周靜瑜

(華東建筑設計研究院有限公司， 上海 200041)

監(jiān)理工作

特高壓組塔措施推演輔助BIM應用與研究

周靜瑜

(華東建筑設計研究院有限公司， 上海 200041)

摘 要：特高壓交流輸變電線路工程組塔施工面臨鐵塔高度高、尺寸大、重量重、施工難度大等因素的挑戰(zhàn)。為了確保施工過程的順利安全，需要一定的方式來對制定的組塔方案進行預演及施工模擬。采用BIM技術則可解決這一問題。在實際工程項目中首次利用BIM技術，對鐵塔設計成果和施工工藝進行三維數字模型化的集成及過程推演，成功優(yōu)化了組塔方案。一方面推動了科技進步，增加了項目管理的亮點；另一方面也為我國特高壓電網安全、高效施工建設起到了技術支撐及促進的作用。

關鍵詞：特高壓電網；組塔施工；BIM技術；過程推演

0 引 言

隨著特高壓輸變電工程的大量出現，工程建設規(guī)模和項目復雜程度日益增加，出現了大量新的大型塔型、施工方案和施工機具。面對無案例參考的挑戰(zhàn)，承建單位以往以經驗指導施工的工作方法，已逐漸無法適應行業(yè)內施工企業(yè)向管理型施工企業(yè)發(fā)展的趨勢。BIM 的發(fā)展已經為各個行業(yè)帶來福音，特別是在工程建設領域，住建部編制的《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確提出，要推進 BIM 協同工作等技術應用，普及可視化、參數化、三維模型設計，以提高設計水平，降低工程投資，實現從設計、采購、建造、投產到運行的全過程集成運用。BIM 的諸多特性符合施工企業(yè)轉型升級的要求。

BIM 不同于單一的三維模型，也不同于操作一兩個軟件，更不同于以往的效果圖演示。BIM 是一種方法論也是一個過程，是全過程控制、全員參與、持續(xù)改進等先進管理理念從抽象概念落實到具體生產環(huán)節(jié)的有力抓手，是施工企業(yè)從經驗指導施工向精細化管理、精益化施工過渡的有效的輔助手段。面對大量復雜和首次出現的新項目，在無成功案例可參考借鑒的情況下，BIM 的完整性、真實性、唯一性、連續(xù)性、虛擬仿真等特點，能讓我們提前體驗項目建成和建造過程中的各個重要環(huán)節(jié)，提前發(fā)現問題和隱患，減少可以避免的風險和損失，提高項目管理人員對質量、造價、安全、進度的控制力，適用于多種項目。同時也是企業(yè)知識管理、技術創(chuàng)新的重要手段和可持續(xù)發(fā)展的動力。

1 國內外研究概況

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型化)技術是繼 CAD(計算機輔助設計)技術后，建設工程信息化歷史上的又一次革新。它已經從一個概念逐步成長為如今成熟的應用工具。目前 BIM 通常是通過定制的兼容協議(IFCs)實現數據信息的共享和交互，并逐步從原先單一的建筑三維建模軟件向進度、成本等管理軟件集成，最終把工程的多個要素和各參與方集成在一個工作環(huán)境(平臺)中，實現面向同一個工作對象(工程項目)的建設工程 3D 可視化、集成化管理，幫助所有工程參與者提高決策效率和正確性。

近幾年 BIM 技術在國內外已進入應用階段，尤其在設計單位和建設管理單位。例如 2010 年世博會德國館、上海中心以及迪拜市的迪拜塔，都是 BIM 技術在建設工程中應用的成功案例。

早年，在科羅拉多大學健康研究中心 2 期工程中，有RC1 和 RC2 兩棟規(guī)模相同的待建綜合樓。其中 RC1 沒有啟用BIM，而 RC2 采用 BIM 解決方案。從表 1 的統計數據中不難發(fā)現，采用 BIM 技術建造的項目無論在控制造價還是在優(yōu)化進度等方面，都有明顯的優(yōu)勢。

表 1 RC1&RC2項目造價及工期對比表

而在施工企業(yè)和電力行業(yè) BIM 技術尚處于探索階段。即使在將此項技術應用于生產過程的為數不多的企業(yè)中，BIM也僅僅主要扮演輔助工程管理的角色。例如建筑結構和設備產品的建模和可視化、過程建模及分析、協作和交流。另外，由于大多情況下 3D 建模的進度編排、成本控制和施工過程控制，這三者之間都是完全獨立的應用環(huán)境(軟件)，數據結構和文件格式都不同。他們之間很難實現底層數據上的直接交互，也更談不上即時的雙向數據聯動。

2 研究目的與用途

根據特高壓輸電“十二五”規(guī)劃，為了形成大規(guī)模的“西電東送”、“北電南送”的能源配置格局，大范圍的建設特高壓電網已成為必然。由于特高壓電網組塔施工難度普遍較大、受地形影響因素較多，如何高效安全地施工已經成為行業(yè)內關注的熱點。此次研究的目的就是為了讓 BIM 能夠完全參與到整個特高壓組塔施工過程中，改善施工方案，提高施工質量及安全性。一方面能夠推動電力行業(yè)的科技進步，增加項目管理的亮點；另一方面也為我國特高壓電網的安全和高效建設，提供了一個技術支撐和參考。

3 某特高壓交流輸電線路組塔施工輔助BIM應用實例分析

下面就特高壓線路中某一鐵塔在 BIM 實施環(huán)境下組立施工所遇到的一些問題，進行探討和分析。

3.1 項目概況

該特高壓線路大部分處于高山峻嶺中，山體坡度陡峭。該塔形塔窗尺寸大、高度高、橫擔寬度寬、重量大、組塔施工外拉線設置困難，施工難度較大。

3.2 前期準備

詳細審看施工圖紙、施工機具圖紙；收集相關技術資料和數據信息，包括施工機具的性能參數、施工技術措施等；熟悉施工工藝和注意事項。

3.3 軟件工具選擇

為了制作一個用于施工技術措施推演的數字樣機，選擇合適的三維軟件非常重要。因此，要在對目前市場上主流的BIM 商業(yè)軟件如 Revit、Tekla、Rhino、Inventor、Catia 等范圍內進行比選。

其中 Revit，更適用于民用建筑設計，且在鋼結構專項方面的設計推敲比較薄弱。Tekla 在鋼結構設計領域處于世界領先地位。它通過創(chuàng)建三維模型自動生成鋼結構詳圖和各種報表，是一款智能、全面的鋼結構設計的解決方案。許多企業(yè)將盡快掌握和使用 Tekla 產品作為“首要任務”。從施工企業(yè)本身的企業(yè)特點、應用需求來看，施工企業(yè)的技術人員現場施工和管理經驗比較豐富、但計算機水平和設計知識相對較弱。同時，施工企業(yè)的現場技術人員應用三維技術的出發(fā)點，大多以解決某個實際工程問題為主，而非全過程的鋼結構分析設計；施工企業(yè)技術措施的推敲多以幾何層面的工藝和工序措施分析為主。因而技術人員最終選擇了上手更快、兼容格式更多的 Rhino 作為前期工具；在后端環(huán)節(jié)選擇了與既有 Autodesk 產品兼容更便捷的 Inventor 作為裝配模擬平臺?，F階段這種軟件工具使用的組合，一方面能在短時間內，在技術人員隊伍中擴大 BIM 等數字化新技術在傳統以經驗為主導的施工企業(yè)中的應用普及程度；同時也為下一階段的轉型和升級，打下一定的技術基礎。

3.3 三維鐵塔單線模型搭建

本項目中，首先利用 Rhino 對二維施工圖紙進行預處理，在建模前期確定鐵塔空間定位的準確性。在不能確保施工圖尺寸完全正確的情況下，不建議按單元分開建模最后再整合的方法。此方法會由于各單元圖紙累計誤差使得最后的整體模型精度無法得到保證。我們可以選擇在同一文件下采用兩兩相對定位的方法，從塔腳與地面基準點的定位，再到塔身與塔腳的定位，最后再到橫擔與塔身的定位的順序，自下而上進行整體定位。使得每個單元之間的銜接性更強，整體性更強，模型精度更高，且符合施工工藝流程。

3.4 塔片裝配，實體模型截面填充

從 Rhino 里提取各個單元的 CAD 線模，導入到 Inventor中。根據圖紙反映的構件截面信息，對每根單線進行相應的型材截面賦予，形成各個單元的鐵塔實體模型。最后再將各個實體單元按照圖紙依次互相裝配約束(見圖 1)。此時，前期 Rhino 整體建模的優(yōu)勢就能體現出來。由于各單元皆由整體模型抽取出來，在整合的時候無需再進行定位擬合。

圖 1 Inventor鐵塔整體實體模型

3.5 起重設備模型搭建

本次采用落地雙搖臂沖天抱桿組立鐵塔。其特點是在用內拉線的情況下，有著很強的起吊能力。

沖天抱桿模型搭建順序同鐵塔一樣，先搭建單線模型，再裝配成整體抱桿(見圖 2)。

圖 2 Inventor沖天抱桿實體模型

3.6 組塔方案推敲與優(yōu)化

由于 BIM 模型具有真實性、唯一性和連續(xù)性等特點，工程技術人員在此環(huán)節(jié)可對三維模型中的任意塔片進行實時動態(tài)的三維觀察，讀取物理特性和吊裝工況等信息(見圖 3)。每片吊裝單元的重量皆可直接從軟件中讀取，通過軟件來對整個鐵塔組立吊裝過程進行實時把控和研究。不能滿足吊裝要求的工況，可以更加直觀及時地進行優(yōu)化。

圖 3 Inventor吊裝工況分析示意圖

對每一步吊裝步驟進行吊重分析，包括能不能滿足起吊重量、起吊半徑、臨時措施以及班線的拉設等(見圖 4)。

圖 4 通過Inventor針對各工況進行吊重分析

若發(fā)現有不能滿足現場吊裝工況的情況，就要進行方案推敲與優(yōu)化。利用 BIM 模型則能更高效直觀地進行分析與研究。

圖 5 為吊裝側橫擔第三段的吊裝工況。由于搖臂長度及吊重限制，此處必須利用人字輔助抱桿系統來進行剩余橫擔的吊裝；場地條件允許的情況下，抱桿頂內拉線可拉至地面。

圖 5 側橫擔第三段吊裝工況

然而，當進行地線支架的吊裝工況分析時發(fā)現：原先人字輔助抱桿的長度可能不能滿足最外側邊橫擔的吊裝工況，地線支架的位置也會與鋼絲繩發(fā)生碰撞。工程技術人員通過BIM 模型發(fā)現，在吊裝地線支架時，可先將人字抱桿向外側移至地線支架附近。經過測量，通過一定角度的旋轉，則可滿足邊橫擔的吊裝工況(圖 6)。

圖 6 調整后的邊橫擔吊裝工況

此類問題，在以往用二維方式推敲時，示意圖較為抽象，無法反映吊裝過程的真實工況；如果在現場發(fā)現，不僅影響工期和造價，還會帶來安全、質量等方面的諸多隱患。

4 結 語

BIM 技術屬于計算機技術在工程施工領域的最新應用技術，具有 3D 仿真或虛擬現實技術的優(yōu)點。結合施工進度，能夠完美表現工程項目的施工流程。

上述實例是國內電力施工行業(yè)首個在送電鐵塔組塔施工中應用 BIM 技術和方法的案例，響應《2011—2015 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》實現建筑企業(yè)信息系統的普及應用、加快BIM 等新技術在工程中的應用發(fā)展的成功探索案例。在行業(yè)內有著非常重要的意義。

施工企業(yè)遲早會跳出純施工的觀念。BIM 也遲早會從單純的技術層面提升到項目管理層面，最終與企業(yè)的 ERP 系統進行打通，實現基于 BIM 的項目全生命周期的協同管理。此次特高壓組塔推演輔助 BIM 應用的研究成果，也為提升我國電網建設水平奠定了基礎。

監(jiān)理工作

中圖分類號：F407.9

文獻標識碼：B

文章編號：1007-4104(2014)07-0015-04

收稿日期：2014-05-06

作者簡介：周靜瑜(1973—)，女，高級工程師，現就職于華東建筑設計研究院有限公司，擔任海外事業(yè)部總經理一職，長期從事工程技術、新技術研究與項目管理工作。

通信地址：上海市漢口路151號。