面向电力工程全过程设计的BIM建模技术研究

刘 睿 陈凯凯

(华北电力大学，北京 102206)

0 引言

BIM技术是一种持续改进建筑计划、设计、建造、运营和维护过程的技术，它使用标准化的机器可读的信息模型为每个建筑部件及设备建模，该模型包含独立创建和收集的能够在建筑的全生命周期使用的建筑部件及设备信息[1]。

BIM技术在民用建筑中的应用日渐成熟，而在电力等基础设施行业中发展较慢。其原因可归结为:一者电力等基础设施行业体量大，专业分工多，新技术应用难度大；再者电力等基础设施行业大多属于政府投资项目，其运用新技术的动力不足。

电力工程BIM设计技术是借助三维设计和数字化设计技术，以三维设计模型为主要成果、设计成果在全生命周期范围内得到应用的先进设计技术。电力BIM技术是数字信息技术在电力工程的具体应用，是用于设计、建造、管理的数字化方法。电力工程BIM设计的核心成果是三维设计模型，三维设计模型以电力工程各相关信息数据为基础，对工程建设全要素进行数字化表达，建立输变电设备、设施及材料等物理模型和电气一、二次接线等逻辑模型的工程信息集合，具备完备性、关联性、一致性、唯一性、扩展性等特点，且满足可视化、可分析、可编辑、可出图等工程全寿命周期应用需求。

电力工程BIM设计是利用BIM设计的理念、方法和手段，通过专业化的BIM设计工具，对电力工程进行全过程设计，输出符合BIM设计理念、标准和规范的设计成果。

电力工程BIM设计是将BIM技术融入到电力工程的设计过程，实现多个专业共同参与整个电力工程的协同设计，包括电气、总图、建筑、结构、水暖、技经等专业，利用专业的、成熟的智能辅助设计工具，实现在整个工程设计过程中设计数据的共享、继承及协同，实现专业间的多维协同设计。设计中形成的数字化数据可以共享传递给施工、采购、运维等阶段，覆盖工程项目各个阶段，具有数字化关联关系，服务于电力工程全寿命周期管理。

电力工程BIM设计的最终目的是提高设计效率和产品质量，为设计评审、设计移交、设备采购、工程建设招标、现场施工管理、ERP(Enterprise Resource Planning)资产管理系统、PMIS(Project Management Information System)生产管理系统等各个阶段的工程管理提供数据源支撑，提高电力工程全寿命周期管理效率和质量。

电力工程BIM设计方法有三维数字化建模，多专业协同设计，三维建模标准设计。三维协同设计优化了常规设计的串行设计模式，可缩短项目的设计周期。

1 电力工程BIM设计流程

电力工程BIM设计技术是三维技术、数字化技术、协同技术在电力设计领域的集成创新；是以电力设计对象数字化表达为基础，实现电力基础信息集成化、设计过程智能化、设计平台一体化、专业设计协同化、设计成果数字化、可视化、应用成果全程化；形成包含设计对象数据、工程过程信息等内容。利用BIM设计技术对变电站工程进行了设计，电力工程BIM设计方法有三维数字化建模，多专业协同设计，三维建模标准设计。三维协同设计优化了常规设计的串行设计模式，可缩短项目的设计周期。三维协同设计的平台架构如图1所示。

2 电力工程BIM全过程设计

2.1 电力工程BIM设计准备

工程开始之前需收集工程所需图纸。首先收集工程电气一次相关图纸，包括主接线图、平面布置图、各配电装置的布置图、断面图以及接线图；然后收集土建相关图纸。电力工程设计范围包括电气一次、总图、建筑、结构、水暖等内容。

2.2 设备建族

电力工程BIM设计开始，首先进行设备族模型建立，需要建立本工程BIM设计所需的设备族模型包括变压器,断路器,电流互感器,电压互感器,HGIS,GIS,避雷器,电抗器,电容器组,站用变,屏柜,隔离开关等相关设备族模型。

2.3 主接线设计

以BIM为理念的主接线设计,设计内容涵盖系统设计、主接线系统搭建、确定主变容量和电抗器及电容器组参数等信息、短路电流计算、设备选型校验、设备赋值、回路标注、期次划分、设备编码、主接线设计成果发布等内容[2]。

2.4 电气布置设计

电气布置设计的内容包括电气一次设计布置和电气二次设计布置[3]。其中，电气一次设计布置包括电气一次设备布置、母线布置、导线连接、电缆沟和桥架布置、照明设备布置、避雷针及避雷线布置、接地网布置等，电气二次布置包括屏柜布置、屏柜内装置及柜面布置、监控摄像头布置、防护网布置、消防报警布置等[4]。

可以分成两种办法进行设备布置：一种是首先进行主接线设计，把主接线已经赋值的设备导入工程模型库里面，然后进行设备布置；另一种是主接线与设备布置同时进行，然后给设备赋值，通过编码把两者联合起来。在已经完成的主接线设计基础上，进行电气一次设备布置，设备布置主要以第一种方式进行操作。

2.5 防雷接地设计

三维防雷设计的内容包括避雷针布置、防雷计算、输出保护范围表和计算书。有效的防雷保护可以减少或者避免人员财产损失。而对于电力工程来说更是重中之重，如果设计有缺陷那将会造成重大事故。

对于大型工程来说，接地设计跟防雷设计一样是不可缺少的一部分，有效的接地保护可以减少或者避免人员财产损失。而对于电力工程来说更是重中之重，当电力设计遇到故障或者事故的时候，可以保护检修或者操作人员人身安全。但是在接地设计包括接地网的绘制、接地极的插入、大量的准确材料统计，以及修改方案后材料的更新等。

2.6 总图设计

总图设计即总平面图设计，总图专业的主要内容包括站区的总平面设计、站区的护坡、挡土墙等的设计、站区内道路的规划以及对厂区内各种建筑物、构筑物的具体布置[5]。

总图设计思路根据站区所在的地理位置、站区的容量及站区内的建构筑物划分情况等进行设计。设计思路为通过Civil 3D对站区周边地形环境进行模拟，模拟站区用地的基本情况，并将站区及周边环境导入到Revit然后对站区进行详细道路、围墙、电缆沟及排水沟等的设计。

2.7 结构设计

结构设计主要分为场地结构和建筑结构两部分：场地结构及承重类结构，承担设备及建筑的主要受力部分，主要包括场地中的构架、支架及建筑底部基础、基础埋件及建筑中起到支撑作用的部分，如框架结构中的梁、板、柱等部分[6]。场地结构中主要进行设计的内容包括场地中的构架、支架、相关基础及埋件。

在实际的设计过程中，场地结构和建筑结构应结合设计，一方面满足建筑的安全适用性，另一方面满足建筑的经济性，控制建筑的成本，以满足建筑相关的经济技术指标。

2.8 建筑设计

建筑BIM设计应用技术已经比较成熟，变电站BIM设计中的建筑设计方法和一般建筑BIM设计一样。在变电站中，建筑设计内容主要包括主控通信楼设计、继电器小室设计、配电室设计和消防小室设计等。

2.9 水暖设计

水暖设计是指水工设计和暖通设计，设计内容包括给排水系统设计、消防喷淋系统设计、暖通系统设计等。水暖设计步骤包括：管道构件配置，管道数据信息配置，管道系统类型建立，水暖设备模型布置等。

2.10 协同设计

三维协同设计是BIM设计的核心，是设计技术发展的方向和趋势，是提升设计管理水平、设计效率和质量的主要手段和方法。协同设计可以将不同专业的设计信息和成果通过交互和整合形成有机整体[7]。

协同设计思路是基于三维设计平台进行实际工程协同设计应用，一般需要对工程参与人员的角色和权限进行划分，明确不同专业间的专业分工和权限。各专业按照设计流程和任务各自开展设计工作，在设计的过程中通过协同设计平台进行成果发布和提资交互，通过协同设计平台进行各专业设计成果的整合，并对设计成果进行电气安全净距校验、碰撞检查、防火间距校核、安装通道和吊装空间检查等，校核设计中问题并进行相应的修改和完善，直至完全满足设计要求和深度。

3 设计成果

工程BIM设计完成后可以输出的初步设计成果主要包括以下内容：全站BIM设计模型；场地平整图和土方量计算结果表；主接线设计图纸；平面图和断面图；材料统计表；计算结果表和计算书；安全净距校核、碰撞检查等；全站三维渲染和漫游成果等。全站成果图和局部图如图2所示。

4 结语

随着我国电力工程运营规模不断加大，传统管理和技术手段难以应对日益增加的任务，亟待寻求更加有效的管理和技术手段。本文通过对电力工程设计阶段的流程梳理，为BIM技术在电力工程设计全过程中的应用提供参考依据，同时也可为其他基础设施领域参考。

本文旨在推动电力工程BIM设计技术的快速发展，为BIM技术在其他基础设施行业的应用提供参考思路。下一步工作计划:以电力工程BIM在设计阶段的应用为基础，拓展到采购、施工、运维等全生命周期中，使电力工程BIM在电力工程中得到持续应用。