三维技术在变电站主控通信室结构设计中的应用及优化

周 鹏

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

当今信息化技术作为建设数字化坚强智能电网的主要技术手段之一。主要体现在现有物理电网的基础上建立相应的智能化信息网，以全面提高电网的智能化。这就要求电力设计的方向也需要向数字化和智能化方向发展，而现有的传统二维设计方式基本无法满足发展方向的要求。由此可见，三维设计[1]将成为未来电力行业设计技术的准入门槛，同时也是设计单位赢得市场，占领前沿技术高地的重要条件。

1 主要技术原理

1.1 协同环境及工作流程

采用Bentley公司的ProjectWise作为可视化系统的协同工作平台，有效地控制与管理工程项目的规划、设计、建设过程中的工作内容、数据信息，确保工作内容及数据信息的唯一性、安全性[2-8]。

针对三维设计的特殊性，文中建立了符合本工程的项目流程规则。如图1所示。

图1 本工程的项目流程规则图

1.2 结构体系的确定

在总结试点工程成果的基础上全面推广采用装配式建筑物，结构型式推荐采用钢框架结构，围护材料外墙板推荐采用压型钢板复合板，内墙板采用金属板[9]。文中结合本工程特点，主控通信室采用直接装配式结构体系。

直接装配式结构体系：结构中所有的杆件按设计尺寸切割，主要的开洞也在工厂完成，并以单根杆件形式运至现场，采用螺栓或自攻螺丝连接，均在现场完成。即现场把“一根根”建筑构件“钉到一起”，再固定上建筑围护体系，构成完整的建筑物。优点是现场不需进行修改，可用集装箱运输，适用于体型复杂的建筑，缺点是现场需进行拼装，劳动量相对较大。

2 设计优化及主要创新

2.1 结构柱距及构件的标准化

根据建筑平面布置方案，并结合变电站模块化建设指导意见，结构形式采用钢框架体系[10]，屋面采用钢筋桁架自承式屋面板体系。横向柱距按（3×6.0+4.0）m考虑，纵向按（5.4+3.6）m考虑，符合经济柱距范围，见图2所示。同时屋面采取免找平技术，有效地减小了屋面恒荷载，节约用钢量。

图2 主控通信室结构柱布置图

通过柱距标准化，整个主控通信室的钢柱类型共2种（HM390×300×10×16及HM340×250×9×14），钢梁共4种（HM450×200×10×16、HM390×300×10×16、HN340×300×10×16及HN200×200×9×14）。

收稿日期：2020-06-18

作者简介：周鹏（1984），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事电网设计技术的基础研究工作。

基础采用独立基础，地脚螺栓连接，种类共2种（3.40 m×2.50 m及2.00 m×2.00 m）。见图3所示。

图3 主控通信室结构梁、柱及基础三维模型

通过柱距标准化，将结构梁、柱及基础最大限度地归并，使种类及形式最少并形成标准构件库，提高标准化和通用化水平。为形成装配式建筑的工业化生产体系提供基础，为大批量生产提供前提，是低成本的保证。因此，实现构件标准化具有非常重要的意义。

根据现有国网模块化设计方案，同时考虑钢结构经济跨度及柱距，初步建立了单层钢框架结构的标准化构件库（屋面采用钢筋桁架自承式屋面体系），其中主、次梁均按组合梁考虑。具体见表1。

表1 单层钢框架结构标准构件m

经过4个35 kV变电站综合配电室（单层钢框架结构）及2个110 kV全户内变电站综合楼（单层钢框架结构）实际工程钢框架计算结果发现，表1中的标准构件适用率高达97.3%。只是在110 kV全户内变电站中由于设备用房与功能用房之间配合上存在以大代小的情况，存在钢材的浪费。以上结果已纳入江西省装配式变电站施工图中的标准构件。

地下基础，由于受到地质条件的影响，文中仅针对天然地基及桩基做了标准构件，天然地基仅针对地基承载力170 kPa≤fak≤210 kPa。但通过实际工程检验，结果并不像想象中的适用，因此，建议基础根据实际工程情况进行各自设计。

2.2 基于结构信息化模型的设计、加工一体化

一直以来，制造行业机械CAD系统制造数字模型不仅用于产品的设计说明，还应用于计算分析及制造等方面。CAD模型可以用来控制机床，使加工流程更加智能化。

变电站中的主控通信室采用的钢框架也可以采用类似的方法来实现设计加工流程的智能化。所有与钢结构有关的图形及信息都已经包含在了PKPM的结构设计模型中[4]。这些设计信息可以导入到PROSTEEL软件中，并在该软件中将所有构件进行信息化管理，添加更多制造信息，便于在钢结构详图设计应用中重新使用，如图4所示。

图4 添加PKPM模型至PROSTEEL模型的图片过程

将结构信息模型用于钢结构详图设计和生产成品环节使得设计、加工模型高度一致，不但提高了工作效率，而且改善了成品质量[7]。此外，可以首先利用准确模型在自身专业内进行碰撞检查，还可在整个工程中进行多专业协同设计。特别是在空间狭小的部位，设计模型及加工模型的高度一致，更能有效地减少了施工过程中由于设计错误给工程带来的返工及损失。

图5 节点结构信息化模型

利用结构信息化模型更有利于结构框架的总体成本控制。将设计模型与制造模型统一，可提前考虑在制造过程中的问题。生产共享设计模型即缩短加工周期，又可更加准确的进行生产用量的下料并供货，降低了钢结构产品的成本[5，6]。

2.3 管理信息化

将设计模型附上信息化标签如微信二维码（见图6），从设计、制作到施工现场安装，全过程实行科学化组织管理，使各方能够实现信息共享、及时沟通与办公自动化，实现基于信息系统的辅助建设过程。

图6 结构二维码管理

2.4 工程造价的全过程管理控制

相比传统工程造价管理，结构信息化模型技术具有其不可比拟的优势，将传统工程后面需开展的工作前置于模型建立阶段，全面提升工程造价行业效率与信息化管理水平[9]，对于工程全面管理而言有积极意义。

3 结语

通过柱距标准化，将结构梁、柱及基础最大限度的归并，使种类及形式最少并形成标准构件库，提高标准化和通用化水平。将三维设计技术用于钢结构详图设计和制造环节，实现了全数字的设计、成品生产一体化流程。将设计模型直接用于生产环节使得设计生产更加协调，实现制造共享，缩短加工生产周期，降低工程成本。