基于BIM技术的输变电工程管控与评估方法研究

郭 政，杨贤辉，左 云，陈会鹏，唐 玮

（国网江西省电力有限公司建设分公司，江西 南昌 330000）

输变电工程是电网建设过程中的重要组成部分，与其他行业的建设工程相比，输变电工程因交叉领域过多而独具行业特点。研究表明，输变电工程项目在电力行业建设和管理过程中多以企业管理的思路开展项目建设与管理，上述方式缺乏高效率的工程建设和管控体系，导致工程项目延期、缺陷事故频发等问题[1-4]。而BIM技术是以建筑数据信息为基础，通过建立三维视图模型应用于大规模项目建设过程中，住建部也曾发文大力推广BIM技术，提高工程建设的设计水平、降低工程成本。近年来，BIM技术也逐渐由建筑行业引入到电力行业中，将电力工程项目与BIM技术相结合，建立工程项目的BIM模型，推动电力行业的发展[5-8]。文献[9]详细介绍了电力工程的建模流程，将BIM技术引入到变电站工程建设中，构建建筑模型与钢筋混凝土模型，以推动电力工程实施的进展。

1 BIM技术

1.1 基本原理

BIM技术是基于数据基础平台，通过构建全方位的透析图，并可对工程项目进行更改的新一代信息技术。文中基于BIM技术开发输变电工程管控的信息平台，使得输变电工程在实施过程中能够进行实时信息共享与数据衔接，该过程贯穿整个输变电工程。

1.2 功能与特点

在BIM技术中，输变电工程项目内的各种参数信息统一存放于数据库中，以整合互不相干的各部分信息。根据数据库结构的不同，可将其分为基本数据与附属数据。基本数据为工程项目中对实体的属性表征，比如输变电工程金具的物理参数、空间参数等；附属数据为基本数据的其他表述，例如技术参数。根据输变电工程的需要，在模型描述中构建基本数据与附属数据，为分析工程对象的空间、结构提供依据[10-11]。BIM模型实质为包含各种数据的复合模型，通过分析各数据之间的关联，模拟描述实际的工程，实现输变电工程的信息融合，为工程施工提供支持。

基于信息数据传递视角，通过BIM技术建模有以下两个显著功能：

1）信息数据传递

BIM技术以信息数据为基础，能实现输变电工程的信息化建设，对管控项目进行跨时间、跨周期的全方位管理，通过BIM技术将输变电工程可视化，便于施工方、设计方与运营方三方协同管理。为了实现上述功能，需要进行信息数据共享，建设标准信息平台，最终实现数据交互。应用BIM技术进行输变电工程管理涉及多种类型的数据信息，其中包括了电气及建筑工程基础信息数据、多维定位数据信息、工程物理性参数信息等。通过综合分析上述各类信息，全面多角度地考量制定工程进度、施工管理、造价等管控方案。

2）BIM技术建模

BIM技术的功能之一为整合数据端口进行数据传输，包括工程设计与实施过程中的各类数据，并可使项目参与者融合到项目实施的各个过程管理中，该过程通过仿真建模来实现。

在BIM模型中，所有的视图以及图纸均是通过同一数据库来实现的。项目参与者在操作过程中，BIM软件记录各个操作的数据信息，该信息可通过模型引擎修改，保证数据的可篡改性。输变电工程模型可协调各类信息，无需参与者处理或更新链接，并可通过BIM软件修改图元[12]。表1为BIM常见类型及特点。

表1 BIM常见类型及特点

2 输变电工程管控模型

2.1 输变电工程管控概述

输变电工程管控与其他项目类似，是在资源条件受限制的情况下对输变电工程项目进行全方位管理，以实现工程项目的精益化目标。管控过程中对项目的成本、进度、质量进行约束，重点对项目的薄弱环节进行控制。由于输变电工程项目一般均在室外施工，受地形条件、天气变化等因素影响较大，且施工程序较多、衔接较复杂，需对项目整个过程进行动态、系统性、综合性的管控，在管控过程中，应用BIM基础数据信息和计算机技术实现管理升级[13-15]。

2.2 应用思路

BIM技术的关键在于建筑模型的数据集成，首先需要利用BIM技术搭建建筑模型，再进行可研规划，由设计单位、施工单位、监理单位完成工程项目的设计、建设与运营。并基于软件平台对BIM模型进行维护，从而实现数据共享，提高工程项目的效率与生产率。输变电工程可分为工程前期调研、工程设计、工程施工建设、工程总体评价四个维度的内容，建立适用于输变电工程的BIM三维模型，进行数据标准统一分析，达到工程项目的全方位管控。

1）信息数据

信息数据是项目建设的基础，包括整个项目过程产生的文档资料、工程技术规范文件、图纸等各类信息数据资料，而应用BIM技术进行输变电工程管理是目前研究领域的前沿，相关标准仍未设立。

2）BIM模型

文中研究的输变电工程项目以钢筋混凝土与铁塔为主要原料，通过Tekla软件构架精准高效的BIM模型，并使用Project软件进行模型的优化。

3）应 用

根据工程特点，应用BIM技术进行输变电工程管理，主要在造价、进度、质量方面进行管控，运用可视化技术在项目整个过程中发挥作用。

根据以上分析，基于BIM技术的输变电工程项目管控应用结构如图1所示。

图1 输变电工程项目管控结构

2.3 模型建立

在输变电工程管控应用过程中，需依据数据接口将所建立的模型导入，利用Tekla软件直接建立输变电工程项目的3D信息模型。模型中包含建设所需要的钢筋混凝土构件、金具、钢结构等工具栏，通过该软件可以便捷地建立工程模型。建模之前创建轴线，按照工程图纸以及工程进度建模，并输入工程参数、物理属性、经济参数等数据。

建立输变电工程的三维模型后，将输变电工程项目的进度时间表对应至相应节点，完成进度管控。通过软件分解建立进度机构，并与三维模型中的基础构建共同形成4D信息模型。建立4D模型之后，在信息平台上采集数据，基于各部分的单元信息，最终建立数据共享访问平台。

Tekla软件拥有x，y，z3个坐标轴，其表示模型的3个方向，使用多个轴线可以提高模型的精度。3D视图可以展示建筑模型的三维方位，可对施工过程完成管控。输变电工程中常见的建筑物有铁塔、方向桩、中心桩等，且铁塔一般按段分布，这样有利于实现多角度视图效果。通过轴线与高视图共同合作完成此项目，在铁塔连接处设置螺栓并建立三维视图。使用Tekla Structures创建输变电工程构件，根据模型选择对应的构件，在工程建设复杂处加设螺栓、穿孔的建模。其所建立的XY平面视图如图2所示。

图2 XY平面视图

3 输变电工程评估方法

3.1 评估体系构建

一般输变电工程项目的特点为投资建设周期长、资金密集、安全隐患多，对于输变电工程的管控需要依据科学性、整体性、安全性与层次性的原则。输变电工程按照工程分类形成分层分区的参数体系，该体系包括建设工程所需的各类数据，比如整个项目过程产生的文档资料、工程技术规范文件、图纸等信息数据。将数据信息分为三层，分别为状态信息层、传感数据层与应用交互层，每层列举输变电工程项目中的所有数据，为构建输变电工程评估体系提供支持，通过实时状态数据分析汇总得到全景综合状态信息[16]。图3所示为构建评估体系关键参数的总体思路，运用关联分析提取BIM模型的关键参量，保留强相关数据量，构建评估系统的关键参数。

图3 构建关键参数的总体思路

3.2 数据清洗与检测

按照数据来源的不同检验数据的质量。当所提供的数据质量不达标时进行数据清洗工作，具体内容包括数据去噪、平滑处理、填补缺失数据等。通过以上处理使输入至应用层的数据标准化，然后建立输变电工程数据趋势相关模型，对数据的可行性进行进一步分析。

输变电工程管控数据流由海量、有时间序列的多源数据信息构成，由于异常数据信息具有随机性，因此难以建立准确的样本集。评估的原则为利用大量正常数据判断输变电工程的科学性，其主要技术路线如图4所示。

图4 数据检测技术路线

3.3 风险评估流程

基于数据流的输变电工程风险评估可分为两个步骤：1）根据输变电工程项目的建设要求，筛选出符合的评估指标，采用时间序列分析法建立评估模型，根据综合得分评价各类风险因素，并确立各关联参考值，最终判断出评价因子的权值；2）在评价体系确定的情况下，从风险管控的角度对输变电工程进行模糊评价，得到总体风险水平。根据以上步骤确立输变电工程评价体系，评估输变电工程的科学性。

4 案例应用分析

4.1 案例概述

以某1 000 kV特高压输电线路工程为例，对文中所提理论进行模拟应用。该输电工程线路全长4 230 km，总投资300亿元，新建铁塔500座，建设工期为2015年～2019年底。土建部分需要杆塔为#5218、#5219、#5220，其中#5218塔的形式为直柱板式，混凝土等级为C30，其余参数按照国标建设。

4.2 BIM模型建立

根据第二节分析，应用BIM技术实施工程前期-工程建设-工程评价三方面的应用，并对项目成本进行管控，对项目实施过程中的设计施工图纸、工程建设、工程结算等建立三维视图。以文中所提建模方法，利用Tekla Structures建立该1 000 kV输电线路工程项目的三维模型。通过简单设置对BIM模型进行检查，以发现铁塔模型的碰撞问题。在该输电工程中共发生8处碰撞，如表2所示。为防止建设过程中螺栓多角钢无法施工造成项目延期，对角钢切割加工，避免产生误工。

表2 铁塔碰撞问题

4.3 工程管控

通过对输电线路工程的成本分析与工作量统计，解决人工效率低的问题，基于BIM技术形成动态预算表。表3为BIM技术对该输电线路工程管控的细节表。

表3 BIM技术工程管控细节表

5 结束语

BIM技术通过构建透析图，可以对工程项目进行全方位的管控，文中基于信息采集与处理技术，结合BIM技术构架输变电工程管控的信息平台，使得输变电工程在实施过程中能够进行实时信息共享与数据衔接，该过程贯穿整个输变电工程。以信息数据为基础，基于BIM技术建立输变电工程的三维可视化模型，其关键在于建筑模型的数据集成。文中利用BIM技术搭建建筑模型，并通过软件平台对BIM模型进行维护，实现数据共享，提高工程项目的效率与生产率，并从风险管控的角度对输变电工程进行模糊评价，评估输变电工程的科学性，达到对输变电工程项目的全方位管控。通过1 000 kV特高压输电线路工程实例验证，解决输变电工程实施过程中人工效率低以及安全频发的问题，具备一定的工程实用价值。