方鵬 高亞棟 吳祖咸 何凱軍

摘 要：在信息化時(shí)代，國(guó)家電網(wǎng)對(duì)應(yīng)用大數(shù)據(jù)和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的互通互聯(lián)展開(kāi)了大量研究工作。電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)也需要向多專(zhuān)業(yè)協(xié)同、精細(xì)化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)共享方面深入。就變電站三維數(shù)字化協(xié)同的總體方案進(jìn)行了探討，基于歐特克公司開(kāi)發(fā)的Revit平臺(tái)，分析了專(zhuān)業(yè)協(xié)同和數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)方面的問(wèn)題，然后以某220 kV變電站三維設(shè)計(jì)作為對(duì)象，就平臺(tái)搭建、整體方案設(shè)計(jì)、施工圖紙生成和數(shù)字化移交進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：變電站;三維數(shù)字化;協(xié)同

Abstract：In the information age， State Grid has carried out a lot of research work on the interconnection of all links of power systems by applying big data and communication technology. The design of power grid engineering also needs to be deepened in multi-specialty collaboration， fine design and data sharing. At first， the substation 3D digital collaborative scheme is discussed in this paper. Based on the Autodesk Revit formula development platform， it analyzes the professional coordination and data collaborative technology issues， and then taking a 220 kV substation as the research object the paper gives the overall 3D design platform design， generates construction drawings and digital transfer to make the study have practical application.

Key words：substations;three-dimensional digitization;coordination

0 引言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，三維數(shù)字技術(shù)及數(shù)據(jù)協(xié)同共享在設(shè)計(jì)行業(yè)中的應(yīng)用獲得了前所未有的發(fā)展[1-3]。具體到施工的每一個(gè)環(huán)節(jié)，充分利用信息模型以及數(shù)據(jù)核心，在統(tǒng)一架構(gòu)的前提下，搭建包含資金流、物資流、工作流的先進(jìn)平臺(tái)，以更好的實(shí)現(xiàn)資源共享，同時(shí)積極促進(jìn)采購(gòu)、施工等眾多方面的縱向集成，工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)等各種工序的橫向集成，為進(jìn)一步量化和一體化管理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4-5]。

目前在國(guó)內(nèi)市政、建筑和道路橋梁領(lǐng)域逐漸開(kāi)始推廣三維數(shù)字技術(shù)，但是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在電網(wǎng)行業(yè)的應(yīng)用依然不夠普及，隨著電力物理網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，智能電網(wǎng)對(duì)變電站建設(shè)提出了更加嚴(yán)格的要求，進(jìn)一步提升變電站效率和質(zhì)量迫在眉睫[6-8]。本文深入分析了建筑信息模型BIM在變電站三維數(shù)字化協(xié)同中的關(guān)鍵技術(shù)和方案，包括本專(zhuān)業(yè)協(xié)同、跨專(zhuān)業(yè)協(xié)同和數(shù)據(jù)協(xié)同，然后以鄭州市某220 kV變電站設(shè)計(jì)工程為研究對(duì)象，就BIM模型創(chuàng)建、整體BIM模型布置、碰撞檢測(cè)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，取得了良好的效果，對(duì)其他變電站在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有一定的參考價(jià)值[9-10]。

1 三維數(shù)字化技術(shù)

三維數(shù)字設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處主要?dú)w因于與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，避免了大量離散數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，在對(duì)各個(gè)階段的信息進(jìn)行搜集確認(rèn)過(guò)程中可以進(jìn)一步智能化，節(jié)約了大量人力物力、進(jìn)一步有效提升了數(shù)據(jù)信息的完整性和準(zhǔn)確性[11-12]。三維設(shè)計(jì)最大的優(yōu)勢(shì)便是可以針對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行迅速處理，這樣一來(lái)保證了工程中設(shè)計(jì)的大量數(shù)據(jù)的完整性，不僅如此，還可以有效實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各個(gè)階段以及整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)據(jù)共享。

本文三維數(shù)字化基于BIM來(lái)實(shí)現(xiàn)，BIM可以使用線框模型、表面模型或者實(shí)體模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的表示。本文的研究基于實(shí)體模型表示方法，其中實(shí)體模型采用布爾運(yùn)算進(jìn)行切割、貼合等算法。對(duì)于切割算法，傳統(tǒng)的計(jì)算方式未無(wú)法對(duì)變電站的大量曲線和曲面進(jìn)行精確處理，求解過(guò)程需要多次調(diào)用交集函數(shù)，本文提出利用牛頓迭代公式求解點(diǎn)與曲線之間的切割關(guān)系。牛頓迭代算法，如式（1）所示。

該式可以理解為為了求f（xn）=0中x的值，利用x附近某一點(diǎn)xn的函數(shù)f′（xi）代入進(jìn)行迭代求解，直至函數(shù)存在且連續(xù)。

與傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)相比，數(shù)字化三維設(shè)計(jì)手段具有一定的優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

1）在各個(gè)工作流程以及維護(hù)階段的縱、橫向溝通以及交流（以BIM為例）;2）保證項(xiàng)目各環(huán)節(jié)的健康有序進(jìn)行;3）對(duì)項(xiàng)目整個(gè)生命周期進(jìn)行信息化管理。就BIM本身而言，可以專(zhuān)門(mén)針對(duì)一些特殊的施工環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和模擬，同時(shí)也可分析模擬施工現(xiàn)場(chǎng)平面布置，提升了整個(gè)施工計(jì)劃的可行度。另外，BIM還可與施工組織計(jì)劃進(jìn)行結(jié)合，從而發(fā)揮預(yù)演功能，以提升工程的可造型。在對(duì)施工組織利用BIM信息化三維技術(shù)進(jìn)行模擬的過(guò)程中，可以更加直觀、準(zhǔn)確的了解施工的安裝工序和環(huán)節(jié)，在提升施工效率的同時(shí)還能夠兼顧整個(gè)安裝過(guò)程的要點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 變電站三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方案

變電站設(shè)計(jì)的三維數(shù)字化需滿足以下3個(gè)條件：第一，建筑物地下基礎(chǔ)、上部建筑結(jié)構(gòu)以及機(jī)電設(shè)備等專(zhuān)業(yè)確保協(xié)同匹配;第二，操作界面簡(jiǎn)潔友好，逐步提升被設(shè)計(jì)師接受和掌握的程度;第三，軟件環(huán)境足夠開(kāi)放，為二次開(kāi)發(fā)提供充足的條件或軟件接口?；谝陨先S協(xié)同設(shè)計(jì)要求，本文的基于Revit（Autodesk公司開(kāi)發(fā)），針對(duì)其變電站三維數(shù)字的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索。

2.1 同專(zhuān)業(yè)協(xié)同

同專(zhuān)業(yè)協(xié)同主要目的是能夠讓某一個(gè)建筑模塊的設(shè)計(jì)人員同時(shí)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。其共享的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在協(xié)同性方面，對(duì)于龐大的三維模型系統(tǒng)，多個(gè)人同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模操作，并能夠及時(shí)更新設(shè)計(jì)成果，該方式極大地提升了共享信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。在此過(guò)程中還可以向其他成員及時(shí)的發(fā)送變更請(qǐng)求，涉及到的操作有“借用圖元”等，保證交流溝通的順利進(jìn)行。

2.2 跨專(zhuān)業(yè)協(xié)同

目前普遍采用的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中，主要通過(guò)“鏈接”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。各專(zhuān)業(yè)以鏈接模型的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串聯(lián)，模型的共享和設(shè)計(jì)均在這一平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。這一優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾方面：首先，模型主體文件獨(dú)立存在于數(shù)據(jù)庫(kù)中，關(guān)鍵修改操作;其次，修改文件容量小，運(yùn)行速度快;鏈接文件的讀取和獲取通知具有即時(shí)性;但是，跨專(zhuān)業(yè)協(xié)同的缺陷是不能夠?qū)ο嚓P(guān)的鏈接模型進(jìn)行直接編輯，如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)協(xié)同

為了將設(shè)計(jì)文件提供合理存儲(chǔ)方式和讀取效率，數(shù)據(jù)協(xié)同是三維數(shù)字設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)功能。其內(nèi)在地包含了項(xiàng)目庫(kù)、成品庫(kù)以及族庫(kù)。這三類(lèi)最大的區(qū)別是儲(chǔ)存的文件類(lèi)型不同，族庫(kù)主要是對(duì)有族文件進(jìn)行存儲(chǔ)和分類(lèi)的數(shù)據(jù)庫(kù);成品庫(kù)主要是針對(duì)項(xiàng)目文件以及涉及到的族數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ);項(xiàng)目庫(kù)更多的是對(duì)已完結(jié)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目文件所有使用族進(jìn)行存儲(chǔ)和分類(lèi)。在項(xiàng)目的整個(gè)啟動(dòng)和竣工階段內(nèi)均會(huì)使用到三維協(xié)同數(shù)據(jù)庫(kù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

項(xiàng)目實(shí)施和完成后，關(guān)鍵數(shù)據(jù)依然可以在其他類(lèi)似項(xiàng)目總進(jìn)行套用和流轉(zhuǎn)，能夠?yàn)橹蟮念?lèi)似項(xiàng)目設(shè)計(jì)和改建提供參考。

三維協(xié)同數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能包括以下幾點(diǎn)：首先是能夠針對(duì)不同層級(jí)設(shè)計(jì)人員分配不同的權(quán)限;其次，本專(zhuān)業(yè)只能在其職責(zé)范圍內(nèi)進(jìn)行修改數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)因錯(cuò)誤操作而影響其他專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)成果;最后，數(shù)據(jù)協(xié)同可以詳細(xì)記錄操作時(shí)間和不同階段的修改細(xì)節(jié)，進(jìn)一步減輕項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的工作。

數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ)較多格式，其中內(nèi)在的包括了項(xiàng)目自身的模型文件，所用族庫(kù)以及相關(guān)的圖紙、文檔、計(jì)算數(shù)據(jù)等，保證了整個(gè)項(xiàng)目的完整性和一致性，同時(shí)促進(jìn)了數(shù)據(jù)字化的相關(guān)移交工作。

2.4 SLC三維工具包

SLC三維工具包是基于變電站設(shè)計(jì)所開(kāi)發(fā)的針對(duì)性工具包，能夠有效地連接二維原理符號(hào)和三維電氣設(shè)備，SLC三維工具包的基礎(chǔ)功能就是實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的刪除、編輯和修正。目前所包括的九個(gè)主要功能模塊，如圖3所示。

2 變電站三維數(shù)字化應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

本文所研究的220 kV變電站位于河南省鄭州市上街區(qū)，被鄭州—洛陽(yáng)—三門(mén)峽電網(wǎng)主干線通過(guò)，位于鄭州市轄區(qū)西部38公里處，與滎陽(yáng)市接壤。該變電站建設(shè)的主要目的是進(jìn)一步滿足上街區(qū)氧化鋁工業(yè)用電負(fù)荷增長(zhǎng)的需求，提升地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性。

2.2 整體方案設(shè)計(jì)

（1） 整體設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)的目的是真實(shí)具體地展示三維變電站方案，確保變電站內(nèi)的各個(gè)空間位置關(guān)系合理、距離準(zhǔn)確。該220 kV 變電站是一個(gè)戶內(nèi)站，可以從不同的角度觀察全站模型，變壓器側(cè)俯視全站三維模型，如圖4所示。三維變電站方案可以實(shí)現(xiàn)多角度、多視圖觀察電氣設(shè)備模塊的設(shè)計(jì)效果，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后能夠及時(shí)解決。

（2） 邏輯圖設(shè)計(jì)

Revit平臺(tái)對(duì)于電氣二維電氣原理符號(hào)的制作具有較好匹配性，另外，通過(guò)對(duì)族文件的編輯有效解決實(shí)際智能化設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題。在對(duì)PVC3維協(xié)同數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，進(jìn)行Revit平臺(tái)上的客戶端相關(guān)軟件的操作，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)3D族文件的預(yù)覽和協(xié)同管理。在對(duì)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多電器元件都應(yīng)當(dāng)有對(duì)應(yīng)的電氣原理符號(hào)和設(shè)備模型，例如電容式電壓互感器，電流互感器等等，電氣布置的相關(guān)示意圖，如圖5所示。

（3） 協(xié)同設(shè)計(jì)

Revit系列軟件和三維協(xié)同數(shù)據(jù)庫(kù)共同構(gòu)成了三維設(shè)計(jì)部分。其目的是展示三維協(xié)同設(shè)計(jì)具體實(shí)施過(guò)程中的客戶端和服務(wù)器之間的關(guān)系，同時(shí)也包含了數(shù)據(jù)交換以及協(xié)同作業(yè)的內(nèi)容和路徑，將其用不同的顏色進(jìn)行了一定的區(qū)分。

2.3 施工圖紙生成

實(shí)現(xiàn)了工程整體方案設(shè)計(jì)、邏輯圖設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)后，便可以通過(guò)Revit平臺(tái)生成施工圖，具體步驟為：

（1） 首先在項(xiàng)目瀏覽器中尋找到相應(yīng)的變電站項(xiàng)目施工圖紙，新建施工圖圖紙。

（2） 選擇圖框、圖標(biāo)和圖紙大小，其中包括圖紙的編號(hào)、名稱(chēng)、日期、設(shè)計(jì)校核人員等信息。

（3） 單擊對(duì)應(yīng)的視圖，將其拖入選定圖紙圖框中，例如可以將不同切面視圖在同一個(gè)界面中進(jìn)行展示，使得所有涉及到的安裝細(xì)節(jié)能夠體現(xiàn)出來(lái)。各種文字注釋和標(biāo)注的斷面設(shè)計(jì)，如圖6所示。

2.4 數(shù)字化移交

將上街區(qū)220 kV變電站作為研究對(duì)象，針對(duì)數(shù)字化移交的詳細(xì)信息進(jìn)行分析，圖7為海河下游變電站的整體三維視圖，如圖7所示。

可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字化移交平臺(tái)中包括了4個(gè)部分的內(nèi)容。右上角的詳細(xì)信息和漫游設(shè)置均可以在軟件中進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制效果。

3 總結(jié)

為研究變電站的三維數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文以鄭州

市上街區(qū)某變220 kV電站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)三維協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了初步分析探討，然后結(jié)合具體的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了其三維數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)：

（1） 各個(gè)專(zhuān)業(yè)通過(guò)三維協(xié)同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)同步設(shè)計(jì)后，能及時(shí)地對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行查看，過(guò)程中存在的問(wèn)題能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，與處理人員交流次數(shù)顯著下降，紙質(zhì)材料提資的次數(shù)也明顯減少，相關(guān)的設(shè)計(jì)效率也可以通過(guò)三維設(shè)計(jì)的視圖關(guān)聯(lián)功能進(jìn)一步提升。

（2） 設(shè)計(jì)效率會(huì)隨著數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷豐富而得到提升，傳統(tǒng)的圖紙審查方式由人眼核對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化移交，只需要通過(guò)管理人員在模型中提取即可獲取所需成果。

（3） 現(xiàn)如今變電站三維數(shù)字化的設(shè)計(jì)仍然處于初級(jí)階段，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在著一定的差距。目前我們還需要從以下幾方面進(jìn)行不斷研究：第一，以模型數(shù)據(jù)作為前提，對(duì)工程造價(jià)和工程量進(jìn)行估算，并且對(duì)照一定的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)分析和篩選。第二，在三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的大環(huán)境中，為相關(guān)的管理部門(mén)提供更加完整的工程數(shù)據(jù)，提升施工管理的有效性。

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（收稿日期：2019.09.25）