賈平靜，姚 帥，常學(xué)軍，楊 建

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003）

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)CAD基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多維模型信息集成技術(shù)，是工程項(xiàng)目參與方實(shí)施項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計、建造和管理的新型技術(shù)手段。伴隨著全球工業(yè)4.0的步伐，BIM也正引領(lǐng)著工程設(shè)計行業(yè)的革命。

我國工程建設(shè)行業(yè)BIM研究及應(yīng)用起步較晚，尚處于初級階段。水利工程行業(yè)作為工程建設(shè)領(lǐng)域的重要分支，可查的水利工程BIM應(yīng)用項(xiàng)目很少。但在這些工程中，BIM技術(shù)卻發(fā)揮了較大的價值和效益。其原因在于，水利工程體型大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜周期長、參與單位及專業(yè)眾多等特點(diǎn)，決定了利用傳統(tǒng)手段所進(jìn)行的工程設(shè)計及建設(shè)容易在各個階段產(chǎn)生信息傳遞損失、協(xié)調(diào)工作量大等問題。而BIM技術(shù)則將工程各階段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整合，以標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型及作業(yè)流程為手段，信息的互用及信息在全過程中完整、正確、無缺失的傳遞，很好的解決了工程各個階段所遇到的困難。在行業(yè)內(nèi)客觀要求無法改變的前提下，工具的改良與進(jìn)步將是未來水利工程提升產(chǎn)品品質(zhì)、提升生產(chǎn)效率的首要選擇，針對BIM技術(shù)的研究勢在必行。

當(dāng)前，國內(nèi)市場有影響力的BIM軟件數(shù)量不多，集中在Autodesk、Bentley、Dassualt三種系列中。經(jīng)調(diào)研，使用Dassualt系列軟件的有黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司、成都勘察設(shè)計研究院等，使用Autodesk的設(shè)計院有長江勘測規(guī)劃設(shè)計院、昆明勘察設(shè)計研究院等，使用Bentley系列軟件的有華東勘察設(shè)計研究院、中南勘察設(shè)計研究院等。

Dassualt系列軟件為工程建筑行業(yè)提供了全流程BIM解決方案，涵蓋工程建設(shè)行業(yè)所涉及的項(xiàng)目全生命周期，可滿足用戶在各個階段對BIM數(shù)據(jù)的處理需求。如：CATIA軟件提供智能化的樹結(jié)構(gòu)，對于實(shí)體或曲面對象，都可以采用變量和參數(shù)混合進(jìn)行建模。應(yīng)用到工程建設(shè)行業(yè)，無論是建模能力、表現(xiàn)能力和信息管理能力都比傳統(tǒng)的工程建筑類軟件有明顯優(yōu)勢。本文將以CATIA軟件作為研究平臺，對BIM軟件在水利水電行業(yè)中應(yīng)用所存在的部分問題進(jìn)行探討。

1 工程介紹

本次研究依托于蓄集峽水利樞紐工程，以其作為電氣三維通用性研究的試點(diǎn)工程是因?yàn)殡娬倦姎庠O(shè)備齊全，典型且具有代表性，使其更好的應(yīng)用在其它水電站中。

蓄集峽水利樞紐工程是國家172項(xiàng)重大水利工程之一，壩址位于巴音河峽谷出口上游約6km處，距海西州德令哈市東北60km左右，是巴音河干流骨干調(diào)蓄工程。電站裝機(jī)容量3×11MW，電站采用擴(kuò)大單元接線+單元接線方式，電站出線電壓等級為110kV，出線規(guī)模1回送至東山變電站。電站廠房布置在巴音河峽谷出口左岸山坡下，電站為岸邊式地面廠房。主廠房共有三層，分為蝸殼層、水輪機(jī)層及發(fā)電機(jī)層，副廠房緊鄰主廠房上游側(cè)，分為地面主變層，GIS層及樓頂出線場設(shè)備層，廠房整體設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 蓄集峽電氣設(shè)備總體展示

2 存在的問題及初步解決方案

水電站電氣設(shè)計主要包括電氣接線設(shè)計、設(shè)備布置、接地、照明、橋架布置及電纜敷設(shè)。目前國內(nèi)水利行業(yè)電氣三維設(shè)計首先是從設(shè)備布置、橋架布置兩大模塊突破，CATIA軟件本身并沒有定制的電氣設(shè)計模塊，需要各設(shè)計院進(jìn)行定制開發(fā)，經(jīng)分析，存在以下問題：

（1）設(shè)備模型重復(fù)建模，尤其是復(fù)雜設(shè)備建模復(fù)用率低，例如氣體絕緣封閉GIS成套裝置。

（2）缺少電氣設(shè)備屬性及設(shè)備命名規(guī)則，無法體現(xiàn)BIM設(shè)計核心優(yōu)勢。

（3）CATIA軟件自帶橋架庫為英制標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)工程無法使用，橋架模型邏輯化及修改繁瑣。

（4）電氣計算功能較為薄弱，水電站電氣專業(yè)常見計算有：照明計算、防雷計算、短路電流計算等。

針對以上問題，規(guī)劃初步解決方案如下：

（1）建立一套完整且通用的電氣設(shè)備庫文件，減少重復(fù)建模工作，方便設(shè)備布置。

（2）進(jìn)入CATIA后臺，修改字典文件，為設(shè)備增加生產(chǎn)信息。

（3）訂制適合國標(biāo)、方便修改、自動統(tǒng)計材料的橋架庫。

（4）研究照明軟件與CATIA軟件的數(shù)據(jù)接口，完善電氣計算功能。

3 研究內(nèi)容

3.1 電氣設(shè)備模型庫的建立與參數(shù)化

水電站的電氣設(shè)計通用性必須定制一套完善的電氣設(shè)備庫，同時為避免后期重復(fù)模型建立，每個入庫的零部件均需進(jìn)行參數(shù)化，以實(shí)現(xiàn)高效復(fù)用性，將參數(shù)化后的零部件植入水電站電氣設(shè)備庫，方便調(diào)取。水電站電氣設(shè)備元件庫根據(jù)電壓等級、系統(tǒng)、功能、型式、環(huán)境等進(jìn)行分類，本次研究對象依托于蓄集峽水利樞紐項(xiàng)目，建立部分電氣設(shè)備適用所有110kV電壓等級的水電站。

3.1.1 電氣設(shè)備模型庫的資料收集

建立設(shè)備模型庫之前需要大量的樣本與規(guī)范，以標(biāo)準(zhǔn)建立起符合水電站設(shè)備庫的知識體系，此體系依托于廠家及設(shè)計，且需要設(shè)計者對碎片化材料積累、篩選及分類。材料收集過程中，設(shè)備模型涉及到商業(yè)機(jī)密以及非標(biāo)模型多樣化，給模型庫資料收集帶來阻力。解決此類問題只能通過大量的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)，增加了工作量。

3.1.2 電氣設(shè)備模型庫的分類及參數(shù)化

將蓄集峽水利樞紐工程設(shè)備精細(xì)化分后，建立10種分類，10種分類共包含43種獨(dú)立的設(shè)備零件，見表1。

表1 模型庫分類及模型數(shù)量

CATIA模型建立功能強(qiáng)大，分為零件及創(chuàng)成式模塊，兩個模塊均通過建立二維草圖創(chuàng)建初步幾何圖形，再通過三維命令形成三維體型。根據(jù)設(shè)備所需確立參數(shù)化組，并通過零件間的相對關(guān)系，利用公式命令在二維及三維空間內(nèi)進(jìn)行參數(shù)化。多重參數(shù)化量需有序的進(jìn)行，邏輯關(guān)系混亂抑或參數(shù)量過多會造成后期修改的麻煩，此時便可通過約束命令減少參數(shù)量的數(shù)量，最后通過不斷的修改參數(shù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖宰兓欠裼姓`。列舉幾個典型設(shè)備的參數(shù)化設(shè)計，見表2。

表2 典型參數(shù)化模型及參數(shù)內(nèi)容

3.1.3 電氣設(shè)備模型入庫

CATIA模型庫是通過Catalog來進(jìn)行設(shè)備的歸類，系統(tǒng)默認(rèn)的分類在不滿足需要的前提下，仍需用戶自定義。自定義后的Catalog便可植入設(shè)備模型，調(diào)用便捷。需要更改設(shè)備時只需修改模型參數(shù)，如設(shè)備模型已是國家標(biāo)準(zhǔn)件，且標(biāo)準(zhǔn)度高，此時便可通過設(shè)計表來驅(qū)動設(shè)備入庫，減少了修改模型參數(shù)的步驟，部分入庫模型展示如圖3～6所示。

圖3 主變壓器

圖4 110kV GIS主變間隔

圖5 主變中性點(diǎn)設(shè)備

圖6 抽出式低壓開關(guān)柜

3.2 CATIA機(jī)電定制環(huán)境

CATIA雖然被應(yīng)用在各個行業(yè)，但由于各個行業(yè)自身的特殊性，特別是機(jī)電行業(yè)，CATIA自身的多專業(yè)模塊在水利水電行業(yè)機(jī)電專業(yè)中不是特別適用。因此，為便于統(tǒng)一管理機(jī)電各個專業(yè)資源文件，定義各個專業(yè)資源應(yīng)用路徑，便于設(shè)計人員在各專業(yè)及不同模塊下調(diào)用正確的資源。依托CATIA環(huán)境，定制滿足水電行業(yè)機(jī)電專業(yè)需求的CATIA機(jī)電環(huán)境，機(jī)電庫管理流程框架圖如圖2所示。

圖2 機(jī)電庫管理流程框架圖

下面僅對其中的兩點(diǎn)進(jìn)行簡要敘述：

（1）添加設(shè)備屬性：字典文件的樹結(jié)構(gòu)與Catalog樹結(jié)構(gòu)類似度很高，Catalog的分類基于字典文件，故設(shè)備類別同樣的繁瑣，設(shè)備屬性也不盡相同，屬性定義可直接在上級進(jìn)行控制，下級文件自動添加，除此之外，仍需針對每個設(shè)備進(jìn)行量身定制。CATIA屬性自定義選項(xiàng)相對成熟，其中包含字時間、質(zhì)量、功率等，且屬性均可賦予多值，已基本滿足用戶自定義需求。

（2）設(shè)備自動命名：同樣是通過修改字典文件，選擇定義ID模式，修改設(shè)備的Instance以及Reference來自定義庫文件設(shè)備的命名形式，定義ID時，可選擇設(shè)備屬性使得設(shè)備屬性直接在結(jié)構(gòu)樹上得以體現(xiàn)，設(shè)備屬性便更為直觀。

CATIA機(jī)電環(huán)境的定制是一個繁瑣且枯燥的過程，但也是一本萬利的一項(xiàng)工作，其在數(shù)字化上的貢獻(xiàn)是值得為之付出時間成本的。

3.3 橋架庫的開發(fā)與利用

橋架，作為電氣電纜的一個支撐件，在電氣電纜敷設(shè)中占據(jù)著重要的地位，一個好的橋架路徑規(guī)劃，可以使電站廠房布局更為合理、美觀。在與其它專業(yè)配合時是電氣專業(yè)最耗費(fèi)時間的一項(xiàng)設(shè)計，傳統(tǒng)的二維制圖碰撞檢驗(yàn)極為復(fù)雜。因此一個精確的橋架布置是電氣專業(yè)實(shí)現(xiàn)BIM應(yīng)用價值的必經(jīng)之路。

CATIA自帶有橋架模塊（RACEWAY），但該模塊默認(rèn)為英制尺寸，且外觀和尺寸均無法與國內(nèi)的橋架統(tǒng)一。為方便橋架布置，規(guī)避狹小空間內(nèi)的碰撞，基于CAITA機(jī)電環(huán)境，我們對橋架模塊進(jìn)行了整體再開發(fā)和擴(kuò)充。

經(jīng)過調(diào)用橋架庫文件，不難發(fā)現(xiàn)橋架庫是許多零件參數(shù)化后并用設(shè)計表驅(qū)動的一系列標(biāo)準(zhǔn)件。若想實(shí)現(xiàn)橋架庫的開發(fā)，只需根據(jù)設(shè)備建模入庫的流程即可實(shí)現(xiàn)。即進(jìn)入CATIA橋架庫文件修改模型參數(shù)，同時將其設(shè)計表導(dǎo)出對應(yīng)模型梳理其邏輯關(guān)系。

梳理邏輯關(guān)系的過程中發(fā)現(xiàn)，默認(rèn)橋架庫的參數(shù)量過多且邏輯關(guān)系復(fù)雜，參數(shù)量并非最優(yōu)，使得研究從最初的修改默認(rèn)設(shè)計表參數(shù)的想法得以終止。研究方向由修改轉(zhuǎn)為開發(fā)，重新建立一套簡單易讀的模型，具體步驟為：參數(shù)化并精簡參數(shù)量→創(chuàng)建連接點(diǎn)→生成設(shè)計表→入橋架庫→調(diào)試成功。部分橋架零件展示如圖7、8所示。

圖7 水平彎通

圖8 左減橋架

橋架布置完成后，可通過RACEWAY模塊下的生成報表模塊功能實(shí)現(xiàn)對橋架工程量的自動統(tǒng)計。橋架三維設(shè)計成果如圖9所示。

3.4 Dialux照明軟件接口研究及應(yīng)用

針對CATIA V5電氣分析應(yīng)用能力薄弱這一問題，本文主要研究了Dialux照明軟件與CATIA V5軟件的接口與結(jié)合方式。

Dialux照明軟件是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的三維照明設(shè)計軟件，不同于普通的照明設(shè)計軟件，它從設(shè)計到成果均在三維可視化環(huán)境中進(jìn)行的。Dialux照明軟件主要面向建筑、道路等環(huán)境、設(shè)施比較單一的照明設(shè)計，對于電氣設(shè)計中的變電站、水電站等照明設(shè)計，其設(shè)備結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，Dialux的建模能力明顯不足，只能以粗略的體型表達(dá)各類電氣設(shè)備，其精度無法完全滿足水利水電工程對照明計算的要求。

圖9 橋架總體展示

通過研究Dialux照明設(shè)計軟件與CATIA V5的數(shù)據(jù)傳輸接口，完美的解決了兩軟件的接口問題，實(shí)現(xiàn)了完備的照明設(shè)計、計算流程。首先，在CATIA V5中完成建筑以及電氣設(shè)備的精細(xì)化建模；其次，通過數(shù)據(jù)接口，在 DIAlux中完整的接收CATIA V5所完成的模型，作為計算基礎(chǔ)，在三維環(huán)境中進(jìn)行燈具的設(shè)計、布置；最后，在DIAlux中完成照明分析計算，形成最終的照明設(shè)計成果。本文以蓄集峽電站的GIS層為對比對象，進(jìn)行了照明設(shè)計計算，結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 GIS層照明效果

圖11 照明計算結(jié)果（等照度曲線）

兩軟件結(jié)合后的照明計算結(jié)果更精確，便于燈具的設(shè)計及位置調(diào)整；三維成果的呈現(xiàn)也更直觀、準(zhǔn)確，更符合工程設(shè)計的需要，客戶的設(shè)計成果體驗(yàn)得到明顯的提升。

4 結(jié)論

本文立足于CATIA V5平臺，以蓄集峽水利樞紐工程為研究對象，對水電站電氣BIM應(yīng)用進(jìn)行了探索，研究成果如下：

（1）CATIA V5平臺下，完成幾十種水電站電氣設(shè)備的參數(shù)化建模，形成了能夠應(yīng)用于110kV電壓等級水電站工程的電氣設(shè)備庫，今后在各種規(guī)模的水電站設(shè)計中，僅對既有的電氣設(shè)備庫進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)化修改就可以應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)計，大大減少了重復(fù)建模的時間。

（2）設(shè)備數(shù)字名片的引入及設(shè)備自動命名的實(shí)現(xiàn)，使水電站電氣設(shè)備不再是孤立的個體，它們被賦予了技術(shù)參數(shù)及產(chǎn)品信息，可以被設(shè)計者更便捷、全面的應(yīng)用于工程中。此舉也為CATIA V5在電氣專業(yè)數(shù)字化水電站方向的發(fā)展進(jìn)步打下了良好的基礎(chǔ)。

（3）橋架國標(biāo)庫的建立，使今后CATIA V5的國內(nèi)工程設(shè)計中，不用繁瑣的轉(zhuǎn)換英制與公制的尺寸信息，使橋架尺寸的標(biāo)注一目了然，避免了尺寸核算的失誤，提高了橋架設(shè)計效率。

（4）本文研究了Dialux軟件與CATIA V5軟件的數(shù)據(jù)接口，成功的將兩軟件有機(jī)的進(jìn)行了結(jié)合，互補(bǔ)了各自軟件功能方面的不足，在CATIA V5中對蓄集峽水利樞紐工程GIS層的GIS電氣設(shè)備進(jìn)行了精細(xì)化建模，并在DIAlux照明軟件中完成了照明計算，三維成果美觀，計算結(jié)果精準(zhǔn)。這一研究成果的完成，使我們在完善CATIA V5電氣應(yīng)用的過程中邁出了堅實(shí)的一步。

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