特高压组塔措施推演辅助BIM应用与研究

周静瑜

(华东建筑设计研究院有限公司， 上海 200041)

监理工作

特高压组塔措施推演辅助BIM应用与研究

周静瑜

(华东建筑设计研究院有限公司， 上海 200041)

摘 要：特高压交流输变电线路工程组塔施工面临铁塔高度高、尺寸大、重量重、施工难度大等因素的挑战。为了确保施工过程的顺利安全，需要一定的方式来对制定的组塔方案进行预演及施工模拟。采用BIM技术则可解决这一问题。在实际工程项目中首次利用BIM技术，对铁塔设计成果和施工工艺进行三维数字模型化的集成及过程推演，成功优化了组塔方案。一方面推动了科技进步，增加了项目管理的亮点；另一方面也为我国特高压电网安全、高效施工建设起到了技术支撑及促进的作用。

关键词：特高压电网；组塔施工；BIM技术；过程推演

0 引 言

随着特高压输变电工程的大量出现，工程建设规模和项目复杂程度日益增加，出现了大量新的大型塔型、施工方案和施工机具。面对无案例参考的挑战，承建单位以往以经验指导施工的工作方法，已逐渐无法适应行业内施工企业向管理型施工企业发展的趋势。BIM 的发展已经为各个行业带来福音，特别是在工程建设领域，住建部编制的《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》中明确提出，要推进 BIM 协同工作等技术应用，普及可视化、参数化、三维模型设计，以提高设计水平，降低工程投资，实现从设计、采购、建造、投产到运行的全过程集成运用。BIM 的诸多特性符合施工企业转型升级的要求。

BIM 不同于单一的三维模型，也不同于操作一两个软件，更不同于以往的效果图演示。BIM 是一种方法论也是一个过程，是全过程控制、全员参与、持续改进等先进管理理念从抽象概念落实到具体生产环节的有力抓手，是施工企业从经验指导施工向精细化管理、精益化施工过渡的有效的辅助手段。面对大量复杂和首次出现的新项目，在无成功案例可参考借鉴的情况下，BIM 的完整性、真实性、唯一性、连续性、虚拟仿真等特点，能让我们提前体验项目建成和建造过程中的各个重要环节，提前发现问题和隐患，减少可以避免的风险和损失，提高项目管理人员对质量、造价、安全、进度的控制力，适用于多种项目。同时也是企业知识管理、技术创新的重要手段和可持续发展的动力。

1 国内外研究概况

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型化)技术是继 CAD(计算机辅助设计)技术后，建设工程信息化历史上的又一次革新。它已经从一个概念逐步成长为如今成熟的应用工具。目前 BIM 通常是通过定制的兼容协议(IFCs)实现数据信息的共享和交互，并逐步从原先单一的建筑三维建模软件向进度、成本等管理软件集成，最终把工程的多个要素和各参与方集成在一个工作环境(平台)中，实现面向同一个工作对象(工程项目)的建设工程 3D 可视化、集成化管理，帮助所有工程参与者提高决策效率和正确性。

近几年 BIM 技术在国内外已进入应用阶段，尤其在设计单位和建设管理单位。例如 2010 年世博会德国馆、上海中心以及迪拜市的迪拜塔，都是 BIM 技术在建设工程中应用的成功案例。

早年，在科罗拉多大学健康研究中心 2 期工程中，有RC1 和 RC2 两栋规模相同的待建综合楼。其中 RC1 没有启用BIM，而 RC2 采用 BIM 解决方案。从表 1 的统计数据中不难发现，采用 BIM 技术建造的项目无论在控制造价还是在优化进度等方面，都有明显的优势。

表 1 RC1&RC2项目造价及工期对比表

而在施工企业和电力行业 BIM 技术尚处于探索阶段。即使在将此项技术应用于生产过程的为数不多的企业中，BIM也仅仅主要扮演辅助工程管理的角色。例如建筑结构和设备产品的建模和可视化、过程建模及分析、协作和交流。另外，由于大多情况下 3D 建模的进度编排、成本控制和施工过程控制，这三者之间都是完全独立的应用环境(软件)，数据结构和文件格式都不同。他们之间很难实现底层数据上的直接交互，也更谈不上即时的双向数据联动。

2 研究目的与用途

根据特高压输电“十二五”规划，为了形成大规模的“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局，大范围的建设特高压电网已成为必然。由于特高压电网组塔施工难度普遍较大、受地形影响因素较多，如何高效安全地施工已经成为行业内关注的热点。此次研究的目的就是为了让 BIM 能够完全参与到整个特高压组塔施工过程中，改善施工方案，提高施工质量及安全性。一方面能够推动电力行业的科技进步，增加项目管理的亮点；另一方面也为我国特高压电网的安全和高效建设，提供了一个技术支撑和参考。

3 某特高压交流输电线路组塔施工辅助BIM应用实例分析

下面就特高压线路中某一铁塔在 BIM 实施环境下组立施工所遇到的一些问题，进行探讨和分析。

3.1 项目概况

该特高压线路大部分处于高山峻岭中，山体坡度陡峭。该塔形塔窗尺寸大、高度高、横担宽度宽、重量大、组塔施工外拉线设置困难，施工难度较大。

3.2 前期准备

详细审看施工图纸、施工机具图纸；收集相关技术资料和数据信息，包括施工机具的性能参数、施工技术措施等；熟悉施工工艺和注意事项。

3.3 软件工具选择

为了制作一个用于施工技术措施推演的数字样机，选择合适的三维软件非常重要。因此，要在对目前市场上主流的BIM 商业软件如 Revit、Tekla、Rhino、Inventor、Catia 等范围内进行比选。

其中 Revit，更适用于民用建筑设计，且在钢结构专项方面的设计推敲比较薄弱。Tekla 在钢结构设计领域处于世界领先地位。它通过创建三维模型自动生成钢结构详图和各种报表，是一款智能、全面的钢结构设计的解决方案。许多企业将尽快掌握和使用 Tekla 产品作为“首要任务”。从施工企业本身的企业特点、应用需求来看，施工企业的技术人员现场施工和管理经验比较丰富、但计算机水平和设计知识相对较弱。同时，施工企业的现场技术人员应用三维技术的出发点，大多以解决某个实际工程问题为主，而非全过程的钢结构分析设计；施工企业技术措施的推敲多以几何层面的工艺和工序措施分析为主。因而技术人员最终选择了上手更快、兼容格式更多的 Rhino 作为前期工具；在后端环节选择了与既有 Autodesk 产品兼容更便捷的 Inventor 作为装配模拟平台。现阶段这种软件工具使用的组合，一方面能在短时间内，在技术人员队伍中扩大 BIM 等数字化新技术在传统以经验为主导的施工企业中的应用普及程度；同时也为下一阶段的转型和升级，打下一定的技术基础。

3.3 三维铁塔单线模型搭建

本项目中，首先利用 Rhino 对二维施工图纸进行预处理，在建模前期确定铁塔空间定位的准确性。在不能确保施工图尺寸完全正确的情况下，不建议按单元分开建模最后再整合的方法。此方法会由于各单元图纸累计误差使得最后的整体模型精度无法得到保证。我们可以选择在同一文件下采用两两相对定位的方法，从塔脚与地面基准点的定位，再到塔身与塔脚的定位，最后再到横担与塔身的定位的顺序，自下而上进行整体定位。使得每个单元之间的衔接性更强，整体性更强，模型精度更高，且符合施工工艺流程。

3.4 塔片装配，实体模型截面填充

从 Rhino 里提取各个单元的 CAD 线模，导入到 Inventor中。根据图纸反映的构件截面信息，对每根单线进行相应的型材截面赋予，形成各个单元的铁塔实体模型。最后再将各个实体单元按照图纸依次互相装配约束(见图 1)。此时，前期 Rhino 整体建模的优势就能体现出来。由于各单元皆由整体模型抽取出来，在整合的时候无需再进行定位拟合。

图 1 Inventor铁塔整体实体模型

3.5 起重设备模型搭建

本次采用落地双摇臂冲天抱杆组立铁塔。其特点是在用内拉线的情况下，有着很强的起吊能力。

冲天抱杆模型搭建顺序同铁塔一样，先搭建单线模型，再装配成整体抱杆(见图 2)。

图 2 Inventor冲天抱杆实体模型

3.6 组塔方案推敲与优化

由于 BIM 模型具有真实性、唯一性和连续性等特点，工程技术人员在此环节可对三维模型中的任意塔片进行实时动态的三维观察，读取物理特性和吊装工况等信息(见图 3)。每片吊装单元的重量皆可直接从软件中读取，通过软件来对整个铁塔组立吊装过程进行实时把控和研究。不能满足吊装要求的工况，可以更加直观及时地进行优化。

图 3 Inventor吊装工况分析示意图

对每一步吊装步骤进行吊重分析，包括能不能满足起吊重量、起吊半径、临时措施以及班线的拉设等(见图 4)。

图 4 通过Inventor针对各工况进行吊重分析

若发现有不能满足现场吊装工况的情况，就要进行方案推敲与优化。利用 BIM 模型则能更高效直观地进行分析与研究。

图 5 为吊装侧横担第三段的吊装工况。由于摇臂长度及吊重限制，此处必须利用人字辅助抱杆系统来进行剩余横担的吊装；场地条件允许的情况下，抱杆顶内拉线可拉至地面。

图 5 侧横担第三段吊装工况

然而，当进行地线支架的吊装工况分析时发现：原先人字辅助抱杆的长度可能不能满足最外侧边横担的吊装工况，地线支架的位置也会与钢丝绳发生碰撞。工程技术人员通过BIM 模型发现，在吊装地线支架时，可先将人字抱杆向外侧移至地线支架附近。经过测量，通过一定角度的旋转，则可满足边横担的吊装工况(图 6)。

图 6 调整后的边横担吊装工况

此类问题，在以往用二维方式推敲时，示意图较为抽象，无法反映吊装过程的真实工况；如果在现场发现，不仅影响工期和造价，还会带来安全、质量等方面的诸多隐患。

4 结 语

BIM 技术属于计算机技术在工程施工领域的最新应用技术，具有 3D 仿真或虚拟现实技术的优点。结合施工进度，能够完美表现工程项目的施工流程。

上述实例是国内电力施工行业首个在送电铁塔组塔施工中应用 BIM 技术和方法的案例，响应《2011—2015 年建筑业信息化发展纲要》实现建筑企业信息系统的普及应用、加快BIM 等新技术在工程中的应用发展的成功探索案例。在行业内有着非常重要的意义。

施工企业迟早会跳出纯施工的观念。BIM 也迟早会从单纯的技术层面提升到项目管理层面，最终与企业的 ERP 系统进行打通，实现基于 BIM 的项目全生命周期的协同管理。此次特高压组塔推演辅助 BIM 应用的研究成果，也为提升我国电网建设水平奠定了基础。

监理工作

中图分类号：F407.9

文献标识码：B

文章编号：1007-4104(2014)07-0015-04

收稿日期：2014-05-06

作者简介：周静瑜(1973—)，女，高级工程师，现就职于华东建筑设计研究院有限公司，担任海外事业部总经理一职，长期从事工程技术、新技术研究与项目管理工作。

通信地址：上海市汉口路151号。