BIM技术在输变电工程的应用成熟度评价研究

朱云祥，夏华丽，劳咏昶，孙秋洁，刘 提

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310008；3.国网浙江省电力有限公司建设分公司，杭州 310009）

0 引言

自2005年BIM（建筑信息模型）由Autodesk公司在中国推广软件时首次介绍起，经过十多年的发展，BIM相继在天津港码头、奥林匹克公园瞭望塔、世博会多个场馆和配套设施、广州新CBD珠江新城等项目中获得应用，其经济效益和社会效益得到社会认可。因此，在2017年国务院办公厅《关于促进建筑业持续健康发展的意见》中明确提出发展BIM技术的重要性。

在输变电工程中，BIM已经成功应用于天津永定河220 kV变电站、上海世博会地下智能变电站、上海容灾中心等重要电力工程，尤其在电力市场改革以及智能电网建设全面发展的进程中，电网企业需要利用BIM技术整合工程决策、设计、招投标、施工、竣工等多个阶段的信息，实现系统规划、三维设计、虚拟施工、协同管理、辅助运营的全寿命周期工程管理和信息共享，促进输变电工程建设持续健康发展。

由于目前BIM在输变电项目中的应用广度和深度有限，没有统一衡量BIM在项目中应用程度的指标，因此亟须一套衡量指标评估项目应用的成熟度和寻找BIM应用薄弱点。本文通过对BIM在输变电工程应用场景分析，针对应用的深度和广度建立成熟度评价模型，据此判断输变电工程中BIM技术的实施能力，找到不足之处，制定针对性的改善策略和提升建议，以到达更高的应用成熟度。

1 BIM技术在输变电工程的应用场景分析

BIM既是一种方法和工具，也是利用所创建的模型对项目进行管理的过程。而在输变电工程领域，BIM是对工程设备、建筑等主体的数字化表达，更是促进各个工程参与方协同合作并自动处理的过程，还是贯穿全寿命周期信息集成和数据分析的工具。因此，BIM技术应用体系至少应包含3个维度，即全过程、全要素、全组织。

1.1 BIM在工程全过程的应用

输变电工程的全过程包括规划、设计、施工、运营、改造和拆除6个主要阶段，BIM主要成型于规划至施工阶段，运营至改造阶段会有局部的维护、记录、变更等信息的录入与更新。

（1）规划阶段。BIM可应用于对项目布局进行详细分析，不同方案的实景仿真比选等决策支撑，还可有效地对大量文档、图形等文件进行保管维护，以便数据查询处理。

（2）设计阶段。BIM可应用于建立包含全面项目信息集成的主体模型，当某项数据更新修改时随之自动更正；处理不同专业之间的协调沟通问题，BIM能使设计冲突、碰撞检测等协作工作变得简单，避免信息交流滞后；BIM可视性使得各专业设计人员能从形态形状、空间位置等方面获得直观感受，有效避免设计偏差。

（3）施工阶段。BIM可应用于施工进度模拟与安排、自动进行成本分析以及施工方案比对等方面，对工程进行实况模拟寻找解决办法；向厂商实施传输所有构件的形状、尺寸、工艺等要求，实现构建预制加工的准确预制，缩短施工工期；可应用于物资跟踪管理，实现物资和设备的完整记录和实时追踪；可应用于搭建施工阶段的业主、设计单位、总包商、各级分包商、供应商、监理方、招标代理单位等参与方的沟通平台。

（4）运营、改造和拆除阶段。通过BIM集成事故的发生频率和发生原因，结合实时获得各类设备、构件等施工工艺、厂商等详细信息，应用于项目日常管理、定期维护、计划检修、事故抢修等方面。

1.2 BIM在工程全要素的应用

输变电工程全要素包括了安全、质量、进度、成本和人员5个基本要素。安全要素方面，BIM可通过安全控制重点、重点危险源的模拟演示，实现危险源排查、安全检查以及安全培训等的应用；质量要素方面，通过现场设备性能、状态等实行模拟，BIM可应用于材料构件跟踪，质量实时监控，质量隐患排查等；进度要素方面，通过将空间信息与时间维相结合，实现过程可视化，BIM可应用于进度施工模拟，实施进度计划优化，进度工作分解，进度分级细化管理等；成本要素方面，通过将物资价格信息、分包报价信息等价值信息集成至BIM模型中，可应用于工程量准确计算，造价变更有效管理，资金使用需求测算，项目全寿命成本优化等方面；人员要素方面，BIM虽然减少了项目参与人员的简单、重复性工作，但增加了项目管理人员的决策难度，同时对人员素质提出更高的要求。

1.3 BIM在工程全组织的应用

输变电工程相关的政府部门、业主、设计单位、施工单位、监理单位和厂商等都将参与到工程建设与管理中，在项目的全寿命周期中不断发挥作用，因而，BIM在工程全组织中的应用分析主要从上述组织单位的角度展开。政府部门对BIM的应用主要有项目环境模拟，城市地理相关的BIM模型开发以及促进BIM发展的政策制定；业主单位对BIM的应用贯穿工程的整个生命周期，主要是通过BIM搭建沟通纽带和交流平台，业主作为纽带将其他参与方连接；设计单位对BIM的应用主要为三维模型设计开发，管线综合和碰撞检测设计、协同设计等；施工单位对BIM的应用主要为安全管理、进度控制、质量管理、施工组织协调等；监理单位对BIM的应用主要为项目施工全过程的监督；厂商对BIM的应用主要为结构预制件、设备BIM模型的开发等。

2 应用成熟度评价模型

2.1 成熟度模型相关理论

美国Carnegie-Mellon（卡内基-梅隆）大学提出的CMM是成熟度模型的起源，目前已成为最具影响的成熟度模型[1]，之后成熟度模型的主要发展方向为能力成熟度模型和项目管理成熟度模型。而在BIM技术兴起后，BIM成熟度模型成为项目管理成熟度模型的重要研究分支，本文主要研究和借鉴了国外2类比较成熟的BIM成熟度评价模型的相关研究体系：其一是NIBS（美国建筑科学协会）提出的一套以项目生命周期为基础，以信息交换为核心的可量化的BIM评价体系，选择了数据丰富性、生命周期、变更管理、角色或专业、业务流程、时效性、交付方法、图形信息、空间能力、信息准确度、互操作性等11个指标要素进行详细描述。其二是澳大利亚Succar提出的BIM组织管理成熟度模型，简称BIMOPM3，由3个维度构成，第1维度为成熟度等级，分为初始级、可定义级、管理级、集成级和优化级；第2维度为建设工程项目生命周期的各个阶段；第3维度BIM应用评价指标域，包括了技术层面、过程层面和政策层面。BIMOPM3模型明确了评价BIM应用分析的基本框架。

2.2 BIM在输变电工程应用成熟度评价指标体系

本文主要在上述2类模型体系的基础上，根据BIM在输变电工程应用的主要领域特点，从应用效果角度分析BIM在输变电工程应用中的广泛性、深入性。因此，本位将评价维度分为广度和深度，BIM应用的广度根据上述项目全过程、全要素和全组织的应用范围分析开展评价。根据BIMOPM3模型，BIM应用的深度包括功能深度、组织深度和政策深度[2-3]。功能深度是指应用BIM功能的技术能力和解决问题能力，通过模型开发程度、信息完整度、信息交互能力、信息共享程度以及硬件配置等指标来衡量。组织深度是指组织间协同应用BIM的程度和互操作性平台搭建的程度，通过项目中组织间协同合作深度、各方在BIM应用中的参与度、项目各方的BIM专业水平和BIM工作效率等指标来衡量。政策深度是指在建设过程中BIM应用的标准规范和合同。因此，根据上述分析，建立了BIM在输变电工程应用成熟度评价指标体系，如表1所示。

2.3 BIM在输变电工程应用成熟度评价模型

根据表1的BIM应用成熟度评价指标体系，对各指标成熟度进一步进行细化划分，每个三级评价指标分为5个成熟度等级，由数字1-5来表示成熟度逐渐增加。

表1 BIM在输变电工程应用成熟度评价指标体系

（1）全过程应用广度指标：等级1为部分功能应用；等级2为设计阶段应用；等级3为规划阶段及设计阶段应用；等级4为规划阶段、设计阶段及施工阶段应用；等级5为全寿命周期应用。其中，规划阶段为BIM模型维护、场地分析、站线策划、决策支持等；设计阶段为方案论证、可视化设计、协同设计、工程量统计等；施工阶段为施工进度模拟、施工组织模拟、数字化建造、物料跟踪等；运营阶段为竣工BIM移交、资产管理、运维计划项目财务；拆除报废阶段为项目拆除、项目退役。

（2）全要素应用广度指标：等级1为单一要素应用；等级2为少数要素应用；等级3为多数要素应用；等级4为绝大部分要素应用；等级5为安全、质量、进度、成本和人员等要素应用。

（3）全组织应用广度指标：等级1为单一组织应用；等级2为少数组织应用；等级3为多数组织应用；等级4为绝大部分组织应用；等级5为政府部门、业主、设计单位、施工单位、监理单位和厂商等全组织应用。

（4）BIM三维模型开发程度指标：等级1为概念体量设计；等级2为方案及初步设计；等级3为细部设计（施工图及深化施工图）；等级4为加工制造；等级5为竣工后模型。

（5）BIM信息完整度指标：等级1为几何信息；等级2为几何信息、构件编码信息；等级3为几何信息、构件编码信息、位置信息；等级4为几何信息、构件编码信息、位置信息、功能参数信息；等级5为几何信息、构件编码信息、位置信息、功能参数信息、监控传感器信息。

（6）BIM信息交互能力指标：等级1为人工收集与读取；等级2为BIM提供有限数据读取；等级3为BIM提供完全数据读取；等级4为BIM实现有限实时交互；等级5为BIM实现动态实时交互。

（7）BIM信息的共享程度指标：等级1为无共享；等级2为有限信息通过软件之间各自协议转换共享；等级3为大部分信息通过软件之间各自协议转换共享；等级4为部分软件使用统一IFC格式或其他进行数据交换；等级5为全部软件使用统一IFC格式或其他进行数据交换。

（8）硬件配置指标：等级1为设备不齐全、配置不满足BIM要求；等级2为设备齐全、配置满足BIM要求；等级3为设备齐全、配置支持BIM快速运行要求；等级4为设备齐全、配置超过BIM快速运行要求；等级5为设备齐全、配置超过BIM快速运行要求，后备充足。

（9）项目组织间协同合作程度指标：等级1为没有合作；等级2为有一定合作；等级3为各方按照BIM要求合作，配合程度一般；等级4为各方按照BIM要求合作，配合程度较高；等级5为各方按照BIM要求积极合作，共同解决问题。

（10）项目各方BIM应用的参与度指标：等级1为参与度很低；等级2为参与度较低；等级3为参与度一般；等级4为参与度较高；等级5为完全积极参与。

（11）项目各方的BIM专业水平指标：等级1为很低；等级2为比较低；等级3为一般；等级4为比较高；等级5很高。其中，专业水平指各方人员能否熟练使用BIM及BIM相关应用。

（12）BIM工作效率指标：等级1为很低；等级2为比较低；等级3为一般；等级4为比较高；等级5很高。其中，判断工作效率的标准是看工期是否缩短、工作错误是否减少和工作质量是否提高。

（13）BIM标准和规范指标：等级1为无BIM相关标准；等级2为有BIM示范项目，无标准规范；等级3为出台了相关实施准则和指导方针；等级4为出台行业标准、判定体系等；等级5为国家、行业、地方等系统规程、指导方针明确。其中，BIM标准规范包括3类：分类编码标准、数据交换标准、数据产生标准。

（14）BIM合同指标：等级1为有BIM工作的基本内容及交付要求；等级2为明确规定BIM建模深度、模型数据格式；等级3为明确BIM负责人及职责，各参与方的职责、报酬和义务，执行过程的各项规范；等级4为有项目BIM模型成果的交付格式和深度；等级5为有项目专有技术和专利等成果的产权归属。其中，判断依据有BIM合同主要内容详细程度、履约和报酬等要素。

根据BIM在输变电工程的应用水平，将BIM应用成熟度评价结果划分为5个等级[4-5]，分别为：初始级，BIM应用准备阶段；可定义级，基于对象的建模阶段；管理级，基于模型的协作阶段；集成级，基于协作的集成阶段；优化级，集成化项目交付阶段。

3 算例分析

3.1 BIM技术应用实例

某500 kV输变电工程采用广联达BIM5D平台进行BIM应用实施，通过三维模型数据接口集成土建、钢构、机电、幕墙等多个专业模型，并以BIM集成模型为载体，将施工过程中的进度、合同、成本、工艺、质量、安全、图纸、材料、劳动力等信息集成到同一平台，模型效果如图1所示。

图1 500 kV户内变电站BIM模型

工程依据施工蓝图及变更修改图建立变电站三维信息模型，包括建筑、结构（包含钢结构）、电气、机电等各专业模型。采用的建模软件为Au todesk Revit（用于土建和电气建模）、Tekla Structures（用于钢结构建模）。采用Lumion软件制作三维漫游视频，如图2所示。

图2 500 kV户内变电站三维漫游全景

通过Navisworks软件对变电站BIM模型进行硬碰撞和软碰撞的检查，如图3所示。

将审查的施工进度计划和实际施工相关的时间数据导入到BIM5D平台，实时比较，以关键节点为界限进行对比分析，找出进度问题，进行针对性管控。

3.2 BIM应用成熟度评价

按照给定的建设项目BIM应用成熟度等级划分、评价指标的评分标准，判定所选工程案例的成熟度等级和BIM应用水平。

指标权重采用层次分析法确定，构建了各层次指标的两两比较判断矩阵表，由于本评价模型具有较大的主观性，因此邀请全程参与该项目且工程经验丰富的10位专家对指标进行两两比较判断，取各位专家打分的平均值，得到各指标的权重，再针对项目中BIM应用情况，进行成熟度评价，评价结果如表2所示。

表2 某500 kV输变电工程BIM应用成熟度评价

图3 500 kV户内变电站碰撞检查

由此，该项目得分为3.0225分，在管理级和集成级之间，处于基于模型的协作阶段和基于协作的集成阶段的中间水平。项目的BIM应用已经取得一定成果，完成了部分专业的BIM建模，模型精细度较高。

4 结论

建立BIM输变电工程应用成熟度模型，主要是为正确认识现阶段BIM的应用实际，理清输变电行业未来BIM发展的思路和途径，从而推进输变电行业信息化和项目管理水平的提升。结合成熟度模型和案例分析结果，对在输变电行业进一步普及和深化BIM应用提出以下建议：

（1）提高项目参与人员的BIM专业水平。根据案例评价情况，项目业主、施工单位和监理单位虽然合作建立BIM模型并应用于项目管理中，但是能够熟练应用BIM技术的只有BIM咨询团队，项目直接参与单位的BIM专业水平难以满足BIM全过程应用的需要。

（2）加快输变电工程BIM软件的研发。根据案例评价情况，项目BIM模型在解决遇到的技术难题时并未有效、高效地发挥作用，其主要原因为：虽然目前数据交换和共享方面取得一定成果，但设计、施工、运维阶段的数据传递还没完全打通，从业主、设计到施工对模型的信息共享程度太低；BIM软件数据的互操作性差，不能跟踪进度和成本，缺少应用接口；缺少信息化标准，虽然目前BIM软件很多，但这些软件由不同的开发商研发，并不具备互传信息的功能。

（3）加快形成BIM输变电行业应用标准体系。制约BIM在输变电行业发展的重要因素之一是软件及软件接口的成熟度和各数据格式的标准化，可通过规范、合同等约束，引导各软件厂商在开发的过程中进行沟通交流，制定一个统一的开发原则，引导各参与单位在BIM模型建立过程中统一数据格式，标准化数据接口。