这些相较于传统CAD技术的优势可以更加直观的获取变电站工程中各个环节的不同参数，并对不同设施进行管理和监控，并可以有效保障不同专业间的协同工作。

新型BIM技术在变电站工程中的应用相较于传统CAD技术具有较大的优越性。相较于传统CAD技术，BIM技术可以更加方便、快捷和准确，可以起到缩短工程和提升工作效率的目的。变电站变压器的三维模型将能够实现数字化移交，并保证最终的变压器模型细致、规范以及更加完整，实现了变电站建设的全生命周期覆盖。

CAD技术竣工图纸的信息表现形式多为点、线等二维平面展示，无法切换成空间模型，非专业人员理解起来较为困难，而BIM技术竣工模型可以同步实现二维和三维模型展示，专业性要求不高，较容易理解。

参考文献

[1] 靳书栋，王艳梅，屠庆波，等.基于BIM技术的变电站三维建模[J].中国电力企业管理，2016（10）：88-90.

[2] Kim M K， Wang Q， Li H. Non-contact sensing based geometric quality assessment of buildings and civil structures：A review[J]. Automation in Construction， 2019（100）：163-179.

[3] 袁建文，张永炘，黄伟文，等.变电站工程BIM建模技术研究[J].中国标准化，2017（18）：143-144.

[4] 肖建华，王天龙，陈龙.变电站带电水冲洗机器人的运动学建模与仿真分析[J].机械制造，2019，57（11）：29-34.

[5] Fembek K， Wurm M， Fickert L. Probleme und Gestaltung des elektrischen Schutzes bei der Anbindung von Windpark-Umspannwerken[J]. Elektrotechnik und Informationstechnik， 2004， 121（10）：351-358.

[6] 刘明忠，胡翔，姜振超，等.基于DDRTS的智能变电站全景实时仿真研究[J].自动化与仪器仪表，2019（10）：205-209.

[7] S Sandmann， S Divanbeigi， H Garbe. Reflexions eigenschaften von Windenergieanlagen im Funkfeld von Funknavigations- und Radarsystemen[J]. Advances in Radio Science， 2015（13）：9-18.

（收稿日期：2020.04.15）