变电站三维设计成果在施工组织设计中的应用研究

杜 宏 李凤亮 王 军 耿世英 赵晶辉 王新辉 张 艳

（1、北京洛斯达数字遥感技术有限公司，北京100120 2、中能智新科技产业发展有限公司，北京100120）

1 变电站施工组织设计现状

变电站施工是一项复杂且有安全风险的系统工程，而施工组织设计是对施工活动实行科学有效管理的重要手段[1]。施工组织设计的主要作用是：通过编制，明确工程的施工方案、施工顺序、劳动组织措施、施工进度计划及资源需用量与供应计划，明确临时设施、材料及机具的具体位置，有效地使用场地，提高经济效益。经验证明，如果变电站施工组织设计能反映客观实际，符合国家政策和合同规定的要求，符合施工工艺规律，并能认真地贯彻执行，那么施工就可以有条不紊地进行，就能较好发挥投资效益。

施工组织设计的编制一般由项目经理组织，由项目总工及相关技术骨干，依据合同文件及调查资料，以及设计成果，根据自身的工作经验及国家相关部门制定的规章规范，自行编制。现行的规章制度及标准工艺等，多以定性的条件来约束施工的边界，控制安全施工的范围，针对一类施工过程进行通用性的要求和规定，缺乏针对具体工程的具体问题，进行定量和精确的分析，进而给出合理化建议。正是因为如此，使相关的规定和要求流于形式，无法落地指导实际施工组织设计工作，进而引发施工过程与施工组织设计脱节，形成风险隐患，并影响项目进度和质量。

2 变电站三维设计成果分析

国家电网公司制定了GIM三维设计成果的标准，用于规范各个设计院及不同设计软件的成果输出，为变电站建设单位及施工、监理、运维等单位进行三维数字化移交，制定质量标准。同时为三维设计成果的后续应用奠定坚实的基础。

标准规定了三维设计成果以GIM格式存储。约定了用参数化方式建模，所有构件都富含设备设施信息，通过梳理各个阶段的共性需求，将输变电工程信息加以规范，建立统一的模型框架和描述方式，实现不同平台的采集及应用。

三维设计成果GIM数据中采用面向工程对象管理的原则，将其分为5 级，全站级，系统（区域）级，子系统（子区域）级，设备（设施）级，部件级[2]：

GIM数据以输变电工程信息数据为基础，采用三维数字化技术建立的工程信息集合，是对输变电工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，具备完备性、关联性、一致性、唯一性、扩展性等特点。

三维设计成果GIM数据通过研究模型接口技术和统一编码系统，建立贯穿输变电工程全过程的信息模型。将输变电工程中建筑、设备等构成元素数字化，以信息模型为载体，集成全寿命周期内的信息，是对输变电工程物理特征和功能特性信息的数字化承载。三维设计成果GIM数据在这方面的优势如下：

（1）数据覆盖全。三维设计成果GIM模型数据其覆盖了整个输变电工程全寿命周期内的每个单元的模型及信息，包括设计阶段、施工阶段以及运行阶段中涉及到的电气、土建、结构、水暖、场地等基础建设对象模型以及电气设备对象模型等全部专业内容。

（2）模型数据层级分明。三维设计成果GIM模型数据不仅揽括了全生命周期的模型数据，而且对这些数据进行了区域、系统、层级的划分。对整个工程模型从整体到个体，从区域到具体设施设备，层级分明，其在进行三维数字化时，可以将它们进行合理的整体操作或者单独操作。

（3）属性信息全面。三维设计成果GIM数据中，其为工程项目中需要用到的模型对象都配有相应属性文件，这些对象基本覆盖整个工程以及到区域、设备、部件层级。每个属性文件对其对应的模型对象进行了丰富的信息描述，可同时满足模型使用者、查看者、管理者对模型信息的了解。

（4）数据冗余少。三维设计成果GIM数据中所有模型均采用参数化建模，每个模型均使用最小几何图形单元组合而成，这些最小几何图形成为三维基本图元，包括常规几何体和专用几何体。采用这种结构方式，大量减少了数据量，使得不同模型可以使用相同的基本图元，不会将各自的模型信息全部分别存储，减少数据冗余。

（5）轻量化。三维设计成果GIM文件对存储的模型数据采用7Z算法进行压缩，总体文件的大小相对于其包含的模型数据来说很小，而且文件可设计压缩解压密码，对数据保密性与安全性起到一定的作用。

3 功能模块

系统在深入建设单位、施工单位以及设计单位等一线单位调研的基础上，结合施工组织设计及施工管理的实际，利用先进的三维渲染引擎，研发了管控平台。平台由前期准备、施工规划、专项分析、过程管控以及系统设置五大模块组成。

3.1 在施工进度管理中的应用

施工进度管理模块包含甘特图控件，用以网络图变电站施工工序规划方案中一级对象（单位工程）与二级对象（最小安装单元工程）在时间维度上的展现。甘特图控件可展示工序规划方案中项目工程的层级结构，以及工序对象的先后关系。通过推演功能实现变电站施工方案的动态模拟。施工进度管理模块能够更加直观、全面的对变电站项目施工方案的全过程，从而提高施工进度管理的科学性。

图1 系统及模块界面

3.2 在施工场地布置中的应用

对变电站三维施工场景进行场地规划，根据场地布置的原则，交互式地进行不同区域的划分和布置。并赋予区域属性和功能，系统会对划分的功能区进行分析，对不符合规定或条件的情况，进行预警和提示。确保各区域合理布置、互不影响。

场地布置是施工管理中一项重要的内容，是建立在施工区域及其周边的三维仿真环境上的，在虚拟环境中，管理者可以从不同的角度查看、测量整个施工区域，全面了解施工区域的基本情况。管理者可以在虚拟环境中，交互式地划分不同的功能区域，如材料堆放区、员工生活区、组装区、施工区域等等，并赋予不同的属性。

3.3 在施工安全管控中的应用

风险分析模块主要提供变电站项目施工前后存在风险点的标注与分析，有利于管理人员对项目整体风险进行把控，辅助管理人员排除潜在的安全问题，降低变电站施工的风险发生率。

（1）风险点标注功能。本模块实现风险点的可视标记、定位、查询。通过人机交互在施工方案三维场景中对风险点进行布置与删除。可添加风险点描述、等级、类型等的属性信息。

（2）风险分析功能。通过对电气设备安装过程中，施工机械与电气设备的安全距离进行分析，发现施工过程中的安全隐患，并进行风险预警，辅助管理人员及时对存在的风险进行管控，并通过调整施工方案对其进行规避。

4 在青海冷湖330kV工程中应用

结合在青海省冷湖330kV变电站项目中应用实际来看，运用三维设计成果，结合三维施工管控系统的功能，在以下几个方面能极大地改善施工组织设计工作。

4.1 三维重构GIM数据

GIM格式数据在传统三维设计模型的基础上，更在专业化的层次划分，设备设施的属性规范方面，进行了标准化的规范。系统在克服大数据量读取、批量渲染和模型轻量化的各项困难后，实现了GIM数据的三维重构过程。在场景中精确地还原了GIM的三维模型，构建了层次化的模型，并通过数据属性进行设备设施的统计和管理。

4.2 辅助施工组织设计

通过交互的手段，规划整个项目施工进度方案、自动计算施工进度计划、人机等施工资源需求计划及空间互斥性预警、进度工期、人材机统计报表等功能，能够根据动态的反馈信息辅助施工进度方案的规划，实现变电站施工进度高效的管控。

项目工程管理网络图控件，该控件是整个仿真平台功能的基础，网络图控件可以对整个项目中的一级工程（单位工程）与二级工程（安装单元工程）进行管理，制定它们的先后顺序以及设定相关参数，为后续的其他功能提供基础。在网络图控件中，可添加、删除单元工程，修改单元工程属性数据，对单元工程的工序、优先级等进行设置。利用网络图控件来设计变电站施工工序规划方案，其效果直观、工序、工程优先级等清晰，能让软件使用者对整个工序规划方案一目了然。

图2 GIM格式数据三维重构

4.3 辅助施工进度管理

利用自动生成的甘特图，可以进行工序的施工推演，让管理人员在推演过程中，发现工序安排的不合理之处，以及窝工或者资源超用的情况，从而为优化设计方案，提供了具体而明确的指导方向。

5 结论

结合在青海省冷湖330kV变电站项目中应用实际来看，运用三维设计成果，结合三维施工管控系统的功能，在三个方面能改善施工组织设计工作。

5.1 提高工作效率

利用系统的可视化工序规划功能，能够直观地进行资源分配和工序分配，同时能够自动生成施工计划表，从而显著地提高施工组织设计的编制效率。

5.2 提高方案制定的科学性

通过量化的三维空间分析，能够从数据角度定量地剖析方案的利弊，从而实现优中选优。

5.3 拓宽施工组织设计的应用范围

首先能提高施工组织设计的深度，从为施工管理提供指导，深入到为施工人员进行班前会提供技术手段。再者，将施工组织设计从项目管理的指导性文件，拓展到了日常的施工管理的过程中，加深了管理的颗粒度。

总之，利用信息化手段，结合三维设计成果进行信息化的施工组织设计是完全可行的，且具有很大经济效益和社会效益。不仅能提高施工设计的质量，还能提高整个施工的质量，降低施工过程中的风险，提高施工资源的利用率。