BIM技术在500 kV黄渡变电站改造工程中的应用

纪 明，钱泽伦

(国网上海市电力公司检修公司，上海 200063)

通过建筑信息模型(Building Information Modeling，简称BIM)技术的相关软件建立的三维数字模型中包含建筑物构架的几何信息、材料信息等相关内容，并且允许设计、施工单位根据设计需求和现场实际情况进行相关的参数和信息的调整[1]，保证模型在设计—竣工—拆除的生命周期内与现场实际吻合。BIM技术使得建筑工程信息集成化，提供了工程信息共享的平台。

BIM技术作为一个可应用于建筑全生命周期的系统工具，具有如下特点：① 参数化，BIM模型具备建筑物完整信息属性，这使得分析工程造价、能耗等信息可以完全智能化；② 可视化，与抽象的二维图纸相比较，利用BIM技术绘制的三维模型往往更加直观，就算是非专业人士，也能通过模型知道，建筑的某一部分是如何构成的[2]。这为施工和运行单位的沟通与决策提供了可视化的依据；③ 协调性，不同专业间的协调是工程管理过程中的重中之重。在施工前，针对各专业间的碰撞点进行检测，降低现场施工协调次数与工程更改次数，从而提高工程效率；④ 可模拟性[3]，在工程开工之前可以利用BIM进行4D模拟、消防安全模拟、可持续性分析模拟等，从而降低施工风险。

本文以黄渡500 kV变电站主变增容及配电装置改造工程为例，阐述了BIM 技术在超高压变电站设计、施工、管理过程中的相关应用。

1 工程简介

黄渡500 kV变电站站址位于上海市嘉定区西南12 km的黄渡镇、曹安公路南侧安虹路东侧，站址东西长约420 m，南北宽约250 m。目前安装有4台750 MVA主变压器；500 kV出线8回，3/2接线间隔6串，500 kV配电装置位于变电站西侧，南、北向出线；220 kV出线18回，采用双母线双分段接线，220 kV配电装置(户内GIS)布置在站区南侧向南出线；500 kV主变和35 kV无功补偿装置在500 kV东侧、220 kV北侧，主变按6号、3号、4号、5号依次南北向布置；主控通信楼布置在站区北侧，从北侧进站。

图5 黄渡站现状部分设备族库模型

本期改造工程新建4台1 200 MVA自耦变压器，替换黄渡站现有5，4，3，6号750 MVA主变。黄渡站改造前和改造后的场地布置图以一次接线图如图1至图4所示。新建黄渡500 kV屋内GIS配电装置，利用新征地块建设500 kV户内GIS配电装置，形成7个完整串，4台主变全部进串。拆除现有黄渡500 kV敞开式配电装置。本期建设10回500 kV出线。分别为2回至苏州特、2回至徐行、2回至华新直流、2回至泗泾、2回备用。其中，渡泗5101线与苏州特至黄渡线路的一回路在黄渡站内配串。

图1 黄渡站改造前场地布置图

图2 黄渡站改造前一次接线图

图3 黄渡站改造后场地布置图

图4 黄渡站改造后一次接线图

2 BIM在设计深化中的应用

2.1 三维模型建立

BIM模型库由各式各样的族所组成，在设计最初阶段，需建立完整的设备族库。族分为常规构件族和特定构件族(见图5)。在一个项目模型中，常规构建族可以通过设定现有的参数进行控制，从而实现在项目中的独特性与适用性。然而，项目中无法通过常规族进行搭建的就必须创建特定族。由于在常规族库中缺少与黄渡站现状相关的电气设备族，因此本次项目共创建特定族文件85个，对现场设备的覆盖率达到80%。此次对500 kV黄渡站站内设备族库的丰富，同时也给上海电网后期同类型项目实施BIM技术奠定了基础。

对族库进行完善后，根据采集的现场数据，依据存档图纸建模。建立可视化模型，对现场实际情况做到真实还原。与新建变电站不同的是，现役电气设备、构支架、建筑物以及铁塔模型也需要全部建入BIM中，随后可根据现场实际情况修改平面布置，从而实现工程进度可视化的目的。如图6为黄渡站改造前进线部分场地模型，包含了铁塔、门式钢架、避雷针、罐式断路器等。根据现状照片与BIM模型的对比，可以看出BIM模型呈现出对现场较高的还原度。

图6 黄渡站BIM模型与现实照片对比

2.2 管线碰撞测试

图7 通过BIM发现设计中的通管路径问题

使用BIM设计时，不同专业设计人员可以将数据实时上传数据中心，同时数据中心将其他专业的数据反馈给设计人员。本专业人员随时可以了解到与其他专业的设计是否存在冲突，发现问题可通过及时协调，避免将问题遗留到施工过程中。通过BIM三维可视化联审平台，发现图7左中500 kV GIS室土建部分的结构柱与电气部分的GIL通管发生碰撞，图7右中GIL通管间发生了穿插。如若等到施工过程中才发现这些问题，势必需要将之前确定的GIL通管路径方案进行变更，既增加了施工难度，也延长了工程周期，进而提高了工程造价。BIM技术的应用节约了图纸会审时间，也提高了设计团队的工作效率，同时也给施工方减少了不必要的麻烦。

3 BIM在施工过程中的应用

3.1 实现高效灵活的场地布置

考虑到施工不能影响站内正常巡视，且施工部位和设备运行区域必须进行有效隔离，通过BIM可视化模型，对站内场地进行灵活布置，从而确保运行设备和场地施工的安全。场地布置总图如图8所示。由于在施工初期原6号主变还在运行中，为防止施工人员靠近，在其外侧设置安全围栏，如图9所示。在组立过渡构架区时，BIM模型下发现作业下方存在220 kV通管，为防止上方坠物对其造成破坏，导致停电事故甚至是人身伤害，需搭设棚架进行保护，如图10所示。

图8 场地布置总图

图9 原6号主变外侧设置安全围栏

图10 搭设棚架保护

3.2 优化施工方案

本工程是在原站址内实现12台主变、500 kV敞开式设备以及无功设备的改造，很多基础建设需结合设备停电实施。因此，利用BIM建模合理规划停电施工过渡方案，保证正常施工区域与带电设备保持足够的安全距离，最关键点确定需停电施工的停电范围和时间，以便建管单位申请设备停电计划。

以BIM模型指导黄渡500 kV新构架安装为例(见图11)：通过BIM技术可以1:1实现原站内构架、铁塔及导线三维建模，结合新构架布置位置可以直接测量新构架与500 kV导线距离，从而优化了施工步骤及停电计划。

(1)首先确定不停电安装范围。通过1:1模型测量新构架与运行导线距离(需保证10 m以上安全距离)，确定了第一跨门架可不停电安装；

(2)优化了渡泗5108线与5101线停役方案。将原计划全阶段同停施工优化为部分同停，先行实施5108线停役时第二跨、第三跨新门架吊装。减少同停时间，保证了电网安全稳定；

(3)渡泗5108线与5101线同停阶段，完成5108线翻接至新门架，同时开展5101线门架吊装，渡泗5108完成翻接即可复役；

(4)渡泗5101线门架吊装完成后，导线翻接至新门架，验收完成后复役；

(5)华渡5115和5116线结合华新直流大修全停，实现新门架吊装及新铁塔组立工作，导线依次翻接至新门架后复役。

图11 500 kV线路搬迁施工过渡阶段BIM模型

从图11中截取的BIM模型中可以获得相关设施所属的地块(图11a)，现场线路的带电情况(图11e)，以及现场施工时单侧带电风险等级(图11d)等信息，它们将作为现场施工平面布置的重要参考。通过该模型，可以优化停电实施方案，缩短500 kV线路同停时间，减少现场施工安全风险，保证了人身、电网、设备安全。

3.3 模拟施工

利用BIM技术3D模拟特点，本工程成功使用模拟承插型盘扣式模板支撑系统施工。根据施工技术方案模拟搭设，发现有多处现场不能实现的区域，例如支撑处有1.2 m深电缆沟、部分支撑处有主变设备基础以及剪刀撑设置不合理等等。模拟搭设发现的问题及时反馈给方案编制人员，特殊区域对搭设方案进行修正。盘扣式脚手架安装过程如图12所示。

图12 盘扣式脚手架安装过程

3.4 实现可视化交底

技术交底是对施工过程中的一项技术指导，交底质量成为施工过程安全质量控制的关键因素。利用BIM技术直接将模拟施工以视频格式导出，实现可视化交底。相对于以往传统的施工技术员或总工程师图纸及方案交底，BIM结合虚拟现实和增强现实技术，可实现施工人员与拟建建筑物的互动感知，从而提高了现场施工人员的理解力[4]，减少了施工人员因理解偏差而造成工程事故的概率。

本工程实现了主变及66 kV GIS室高支模施工可视化交底。利用BIM动画技术制作盘扣式高支模工程施工交底视频，该视频从施工工艺技术、施工方法、检查要求、安全保障措施等几个方面通过动画演示的直观方式实现本项目的技术要点交底。通过动画展示，向各方准确传达技术方案内容、施工过程的难点、危险点。监理单位、施工单位利用其监督现场施工效果，通过模型与实际施工情况进行对比，对现场施工质量进行评价。最终形成3D效果的技术交底图(局部)如图13所示。

图13 盘扣式脚手架3D模型(局部)

4 BIM在协同管理过程中的应用

对于建设单位而言，项目从立项到竣工的全过程管控非常重要。由于变电站工程的特殊性，投入运行后的站内设备只能满足一定时间内供电要求。若涉及再次改造，前期工程的资料就显得尤为重要。因此，在本工程中通过BIM集成全专业模型，并以集成模型为载体，关联施工过程中的进度、合同、成本、质量、安全、图纸、物料等信息后，从而实现了模型协同，资料协同，材料数据协同以及工程动态协同。在本工程中，各类协同主要体现如下。

(1)模型协同。模型轻量化上传，使其相关管理人员随时都能在移动设备中查看并使用模型。通过后台电脑可以清楚确认人员在场地中的位置，可以通过轻量化测距确认其与带电设备是否保持安全距离。

(2)资料协同。BIM数据库集成图片、office文档、PDF、视频等各类文件在线预览查看功能，可按需求详细对资料文档进行分文件夹、分权限管理。文件夹划分支持无线层级，并且每个层级文件夹均可设置权限，满足项目现场实际资料文档私密性，解决现场资料文档因外部原因导致丢失的问题。在为黄渡改造工程中建设单位权限最高，可以查看并保存其余各方的资料。当其他各方需要下载建设方的部分资料时，建设方可以通过资料分享功能来实现各方要求。

(3)材料数据协同。模型构件作为工程中的信息载体，通过对模型构件(材料)的跟踪，详细记录跟踪人员、跟踪时间、跟踪地点和现场工作图片等信息，可显示工程中材料的明细，以及各个时间段进场的材料统计。通过材料现场监控管理界面，确认了对应材料所安装的部位。通过移动端采集上传，并通过平台将信息反应在BIM模型上，从而达到信息化管理的目的，为后续管理者查询管控整体进程提供了依据。

5 结语

黄渡工程的实施对BIM技术在电力行业的推广具有如下意义。

(1)完善了上海电力BIM的建模标准。采用最新开发的插件技术，在模型的初始阶段，做到轻量化设计，为后期平台以及多数据端口的接入提供先决条件。

(2)完善了上海电力行业的专业族库。基于2018国家电网统一的数据交付标准(行业)，通过大量模块化，构件化，标准化模块的形成，模型不再是单一的构件而是全流程共享的构件。

(3)形成电力行业BIM与施工紧密结合的应用流程，提高了施工管理水平。通过模拟施工过程，提前发现问题，找到解决办法，从而提高施工精度和效率。提高安装精度，构架、电气设备切换等角度精细化，通过模拟安装，缩短安装周期。

(4)预先形成经过施工论证的运维基础数据库。通过BIM模型在施工流程中的全生命周期流转，达到精细化，模拟化，智慧化施工与运维管理。经过施工阶段的增补与修正，形成运维管理阶段的数据模型基础，保证模型与真实的一致性，并可将模型与后期运维系统连接，达到智慧化，集成化的电站运维管理。

(5)形成BIM数据共享机制。将独立的BIM模型合模成为完整模型大数据，制定工作流程，严格执行，通过数据提前规划工作，避免常见错误。确保深化设计的可行性，支持高效的施工，同时确保了从设计到施工保持一致性。