劉 睿 胡驍強(qiáng)

(華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206)

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基于BIM技術(shù)的變電站三維建模

劉 睿 胡驍強(qiáng)

(華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206)

以35 kV變電站為研究對象，使用Revit軟件，探討B(tài)IM建模中的思路框架、具體流程和電力族庫的建設(shè)，重點(diǎn)研究了在建模的同時(shí)兼顧2013版電力工程定額工程量計(jì)算規(guī)則的方法，為未來電力工程造價(jià)管理中工程量自動統(tǒng)計(jì)以及BIM建模標(biāo)準(zhǔn)的制定奠定基礎(chǔ)。

建筑信息模型，變電站，工程量統(tǒng)計(jì)

0 引言

BIM是Building Information Modeling的簡稱，中文含義為建筑信息模型，由Jerry Laiserin等人提出。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)，并且具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和協(xié)同能力，能夠進(jìn)行虛擬建造和信息集成[1-5]。

BIM技術(shù)的核心在于信息，前期建立的信息模型不但能夠應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工階段，而且對于物業(yè)、運(yùn)營、維護(hù)、拆除等階段同樣起到了巨大的幫助作用，可以說建筑信息模型適用于項(xiàng)目的全壽命周期[6]。建筑信息模型的建立為所有項(xiàng)目參與方提供了一個信息交流和共享的平臺，這個平臺匯集了建設(shè)項(xiàng)目所需的全部信息，各方可以根據(jù)自身的需要獲取有用的信息[7-11]。同時(shí)運(yùn)用BIM技術(shù)可以消除各種可能導(dǎo)致工期延誤和造價(jià)浪費(fèi)的設(shè)計(jì)隱患，可以提高項(xiàng)目全壽命周期精細(xì)化管理水平，進(jìn)而大幅度提升項(xiàng)目效益。

因此，國家在“十二五”規(guī)劃中明確提出了加快推進(jìn)建筑信息模型(BIM)在工程中的應(yīng)用，推動信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，高度關(guān)注建筑信息化發(fā)展。電力建設(shè)行業(yè)同樣具有建筑業(yè)的特征，因其投資大、技術(shù)密集、對工程質(zhì)量要求高，每一個電力建設(shè)項(xiàng)目都會受到當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)單位的高度關(guān)注。推廣BIM技術(shù)，提高電力工程項(xiàng)目管理水平已經(jīng)迫在眉睫。

BIM技術(shù)在電力工程中應(yīng)用的基礎(chǔ)首先是建模。本文嘗試以35 kV變電站為例，使用Revit2014軟件來探討B(tài)IM建模中的思路框架、具體流程和建模要點(diǎn)。

1 BIM建模的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

BIM最早從美國發(fā)展起來，隨著全球化的進(jìn)程，已經(jīng)擴(kuò)展到了歐洲、日本、韓國、新加坡等國家，目前這些國家的BIM發(fā)展和應(yīng)用都達(dá)到了一定水平[12]。

美國是最早啟動建筑業(yè)信息化研究的國家，發(fā)展至今，BIM研究與應(yīng)用都走在世界前列。目前，美國大多建筑項(xiàng)目已經(jīng)開始應(yīng)用BIM，BIM的應(yīng)用點(diǎn)也種類繁多，而且存在各種BIM協(xié)會，同時(shí)還出臺了各種BIM標(biāo)準(zhǔn)[13]。威斯康辛州、德克薩斯州已相繼要求對新建大型公共建筑項(xiàng)目和州政府投資項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)。美國麥格勞·希爾公司對BIM在北美的應(yīng)用情況展開調(diào)查，2009年與2012年的數(shù)據(jù)如圖1所示，由圖可知BIM技術(shù)在北美的影響范圍正在不斷擴(kuò)大。

為了促使BIM在韓國落地，韓國政府正在計(jì)劃開發(fā)BIM設(shè)計(jì)成果檢驗(yàn)工具。2014年韓國將推進(jìn)“第4個建筑業(yè)信息化基本計(jì)劃”的實(shí)施，其中就包括了“積極推進(jìn)BIM標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)成果檢驗(yàn)工具的開發(fā)”，該計(jì)劃將推動韓國BIM行業(yè)乃至整個建筑業(yè)的發(fā)展。

在2011年，新加坡建筑管理署發(fā)布了新加坡BIM發(fā)展路線規(guī)劃，明確提出要推動整個建筑業(yè)在2015年前廣泛使用BIM技術(shù)。新加坡建筑管理署分析了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，并制定了相關(guān)策略，如表1所示[14]。

表1 新加坡BIM發(fā)展策略

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國工程建設(shè)行業(yè)從2003年起開始引進(jìn)BIM技術(shù)，現(xiàn)階段BIM的使用者以設(shè)計(jì)單位、科研院校為主，就應(yīng)用廣度和深度而言，BIM在中國的應(yīng)用還只是剛剛開始，但今后會逐步推廣和深入到建筑行業(yè)各個領(lǐng)域。

目前，國內(nèi)BIM項(xiàng)目主要以民用建筑、公共建筑為主，比如望京SOHO、天津永利大廈、杭州國際博覽中心、上海軌道交通12號線，但BIM技術(shù)在工業(yè)建筑和農(nóng)業(yè)建筑中應(yīng)用較少，亟待開發(fā)。

在電力建設(shè)行業(yè)，已有部分設(shè)計(jì)單位和研究院在實(shí)際項(xiàng)目中開始應(yīng)用BIM技術(shù)，如沙州750 kV數(shù)字化變電站、永定河220 kV變電站。2012年8月中國電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會召開工作會，提出了電力勘測設(shè)計(jì)企業(yè)“十二五”信息化的著重點(diǎn)之一：著力建設(shè)以三維設(shè)計(jì)為核心的集成設(shè)計(jì)平臺，圍繞BIM實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，面向工程全壽命周期和數(shù)據(jù)移交，深入開展電力設(shè)計(jì)企業(yè)主營業(yè)務(wù)信息化建設(shè)。在2014年電力工程造價(jià)與定額管理總站的工作要點(diǎn)中，已經(jīng)將BIM在電力工程造價(jià)管理中的應(yīng)用列為重點(diǎn)研究課題之一。

2 變電站建模的總體思路和流程

變電站主體分為建筑和結(jié)構(gòu)兩個部分，建筑部分包括墻體、柱、梁、門窗和屋頂?shù)葓D元，結(jié)構(gòu)部分主要是配置鋼筋，其次還有附屬建筑物和電氣工程族。變電站具體建模流程如圖2所示。

3 變電站建模要點(diǎn)

3.1 標(biāo)高和軸網(wǎng)

模型創(chuàng)建首先從繪制標(biāo)高和軸網(wǎng)開始，二者是建筑定位的基準(zhǔn)，標(biāo)高、軸網(wǎng)創(chuàng)建準(zhǔn)確與否將直接影響整個模型的準(zhǔn)確性。在立面視圖中繪制標(biāo)高，軟件將自動為各個標(biāo)高創(chuàng)建平面視圖，之后在平面視圖中繪制軸網(wǎng)。如果軟件沒有自動創(chuàng)建平面視圖，用戶可以在視圖選項(xiàng)卡中手動添加平面視圖。創(chuàng)建完成標(biāo)高、軸網(wǎng)后，要確保在東、南、西、北四個立面視圖中，軸網(wǎng)均穿過所有的標(biāo)高，否則在某一平面視圖中將無法顯示完整的軸網(wǎng)，影響后期工作。

在結(jié)構(gòu)樣板中，軸網(wǎng)的設(shè)定對精確度要求高，可以使用“復(fù)制/監(jiān)視”工具準(zhǔn)確復(fù)制建筑軸網(wǎng)，方便后期模型鏈接。

3.2 主體建筑

變電站的主體建筑物即為變電樓，它是員工生活和工作的場所。變電樓中包含開關(guān)室、接地變室、電容器室、二次設(shè)備室、生活間、值守間等房間，其中首層開關(guān)室底部需要鋪設(shè)電纜，所以要在變電樓底部設(shè)計(jì)電纜溝。

電纜溝既是變電站的一大特色，也是建筑設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)部分的難點(diǎn)。我們可以使用墻體、樓板來構(gòu)造電纜溝，繪制過程較為繁瑣。在概算定額中，電纜溝的取費(fèi)子目是復(fù)雜地面，取費(fèi)基礎(chǔ)是建筑物軸線尺寸面積，無需扣除電纜溝的洞口面積，工程量統(tǒng)計(jì)規(guī)則與樓板一致，但是在預(yù)算定額中，電纜溝是按照溝體的體積來統(tǒng)計(jì)工程量的，但是無論是樓板還是墻體都無法計(jì)算出電纜溝的體積，最合適的辦法是使用體量來計(jì)算體積。體量是一種不具有任何建筑屬性的族類型，使用體量建模后可以直接統(tǒng)計(jì)出體量的體積和表面積，滿足了統(tǒng)計(jì)電纜溝體積的需求。

3.3 主體結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)部分主要是對構(gòu)件進(jìn)行配筋，在Revit軟件中通常使用速博插件來完成配筋工作。速博插件是一款基于Revit的鋼筋建模插件，通過簡單的數(shù)字輸入，就可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的配筋。速博插件能夠完成較為簡單的配筋工作，比如為基礎(chǔ)、梁、板、柱等進(jìn)行粗略配筋，之后再加以手動調(diào)整就可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是該插件最大的缺點(diǎn)在于不能繪制側(cè)向鋼筋，并且對于樓梯和屋頂只能進(jìn)行手動配筋，鋼筋的長度、形狀以及彎鉤的角度都要手動調(diào)整，這就大大增加了結(jié)構(gòu)建模的復(fù)雜度。

對于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的表達(dá)，Tekla軟件可以堪稱楷模，北京2008年奧運(yùn)會主體育場鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)框架即是通過Tekla軟件模擬分析的，Tekla軟件可以實(shí)現(xiàn)鋼筋和鋼材的精細(xì)化建模和預(yù)制加工，進(jìn)而可以大幅度降低工程成本。

3.4 附屬建筑物

變電站的附屬建筑物主要包括泵房、蓄水池和事故油池，根據(jù)項(xiàng)目要求在不同的樓層平面上進(jìn)行繪制。泵房的創(chuàng)建方法同變電樓類似，從墻體開始逐一繪制，創(chuàng)建過程較為簡單；蓄水池中的水體可以通過“樓板”工具來生成，修改材質(zhì)屬性即可；事故油池通過手動創(chuàng)建族來完成，注意在頂蓋、把手處要生成模型組便于聯(lián)動變化。

3.5 族庫建設(shè)

在Revit2014中，基本的圖形單位(如墻、門、窗等)被稱為圖元，這些圖元都是用族來創(chuàng)建的。族是一種參數(shù)化的組件，它包括許多可以自由調(diào)節(jié)的參數(shù)，這些參數(shù)控制著圖元在項(xiàng)目中的尺寸、材質(zhì)、位置等信息。族是Revit設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)和精髓所在，族參數(shù)越多，信息量就越豐富，就越能體現(xiàn)BIM技術(shù)的價(jià)值。族的創(chuàng)建有五種基本命令，即拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣和放樣融合，熟練運(yùn)用這些基本命令可以創(chuàng)建出各式各樣的族文件。變電站族庫中包括電力項(xiàng)目所特有的變壓器(見圖3)、開關(guān)柜、絕緣子、母線、金具、蓋板等構(gòu)件。族的創(chuàng)建耗時(shí)、耗力，如何關(guān)聯(lián)相應(yīng)族參數(shù)以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動參數(shù)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一族多用、提高族的使用效率是一個值得探討的問題。

3.6 工程量統(tǒng)計(jì)

在變電站建模中應(yīng)用BIM技術(shù)，雖然能夠自動獲取項(xiàng)目工程量明細(xì)表(見表2)，但是有些量并不能直接作為取費(fèi)基準(zhǔn)。以梁為例，2013版電力定額中規(guī)定梁與板的搭接部分算在梁內(nèi)，而Revit軟件自帶的計(jì)算規(guī)則是把搭接部分算在板內(nèi)。為解決這一問題，我們有兩種方法：1)對信息進(jìn)行再加工，即反饋控制，設(shè)計(jì)完成后將各類明細(xì)表導(dǎo)出到Excel中，在Excel中進(jìn)行調(diào)整、完善，最后導(dǎo)入到計(jì)價(jià)軟件中；2)在前期階段充分熟悉定額計(jì)算規(guī)則，以定額規(guī)則為標(biāo)準(zhǔn)來創(chuàng)建模型，即前饋控制，把工程量誤差直接扼殺在設(shè)計(jì)階段，建完模型就能得到正確的工程量，例如適當(dāng)調(diào)整樓板邊界線，把梁、板搭接部分直接用梁來代替，這樣創(chuàng)建的模型就能符合2013版電力定額規(guī)范。相比之下，后一種方法較為優(yōu)越，表現(xiàn)在后期工作量小、能按部就班地完成任務(wù)，并且可以推動造價(jià)人員工作重心的轉(zhuǎn)變，但它對設(shè)計(jì)人員的專業(yè)要求較高。

表2 房間明細(xì)表

4 變電站模型

某35 kV變電站占地面積為389.52 m2，總建筑面積為769.68 m2。基本建筑結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為筏板結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)共兩層，首層為10 kV開關(guān)室、接地變室、電容器室及生活間，二層為35 kV開關(guān)室、二次設(shè)備室及資料室、工具室等房間。

變電站建筑爆炸圖和主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5 結(jié)語

本文以35 kV變電站為例，在Revit平臺上探討如何使用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力工程建模，通過研究得出BIM技術(shù)可以應(yīng)用在電力工程行業(yè)，并且可以為電力施工帶來極大地便利。未來的研究重

點(diǎn)應(yīng)集中在如何兼顧電力工程造價(jià)管理的需要和電力建模標(biāo)準(zhǔn)，使得所建模型能夠符合2013版電力建設(shè)工程工程量計(jì)算規(guī)則，直接統(tǒng)計(jì)出工程量進(jìn)而快速得出工程價(jià)款，以減輕傳統(tǒng)造價(jià)人員的工作負(fù)荷，提高勞動生產(chǎn)率。

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3D substation modeling based on the BIM technology

Liu Rui Hu Xiaoqiang

(SchoolofEconomicsandManagement,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

35 kV substation as an object of study, using Revit software to discuss the framework, the process and the construction of the electric power library in the BIM modeling, focus on how to balance the engineering calculation rules of the 2013 edition power engineering quota in the modeling, lay the foundation for automatic engineering quantity statistics and BIM modeling standards in the power engineering cost management in the future.

BIM, substation, engineering quantities

1009-6825(2016)10-0248-03

2016-01-29

劉 睿(1969- )，女，碩士生導(dǎo)師，副教授； 胡驍強(qiáng)(1990- )，男，在讀碩士

TP319

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