基于GIM模块化变电站电缆管道敷设路径优化

俞辰颖，方瑜，蔡勇

摘 要：针对传统二维设计存在电缆敷设交叉与线路布控不够清晰，电缆管道敷设施工及后期运维工作难度较大的问题，本文提出一种基于GIM模块化变电站电缆管道敷设路径优化设计思路，在分析GIM关键技术基础上，建立GIM三维协同设计电缆模型，并在研究中以110 kV输变电工程设计为例，提出电缆管道敷设施工反馈，对比传统设计，分析出GIM三维设计的技术优势，得出基于GIM模块化变电站电缆管道敷设路径能够实现直观可视化，缩减电缆施工工期，提高经济效益，降低工程造价17.5%。

关键词：GIM;电缆管道;敷设路径

中图分类号：TM63 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）11-0106-04

Optimization of Cable Duct Laying Path in Modular Substation Based on GIM

Yu Chenying1， Fang Yu1， Cai Yong2

（1.Zhejiang huayun electric power engineering design consulting Co.， Ltd.， Hangzhou 310014， China;2.Construction Department of Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.， Hangzhou 310007，China）

Abstract：In view of the traditional two-dimensional design， cable laying crossover and line control are not clear enough， which is difficult for cable pipeline laying construction and later operation and maintenance work， this paper proposes a design idea of GIM modular substation. On the basis of analyzing the key technologies of GIM， the GIM 3D collaborative design cable model was established， and in the study， taking the 110 kV power transmission and transformation engineering design as an example， we put forward the construction feedback of cable pipeline laying. Compared with the traditional design， the technical advantages of GIM 3D design are analyzed. It is concluded that the cable pipeline laying path based on GIM modular substation can realize the intuitive visualization， reduce the cable construction period， improve the economic efficiency， and reduce the project cost by 17.5%.

Key words：GIM; cable pipeline; laying path

0 引言

建筑信息模型（ Building Information Model，BIM）理論提出后便在国内外建筑行业领域中广泛应用，2019年我国就已经全面进入三维变电站设计阶段。在电网信息模型（GIM）技术推动作用下，达到建筑全生命周期推行工程项目管理满足数据共享。同步进展的还有我国的变电站设计，如今已经达到模块化建设中，模块化设计可以对占地面积有效缩减，极大程度提升了施工便利性。通过大规模建设模块化变电站工程，不仅能够减少施工占地面积，缩减工程周期提升工程工作效率与便捷性等优点，还可以减少施工现场的湿作业量，多数都取消了电缆层，极大程度减少了电气设计工作人员的工作量[1-2]。电缆敷设通常运用二维设计，由于庞大的电缆数量，经手动排查易产生错误，人为增加工作量，还影响了工期;还要统计竖井、用电设备、电缆桥架、电气盘柜、材料等[3]。在有限的施工图纸空间，无法精准定位设备所在位置，理论上虽然可以完成电缆分层敷设设计，但是对于电缆与埋管长度计算上存在误差，无法实现电缆在通道中的单层敷设。本文提出了运用GIM技术在模块化变电站电缆管道敷设路径优化设计思路，结合实例对比分析传统设计方式，得出GIM三维设计技术的特点，以供变电站设计中电缆敷设提供参考。

1 关键技术概述

想要建立城市空间规划支持系统，并将GIM/RS技术引入其中，就需要认识到设计本系统所需的关键技术。

1.1 GIM技术

通过在本研究中将GIM技术和虚拟现实技术（VR）相结合，参照《关于印发推进智能变电站模块化建设工作要点的通知》相关规定[4]，建设包含5大功能块的新型变电站建设模式，形成缩减工程周期，降低工程造价，减少不必要的土地工程用量等，作为未来模块化变电站的发展所趋。运用GIM技术三维建模较传统工程三维设计，可以降低建筑物的工程模型难度，可以更直观、清晰的体验工程项目模型[5]。可以实现参数化设计完成自动更新，经模型自动化生成设备明细表以及有关图纸资料，极大推进了数字化设计技术广泛运用，更优化了工程设计成果，由传统二维设计过渡至三维设计，图纸设计过渡至数字化设计。运用GIM技术拥有协同设计、直观以及信息共享多种技术特点等，经多人、多专业同时设计一个GIM模型，确保了最终电缆管道敷设路径设计的安全性和合理性。

1.2 RS技术

RS遥感技术（Remote Sensing，RS）作为基于航空摄影技术基础之上，历经社会发展技术创新，所逐渐广泛应用于水文、资源、环境、地质、气象多领域的新型技术。具有通过非接触式运用传感器、物体电磁波各类具备的辐射、反射特点。遥感指的是遥感类电磁波敏感仪器，其能够在与目标非接触基础条件下，对目标进行遥感探测。

综上，本文设计应用的关键技术，运用了可以支持GIM标准软件的STDR软件平台、Bentley软件以及金曲软件平台，完成本次电缆管道敷设设计[6]。Revit系列软件的学习过程比较简单，拥有强大数据库，可以在统一数据库内建立所有二维、三维视图，并且融合所有数据达到较高的参数程度，满足电气设计的专业特点。

2 线路规划空间建模

2.1 模块化划分线路空间

由于输电线路中拥有多种构件，其形状大小也不同，导致空间布线不够规范，所以应当完成布线空间的三维路线规划建模。通过对线路规划空间进行网格化处理，抽象理解三维空间作为涵盖几何模型空间位置信息的关键节点，这样即可描述线路规划路径的可能途径空间节点。为了对能提出该算法的应用计算效率有效提升，需要首先模块化划分布线空间，栅格化划分特定空间区域，而非格栅划分整个空间。

通过划分路线规划空间的若干子空间并集，用表示，路线规划的全部空间用A表示，划分为以下子空间，如图1所示。在Ai作为线路规划中的固定布线路径，这时的输电线路经该区域即会形成直接连通性，可以在搜索规划路径中自动化成功跳过这一区域。如图1所示的A2作为连接组件，在输电线路经该结构组件过程中，可以视该路径为T1、T2两端的直接相连，那么对于S1、S2路线规划进行求解过程中，就不需要计算该段的时间，这样就可以有效提高整个路径规划效率，简化规划过程并栅格化求解空间，有效解决整个算法空间[7]。

2.2 路径规划空间建模

通过应用以往文献研究成果中的分网格法，运用于本次路径规划空间的模块化划分中。首先抽象获得产品结构中的三维空间模型，在左顶点即三维空间A点原坐标点，建立A的三维坐标系公式：A-xyz。该坐标系内形成顶点为A，x轴方向取三维模型的AB最大长度，y轴方向取三维模型AD的最大长度，这样也就形成了ABCD —ABCD这样的含有三维路径规划结构模型的立方区域（如图2所示）。为了获取抽象化的输电线路路径规划环境模型，需要等分操作该立方空间区域，根据AB边划分为n等份，可以获得平面共计n+1个，表示为，之后划分这共计n+1个的平面获得m等份，根据AA边划分为1等份，获得如图3所示的路径规划平面图。

根据以往工程设计经验，设计本次GIM模块电缆管道敷设三维模型流程如图4所示。

（1）在构建模型中，电缆建模应当以电压、截面电缆相关参数为依据，构建电缆模型数据库，方便在敷设电缆工程中可以随时选取。在建构含有电缆支架的电缆沟模型中，建设电缆沟模型作为重难点，应当根据相关参数设计电缆沟通道，包括三通、四通、拐角等各模型节点。之后扩充全部电缆支架至数据库内，经设计层架敷设电缆类别，根据敷设电缆的具体规则确保可以符合有关规定标准，确保敷设路径设计与实际效果相符。对于埋管模型建构过程中，可以经软件成功识别排管路径，后依照排管内部所敷设的电缆管道，根据不同的外径、电压、容积率自动敷设管道，也可以根据具体细节手动调整管道布控结果[8]。

（2）对电缆管道布设过程中，可以根据管道布设的有关电缆模型信息，自动查找平面图内部的电缆敷设路径，根据原本的敷设电缆规定原则优化设计，在断网后对是否存在电缆设备的接线实物情况进行检查，这样能够通过GIM建模有效提高电缆布设工作效率。同时也能够对于实际敷设电缆后，经有关层次、桥架与节点，根据不同的地區情况手动调整特殊的电缆敷设方式与路径。

（3）三维碰撞检查与二维电缆设计不同，目的就是能够有效避免电缆管道敷设后期是否会发生交叉碰撞、碰撞桥架建筑物等问题，从而保证能够顺利完成电缆施工。这样还能够运用GIM三维建模检查电缆布设内容，包括埋管、桥架和建筑梁板柱是否存在碰撞问题。

（4）在完成上述模型构建步骤流程后，统计相关材料包括三维设计电缆长度、施工裕量、桥架的长度以及保护管长度、桥架接头与立柱等。与传统的统计表格有不同，其能够依照实际的工作需求完成电缆表定制，呈现直观的图纸方式，为材料采购与施工提供极大便利。

（5）如图5所示的GIM三维模型成果，它能够应用于对比所生成效果图的方案预览，也能够直接作用于三维图像、视频浏览制作，最终生成电缆自动敷设沟/桥剖面设计图。

3 工程实例

3.1 工程简介

在110 kV模块化变电站管道敷设路径优化设计中运用GIM技术，均为半户布设在室外布置主变压器，其余电气设备均在室内布置。其中在配电装置楼内布设10 kV配电装置室、10 kV电容器室、110 kV GIS室以及二次设备室，运用了电缆沟敷设110 kV GIS电缆进出。因为该方案设计将电缆层取消，所以电缆出线走廊仍然运用传统二维设计，能够发现该电缆的出线比较密集，紧张的廊道给工程设计施工人员带来极大挑战。

3.2 应用软件

本次设计选用Revit三维软件，完成输变电工程电缆敷设三维模型设计，自两年前开工，一年前投产后电缆敷设设备进场，整个工期共16 d。在运用GIM三维建模设计后，不改变电缆敷设前提下缩减整个施工工期为5 d。

3.3 应用特点

根据本次通过GIM三维模型模块化设计变电站电缆管道敷设的设计工程实例，在工程设计以及施工反馈中，具有以下3个特点：

（1）本次工程设计运用GIM三维建模直观可视化，在传统二维设计中往往需要借助三维视图、剖面图等抽象理解电缆的实际布设等;三维设计能够准确迅速的建立三维模型，对各电力设备之间的空间位置关系形成更直观的理解，可以有效解决传统二维设计中设计主体存在的平面设计思维盲区，以便更加及时直观的对各设备碰撞问题及时发现。并且在整个GIM三维模型设计过程中，可以为施工者、工程业主以及后期施工维护人员提供更加直观的布设方案，缩减工程施工周期，方便满足业主的工程修改需求，也有助于后期运维。

（2）依照该工程有关设计人员的反馈工作，通过运用三维软件在完成数据库模块化设计中，能够让整体设计更加方便快捷。尤其在布设一次性设备时只要对模型作出修改，就可以将电缆管道敷设平面图重新生成，运用GIM三维建模可以达到较快的出图时间，减小后期敷设修改工作量，根据工程反馈达到设计时间缩减1人/d，较以往工程实践缩减工期33.3%，提高了整个工程的效率。

（3）本次工程的道路敷设路径优化设计中，由于电缆敷设需要考虑复杂材料，较大设备尺寸与前期施工影响因素，所以二维设计往往无法实现布设走向精准，为了避免后期工程变更还提前在设计阶段增加材料，导致增加了不必要的工程造价。本次工程设计采用GIM三维设计，可以降低17.2%工程造价。

4 结语

本研究提出基于GIM三维建模的模块化变电站电缆管道敷设路径优化思路，结合工程实例在提前对GIM技术三维建模流程分析前提下，发现对比传统设计分析GIM三维设计的技术特点，得出了基于GIM模块化变电站电缆管道敷设路径能够实现直观可视化，缩减电缆施工工期，提高经济效益，降低工程造价17.5%。

参考文献

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