三維設(shè)計(jì)在電網(wǎng)和變電站建設(shè)中的應(yīng)用與實(shí)踐

曹盛 楊睿博

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001)

1 三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

(1)數(shù)字化時(shí)代的到來，使得職能電網(wǎng)在建設(shè)過程中對(duì)變電工程提出了更高的要求，如今，國(guó)網(wǎng)公司中已經(jīng)逐漸建立起了數(shù)字化移交系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)中心，同時(shí)，要求在新建工程中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化移交。在傳統(tǒng)的CAD模式下，使用圖紙修復(fù)制的作業(yè)模式，無(wú)法進(jìn)一步提升其質(zhì)量和效率，設(shè)計(jì)成果也便失去了生命周期的數(shù)字化移交能力。變電站的建筑物和設(shè)備在三維設(shè)計(jì)技術(shù)條件下，能夠從三維空間中建造出來，并且能夠結(jié)合變電站所涉及到的各個(gè)專業(yè)。在協(xié)同設(shè)計(jì)工作平臺(tái)中，各個(gè)專業(yè)能夠掌握其他設(shè)計(jì)人員的成果，通過進(jìn)行專業(yè)之間的溝通，可以對(duì)工程方案予以完善。(2)變電站的三維設(shè)計(jì)工作中包含了電氣、結(jié)構(gòu)、建筑以及水暖等功能，將工程數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要內(nèi)容，可以通過數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)三維模型，最終完成自動(dòng)出圖效果，從而有效提升設(shè)計(jì)工作質(zhì)量和設(shè)計(jì)工作效率[1]。

2 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)在電網(wǎng)和變電站中的發(fā)展情況

快速發(fā)展起來的數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)以及設(shè)計(jì)方法越來越受到了電力行業(yè)的廣泛關(guān)注，對(duì)于數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)，電網(wǎng)行業(yè)提出了更加嚴(yán)格的要求。于2016年，電網(wǎng)行業(yè)針對(duì)數(shù)字化三維設(shè)計(jì)明確提出了推廣計(jì)劃，并且積極開展了工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)工作，提出了在變電站設(shè)計(jì)中創(chuàng)新使用三維設(shè)計(jì)技術(shù)的要求，確保工程數(shù)據(jù)中心建設(shè)工作有目標(biāo)、有計(jì)劃地開展。于2017年，在全國(guó)范圍內(nèi)又開展了和數(shù)字化三維技術(shù)有關(guān)的調(diào)研活動(dòng)，其中，活動(dòng)的內(nèi)容包含書面和實(shí)地調(diào)查兩種，針對(duì)目前電力企業(yè)、施工單位以及設(shè)計(jì)部門關(guān)于數(shù)字化三維技術(shù)的需求和使用展開了探究，為了能夠順應(yīng)我國(guó)的電力行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，一些設(shè)計(jì)單位開始轉(zhuǎn)型，在此過程中還融入了建造資源、設(shè)計(jì)資源、運(yùn)維環(huán)節(jié)資源以及采購(gòu)資源等方面的內(nèi)容，以此來滿足設(shè)計(jì)單位的基本業(yè)務(wù)需要，這樣一來不僅提升了設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)水平，同時(shí)也拓寬了設(shè)計(jì)單位的服務(wù)范圍[2]。

3 三維設(shè)計(jì)在電網(wǎng)和變電站建設(shè)中的應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)線路選線

對(duì)于傳統(tǒng)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)工作而言，線路路徑的優(yōu)選主要是憑借工作人員的自身經(jīng)驗(yàn)來完成的，而數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)的使用能夠用動(dòng)態(tài)的規(guī)劃思路解決比較復(fù)雜的問題，整個(gè)優(yōu)化過程會(huì)用到遞推的方法來予以分段，從而確保整個(gè)過程最優(yōu)化，以此來為企業(yè)決策管理人員實(shí)時(shí)決策工作提供可靠的依據(jù)。就我國(guó)電網(wǎng)線路的鋪設(shè)工作而言，南方和北方的電網(wǎng)線路鋪設(shè)存在著差異，南方沿途地形比較復(fù)雜，需要鋪設(shè)的電路相對(duì)較長(zhǎng)，線路鋪設(shè)準(zhǔn)確度極高，能夠?qū)旊娋€路實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的優(yōu)化排位，在選擇好起始點(diǎn)和終點(diǎn)之后，需要在數(shù)字化三維系統(tǒng)中建立矢量地理信息，同時(shí)，還應(yīng)該合理設(shè)置障礙物的緩沖半徑，數(shù)字化三維系統(tǒng)的使用能夠自動(dòng)選擇出滿足該工程的多條線路路徑，分析輸電線路可能帶來的影響，并且在設(shè)計(jì)交互的過程中也能夠有效避免自然保護(hù)區(qū)以及風(fēng)景名勝區(qū)等重點(diǎn)設(shè)施，一旦出現(xiàn)問題就會(huì)及時(shí)發(fā)出警告[3]。智能完成多條路徑的選擇之后，還需要結(jié)合手動(dòng)選項(xiàng)的方式來優(yōu)化智能選項(xiàng)的路徑。

3.2 搭建基于IPD模式的項(xiàng)目協(xié)同機(jī)制

將IPD協(xié)同管理模式應(yīng)用到變電站項(xiàng)目建設(shè)工作中，能夠建立出一個(gè)具有多方合同契約關(guān)系的單一目標(biāo)實(shí)體，也就是由各個(gè)項(xiàng)目參建方建立一個(gè)團(tuán)隊(duì)，這樣一來，各個(gè)參與方就擁有一個(gè)共同目標(biāo)的責(zé)任實(shí)體，而不再是孤立的關(guān)系，如圖1所示。設(shè)計(jì)院，供電公司，施工方以及其他項(xiàng)目參與方的項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理工作，為各項(xiàng)具體工作的開展提供支持。

圖1 SPE組織模型

圖2 變電站總平面三維圖

3.3 編制基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程

BIM建筑信息模型技術(shù)作為國(guó)際項(xiàng)目管理界公認(rèn)的一項(xiàng)能夠推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)力革命的技術(shù)，能夠有效解決長(zhǎng)期影響項(xiàng)目管理工作開展的大量基礎(chǔ)信息以及工作中遇到的難題，從而真正實(shí)現(xiàn)信息集成化。BIM技術(shù)的使用，能夠使供電公司在原有變電站業(yè)務(wù)流程繼續(xù)開展的基礎(chǔ)上，對(duì)三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程予以優(yōu)化。同時(shí)，供電公司還應(yīng)該編制《設(shè)計(jì)變更管理規(guī)定》、《設(shè)計(jì)過程控程序》以及《三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)數(shù)據(jù)管理制度》等制度，對(duì)變電站的建設(shè)過程予以規(guī)范，為開展快數(shù)據(jù)協(xié)同工作，跨專業(yè)工作提供可靠的依據(jù)，以此來有效強(qiáng)化變電站項(xiàng)目建設(shè)工作質(zhì)量和建設(shè)效率[4]。

3.4 搭建三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建，應(yīng)該以變電站的實(shí)際需求為導(dǎo)向，并且對(duì)所用軟件從數(shù)字化功能、三維設(shè)計(jì)以及服務(wù)支持等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過業(yè)務(wù)專家的專審評(píng)估，以此來確定三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)工作。在完成輸變電工程數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)一期搭建工作之后，還應(yīng)該實(shí)施全專線設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)、實(shí)時(shí)協(xié)作以及開放接口和CAD出圖。

4 三維設(shè)計(jì)在變電站工程的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用實(shí)例

(1)如下以某220kV新建模塊化的智能變電站攻城為例，對(duì)三維設(shè)計(jì)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用展開探討，并且結(jié)合了變電一次，變電二次以及土建等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)目前三維設(shè)計(jì)工作中存在的優(yōu)點(diǎn)以及不足之處展開了論述。

(2)變電一次，變電二次以及土建專業(yè)在工程設(shè)計(jì)階段，可以借助設(shè)計(jì)平臺(tái)固定基準(zhǔn)點(diǎn)的方法，在變電站總平面上協(xié)同開展設(shè)計(jì)工作。基于變電站工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，土建專業(yè)應(yīng)該結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)模塊化的建設(shè)需要，分別落實(shí)裝配式的大門，圍墻，構(gòu)筑物模塊以及建筑物的設(shè)計(jì)工作。并且要對(duì)變電站建筑物圍墻大砌塊石、建筑物墻板、門窗型式以及墻體裝飾板等材質(zhì)和尺寸進(jìn)行賦值；對(duì)變電站中電纜埋管布置、站內(nèi)墻體開洞以及站內(nèi)事故油池等實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)與展示。電氣專業(yè)還應(yīng)該按照國(guó)網(wǎng)公司的通用設(shè)備模型，有效落實(shí)電氣設(shè)計(jì)工作，并且使用各種設(shè)備參數(shù)進(jìn)行賦值。三維設(shè)計(jì)平臺(tái)不僅能夠校驗(yàn)導(dǎo)線拉力，同時(shí)還能夠計(jì)算常規(guī)短路電流以及計(jì)算蓄電池容量等，通過使用軟件完成計(jì)算工作并且在將計(jì)算書自動(dòng)導(dǎo)出，不需要單獨(dú)開展計(jì)算賦值工作，該項(xiàng)工作的實(shí)施能夠在一定程度上有效縮短設(shè)計(jì)周期[5]。不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)工作的執(zhí)行應(yīng)該嚴(yán)格遵循國(guó)網(wǎng)公司提出的“三通一標(biāo)”的要求，同時(shí)，設(shè)備廠家也應(yīng)該根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司的通用設(shè)備來制定生產(chǎn)計(jì)劃。如此一來，才能夠?qū)⒏鱾€(gè)專業(yè)之間的設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。與此同時(shí)，由三維設(shè)計(jì)平臺(tái)所提供的CAD圖紙導(dǎo)出功能和二維視圖界面功能，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員根據(jù)需要進(jìn)行選擇提供便利，圖2是變電站三維總平面圖。

(3)完成變電站總平面圖的設(shè)計(jì)工作之后，各個(gè)建筑物的正面圖，俯視圖以及立面圖都能夠根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際需要自行生成。而電氣專業(yè)的間隔斷面圖以及配電裝置圖不需要再次繪制，只需要從總平面圖中進(jìn)行切割即可，各項(xiàng)設(shè)備的參數(shù)也能夠自動(dòng)生成。如果需要調(diào)整總平面圖，各個(gè)斷面圖以及配電裝置圖都能夠自行調(diào)整完成，在此過程中，無(wú)需大量的人工操作，從而有效降低設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率。

4.2 現(xiàn)階段三維設(shè)計(jì)的不足之處

從上述內(nèi)容分析可得，變電站三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的使用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)被越來越多的設(shè)計(jì)單位廣泛采用，和常規(guī)的二維設(shè)計(jì)平臺(tái)相比，三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的使用不僅能夠有效提升設(shè)計(jì)工作效率，同時(shí)還能夠最大限度降低可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的幾率，從而有效確保工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。除此之外，盡管三維設(shè)計(jì)具有很好的使用前景，但是，目前仍然處于試點(diǎn)應(yīng)用階段，在實(shí)際運(yùn)用的過程中仍然存在著以下方面的問題：(1)國(guó)網(wǎng)公司的設(shè)備模型庫(kù)不健全，盡管主要的設(shè)備模型都有，但是一些輔助設(shè)備缺失，比如，消弧線圈，變壓器中性點(diǎn)設(shè)備以及保護(hù)測(cè)控等二次設(shè)備模型。這些模型的不統(tǒng)一現(xiàn)象就會(huì)造成各個(gè)設(shè)計(jì)人員和廠家建模形式的多樣化。(2)設(shè)備建模的技術(shù)要求和深度仍然需要進(jìn)一步加以明確，建模的基本圖元不明確。(3)各個(gè)設(shè)計(jì)單位的三維設(shè)計(jì)成果如何才能實(shí)現(xiàn)信息共享、三維設(shè)計(jì)移交之前的范圍、工程竣工資料以及三維設(shè)計(jì)的深度和格式要求仍然需要進(jìn)一步明確。

5 三維數(shù)字化的發(fā)展階段和目標(biāo)

可以將電網(wǎng)工程的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)分為起步階段，發(fā)展階段以及成熟階段。如今，我國(guó)三為數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)度過了起步階段，正在經(jīng)歷著發(fā)展階段，這一階段正是攻堅(jiān)克難的時(shí)期：(1)起步階段使用了三維數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)相關(guān)概念，并且初步用到了電網(wǎng)工程，這一階段需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是完成可視化展示以及設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化移交。(2)發(fā)展階段逐步實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，完成的數(shù)據(jù)交互，平臺(tái)功能以及信息處理等問題，該階段需要達(dá)成的目標(biāo)是深度應(yīng)用重點(diǎn)工程，以此來有效提升設(shè)計(jì)工作質(zhì)量火綜合效益，并且逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的參與。(3)成熟階段形成了完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系以及國(guó)家體系，確保工程設(shè)計(jì)全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)成果的廣泛應(yīng)用[6]。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，目前三維設(shè)計(jì)工作仍然處于試點(diǎn)階段，但是，其推廣使用已經(jīng)勢(shì)在必行。在后期發(fā)展過程中，國(guó)網(wǎng)公司應(yīng)該嚴(yán)格按照“三通一標(biāo)”的要求，對(duì)通用設(shè)備的模型加以細(xì)化，并且還應(yīng)該完善公用設(shè)備模型。與此同時(shí)，需要做好設(shè)計(jì)深度要求，模型創(chuàng)建技術(shù)要求以及成果移交要求等方面的細(xì)化梳理工作，同時(shí)還應(yīng)該出臺(tái)相應(yīng)的文件，真正達(dá)到工程項(xiàng)目三維評(píng)審、三維設(shè)計(jì)以及三維移交的目的。