基于BIM的装配式变电站数字化建设应用研究★

谭 波 赵 娜 张丹妮 李雪婷

(深圳新能电力开发设计院有限公司，广东 深圳 518052)

0 引言

变电站工程的全过程管理对施工进度和质量管理有直接影响。在建设管理过程中参与单位较多，易导致信息的零碎化，工程进度及质量控制的差异化。同时，在项目设计施工阶段信息交流不畅，致使信息无序流动，形成信息孤岛。因此传统的变电站施工方式已无法在工艺精进、工期控制、能耗环保等方面满足日益增长的变电站全生命周期工程管理的需求。

近年来，广大学者对BIM技术在施工进度管理的应用进行了研究，通过在工程管理中融入BIM技术的应用，可加快施工进度并对其进行可视化模拟，实现项目信息化管理[1-3]。变电站数字化建设管控系统可基于BIM模型对项目信息集成管理，为项目各参与方实时提供建筑全生命周期的信息，从而实现项目的协同管理，提高建设效率和质量[4-8]。

本文以110 kV龙华中心变电站为依托，将BIM技术应用于预制装配式数字化变电站的三维数字化设计、施工及全生命周期工程管理中，推广介绍数字化变电站建设管控平台的应用发展。

1 BIM技术在变电站数字化建造中的应用概述

数字化装配式变电站由智能模块化单元组成，基于信息化可自动进行信息采集及处理，同时可实现电网的自动化、智能化及协同性功能[9]。BIM模型是建筑数据信息的承载体，可实现项目全过程协调管理，同时基于其可视化、模拟性特点，可对建筑外观及项目运行情况进行展示，从而便于各参与方之间的沟通及对项目的了解，且可为项目各方的数据分析提供参考。

1.1 变电站数字化规划设计阶段

在规划设计阶段，基于BIM技术的特性可对项目进行三维展示、协调优化、仿真模拟等，从而更好的发现并解决问题，制定出最优方案。

1)现地状况建模与设计表达。

依据变电站建置基地现况、现有设施内特定区域的状况，及对现地条件的仿真，利用3D建置概念设计各方案的量体模型，以供投建方利用仿真模型进行方案比选。同时执行变电站土建及主体结构的概念设计，构建BIM模型提供相关系统的设计分析。

2)成本估算与设计审核。

由BIM模型输出变电站工程经费概算，提供成本信息给决策者以决定经费预算初步成本估算。利用BIM模型向利害关系人展示符合原规划要件的评估成果，包括可利用法规检核软件检查模型中的参数是否符合工程项目指定的法规，以达到减少错误、节省反复检核时间的目的。

3)设计表达。

执行变电站的细部设计，并使用信息化软件建置变电站的BIM模型，以提供相关系统的设计分析与满足空间上需求。依据细部设计整合后的BIM模型产出详细工项或材料数量制定发包预算，同时，在进入施工阶段前，建置可应用于变电站的现场施工查询的各专业设计图面。

4)整合协作。

基于BIM模型的虚空间中可视化的呈现，可通过进行变电站及周边环境在空间上的需求及系统的分析实现3D可视化分析仿真，同时也可实现项目成员之间的沟通协调、整合协作的效能。另外在可视化模拟的空间中，可预先利用检核软件进行冲突检测，以减少变更设计的产生。

1.2 变电站数字化施工装配阶段

在施工阶段，BIM技术可对项目结构、效果、节能、造价、进度、可行性等进行分析，并结合其他的信息化技术对施工现场实时追踪，实现项目的精确管理[10]。

1)施工系统设计。

以包括变电站施工现况在内的BIM模型为主要载体，优化临时设施的布置和材料进场的布局，选择最优的施工方案。应用信息化设计的软件工具，对复杂的变电站整体进行细节设计分析，实现施工阶段的系统性。

2)数字化组建。

承载项目信息的BIM模型与自动化机械制造技术结合应用，即首先通过BIM模型选取需进一步加工构件，而后通过自动化建造技术制造产出，可有效完成数字化组建作业。

3)协同施工作业。

以变电站工程的BIM模型为基础，应用软件检测项目冲突部位，并对检测出的冲突问题进行协调优化。通过增加时间维度，实现4D模型协同应用于规划施工阶段的各分段工项，优化进场施作的先后顺序作业。

1.3 变电站数字化运营维护阶段

BIM模型集成了工程建设全过程信息，使施工阶段与运维阶段信息无缝衔接，项目人员能快速获取建筑设施、设备的信息，为日常的运营维护提供参考，从而实现运维阶段的系统性及精细化管理。

1)数据分析与资料整合。

变电站的运营中不断积累的大量数据是日后运营管理的基础资料[11]，包含变电站主体和其中MEP元组件相关信息的BIM模型随着实体空间的动态情况而不断地更新和改进，储存更多变电站运行的关联信息。同时，BIM技术有资料分类整合、过程细化分析、信息交互共享的优点，能够为运营过程的决策提供依据。

2)设备运行及管控。

运营技术与BIM技术的结合，能有效提高对运营环境的监测维护和控制的效率，且可赋予设备感知功能，当设备内指标超过相应标准便会及时报警反馈。同时，集成BIM模型和记录模型中的设施设备履历信息，能精准拟订高质量与降低维护成本的计划，因此BIM技术下的运营管理使设备更智能化，能大幅的降低由于设备信息的采集而产生的成本。

3)能耗监控与安全。

基于涵盖变电站耗能数据的BIM模型，对项目进行节能分析，优化运行过程，减少运营过程的能源消耗。BIM技术与其他信息化技术结合应用，连接了传感器和控制器，使工程在能耗分析后能自动管控用电系统。

2 实例工程中的数字化模型构建

2.1 实例项目基本信息

110 kV龙华中心变电站位于深圳市龙华新区，西侧为东环二路，北侧为梅龙大道，出入口分别设在北侧的梅龙大道辅道和西侧的东环二路，站址东南侧为龙华河，见图1。

110 kV龙华中心变电站作为华南地区预制装配率最高的项目，采用装配整体式框架结构，地面以下采用现浇方式，地面以上框架柱，楼层梁，楼板，外墙分别采用预制柱、预制叠合梁、预制叠合板及预制混凝土外墙板，1号、3号楼梯为预制装配式楼梯，2号楼梯为现浇混凝土楼梯，见图2。

2.2 项目BIM应用要求及意义

2.2.1项目BIM要求

110 kV龙华中心变电站BIM技术在预制装配设计，设备管线布置、施工模拟、工程管理等方面的应用，包括：

1)BIM技术在机电深化、工业化设计领域的探索，只要通过BIM技术论证预制化构件的虚拟拼装问题，并在机电三维仿真、管线深化、BIM三维出图领域具体指导现场施工。

2)通过BIM模型与施工进度的关联，论证BIM模型与施工进度模拟软件的数据关联的可靠性，建立数据传输标准，模拟现场的施工安装过程，形象的展示现场进度，论证施工安防的可实施性，为各项目管理方提供决策的参考。

3)建立含设备性能参数指标的设备品牌族库，为后续的物业管理平台提供技术支持。

4)对项目管理方进行BIM技术理念的培训与普及，使其探索新的项目管理模式。

2.2.2项目BIM应用意义

BIM技术可应用于建筑全生命周期，其中在110 kV龙华中心变电站项目设计、施工阶段的应用，涉及到预制化构件的BIM模型搭建及拆分、构件预拼装钢筋打架检测、预制构件工程量及预制率统计、预制化构件施工模拟、机电族库定制、各方的BIM协同平台搭建等。通过BIM技术的协同性及模拟性，不仅提高了电网类项目工业化设计的精度，而且更好的优化了构件吊装模拟的施工方案，并为今后类似的电网工业化设计及施工提供了参考。

2.3 项目数字化模型构建

1)主体BIM模型。模型分为整体及细部BIM模型，见图3，包含建筑结构主体信息，如几何信息、物理信息及规则信息，并能提前对设计过程中的问题进行协调。

2)预制构件的参数化BIM模型。模型包含构件各指标参数，同时可以通过参数进行驱动，其中预制构件——柱、梁、板的BIM模型及实景图见图4。

3)机电模型。可创建的模型有机电整体和设备等的BIM模型，见图5。模型包含管线与机电设备，通过建立项目设备族库，为后续的机电安装、净高控制及管理平台等提供有效的数据支持。

3 基于BIM的变电站数字化建造应用概况

3.1 BIM技术在数字化设计阶段的应用

3.1.1预制构件的BIM模型搭建及拆分

BIM模型标准体系除了能让各参与方更好地读取、使用模型外，更重要的是可作为BIM模型在各阶段流转的依据。龙华中心变电站项目除了定制了自身项目的机电、土建BIM模板体系外，在模型搭建的过程中，还着重考虑预制构件的拆分原则，见图6。结合预制构件的拼装顺序和施工模拟过程，可更有效的发挥指导现场施工、深化图纸的作用。

3.1.2冲突检查及优化

利用BIM三维可视化模型进行预制构件之间的碰撞检查，以表格的形式记录问题类型、次数、位置。

1)单个预制构件内部碰撞检查：主要检查单个预制构件内部的钢筋、预埋件、留洞等的尺寸、位置等信息是否准确并提出优化建议。

2)构件与构件之间的碰撞检查：主要检查构件与构件之间，如柱与梁、梁与板、板与墙等节点位置的钢筋、预埋件等构件之间的尺寸位置关系是否发生冲突，各个构件拼接时是否发生碰撞与不协调的问题。

3)管线碰撞检查及综合排布：主要分为单个专业、各个专业之间、机电管线设备与建筑结构之间三方面的管线碰撞检查及净高分析，见图7。对工程进行深化设计，模拟风管、水管及桥架等定位安装，在建模过程中找到最优化的管线布置方案，使管线在符合安装规范的前提下更加合理美观，最后提交BIM机电管线深化图纸。

3.1.3构件预拼装钢筋碰撞检测

龙华中心变电站项目基于BIM技术手段，针对现场叠合楼板、预制梁、预制柱之间的拼接过程，提前通过BIM三维仿真技术进行虚拟拼装检查，实现预制构件的“虚拟预装配”。本项目对预制构件两端裸露的钢筋进行碰撞检查控制的精度是4 mm，直观有效的把施工图中可能出现的各专业之间的冲突暴露出来，当然这也是基于真实准确的BIM模型与预制构件的施工工艺结合才能发挥指导现场施工的作用，通过BIM预拼装技术能及时发现并调整优化BIM模型，修正预制构件图纸，提高图纸质量，节约成本、缩短工期。

3.1.4预制构件工程量及预制率统计

传统的工程量统计往往是基于传统的CAD图纸，需要人工不断的复核，或者通过二次算量软件实现，但BIM的应用使工程量与模型实时关联，根据项目情况在模型中设置参数进行构件拆分，同时利用项目BIM标准体系中对预制构件的编码，可快速统计出相应的预制构件及预制率，见表1。

表1 110 kV龙华中心变电站预制构件汇总表

3.1.5机电设备族库定制

在BIM模型中，基础族库对机电族库没有提供足够支撑，需自行创建符合项目需求的特定机电设备族库。机电设备族库的定制，有利于后期对机电设备的信息和安装管理，提高工作效率，改善传统粗放式管理模式。

3.1.6BIM出图

经过各类碰撞检查和优化调整后，可以直接从BIM模型中导出预制构件生产图和机电安装图，为施工安装、工程预算、设备及构件的安放、制作等提供完整的模型和图纸依据。主要工作内容包括：根据已批准的设计方案编制可供施工和安装的设计文件，解决施工中的技术设施、工艺做法、用料等问题。

3.2 BIM技术在数字化施工阶段的应用

3.2.1施工BIM模型的创建

在设计BIM模型的基础上，根据现场情况及总平面布置添加树木、围挡、吊车等施工用具模型深化完善施工总平面布置BIM模型。根据施工工艺和工序添加模板、脚手架、斜撑等施工用具模型深化完善施工BIM模型，见图8。施工BIM模型是施工阶段BIM应用的基础。

3.2.2施工方案模拟及优化

利用BIM模型对施工方案的模拟进行施工方案的优劣对比，并与施工方协调调整，确定最优方案，以优化施工工期及质量，实现施工质量精细化。

3.2.3施工进度模拟及优化

在模拟施工方面，由三维建筑信息模型加上时间维度形成四维模拟建造的直观演示，为准确的施工安装提供指导，达到缩短工期，降低成本的目的。利用BIM模型进行施工模拟，能够反映真实的施工时间节点、施工顺序及施工工艺，从而将BIM模型与施工方案及时间计划匹配起来。在模拟过程中，发现施工方案中有不合理的地方，可与施工方协调沟通及时优化调整，如构件的吊装时间及吊装顺序(如预制楼梯)的优化调整等，并为各专业施工人员在现场指导施工提供了有效的支持，实现施工管理前置化。

3.2.4预制构件拼装施工模拟

施工是一个动态且历时长的过程，建筑规模越大越复杂，工程越难以管理[12]。横道图可用于进度计划管理，但由于其可视化程度低，从而难以明确表达出项目各个活动之间的复杂关系，对施工动态过程展示有局限。

龙华中心变电站项目利用BIM技术整合时间和空间信息建立4D模型，对建筑建设过程进行直观展示。对施工过程重难点部分如预制构件的拼装顺序、预制构件节点安装等进行模拟分析，优化调整，及时探讨出合适的方案，从而实现工程系统化管控，见图9。

4 总结与展望

基于BIM技术的应用，可实现装配式变电站设计、生产、施工、运营全过程的管理。同时BIM平台可进行进度对比，控制施工周期，同时对每个阶段的造价，可根据模型及时统计。BIM数据库可在快速的获取信息后及时反馈反映，在发现风险时第一时间采取应对措施。装配式变电站的数字化建造过程中，通过对物联网技术的应用能自动收集工程中人、材、机等方面的信息，并反馈至系统，再由系统对项目进行任务布置，消除以往人为因素导致的错误。

110 kV龙华中心变电站项目在预制构件设计、施工阶段，通过BIM模型进行协同设计，协调优化项目冲突部分，提高了设计的质量和效率；在施工阶段将BIM技术与施工组织有效的关联，模拟现场施工的现状，优化施工组织编排，并通过BIM协同平台实现了设计、施工、业主之间的有效协作。

BIM技术实现了二维到三维的改革，对建筑过程的实施管理有重大影响，推动了建筑业的信息化发展，相信BIM技术将会逐步推广，实现全国范围的应用，同时转变建筑企业的发展方式。