變電站三維設(shè)計(jì)成果在施工組織設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

杜 宏 李鳳亮 王 軍 耿世英 趙晶輝 王新輝 張 艷

（1、北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京100120 2、中能智新科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，北京100120）

1 變電站施工組織設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

變電站施工是一項(xiàng)復(fù)雜且有安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)工程，而施工組織設(shè)計(jì)是對(duì)施工活動(dòng)實(shí)行科學(xué)有效管理的重要手段[1]。施工組織設(shè)計(jì)的主要作用是：通過(guò)編制，明確工程的施工方案、施工順序、勞動(dòng)組織措施、施工進(jìn)度計(jì)劃及資源需用量與供應(yīng)計(jì)劃，明確臨時(shí)設(shè)施、材料及機(jī)具的具體位置，有效地使用場(chǎng)地，提高經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)驗(yàn)證明，如果變電站施工組織設(shè)計(jì)能反映客觀實(shí)際，符合國(guó)家政策和合同規(guī)定的要求，符合施工工藝規(guī)律，并能認(rèn)真地貫徹執(zhí)行，那么施工就可以有條不紊地進(jìn)行，就能較好發(fā)揮投資效益。

施工組織設(shè)計(jì)的編制一般由項(xiàng)目經(jīng)理組織，由項(xiàng)目總工及相關(guān)技術(shù)骨干，依據(jù)合同文件及調(diào)查資料，以及設(shè)計(jì)成果，根據(jù)自身的工作經(jīng)驗(yàn)及國(guó)家相關(guān)部門制定的規(guī)章規(guī)范，自行編制?，F(xiàn)行的規(guī)章制度及標(biāo)準(zhǔn)工藝等，多以定性的條件來(lái)約束施工的邊界，控制安全施工的范圍，針對(duì)一類施工過(guò)程進(jìn)行通用性的要求和規(guī)定，缺乏針對(duì)具體工程的具體問(wèn)題，進(jìn)行定量和精確的分析，進(jìn)而給出合理化建議。正是因?yàn)槿绱耍瓜嚓P(guān)的規(guī)定和要求流于形式，無(wú)法落地指導(dǎo)實(shí)際施工組織設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而引發(fā)施工過(guò)程與施工組織設(shè)計(jì)脫節(jié)，形成風(fēng)險(xiǎn)隱患，并影響項(xiàng)目進(jìn)度和質(zhì)量。

2 變電站三維設(shè)計(jì)成果分析

國(guó)家電網(wǎng)公司制定了GIM三維設(shè)計(jì)成果的標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范各個(gè)設(shè)計(jì)院及不同設(shè)計(jì)軟件的成果輸出，為變電站建設(shè)單位及施工、監(jiān)理、運(yùn)維等單位進(jìn)行三維數(shù)字化移交，制定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)為三維設(shè)計(jì)成果的后續(xù)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三維設(shè)計(jì)成果以GIM格式存儲(chǔ)。約定了用參數(shù)化方式建模，所有構(gòu)件都富含設(shè)備設(shè)施信息，通過(guò)梳理各個(gè)階段的共性需求，將輸變電工程信息加以規(guī)范，建立統(tǒng)一的模型框架和描述方式，實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)的采集及應(yīng)用。

三維設(shè)計(jì)成果GIM數(shù)據(jù)中采用面向工程對(duì)象管理的原則，將其分為5 級(jí)，全站級(jí)，系統(tǒng)（區(qū)域）級(jí)，子系統(tǒng)（子區(qū)域）級(jí)，設(shè)備（設(shè)施）級(jí)，部件級(jí)[2]：

GIM數(shù)據(jù)以輸變電工程信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用三維數(shù)字化技術(shù)建立的工程信息集合，是對(duì)輸變電工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，具備完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性、唯一性、擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

三維設(shè)計(jì)成果GIM數(shù)據(jù)通過(guò)研究模型接口技術(shù)和統(tǒng)一編碼系統(tǒng)，建立貫穿輸變電工程全過(guò)程的信息模型。將輸變電工程中建筑、設(shè)備等構(gòu)成元素?cái)?shù)字化，以信息模型為載體，集成全壽命周期內(nèi)的信息，是對(duì)輸變電工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載。三維設(shè)計(jì)成果GIM數(shù)據(jù)在這方面的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）數(shù)據(jù)覆蓋全。三維設(shè)計(jì)成果GIM模型數(shù)據(jù)其覆蓋了整個(gè)輸變電工程全壽命周期內(nèi)的每個(gè)單元的模型及信息，包括設(shè)計(jì)階段、施工階段以及運(yùn)行階段中涉及到的電氣、土建、結(jié)構(gòu)、水暖、場(chǎng)地等基礎(chǔ)建設(shè)對(duì)象模型以及電氣設(shè)備對(duì)象模型等全部專業(yè)內(nèi)容。

（2）模型數(shù)據(jù)層級(jí)分明。三維設(shè)計(jì)成果GIM模型數(shù)據(jù)不僅攬括了全生命周期的模型數(shù)據(jù)，而且對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了區(qū)域、系統(tǒng)、層級(jí)的劃分。對(duì)整個(gè)工程模型從整體到個(gè)體，從區(qū)域到具體設(shè)施設(shè)備，層級(jí)分明，其在進(jìn)行三維數(shù)字化時(shí)，可以將它們進(jìn)行合理的整體操作或者單獨(dú)操作。

（3）屬性信息全面。三維設(shè)計(jì)成果GIM數(shù)據(jù)中，其為工程項(xiàng)目中需要用到的模型對(duì)象都配有相應(yīng)屬性文件，這些對(duì)象基本覆蓋整個(gè)工程以及到區(qū)域、設(shè)備、部件層級(jí)。每個(gè)屬性文件對(duì)其對(duì)應(yīng)的模型對(duì)象進(jìn)行了豐富的信息描述，可同時(shí)滿足模型使用者、查看者、管理者對(duì)模型信息的了解。

（4）數(shù)據(jù)冗余少。三維設(shè)計(jì)成果GIM數(shù)據(jù)中所有模型均采用參數(shù)化建模，每個(gè)模型均使用最小幾何圖形單元組合而成，這些最小幾何圖形成為三維基本圖元，包括常規(guī)幾何體和專用幾何體。采用這種結(jié)構(gòu)方式，大量減少了數(shù)據(jù)量，使得不同模型可以使用相同的基本圖元，不會(huì)將各自的模型信息全部分別存儲(chǔ)，減少數(shù)據(jù)冗余。

（5）輕量化。三維設(shè)計(jì)成果GIM文件對(duì)存儲(chǔ)的模型數(shù)據(jù)采用7Z算法進(jìn)行壓縮，總體文件的大小相對(duì)于其包含的模型數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)很小，而且文件可設(shè)計(jì)壓縮解壓密碼，對(duì)數(shù)據(jù)保密性與安全性起到一定的作用。

3 功能模塊

系統(tǒng)在深入建設(shè)單位、施工單位以及設(shè)計(jì)單位等一線單位調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)及施工管理的實(shí)際，利用先進(jìn)的三維渲染引擎，研發(fā)了管控平臺(tái)。平臺(tái)由前期準(zhǔn)備、施工規(guī)劃、專項(xiàng)分析、過(guò)程管控以及系統(tǒng)設(shè)置五大模塊組成。

3.1 在施工進(jìn)度管理中的應(yīng)用

施工進(jìn)度管理模塊包含甘特圖控件，用以網(wǎng)絡(luò)圖變電站施工工序規(guī)劃方案中一級(jí)對(duì)象（單位工程）與二級(jí)對(duì)象（最小安裝單元工程）在時(shí)間維度上的展現(xiàn)。甘特圖控件可展示工序規(guī)劃方案中項(xiàng)目工程的層級(jí)結(jié)構(gòu)，以及工序?qū)ο蟮南群箨P(guān)系。通過(guò)推演功能實(shí)現(xiàn)變電站施工方案的動(dòng)態(tài)模擬。施工進(jìn)度管理模塊能夠更加直觀、全面的對(duì)變電站項(xiàng)目施工方案的全過(guò)程，從而提高施工進(jìn)度管理的科學(xué)性。

圖1 系統(tǒng)及模塊界面

3.2 在施工場(chǎng)地布置中的應(yīng)用

對(duì)變電站三維施工場(chǎng)景進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃，根據(jù)場(chǎng)地布置的原則，交互式地進(jìn)行不同區(qū)域的劃分和布置。并賦予區(qū)域?qū)傩院凸δ埽到y(tǒng)會(huì)對(duì)劃分的功能區(qū)進(jìn)行分析，對(duì)不符合規(guī)定或條件的情況，進(jìn)行預(yù)警和提示。確保各區(qū)域合理布置、互不影響。

場(chǎng)地布置是施工管理中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，是建立在施工區(qū)域及其周邊的三維仿真環(huán)境上的，在虛擬環(huán)境中，管理者可以從不同的角度查看、測(cè)量整個(gè)施工區(qū)域，全面了解施工區(qū)域的基本情況。管理者可以在虛擬環(huán)境中，交互式地劃分不同的功能區(qū)域，如材料堆放區(qū)、員工生活區(qū)、組裝區(qū)、施工區(qū)域等等，并賦予不同的屬性。

3.3 在施工安全管控中的應(yīng)用

風(fēng)險(xiǎn)分析模塊主要提供變電站項(xiàng)目施工前后存在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的標(biāo)注與分析，有利于管理人員對(duì)項(xiàng)目整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行把控，輔助管理人員排除潛在的安全問(wèn)題，降低變電站施工的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率。

（1）風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)標(biāo)注功能。本模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的可視標(biāo)記、定位、查詢。通過(guò)人機(jī)交互在施工方案三維場(chǎng)景中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行布置與刪除?？商砑语L(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)描述、等級(jí)、類型等的屬性信息。

（2）風(fēng)險(xiǎn)分析功能。通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備安裝過(guò)程中，施工機(jī)械與電氣設(shè)備的安全距離進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的安全隱患，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，輔助管理人員及時(shí)對(duì)存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，并通過(guò)調(diào)整施工方案對(duì)其進(jìn)行規(guī)避。

4 在青海冷湖330kV工程中應(yīng)用

結(jié)合在青海省冷湖330kV變電站項(xiàng)目中應(yīng)用實(shí)際來(lái)看，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)成果，結(jié)合三維施工管控系統(tǒng)的功能，在以下幾個(gè)方面能極大地改善施工組織設(shè)計(jì)工作。

4.1 三維重構(gòu)GIM數(shù)據(jù)

GIM格式數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)三維設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，更在專業(yè)化的層次劃分，設(shè)備設(shè)施的屬性規(guī)范方面，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范。系統(tǒng)在克服大數(shù)據(jù)量讀取、批量渲染和模型輕量化的各項(xiàng)困難后，實(shí)現(xiàn)了GIM數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)過(guò)程。在場(chǎng)景中精確地還原了GIM的三維模型，構(gòu)建了層次化的模型，并通過(guò)數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行設(shè)備設(shè)施的統(tǒng)計(jì)和管理。

4.2 輔助施工組織設(shè)計(jì)

通過(guò)交互的手段，規(guī)劃整個(gè)項(xiàng)目施工進(jìn)度方案、自動(dòng)計(jì)算施工進(jìn)度計(jì)劃、人機(jī)等施工資源需求計(jì)劃及空間互斥性預(yù)警、進(jìn)度工期、人材機(jī)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能，能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)的反饋信息輔助施工進(jìn)度方案的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)變電站施工進(jìn)度高效的管控。

項(xiàng)目工程管理網(wǎng)絡(luò)圖控件，該控件是整個(gè)仿真平臺(tái)功能的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)圖控件可以對(duì)整個(gè)項(xiàng)目中的一級(jí)工程（單位工程）與二級(jí)工程（安裝單元工程）進(jìn)行管理，制定它們的先后順序以及設(shè)定相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)的其他功能提供基礎(chǔ)。在網(wǎng)絡(luò)圖控件中，可添加、刪除單元工程，修改單元工程屬性數(shù)據(jù)，對(duì)單元工程的工序、優(yōu)先級(jí)等進(jìn)行設(shè)置。利用網(wǎng)絡(luò)圖控件來(lái)設(shè)計(jì)變電站施工工序規(guī)劃方案，其效果直觀、工序、工程優(yōu)先級(jí)等清晰，能讓軟件使用者對(duì)整個(gè)工序規(guī)劃方案一目了然。

圖2 GIM格式數(shù)據(jù)三維重構(gòu)

4.3 輔助施工進(jìn)度管理

利用自動(dòng)生成的甘特圖，可以進(jìn)行工序的施工推演，讓管理人員在推演過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)工序安排的不合理之處，以及窩工或者資源超用的情況，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提供了具體而明確的指導(dǎo)方向。

5 結(jié)論

結(jié)合在青海省冷湖330kV變電站項(xiàng)目中應(yīng)用實(shí)際來(lái)看，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)成果，結(jié)合三維施工管控系統(tǒng)的功能，在三個(gè)方面能改善施工組織設(shè)計(jì)工作。

5.1 提高工作效率

利用系統(tǒng)的可視化工序規(guī)劃功能，能夠直觀地進(jìn)行資源分配和工序分配，同時(shí)能夠自動(dòng)生成施工計(jì)劃表，從而顯著地提高施工組織設(shè)計(jì)的編制效率。

5.2 提高方案制定的科學(xué)性

通過(guò)量化的三維空間分析，能夠從數(shù)據(jù)角度定量地剖析方案的利弊，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)中選優(yōu)。

5.3 拓寬施工組織設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍

首先能提高施工組織設(shè)計(jì)的深度，從為施工管理提供指導(dǎo)，深入到為施工人員進(jìn)行班前會(huì)提供技術(shù)手段。再者，將施工組織設(shè)計(jì)從項(xiàng)目管理的指導(dǎo)性文件，拓展到了日常的施工管理的過(guò)程中，加深了管理的顆粒度。

總之，利用信息化手段，結(jié)合三維設(shè)計(jì)成果進(jìn)行信息化的施工組織設(shè)計(jì)是完全可行的，且具有很大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。不僅能提高施工設(shè)計(jì)的質(zhì)量，還能提高整個(gè)施工的質(zhì)量，降低施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，提高施工資源的利用率。