变电站三维设计电气软件与土建软件数据互通解决方案

叶建峰，药圣琦，李思鹏

( 国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江 丽水 323000)

0 引言

国家电网公司自2018 起在输变电工程中全面推行三维设计，要求公司所有新建35kV 电压等级以上输变电工程要实现三维设计、三维评审和三维移交。三维设计相比于传统二维设计，最重要的区别在于现有的二维设计手段没有数据库做支撑，很难适应工程信息化和数字化的要求。而三维数字化设计主要以数据库为核心，以三维模型为依托，通过数据驱动模型，大幅提高了设计文件的数据存储量并使工程数据的实时调用成为可能[1]。

全国各大电力设计院在几年的工程实践中，已经探索出一套可行的变电工程三维设计模式，设计人员主要依托于现行电力三维平台进行设计工作，但同时依然存在建模工作量大、设计效率低、设计文件在工程实施阶段很难应用等问题。巨大的三维设计工作量与日益增长的三维移交需求成为了现阶段国网公司推行三维设计的主要矛盾，其核心原因是目前的三维设计软件不能实现全专业的正向设计，特别是在结构专业三维设计过程中，设计人员需要在结构设计软件中设计完成后在三维平台中翻模。

本文针对如何解决结构专业正向三维设计的问题，结合变电站实际设计项目进行研究，旨在完善现有的三维设计模式，提高设计文件质量和设计效率。

1 PKPM在变电站三维设计与移交流程

当前变电站三大三维设计平台的设计逻辑大致相同，均是以专业间互相协同为基础开展变电站的模型搭建、碰撞检查、专业间提资以及数字化移交,各专业协同关系如图1 所示。

图1 三维设计专业间协同示意

其中结构专业由于涉及国家规范规程要求，电力三维平台目前无法进行结构计算，也就不可能进行正向的三维设计。目前，专业认可度较高的结构设计软件是PKPM 系列软件，设计人员以PKPM 的设计结构为依托进行结构三维设计。

下面以某变电站工程钢框架配电装置楼为例阐述现阶段设计人员进行结构三维设计的流程。

步骤一：根据配电装置楼平面布置在PKPM 中布置钢梁钢柱，在PKPM 中完成结构分析、计算和出图，得到钢梁钢柱、连接节点、基础尺寸、基础配筋等信息。

步骤二：根据PKPM 中得到的构件草图在三维平台中重新建立模型，包括连接件、柱脚节点、混凝土构件配筋等。

步骤三：在三维平台中按《输变电工程三维设计建模规范》的要求录入结构模型的属性。

步骤四：将完成的结构模型与其他专业模型一起导出GIM 格式提交国网数据中心。

步骤五：施工图设计阶段里对模型进行剖切、标注、添加文字等处理后绘制平面施工图供施工现场使用。

其中步骤二及步骤五需要花费大量的时间在二维转化到三维，三维又转化成二维的重复劳动中，使得结构专业三维设计的效率远不如二维设计，这违背了推行三维设计的初衷。因此，寻求三维平台自身的专业化成为解决结构专业正向三维设计的关键。

2 PKPM-BIM在变电站三维设计中的应用

由于结构专业规范条目繁多，涉及到有限元分析等底层算法解构问题，目前的电力三维平台短时间内开发结构模块难度很大，即使能进行结构计算，也存在图审市场的认可度问题，因此让电力三维平台增加结构计算模块并不可行。

PKPM 软件亦在近年推出了自己的BIM 平台，而结构专业是PKPM 软件的优势所在，于是我们尝试在PKPM-BIM 进行变电站结构专业的三维设计。

下面依然以某变电站工程钢框架配电装置楼为例阐述采用PKPM-BIM 进行结构三维设计的流程。

步骤一：在PKPM-BIM 软件中进行钢柱钢梁的布置与设计参数的输入。

步骤二：在软件中进行结构分析与计算，依据计算结果配置连接节点和构造设计，完成可视化三维模型，模型属性将自动依附在模型中。

步骤三：通过模型自动生成施工图及材料清单。

通过实际操作发现，使用PKPM-BIM 进行三维模型效率远远高于直接在电力三维平台中建模。目前国网公司通用设计方案建筑物以单层、两层钢框架结构为主，熟悉PKPM 操作的设计人员仅需花费约一个工作日便能完成一个变电站建筑物的结构三维设计任务。

但是，变电工程三维设计除了要满足现场施工的需求外，更重要的是要能满足国网数据中心的移交需求，而移交数据中心平台必须是以GIM 的格式上传。目前只有三大电力三维平台可以将三维模型导出GIM 格式，因此单纯使用PKPM-BIM 软件也不能完成变电工程三维设计的全部任务。

3 三维平台间的数据交互

由上文可以推知，现阶段解决结构专业正向三维设计的最佳方案即将专业平台中完成的三维模型数据导入到电力三维平台中，这样既解决了电力三维平台建模困难的问题，又解决了专业平台无法移交国网数据中心的问题。

为此，我们同时与电力BIM 平台开发厂商及结构专业平台开发厂商合作，致力于攻破两大平台间的壁垒，让PKPM 平台与电力三维平台完成无缝对接。

目前各大电力三维平台都是基于Revit 平台或ABD 平台开发的。因此实现PKPM-BIM与Revit、ABD 平台的数据互通，即实现了电力三维设计平台和建筑专业三维软件的数据交互。由于Revit 与ABD 平台的版权均属于外国公司，完全开放数据接口存在一定的困难，为解决这个问题，PKPM-BIM 的研发团队提出以中心文件*.pmodel 为载体，打通了Revit、ABD和PKPM-BIM 三个平台之间的数据共享，具体实现原理如下[2]：

首先将PKPM-BIM 平台的结构模型分为4 类数据，存入到*.pmodel 中：a.几何图形数据，如基本图元数据、几何数据和多个几何图形间的布尔关系等；b.定位数据，如空间绝对坐标、图元间的相关坐标、楼层标高和偏心值等；c.工程属性数据(非图形)，如构件类型、材质、材质强度和耐火极限等；d.荷载数据，如荷载和构件的关联关系、荷载类型、荷载位置和荷载工况等。

然后参照PKPM-BIM 的结构截面库，完善Revit 和ABD 的截面库，如标准型钢库、薄壁型钢库等，提高Revit 和ABD 平台对国内电力项目的兼容性；

同时开发Revit 和ABD 数据接口，保证*.pmodel 的中心文件可以在这2 个三维平台导入导出；将中心文件(.*pmdel)导入到Revit 和ABD 时,数据接口将上述的a 类和b 类数据转换为可识别的数据，并完成几何图形的创建；c 类数据存入到几何图形的属性框中；由于d 类数据主要用于在PKPM-BIM 结构计算分析，因此会存入几何图形中，但无法编辑。

通过数据接口，同样可以将Revit 和ABD 平台的结构模型分为4 类数据，存入到*.pmodel 中。

在此交互过程中需保证结构模型的属性信息满足QGW11810.1-2018《输变电工程三维设计建模规范》中的要求。

4 变电三维跨平台协同设计流程

本文针对以上问题，结合变电站项目设计经验，梳理了变电三维跨平台协同设计流程，完善平台间的数据互通。调研多个变电站三维设计项目，将设计流程分为2 个阶段：初设阶段和施工图设计阶段。

4.1 设计初级阶段

根据电气、建筑等专业提资，如场地布置、屋内净高要求、设备高度、相间距离等，结构专业在PKPM-BIM 进行结构正向三维设计，包括结构建模、结构计算分析等。在此过程中，由于各专业可能存在的变更，为保证设计质量，需要进行多次结构模型与其他专业模型的碰撞检查，因此PKPM-PS 的初设结构模型需要与Revit(ABD)的结构模型实现双向无损的转换。另外，荷载作为结构模型的重要组成部分，布置工作较大。目前ABD 及Revit 软件中的荷载类型无法满足结构计算的要求，因此荷载布置及修改需在PKPM-BIM 完成，且在结构模型的跨平台转换过程中保证荷载无损。

4.2 施工图设计阶段

结构专业在PKPM-BIM 完成主体结构的钢结构节点设计、檩条挂设计、预制楼板的设计、檩条挂板可靠性验算，生成结构施工图、算量统计、相关计算书及施工图设计阶段深度要求的结构三维模型等。为满足全专业三维数字移交要求，需要将PKPM-BIM 的施工图结构三维模型交付到Revit(ABD)中，与其他专业进行合并，变电三维跨平台协同设计流程图如图2 所示，平台间的数据对接如图3、图4 所示。

图2 变电三维跨平台协同设计流程图

图3 PKPM-BIM与Revit模型数据对接

图4 PKPM-BIM与ABD模型数据对接

5 结语

我们通过开放电力三维平台与专业设计平台间结构的方式解决了变电工程结构专业正向三维设计的问题，亦为现阶段其它专业在三维设计中的疑难问题的解决提供了一条思路。目前电力工程三维设计仍处于快速发展的阶段，仍然存在很多亟待解决的问题，因此需要三维平台开发厂商、各地供电公司及电力设计院共同合作，完善电力三维平台的各项功能，为日后电力工程信息化、数字化在施工和运维阶段的应用提供坚实有效的数据基础。