4D施工模擬在變電站施工管理中的應(yīng)用

劉軍，謝登科，張金鋒，陳海浪，徐立

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司）

1 引言

為開展高水平的變電站施工管理，BIM 技術(shù)在電力工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用日漸深入。通過軟件建立變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，并對(duì)施工過程進(jìn)行4D仿真模擬，即可優(yōu)選施工的實(shí)施路徑和框架，有效規(guī)避各類影響施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度的因素。

2 變電站施工管理中4D施工模擬的價(jià)值分析

2.1 應(yīng)用價(jià)值

通過關(guān)聯(lián)施工進(jìn)度計(jì)劃與三維設(shè)計(jì)模型，可在4D 模型中整合時(shí)間信息和空間信息，整個(gè)項(xiàng)目的施工過程可由此得到精確、直觀反映，施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)精確掌握、施工資源的優(yōu)化使用均可順利實(shí)現(xiàn)?；诖耍y(tǒng)一控制和管理施工質(zhì)量、資源、進(jìn)度，進(jìn)一步提升質(zhì)量、降低成本、縮短工期。4D 施工模擬離不開BIM 技術(shù)的支持。在BIM模型中，模型圖元信息可通過符號(hào)或參數(shù)數(shù)字確定，包括圖元對(duì)象的物理屬性、幾何數(shù)據(jù)、各構(gòu)件相互關(guān)系等信息。數(shù)據(jù)庫(kù)中可通過數(shù)字形式存儲(chǔ)一個(gè)構(gòu)件參數(shù)化的所有功能特征和實(shí)體，集成數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)。視圖間、視圖和數(shù)據(jù)庫(kù)間存在雙向聯(lián)系性，所有的圖形可輕松協(xié)調(diào)，這種依托BIM 技術(shù)的4D 施工模擬能夠更好地服務(wù)施工管理，應(yīng)用價(jià)值極高。能夠有效規(guī)避作業(yè)次序錯(cuò)誤和沖突，提升工作次序和設(shè)計(jì)變更處理彈性，通過對(duì)施工成本、資源、進(jìn)度、場(chǎng)地的集成化、信息化、可視化管理，4D施工模擬可以更好地為變電站施工管理提供服務(wù)[1]。

2.2 典型應(yīng)用

在變電站施工管理中，4D 施工模擬的應(yīng)用范圍較廣，本節(jié)僅從兩方面介紹4D施工模擬的典型應(yīng)用。

1）工程計(jì)量

傳統(tǒng)人工計(jì)量在效率、質(zhì)量方面很容易出現(xiàn)不足，會(huì)影響施工預(yù)算編制。在基于BIM 技術(shù)的4D 施工模擬支持下，參數(shù)化BIM模型可自動(dòng)生成構(gòu)件信息，且相關(guān)信息變動(dòng)能夠直接在設(shè)計(jì)中得到體現(xiàn)，所有相關(guān)施工文檔和明細(xì)表也能夠自動(dòng)進(jìn)行改動(dòng)，由此開展的工程量統(tǒng)計(jì)分析在成本、時(shí)間節(jié)約方面均表現(xiàn)出色，且不容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。

2）圖紙輸出

以CAD圖紙為主的設(shè)計(jì)成果在構(gòu)件準(zhǔn)確定位方面存在一定欠缺，變電站施工管理也會(huì)受到一定影響?；贐IM 技術(shù)開展4D 施工模擬，即可實(shí)現(xiàn)各類構(gòu)件空間位置和幾何特征的直觀表達(dá)，輔以軟件的自動(dòng)出圖功能，可以為施工提供間接指導(dǎo)，更好地理解設(shè)計(jì)意圖、節(jié)約視圖時(shí)間、有效開展施工管理[2]。

3 變電站施工管理中4D施工模擬的具體應(yīng)用

3.1 案例概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以安徽阜陽(yáng)煤化工園220kV變電站建設(shè)工程（簡(jiǎn)稱煤化工園變電站）作為研究對(duì)象。該工程站址場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高、最高內(nèi)澇水位、自然地面高程分別為27.70m、23.00m、26.90m～27.00m，建成后的變電站可有效提升當(dāng)?shù)毓╇娍煽啃裕瑫r(shí)能夠?yàn)楫?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力支持。作為典型的戶內(nèi)智能站，煤化工園變電站設(shè)置有鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)和鋼框架結(jié)構(gòu)的配電裝置樓，采用鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)作為主變基礎(chǔ)，上設(shè)條形支墩。規(guī)模為：4回220kV出線、2 臺(tái)240MVA 主變壓器、6 回110kV 出線，每臺(tái)主變35kV側(cè)分別裝設(shè)2組10Mvar、1組20Mvar的并聯(lián)電容器。遠(yuǎn)期規(guī)模為：8回220kV出線、3臺(tái)240MVA主變壓器、14回110kV 出線，12 回35kV 出線12 回，并聯(lián)電容器采用相同規(guī)格裝設(shè)。

3.2 建立變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)模型

為保證煤化工園變電站的施工管理順利開展，工程基于BIM 技術(shù)開展了4D施工模擬。工程首先建立了數(shù)字信息模型。具體設(shè)計(jì)的平臺(tái)及環(huán)境為Micro‐Staion，包含多個(gè)專業(yè)應(yīng)用模塊，協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)采用ProjectWise，不同平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)可由此實(shí)現(xiàn)，具體如圖1所示[3]。

圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)示意圖

在具體的變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)模型建立中，需圍繞電氣一次、電氣二次、總圖、建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通專業(yè)建模，如總圖涉及地形建模、圍墻、站內(nèi)道路和進(jìn)站道路、電纜隧道，建筑涉及建立軸網(wǎng)、墻體設(shè)計(jì)、樓板和屋頂設(shè)計(jì)、門窗設(shè)計(jì)、建筑效果形成。以電纜隧道的建模為例，需開展參數(shù)化的溝道布置建模。溝道在變電站中的位置及走向、截面大小可基于三維布置直觀展示。電纜溝坡向、電纜支架類型、拐角形式選擇可得到場(chǎng)地豎向布置的支持。存儲(chǔ)入庫(kù)常用的工程電纜溝模型，方便直接調(diào)用，同時(shí)為計(jì)算電氣專業(yè)的電纜長(zhǎng)度和電纜敷設(shè)計(jì)算提供便利。圖2為電纜溝參數(shù)化設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 電纜溝參數(shù)化設(shè)計(jì)示意圖

3.3 4D施工模擬

4D 施工模擬的基本流程可概括為：導(dǎo)入模型→配置資源外觀→3D模型與時(shí)間關(guān)聯(lián)→4D模型審閱→成果輸出。這里的成果輸出涉及進(jìn)度推演視頻、節(jié)點(diǎn)報(bào)告。節(jié)點(diǎn)報(bào)告由基坑開挖完成、地下室墊層澆筑完成、筏板基礎(chǔ)澆筑完成、出±0m、柱子安裝完成、結(jié)構(gòu)主體安裝完成、墻板安裝前、主變安裝完成、GIS 安裝完成組成。為保證4D施工模擬更好地用于煤化工園變電站的施工管理，工程針對(duì)性建設(shè)了BIM核心團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)由建模部門、協(xié)作部門、成本部門、分析部門組成，負(fù)責(zé)BIM計(jì)劃的實(shí)施、變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)模型的建設(shè)、4D 施工模擬的開展。項(xiàng)目經(jīng)理和BIM 核心團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人通過協(xié)商確定相應(yīng)任務(wù)和職責(zé)的劃分。

基于4D 施工模擬，工程針對(duì)性開展了施工宏觀管理、中觀管理、微觀管理。施工宏觀管理主要依托4D施工模擬對(duì)煤化工園變電站的整體建筑和設(shè)備的規(guī)劃布局進(jìn)行直觀展示，可視化的工程展示能夠加深施工和安裝人員對(duì)工程的了解，施工項(xiàng)目快速查詢也可通過Synchro 4D 軟件點(diǎn)選相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備和建筑實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)整體施工信息查詢、建設(shè)歷史查詢。通過自由切換微觀管理視圖、中觀管理視圖、宏觀管理視圖，結(jié)合工程整體和各個(gè)區(qū)域的里程碑節(jié)點(diǎn)于時(shí)間軸上的標(biāo)識(shí)，可靈活查看進(jìn)度計(jì)劃、各方信息并進(jìn)行可視化展示。任意時(shí)間點(diǎn)的工程進(jìn)展情況查詢、耗費(fèi)的成本和完成的工程量查看也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)，由此即可對(duì)施工歷史進(jìn)行快速了解。施工方和監(jiān)理方可以此為依據(jù)更好對(duì)工程的資金流和時(shí)間流進(jìn)行把控。中觀管理同樣需要得到4D施工模擬支持，如通過切換視圖對(duì)建筑的3D模型、內(nèi)部平面布局圖、剖面圖進(jìn)行查看，并基于模擬結(jié)果優(yōu)化調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，也可由此開展動(dòng)態(tài)施工進(jìn)度管理、虛擬漫游的技術(shù)交底。設(shè)備和建筑的施工工序明確、施工過程的科學(xué)評(píng)估、相應(yīng)問題和隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)可助力施工管理質(zhì)量的提升。微觀管理主要圍繞煤化工園變電站的管線及電氣設(shè)備開展，以此優(yōu)化設(shè)備安裝和管線布置，可規(guī)避窩工、返工等問題，施工進(jìn)度和質(zhì)量得到控制。4D 施工模擬可同時(shí)用于安裝過程的分析和優(yōu)化，精細(xì)化管理施工成本、資源、安全、質(zhì)量、進(jìn)度，并能夠動(dòng)態(tài)計(jì)算每月、每周完成的工程量。

3.4 成果總結(jié)

結(jié)合煤化工園變電站的4D施工模擬實(shí)踐可以了解到，4D 施工模擬為該工程的施工管理提供了有力支持，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)意圖的直觀表達(dá)、可視化施工圖設(shè)計(jì)交底、施工關(guān)鍵點(diǎn)模擬、施工交通組織優(yōu)化、全過程施工進(jìn)度模擬、高安全風(fēng)險(xiǎn)安裝作業(yè)模擬、輔助施工安全管理等方面，保障了工程的施工質(zhì)量、效率、安全。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，4D 施工模擬在變電站施工管理中的應(yīng)用前景廣闊。在此基礎(chǔ)上，本文介紹的變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)模型、4D施工模擬等內(nèi)容，直觀展示了4D 施工模擬的應(yīng)用路徑。為更好地服務(wù)變電站施工管理，4D施工模擬過程中的信息關(guān)聯(lián)、屬性關(guān)聯(lián)應(yīng)得到重視。