胡 婷，唐海濤，馬 滄，楊禮國

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來以及各行各業(yè)對工程數(shù)字化管理體系的認同，建筑信息模型（BIM）技術(shù)廣泛應用于工程設(shè)計與管理，設(shè)計手段與管理理念發(fā)生全新轉(zhuǎn)變。隨著數(shù)字化三維電廠設(shè)計理念的不斷深化，三維設(shè)計在各專業(yè)中得到廣泛應用。電纜是電廠中非常重要的組成部分，像電廠的血管和神經(jīng)一樣遍布全廠各個角落。電纜敷設(shè)是電氣設(shè)計中最復雜且繁瑣的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)二維設(shè)計模式下，電纜敷設(shè)工作量巨大且耗時長，主要精力消耗在重復性工作上。三維協(xié)同設(shè)計是工程設(shè)計行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，Bentley Raceway and Cable Management（簡稱為BRCM）電纜敷設(shè)軟件提供了完整的解決方案，可實現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計和電纜的智能敷設(shè)。

1 設(shè)計流程

BRCM軟件提供了從三維建模到二維出圖的整個全過程解決方案，其一體化設(shè)計流程如圖1所示。流程以工程數(shù)據(jù)庫為核心，存儲電纜通道路徑信息、起終點設(shè)備位置及編碼信息，結(jié)合電纜清冊，依據(jù)設(shè)定的電纜敷設(shè)規(guī)則進行大量成批電纜的自動敷設(shè)。敷設(shè)完成后，基于數(shù)據(jù)庫提取所需的各類圖紙和報表。整個過程實現(xiàn)了設(shè)計的高效率和成果的精細化。

圖1 電纜敷設(shè)流程Fig.1 Process of cable laying

1.1 通道設(shè)計

設(shè)計電纜通道時，考慮工程條件、環(huán)境特點、數(shù)量技術(shù)等因素，選取不同敷設(shè)方式，一般來說電廠常用敷設(shè)通道有橋架、電纜溝、明管、暗管和豎井。BRCM軟件分別有不同模塊來實現(xiàn)相應功能。BRCM軟件包含槽式、梯架式和托盤式三種橋架類型和多種配件，根據(jù)施工圖要求定制橋架樣式和尺寸，并添加蓋板。模型創(chuàng)建方便快捷，還可與其他專業(yè)模型進行碰撞檢查。

軟件強大建模功能具備以下優(yōu)勢：參數(shù)化繪制多層橋架，自動處理接頭、三通及四通等連接件；采用二三維一體化設(shè)計理念，平面繪制時直接觀看三維效果；分層布置橋架，設(shè)定各層橋架敷設(shè)類型；設(shè)定橋架編碼規(guī)則，自動批量編碼；給橋架添加自定義屬性，輸出在報表中[1]。

1.2 設(shè)備布置

BRCM軟件參數(shù)化設(shè)備布置模塊功能強大，可滿足廠房電氣設(shè)備布置設(shè)計?？蓜?chuàng)建參數(shù)化設(shè)備及非參數(shù)化設(shè)備，給設(shè)備添加自定義屬性，輸出在報表中。布置盤柜等設(shè)備時可即時修改尺寸參數(shù)，定義插入點及接線點信息。支吊架布置模塊可以參數(shù)化布置支吊架，沿橋架中心線批量布置，如果選中多層多列橋架，軟件可以靈活實現(xiàn)矩陣布置。軟件分類統(tǒng)計各類設(shè)備，實現(xiàn)從三維建模到工程量計算的全過程設(shè)計。

1.3 規(guī)則設(shè)定

軟件內(nèi)置多種敷設(shè)規(guī)則，包括電壓匹配、容積率限制、重量分析以及最短路徑原則。針對電壓匹配，布置橋架時設(shè)置其承載的電纜電壓等級（動力、控制、弱電），敷設(shè)時按照電壓等級進行自動匹配；針對容積率，可批量設(shè)定橋架允許的容積率，敷設(shè)時如果其承載電纜數(shù)量過多，超過容積率的限定，軟件會自動查找其他路徑；針對重量分析，可批量設(shè)定橋架允許的承重值（kg/m），敷設(shè)時如果超過容許值，軟件會自動查找其他路徑；最短路徑為軟件最底層的敷設(shè)規(guī)則，滿足上述規(guī)則前提下，依據(jù)查找算法計算每根電纜的最短走線路徑，計算電纜長度及其所經(jīng)過的橋架節(jié)點編號。通過以上幾種敷設(shè)規(guī)則，軟件自動進行大批量電纜的優(yōu)化敷設(shè)，精確統(tǒng)計電纜長度，從根本上杜絕人為失誤，保證設(shè)計質(zhì)量、提高設(shè)計效率。

1.4 二維出圖

電纜敷設(shè)成果保存于數(shù)據(jù)庫中，基于工程數(shù)據(jù)庫，軟件可快速生成各類出圖報表。利用報表生成器快速生成報表，包括電纜信息及設(shè)備橋架信息；報表模板樣式可定制，設(shè)備及橋架添加的自定義屬性可以輸出在報表中；報表也可導出為不同格式文件。

電纜敷設(shè)后的橋架模型附加承載了各類敷設(shè)信息，包括橋架內(nèi)所敷設(shè)電纜以及橋架容積率占用情況，通過動態(tài)剖切橋架截面，以表格形式標注在圖紙上，如圖2所示。另外，軟件提供標注工具，用以標注橋架層高、橋架編碼等各類信息，標注信息多樣化，可以滿足多種需求[2]。

圖2 橋架剖切信息展示Fig.2 Display of raceway section information

2 工程應用

為驗證BRCM軟件敷設(shè)結(jié)果的精準化程度、體現(xiàn)其設(shè)計優(yōu)勢，利用其重新模擬敷設(shè)已建成的仙游抽水蓄能電站兩個機組多達2 000多根的電纜，通過與傳統(tǒng)敷設(shè)方式對比，評估其高效性和是否節(jié)省電纜數(shù)量。圖3為仙游水電站電氣設(shè)備布置圖。采用了Bentley公司三維設(shè)計平臺基于ProjectWise實現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計。利用BRCM軟件模擬該項目三維電纜敷設(shè)前，需要搜集敷設(shè)所需的三大類數(shù)據(jù)，即電纜通道、設(shè)備位置及編碼以及電纜清冊信息。

圖3 仙游水電站電氣設(shè)備布置圖Fig.3 Electrical equipment layout of Xianyou pumped storage power station

針對設(shè)備位置及編碼信息，清冊中設(shè)備不僅包括電氣本專業(yè)設(shè)備，還包括水機暖通等其他專業(yè)的用電設(shè)備。由于各專業(yè)使用的專業(yè)軟件不同（如水機暖通專業(yè)使用Bentley公司ABD軟件），因此涉及到專業(yè)軟件間數(shù)據(jù)傳遞與共享的問題。項目設(shè)計時，各專業(yè)統(tǒng)一采用編碼系統(tǒng)軟件，以編碼為核心，進行整個項目設(shè)備管理，編碼的編制和分配符合相關(guān)標準規(guī)范。Bentley平臺下各個專業(yè)軟件都與編碼服務器集成，在專業(yè)軟件中布置設(shè)備時統(tǒng)一編制編碼，并保證編碼的合法性與合理性。BRCM軟件是以編碼為紐帶，共享其他軟件的數(shù)據(jù)，包括電氣專業(yè)在Substation軟件中布置的設(shè)備信息、其他用電專業(yè)在OpenPlant和ABD軟件中布置的設(shè)備信息等，最終導入BRCM軟件，匹配電纜清冊中起終點設(shè)備，參與電纜敷設(shè)。

為保證敷設(shè)結(jié)果真正具備指導施工的作用，需靈活采用不同方式進行敷設(shè)。面對大批量電纜，需要多種方式結(jié)合進行敷設(shè)設(shè)計，包括：分批敷設(shè)結(jié)合單根敷設(shè)的方式，即局部調(diào)整部分敷設(shè)失敗的電纜直至成功；自動敷設(shè)加上強制走線，如工作電纜和應急電纜不能敷設(shè)在同一區(qū)域橋架上，需強制指定應急電纜路由；根據(jù)實際項目考慮現(xiàn)場施工情況，如分系統(tǒng)或按照區(qū)域敷設(shè)等。只有綜合考慮以上幾種方式，敷設(shè)結(jié)果才能真正指導施工，實現(xiàn)設(shè)計施工一體化。按照上述方式敷設(shè)仙游抽水蓄能電站兩個機組共2 062根電纜，2 062根電纜全部敷設(shè)成功，用時8.5 min，如圖4所示。

圖4 電纜敷設(shè)成果Fig.4 Result of cable routing

相比于傳統(tǒng)二維設(shè)計方法，利用該軟件進行電纜敷設(shè)，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三方面：（1）三維設(shè)備橋架模型更加直觀，可高亮查看每一根電纜的敷設(shè)路由，敷設(shè)結(jié)果清晰可見；（2）實現(xiàn)了設(shè)計的高效率和設(shè)計成果的精細化，人工敷設(shè)需要對每個區(qū)域橋架節(jié)點手工編號，并計算其路徑，工作量大且難以避免人工計算造成的疏漏；（3）節(jié)約造價，精確統(tǒng)計電纜長度，圖5為敷設(shè)后軟件統(tǒng)計的各類型電纜長度，在考慮施工余量的前提下，可節(jié)省電纜長度約10%。

圖5 電纜長度統(tǒng)計Fig.5 Statistics of cable length

3 路徑搜索算法驗證

仙游抽水蓄能電站的應用案例驗證了三維電纜敷設(shè)的高效性和精準性。下面運用路徑搜索算法初步驗證每一根電纜路由選擇的合理性，即在設(shè)定規(guī)則前提下，遵從最短路徑原則，選擇最合適的敷設(shè)路徑。計算機輔助電纜敷設(shè)軟件究其根本就是在為每一根電纜尋找搜索最優(yōu)敷設(shè)路徑，路徑搜索算法可實現(xiàn)該功能。路徑搜索算法中的A*算法在計算速度與規(guī)模上具備一定優(yōu)勢，因此采用A*搜索算法?；谏鲜龉こ虜?shù)據(jù)，抽樣200根電纜，計算這200根電纜最優(yōu)路徑，將結(jié)果與BRCM軟件敷設(shè)結(jié)果對比，初步驗證其路徑合理性。

A*算法是一種典型的啟發(fā)式路徑搜索算法，核心思想是估價函數(shù)的設(shè)計。在選擇當前節(jié)點的下一個搜索節(jié)點時，引入啟發(fā)函數(shù)f（n）：

f（n）為可選的下一節(jié)點代價；g（n）為從start點到n點的代價；h（n）為n點到end點的代價。

A*算法維護兩張表OPEN和CLOSED，OPEN表保存所有可探測且未被訪問節(jié)點，CLOSED表保存所有已訪問節(jié)點。啟發(fā)函數(shù)將OPEN表中節(jié)點按照代價從低到高排序，依次訪問代價最小的節(jié)點。當前訪問節(jié)點根據(jù)簿記信息更新代價信息，將其直接連接的子節(jié)點放入OPEN表中，并將當前節(jié)點放入CLOSED表。A*算法始于將start點放入OPEN表，結(jié)束于找到end點或者OPEN表為空，CLOSED表已經(jīng)包含所有可訪問節(jié)點。其算法流程圖如圖6所示，提取所有當前節(jié)點的父節(jié)點即為整個搜索路徑。

應用仙游抽水蓄能電站項目工程數(shù)據(jù)，流程如下：

圖6 A＊算法流程圖Fig.6 Flow diagram of A＊algorithm

（1）提取繪制好的三維橋架模型的關(guān)鍵節(jié)點路由，關(guān)鍵節(jié)點路由包括直段橋架起終點、三通及四通等連接件位置，如圖7所示，圖中字母代表節(jié)點編號。通過MDL編程實現(xiàn)橋架模型信息的讀取，將節(jié)點序列組織表示成圖結(jié)構(gòu)。

圖7 橋架關(guān)鍵路由節(jié)點Fig.7 Key node of cable routing

（2）過濾電纜清冊，從整個工程電纜清冊中篩選出200根電纜作為測試樣本。

（3）C++編程實現(xiàn)A*算法，節(jié)點間距離作為搜索代價，以保證滿足最短路徑原則。輸入步驟（1）中提取的各搜索路徑節(jié)點，排列步驟（2）中獲得的電纜清冊中200根電纜敷設(shè)優(yōu)先級，依次敷設(shè)電纜。

（4）輸出每根電纜的路徑節(jié)點序列，并與BRCM軟件敷設(shè)結(jié)果（如圖8所示）對比。

在不受橋架容積率限制的前提下，采用A*算法搜索電纜路徑結(jié)果與BRCM軟件基本一致，163根電纜敷設(shè)結(jié)果完全匹配，37根電纜路徑有所不同。對比這37根電纜敷設(shè)結(jié)果的合理性，發(fā)現(xiàn)其經(jīng)過橋架節(jié)點較多，BRCM軟件敷設(shè)結(jié)果更加合理準確，在滿足最短路徑的前提下，拐彎處較少。通過以上仿真數(shù)據(jù)，充分驗證了BRCM軟件敷設(shè)電纜路由選擇的合理性。

圖8 敷設(shè)后電纜清冊Fig.8 Cable material list

4 結(jié)語

充分驗證了應用BRCM軟件進行電纜敷設(shè)的科學性，軟件將傳統(tǒng)人工設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槿^程自動化設(shè)計，大大提高了工作效率并實現(xiàn)設(shè)計成果的精細化。三維設(shè)計是全新的理念，是設(shè)計工作從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變的重要工具，特別對于施工階段，對材料采購和施工指導有很大幫助。