基于Revit平台的变电站三维数字化设计的关键因素研究

方鹏 高亚栋 吴祖咸 何凯军

摘 要：在信息化时代，国家电网对应用大数据和通信技术实现电力系统各个环节的互通互联展开了大量研究工作。电网工程设计也需要向多专业协同、精细化设计和数据共享方面深入。就变电站三维数字化协同的总体方案进行了探讨，基于欧特克公司开发的Revit平台，分析了专业协同和数据协同技术方面的问题，然后以某220 kV变电站三维设计作为对象，就平台搭建、整体方案设计、施工图纸生成和数字化移交进行了实际应用研究。

关键词：变电站;三维数字化;协同

Abstract：In the information age， State Grid has carried out a lot of research work on the interconnection of all links of power systems by applying big data and communication technology. The design of power grid engineering also needs to be deepened in multi-specialty collaboration， fine design and data sharing. At first， the substation 3D digital collaborative scheme is discussed in this paper. Based on the Autodesk Revit formula development platform， it analyzes the professional coordination and data collaborative technology issues， and then taking a 220 kV substation as the research object the paper gives the overall 3D design platform design， generates construction drawings and digital transfer to make the study have practical application.

Key words：substations;three-dimensional digitization;coordination

0 引言

在计算机技术不断发展的时代背景下，三维数字技术及数据协同共享在设计行业中的应用获得了前所未有的发展[1-3]。具体到施工的每一个环节，充分利用信息模型以及数据核心，在统一架构的前提下，搭建包含资金流、物资流、工作流的先進平台，以更好的实现资源共享，同时积极促进采购、施工等众多方面的纵向集成，工程设计、采购等各种工序的横向集成，为进一步量化和一体化管理奠定坚实的基础[4-5]。

目前在国内市政、建筑和道路桥梁领域逐渐开始推广三维数字技术，但是三维数字化设计在电网行业的应用依然不够普及，随着电力物理网时代的到来，智能电网对变电站建设提出了更加严格的要求，进一步提升变电站效率和质量迫在眉睫[6-8]。本文深入分析了建筑信息模型BIM在变电站三维数字化协同中的关键技术和方案，包括本专业协同、跨专业协同和数据协同，然后以郑州市某220 kV变电站设计工程为研究对象，就BIM模型创建、整体BIM模型布置、碰撞检测等方面进行设计，取得了良好的效果，对其他变电站在设计过程中具有一定的参考价值[9-10]。

1 三维数字化技术

三维数字设计的独特之处主要归因于与传统设计相比，避免了大量离散数据的产生，在对各个阶段的信息进行搜集确认过程中可以进一步智能化，节约了大量人力物力、进一步有效提升了数据信息的完整性和准确性[11-12]。三维设计最大的优势便是可以针对结构化数据进行迅速处理，这样一来保证了工程中设计的大量数据的完整性，不仅如此，还可以有效实现项目各个阶段以及整个设计过程的数据共享。

本文三维数字化基于BIM来实现，BIM可以使用线框模型、表面模型或者实体模型来实现对三维模型的表示。本文的研究基于实体模型表示方法，其中实体模型采用布尔运算进行切割、贴合等算法。对于切割算法，传统的计算方式未无法对变电站的大量曲线和曲面进行精确处理，求解过程需要多次调用交集函数，本文提出利用牛顿迭代公式求解点与曲线之间的切割关系。牛顿迭代算法，如式（1）所示。

该式可以理解为为了求f（xn）=0中x的值，利用x附近某一点xn的函数f′（xi）代入进行迭代求解，直至函数存在且连续。

与传统的二维CAD设计相比，数字化三维设计手段具有一定的优势，如表1所示。

1）在各个工作流程以及维护阶段的纵、横向沟通以及交流（以BIM为例）;2）保证项目各环节的健康有序进行;3）对项目整个生命周期进行信息化管理。就BIM本身而言，可以专门针对一些特殊的施工环节进行分析和模拟，同时也可分析模拟施工现场平面布置，提升了整个施工计划的可行度。另外，BIM还可与施工组织计划进行结合，从而发挥预演功能，以提升工程的可造型。在对施工组织利用BIM信息化三维技术进行模拟的过程中，可以更加直观、准确的了解施工的安装工序和环节，在提升施工效率的同时还能够兼顾整个安装过程的要点和难点。

2 变电站三维数字化协同设计方案

变电站设计的三维数字化需满足以下3个条件：第一，建筑物地下基础、上部建筑结构以及机电设备等专业确保协同匹配;第二，操作界面简洁友好，逐步提升被设计师接受和掌握的程度;第三，软件环境足够开放，为二次开发提供充足的条件或软件接口。基于以上三维协同设计要求，本文的基于Revit（Autodesk公司开发），针对其变电站三维数字的设计进行了探索。

2.1 同专业协同

同专业协同主要目的是能够让某一个建筑模块的设计人员同时进行模型设计。其共享的优势主要表现在协同性方面，对于庞大的三维模型系统，多个人同时进行设计和建模操作，并能够及时更新设计成果，该方式极大地提升了共享信息的准确性和及时性。在此过程中还可以向其他成员及时的发送变更请求，涉及到的操作有“借用图元”等，保证交流沟通的顺利进行。

2.2 跨专业协同

目前普遍采用的三维协同设计平台中，主要通过“链接”的方式来实现。各专业以链接模型的方式对数据进行串联，模型的共享和设计均在这一平台中实现。这一优势主要表现在以下几方面：首先，模型主体文件独立存在于数据库中，关键修改操作;其次，修改文件容量小，运行速度快;链接文件的读取和获取通知具有即时性;但是，跨专业协同的缺陷是不能够对相关的链接模型进行直接编辑，如图1所示。

2.3 数据协同

为了将设计文件提供合理存储方式和读取效率，数据协同是三维数字设计的基础功能。其内在地包含了项目库、成品库以及族库。这三类最大的区别是储存的文件类型不同，族库主要是对有族文件进行存储和分类的数据库;成品库主要是针对项目文件以及涉及到的族数据库进行存储;项目库更多的是对已完结的设计项目文件所有使用族进行存储和分类。在项目的整个启动和竣工阶段内均会使用到三维协同数据库，其数据结构流程如图2所示。

项目实施和完成后，关键数据依然可以在其他类似项目总进行套用和流转，能够为之后的类似项目设计和改建提供参考。

三维协同数据库的主要功能包括以下几点：首先是能够针对不同层级设计人员分配不同的权限;其次，本专业只能在其职责范围内进行修改数据，避免出现因错误操作而影响其他专业设計成果;最后，数据协同可以详细记录操作时间和不同阶段的修改细节，进一步减轻项目负责人的工作。

数据库可存储较多格式，其中内在的包括了项目自身的模型文件，所用族库以及相关的图纸、文档、计算数据等，保证了整个项目的完整性和一致性，同时促进了数据字化的相关移交工作。

2.4 SLC三维工具包

SLC三维工具包是基于变电站设计所开发的针对性工具包，能够有效地连接二维原理符号和三维电气设备，SLC三维工具包的基础功能就是实现了对数据的删除、编辑和修正。目前所包括的九个主要功能模块，如图3所示。

2 变电站三维数字化应用实例

2.1 工程概况

本文所研究的220 kV变电站位于河南省郑州市上街区，被郑州—洛阳—三门峡电网主干线通过，位于郑州市辖区西部38公里处，与荥阳市接壤。该变电站建设的主要目的是进一步满足上街区氧化铝工业用电负荷增长的需求，提升地区电网稳定性。

2.2 整体方案设计

（1） 整体设计

整体设计的目的是真实具体地展示三维变电站方案，确保变电站内的各个空间位置关系合理、距离准确。该220 kV 变电站是一个户内站，可以从不同的角度观察全站模型，变压器侧俯视全站三维模型，如图4所示。三维变电站方案可以实现多角度、多视图观察电气设备模块的设计效果，发现问题后能够及时解决。

（2） 逻辑图设计

Revit平台对于电气二维电气原理符号的制作具有较好匹配性，另外，通过对族文件的编辑有效解决实际智能化设计中的核心问题。在对PVC3维协同数据库服务器进行访问时，进行Revit平台上的客户端相关软件的操作，有效实现了对3D族文件的预览和协同管理。在对三维数字化设计过程中，许多电器元件都应当有对应的电气原理符号和设备模型，例如电容式电压互感器，电流互感器等等，电气布置的相关示意图，如图5所示。

（3） 协同设计

Revit系列软件和三维协同数据库共同构成了三维设计部分。其目的是展示三维协同设计具体实施过程中的客户端和服务器之间的关系，同时也包含了数据交换以及协同作业的内容和路径，将其用不同的颜色进行了一定的区分。

2.3 施工图纸生成

实现了工程整体方案设计、逻辑图设计和协同设计后，便可以通过Revit平台生成施工图，具体步骤为：

（1） 首先在项目浏览器中寻找到相应的变电站项目施工图纸，新建施工图图纸。

（2） 选择图框、图标和图纸大小，其中包括图纸的编号、名称、日期、设计校核人员等信息。

（3） 单击对应的视图，将其拖入选定图纸图框中，例如可以将不同切面视图在同一个界面中进行展示，使得所有涉及到的安装细节能够体现出来。各种文字注释和标注的断面设计，如图6所示。

2.4 数字化移交

将上街区220 kV变电站作为研究对象，针对数字化移交的详细信息进行分析，图7为海河下游变电站的整体三维视图，如图7所示。

可以发现数字化移交平台中包括了4个部分的内容。右上角的详细信息和漫游设置均可以在软件中进行编辑，实现了对模型设计的实时控制效果。

3 总结

为研究变电站的三维数字化关键技术问题，本文以郑州

市上街区某变220 kV电站三维数字化设计项目为研究对象，对三维协同技术进行了初步分析探讨，然后结合具体的技术方案实现了其三维数字化设计过程，研究发现：

（1） 各个专业通过三维协同平台实现同步设计后，能及时地对设计成果进行查看，过程中存在的问题能够及时发现，与处理人员交流次数显著下降，纸质材料提资的次数也明显减少，相关的设计效率也可以通过三维设计的视图关联功能进一步提升。

（2） 设计效率会随着数据库的不断丰富而得到提升，传统的图纸审查方式由人眼核对转变为数字化移交，只需要通过管理人员在模型中提取即可获取所需成果。

（3） 现如今变电站三维数字化的设计仍然处于初级阶段，与西方发达国家相比还存在着一定的差距。目前我们还需要从以下几方面进行不断研究：第一，以模型数据作为前提，对工程造价和工程量进行估算，并且对照一定的数据库系统来分析和筛选。第二，在三维模型数据库的大环境中，为相关的管理部门提供更加完整的工程数据，提升施工管理的有效性。

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（收稿日期：2019.09.25）