3D打印BIM模型在变电站三维可视化设计中的应用

初建祥，张彦彪，罗金龙，杨 震，郝小东，郭 帅，倪思远

(1.内蒙古润蒙能源有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020；

2.内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

传统变电站施工图设计的成品大都是二维图纸和文件，设计成品完成后交付给建设单位，由建设单位交付给施工单位、监理单位等相关参建单位作为工程施工和安装的依据。三维设计出现并逐渐深入应用，为实现电网工程设计的数字化、精细化和直观可视化提供了更好的手段和表达方式[1]。设计产品的交付形式也更加多样化，由以往的图纸交付转化为三维图形和数据一体交付[2]，更有利于提高建设效率和质量。本文主要介绍一种新的三维可视化设计产品交付形式。

1 二维总平面布置图及电脑查看三维模型在工程表达方面的不足

变电站设计总布置图包括总交专业的总平面布置图以及电气总平面布置图、配电装置平断面图、设备安装图等其他相关专业各自的布置图。根据变电工程施工图设计内容深度规定的要求，变电站站区总平面布置图应标明站内各建(构)筑物、配电装置构架、主变场地、围墙道路等的定位坐标；综合布置站内主干道、次干道及检修道路等，综合布置站内各种主要管沟。变电站二维图纸样式如图1、图2所示。

图1 变电站电气总平面布置图

图2 变电站电气断面图

传统的二维图纸按照设计深度的要求完成完全可以用于指导施工，但也存在一定的不足。由于二维表达可读性略差，难以表达复杂的空间形态：一是平断面图必须结合起来看图才能形成立体概念，二是存在空间布置复杂的工程和一些形状复杂的设备，很难用几张平断面图表达清楚。对于建设单位、施工单位、监理单位工程技术人员难以形成整体的空间概念，全凭个人技术经验在头脑中建立空间形体。

虽然三维设计软件也具有查看数字三维模型和漫游功能，但使用三维设计软件查看也存在一些困难：

1)三维软件使用复杂，一般人员未经培训很难熟练应用；

2)受漫游视角所限，缩小模型查看整体就不能同时看到细部，反之放大模型查看细部就不能同时看到整体，整体和局部视角不可兼得；

3)电脑上的三维查看相当于所视范围内的模型投影到一个平面画面里的叠加状态，并没有实现真正的空间感，比如在一帧静止画面很难分清两个物体的前后、远近，只有变换多个投影视角才能弄清物体真实的外形和位置 关系。

二维图纸和电脑三维数字模型虽各有自身优势，但在直观可视化表达上还有欠缺，所以理想的表达方式是在二者的基础上辅以物理模型的表达，实现人眼目视的真实场景效果，能从各视角自由地观看。

传统工艺制作的项目沙盘就是一种物理模型，应用也比较广泛，主要用于房地产业进行楼盘的模型和小区规划的展示，用到的材料包括石膏、木材、玻璃、塑料等，通过人工切割、定型组装形成沙盘模型，成品的质量主要依赖于手工制作工艺的水平。房屋建筑类多为盒状外形，墙体可采用板材组装，尺寸略有偏差也不会影响效果。而变电站的电气设备众多，空间形状复杂，手工制作很难精确完成。目前变电站三维设计已是工程建设的基本要求，把已完成建模的变电站BIM模型延伸应用，采用3D打印技术打印出来，成为转化成物理模型的捷径。

2 3D打印技术简介

3D打印是一种快速成型的技术，它以数字模型为基础，把液体或粉末状可粘合材料通过逐层打印的方式来构造物体。打印机内装有打印材料，通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来，最终把电脑里的数字模型变成物理模型。3D打印常在模具制造、工业设计等领域被应用，后逐渐用于一些产品的直接制造。3D打印技术生产出来的产品还无法进行大量生产，更适合一些小规模制造，尤其是个性化定制的产品[3]。

目前采用3D打印技术打印变电站整体布置还缺乏先例和相关的经验，为了实现该技术的应用，设计人员从2019年开始开展了研究，选定了某220kV变电站进行试点应用。

3 变电站工程概况

某220 kV变电站本期工程建设4台240 MVA主变压器。220 kV配电装置本期出线6回，采用双母线单分段接线；110 kV配电装置本期出线14回，采用两个独立的双母线接线；35 kV本期每两台主变采用单母线分段接线，建设4套12 Mvar无功补偿装置。变电站整体布置清晰紧凑、层次分明。进站道路自东侧接入，站区大门向东，220 kV、110 kV屋外配电装置均采用户外GIS成套装置，4台主变户外布置在站区中部。220 kV配电装置布置在站区北侧，架空向北出线；110 kV配电装置布置在站区南侧，架空向南出线。

主要建筑物尺寸(长×宽×高)：

1)主控通信楼 31.2 m×22.3 m×4.1 m

2) 1#35 kV配电室 32.3 m×12.9 m×6.3 m

3) 2#35 kV配电室 21.8 m×12.9 m×6.3 m

全站主要技术经济指标：

1)围墙内占地面积 1.339 hm2

2)站内道路面积 1600 m2

3)站区总建筑面积 1489.41 m2

4)站区主电缆沟长度 338 m

5)站区围墙长度 476.8 m

6)主变运输路路宽4.5 m，消防环路路宽4.0 m

220 kV、110 kV屋外配电装置场地采用方砖及植草砖硬化方式进行处理。在各类断路器、隔离开关等有操作机构箱的设备基础四周铺设绝缘地坪。

4 3D打印变电站应用技术路线

4.1 建立BIM三维数字模型

设计各专业利用博超三维设计软件进行本专业的模型建立工作，再通过协同平台实现全站模型的总装。各专业模型符合国家电网公司《输变电工程三维设计建模规范 第1部分：变电站(换流站)》要求的施工图深度要求。变电站BIM模型如图3所示。

图3 变电站BIM模型

电气一次专业建模内容：变压器、电容器、组合电器HGIS设备、避雷器、导线及设备连线等内容。

电气二次专业内容：屏柜及安防系统模型。

土建专业建模内容：架构及设备支架，各建(构)筑物、喷淋管道、围墙、道路、电缆沟及硬化模型。

为了保证模型的准确性，在完成模型总装后需对三维模型进行碰撞校验，对于发生碰撞的模型要重新调整方案，直至消除所有碰撞，得到最合理的布置方案。

4.2 对BIM三维数字模型的处理

考虑到3D打印成本和成品展示尺寸的要求，最终确定的打印比例为1∶100，预估成品平面尺寸为1.7 m×1.4 m。设计人员建立的BIM模型还不能直接用于3D打印，必须经过一定的处理方可使用，主要的模型处理包括以下内容(设计人员通过三维设计软件实现)：

1)对BIM模型消模处理(去除不必要的部分)。本次展示的是变电站的总体布置，即变电站建成后地上可见部分，对于隐蔽工程不需要打印出来，所以进行消模处理，如建(构)筑物基础、电缆沟地下部分和其他地下设施的模型予以消除。消除的过程需要细致操作逐一处理，既要保留外露部分，还要保证方便打印 输出。

2)对BIM模型镂空处理。3D打印费用一般按材料用量收费，为了降低成本，对于一些大体积的实体模型没必要全部输出打印，比如建筑物等进行镂空处理，在保证成品模型的强度、稳定性的前提下，使模型内部空心化，减少打印材料用量。

3)对BIM模型修模(改变比例尺寸)。小型构件按比例缩小后，尺寸微小， 3D打印受材料性能的限制，细长的形体比如直径小于1～2 mm的构件难于打印成型，或理论上虽能打印成型，却在强度、稳定性上难以保持外观形态。这也是3D打印变电站最大的难点之一。例如变电架构梁柱结构中含有φ133 mm×8 mm的钢管，对于这些构件为了保证打印后模型的稳固只能进行修模处理，主要是不改变长度尺寸及端部定位的前提下加粗模型的直径，一般要达到2 mm以上。

4.3 打印机及打印材料的选择

打印机应采用工业级3D打印机才能保证打印的效果及精度。打印机选用lite600hd (SLA)光固化打印机，激光器采用固态三倍频率 Nd:YVO4，打印机精度为±0.1 mm(构件边 长L≤100 mm)或±0.1% ×L(构 件 边 长L＞100 mm)，打印机的成型范围为600 mm ×600 mm ×400 mm。设计人员所提供的BIM三维数字模型格式需转换为3D打印机可读取的格式。

3D打印材料选用光敏树脂，该材料俗称紫外线固化无影胶，能在满足一定波长要求的紫外线的“点击”照射下实现聚合反应，从而使聚合物由树脂形态转变成坚硬物质形态，最终实现3D打印模型的立体呈现。

4.4 生成物理模型

1)打印白模。通过计算机将三维模型分区形成切片，指导打印机逐层打印。打印机通过读取文件中的横截面信息，用树脂材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面粘合起来形成物理模型的白模。

2)底板制作。按产品尺寸要求，制作木制结构底座，并在底座布置底板，底板上进行的围墙、道路、硬化的轮廓线雕刻，从而实现全站各部分区域的定位及分区制作。

3)模型上色。设计人员按照国网公司建模规范中的颜色要求确定工程中设备、构件的颜色，并提供文本资料。制作人员按照资料要求，先进行颜色配比，使颜色接近真实，并且先进行一次试验上色，待颜色确认无误后再进行所有模型的手工上色工作。

4)模型拼装。所有模型上色完成后，按照底板之前确定的位置，将3D打印模型就位固定，实现3D模型的总装。

5)导线连接。导线按照不同长度及不同弧垂分别打印，在各个设备固定牢固后，按照先低后高，先短后长的顺序挂接导线。

4.5 成品交付

上述所有步骤完成后，将成品模型及底座装车运至现场。考虑现场为施工工地污染严重，所以采用玻璃将顶面盖住，最后用于各参建单位指导施工使用。

5 3D打印变电站的优势

3D打印变电站BIM模型成果交付施工现场后，实现了成功应用，业主单位和各参建单位反响良好。3D打印变电站成果如图4、图5、图6所示。

图4 变电站3D打印成果(主变区域)

图5 变电站3D打印成果(主控通信楼区域)

图6 变电站3D打印成果(电气接线及空间交跨)

其主要优势如下：

1) 3D打印保证了物理模型的精准。变电站建(构)筑物、电气设备、其他设施均为BIM软件建立的模型打印而来，保证了实体模型的准确，复杂的曲面、形体、空间位置、细部构造均实现了精细化的展现。

2)变电站色彩和材质真实呈现，形成了三维工程效果图。通过色彩处理，建筑物外立面、混凝土电缆沟、钢材、电气设备、地面、大门标识墙、消防管道等均按照设计颜色上色，保证了与工程竣工后的实体色彩一致性。

3)物理模型展示全面细致。地面硬化、道路、井盖、电缆沟、站区围墙及大门、绝缘地坪及检修小道、电气设备、变压器油坑、建筑物雨篷、台阶、散水、勒脚等等一应俱全，基本上所视范围施工图深度的模型都得到了还原。

4)物理模型真实展现了变电站复杂的空间形态。变电站模型直观表达了各建(构)筑物设备设施的空间相对关系，直观表达了各电气设备外形，直观表达了电气接线形式、电气平断面、复杂的空间交跨。

5)工程施工现场应用效果良好。施工单位技术人员一般对BIM软件还不能熟练运用，通过三维总图可熟知变电站整体空间布局。物理模型与二维施工图图纸结合提高了图纸的可读性和对设计方案理解的准确性，节省了技术人员读图工日，方便审图、技术交流讨论，显著提高了沟通效率，并可直观指导施工。工程现场应用见图7。

图7 变电站3D打印成果现场应用

6 存在的问题及后期展望

目前受技术条件所限，3D打印变电站全站物理模型还存在以下问题：

1)受3D打印机可打印尺寸的影响，目前还不能实现变电站整站一次性打印，只能分区域、分设备、分建(构)筑物分别打印，然后组装成全站模型。

2)三维模型需要设计人员对细小构件逐一调整BIM三维数字模型，使之在打印后能保证强度和刚度，保持稳定的外观形态。所以BIM模型后期处理的工作量较大，需考虑一定的设计成本。

后期为了让3D打印物理模型发挥更大的实用价值，可以延伸应用打印更多不同种类的模型以满足其他特性的应用需求。

1)可通过三维设计打印变电站全站的开挖图，注明基坑的标高，表明各基坑的深度关系和影响范围，可以直观指导施工开挖和回填的顺序，优化施工工序，减少重复开挖和回填的工作量。

2)地下工程是施工的重点难点，包括各建(构)筑物基础、地下设施沟道、管道，特点是隐蔽施工后不可见，标高有深有浅，经常有交叉、碰撞、躲避，空间关系复杂，二维图纸很难表达清晰。无论设计人员还是施工人员很难通过各专业单体的图纸建立起整体的地下空间概念，如能通过3D打印把变电站全站的地下工程建立起实物模型，则可在施工前即能让相关人员直观地了解地下工程的全貌，非常有利于相关单位技术沟通、及时发现问题并进行处理，也可以指导施工人员优化施工工序。

3)本次未对建筑物内部结构和设备布置进行打印，后期可进一步细化，把建筑物(主控楼、配电室)内部布置也可打印出来。把建筑物屋面和侧墙模型做成可拆卸式，这样既可看到建筑物外观，也可揭开看到建筑物内部构造。

4)后期还可在3D打印的成品中加入一些标注，比如平面尺寸、标高、名称标注等等，使3D打印模型具有更强的可读性，更像一个三维的设计总布置图。

5)受3D打印成本和成品展示尺寸的限制，一般打印比例不宜大于1∶100。但1∶100的比例对于特别复杂的设备或空间构造还是难以实现精细化表达，如有需要只能辅助以局部的大比例打印。可专门把变电站的设备或工程局部单体放大打印出来，配合详细的施工图，体现精细化的设计。

7 结语

综上所述，通过3D打印变电站全站物理模型是三维数字化BIM设计的延伸应用，可以把二维施工图纸和三维BIM数字模型有效结合起来，可真正实现变电站三维可视化设计的目标，具有较高的实用价值。随着三维技术的发展和深入应用，变电站设计越来越体现工程建设全生命周期理念。后期3D打印变电站可作为一种新的三维可视化设计产品交付形式，对业主移交，在工程竣工投产后，模型还可在运行阶段(比如仿真培训教学等方面)进一步发挥作用。