基于BIM+智慧变电站基建管理系统研究

来源 :中国电气工程学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hanjian8706
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  摘要:随着大数据、云计算等技术的不断发展,电力企业积极开展数字化基建工作,推进企业的数字化转型。传统的二维图纸存在形象性差等缺点,本文采用倾斜摄影和激光点云技术与BIM技术相结合的方法建立BIM模型,并对模型进行了轻量化处理;利用物联网、云技术把设计、施工阶段的BIM模型与业务管理系统相结合,搭建了BIM+智慧变电站基建管理系统平台。本文对智慧变电站基建管理系统的研究将促进电力工程建设管理向三维化、可视化、数字化转型,有效提升企业的科学决策能力和管理水平。
  关键词:BIM;智慧变电站;基建管理;模型建模
  随着电力能源行业的不断发展,数字化和物联网将成为核心基础设施,智能互联传感器能够根据需要收集、处理和转换数据,新一代电力系统、智能电网控制及运行等能源技术取得了突破性进展,能源企业通过对丰富数据进行智能分析,进而提供能源设备实时监控、智能家居、消费分析等服务[1]。数字技术是第四次工业革命的核心技术,数字化转型已成为未来能源及电力企业发展的关键战略。
  近年来,随着我国电网建设力度的加快及发展方式的转变,电力企業加快部署数字化建设和转型工作,积极开展电力工程基建的数字化工作。利用大数据、云计算、物联网及可视化技术手段,对电网工程的设计、施工等资料进行三维数字化统一集中管理,打造三维数字化电网,推动基建工作三维标准化,实现基建的管理创新[2]。同时,通过构建电网工程三维数字化应用服务平台,实现核心资源集中管理、统一调控、优化配置、合理布局,促进数据流转与共享,实现生产过程数字化模拟与智能决策。
  建筑信息化模型(Building Information Modeling,BIM),是在工程项目设计、施工、运营与管理全生命周期内,面向多参与方协调、数据共享、信息集成管理与利用的虚拟仿真技术,通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息,提供相互协调、内部一致的信息模型[3]。随着BIM技术在在输变电工程中的应用逐步深入,从以设计阶段应用为主,向规划、设计、施工和运行检修阶段全面应用扩展,提升了工程精细化管理能力与整体管理绩效[4]。可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性,以及一体化性、参数化性、信息完备性是BIM技术最主要的特点,由于整个设计、施工、运营的过程就是一个不断优化的过程,如果合理的应用BIM技术,整个管理周期内项目会等到更好的优化、更好运营效果[5-6]。BIM模型所包含的工程数据在其整个建筑生命周期中的各个时期都可以进行整改,以达到设计周期缩短、设计施工成本减少、返工减少的作用[7]。
  本文在某110kV变电站基建工程实例的基础上,开展BIM技术的研究与创新应用,打造具有数字化特色的智慧变电站基建管理系统。首先介绍了BIM技术在工程建设阶段的应用,然后提出了智慧变电站基建管理系统建设思路,最后介绍了本文的BIM模型建模方法,展示了BIM+智慧变电站基建管理平台的部分功能。利用BIM技术实现基于统一工程信息模型进行数字化设计和施工,实现项目协同管理,减少错漏碰、避免返工、节约成本、提高效益和质量,并为变电站未来智能化运维、检修,提供有力的数据支撑。
  1  BIM技术在工程建设阶段的应用
  BIM系统采用三维建模技术构建项目立体模型,对建筑物外立面进行高质量渲染并制作动态特效,对建筑物内部通过仿真的纹理、光效进行渲染,给人以真实感和直接视觉冲击,并通过数据集成与智能终端,实现虚拟与现实的无缝衔接与联动。
  (1)项目规划决策阶段
  BIM技术对于建设项目在技术和经济上可行性论证提供帮助,提高论证结果的准确性和可靠性。在项目规划阶段,业主需要确定出建设项目方案的技术与经济可行性和是否满足类型、质量、功能等要求。规划阶段主要用于现状建模、成本预算、阶段规划、场地分析、空间规划等,BIM技术可以为广大业主提供概要模型,针对建设项目方案进行分析、模拟,从而为整个项目的建设降低成本、缩短工期并提高质量。
  (2)项目实施阶段
  基于传统工程管理下的施工计划、施工质量和施工安全管理,主要由于工程与图纸之间不存在协同关联、施工原材料质量检验单一、施工过程质量控制不到位和施工场地安全隐患控制工作不充足、施工人员安全意识不足,导致施工方面的施工进度计划调整、施工质量不合格和安全事故发生频繁。而BIM技术的核心就是把信息化结合到工程项目的设计中,使BIM模型与设计、施工管理之间存在协同关系,提高工程项目管理水平,在很大程度上使项目施工管理有了可观的改变。
  (3)项目使用运维阶段
  在BIM参数模型中,项目施工阶段做出的修改将全部实时更新并形成最终BIM竣工模型,该竣工模型将作为各种设备管理的数据库为系统的维护提供依据。建筑物的结构设施(如墙、楼板、屋顶等)和设备设施(如设备、管道等)在建筑物使用寿命期间,都需要不断得到维护。BIM模型则恰恰可以充分发挥数据记录和空间定位的优势,通过结合运营维护管理系统,制定合理的维护计划,依次分配专人做专项维护工作,从而使建筑物在使用过程中出现突发状况的概率大为降低。
  2  BIM+智慧变电站基建管理系统建设思路
  在开发BIM技术之前,整个项目生命周期涉及到的规划、设计、施工、运营和维护管理,只能通过2D图纸说明来进行,并且对施工现场管理的实际帮助还非常有限。原因在于2D图纸不具备联动性,对其管理、保存以及阅读都有一定的限制,而近年来BIM技术的发展,使包含建筑信息的三维BIM模型,在与施工进度计划结合后,形成了可以对施工进度控制的4D模型,甚至可以与成本单价单个结合形成5D模型对项目成本管控,还可以通过专用BIM软件制作4D施工模拟动漫,有利于提高工程施工的前瞻性。在BIM技术应用与实践过程中存在的问题主要有:(1)业主、监理、施工单位没有平台对三维设计成果进行可视化浏览;(2)二维图纸形象性差,缺少三维可视化评审辅助工具;(3)三维模型资产未能与业务深度融合,无法促进管理的转型与提升等。   由此可见,建设统一的变电站基建工程三维数字化管控系统势在必行,通过三维数字化系统,打通设计、施工、验收、运营项目管理全生命周期,以三维模型为载体,提高工程建设的集成化程度,实现信息共享和无损传递,提高工程建设的质量和效率,促进工程建设行业生产方式的转变,为智慧化、数字化基建的转型提供支撑。
  基于BIM技术为一体的施工管理平台建设是一个“研发、应用、优化、深层探索”的过程,能够协调管理建设工程全生命周期中各参与方的工作。本文BIM+智慧变电站基建管理系统建设思路,以基建全过程管理为主轴,以六大管理为核心,以三维模型为载体,将三维模型与业务进行深度融合,打造进度可视、过程透明、管理智能的可视化基建管理系统,实现信息的无缝共享和全过程可视化三维管控,促进工程建设管理向三维化、可视化、数字化转型,提高设计、施工、运维乃至整个工程生命期的质量和效率,提升科学决策和管理水平,如图1所示。
  3  基于BIM+智慧变电站基建管理平台
  采用“平台+终端”打造BIM+智慧变电站基建管理平台,通过灵活接入与统一集中监控,实现基建的数据化管控。其次,結合移动应用,对变电站基建项目管理进行全面覆盖,平台架构,如图2所示。
  3.1BIM模型建模
  BIM模型作为智慧变电站基建管理系统建设的载体,贯穿整个基建项目的全过程,因此模型的建模尤为重要。本文将三维建模软件的人工模型与采用倾斜摄影、激光点云技术的三维模型相结合,构建更加真实、便捷的BIM模型。此外,本文还对BIM模型进行了轻量化转换,进一步提升用户体验。
  3.1.1  倾斜摄影
  倾斜摄影测量技术改变了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的局限性,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像,将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界[8],如图3所示。采用倾斜摄影技术进行三维建模具有以下优点:
  (1)真实性。倾斜影像能让用户从多个角度观察地物,更加真实的反映地物的实际情况,极大的弥补了基于正射影像应用的不足。
  (2)低成本。采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作,通过倾斜摄影建模方式只需要三至五个月时间即可完成。
  (3)数据量小。倾斜摄影技术获取的影像的数据量小,其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布,实现共享应用。
  BIM技术和倾斜摄影模型可以很好地结合,通过统一的地理空间坐标,两者可以实现叠加浏览、相互补充。在宏观视角,通过倾斜摄影快速获取变电站的整体走向和分布;在微观视角,可以借助BIM了解变电站的几何细节、查询属性,并通过倾斜摄影模型获取周边环境信息。
  3.1.2  激光点云
  激光点云技术是利用三维激光扫描建筑物形成三维点云数据,用于获取高精度高分辨率的数字模型,如图4所示。三维激光扫描技术利用激光测距的原理,通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息,可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据[9]。相对于传统的单点测量,三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。三维激光扫描技术具有速度快、精度高、面测量和非接触式等优点,有效地解决了施工现场复杂的测量问题。
  在施工过程中BIM模型是至关重要的,采用三维扫描技术作为有效连接BIM模型和工程现场的纽带。三维激光扫描通过高精度点云可以迅速高精度复制施工现场,在不影响施工前提下,将施工过程数据完整保留,从而有效地、完整地记录下工程现场复杂的情况。
  3.1.3  模型轻量化
  基于桌面的三维模型大多数采用单文件或几个文件来存储模型信息,而单个大文件不利于网络端传输。一方面,大的文件传输需要更多的等待时间,另一方面,用户需等待模型下载完成后才能解析显示。因此,需对模型文件进行转换,把原始的模型文件转换为适合网络传输和轻量化显示的文件格式。设计三维模型轻量化流程如下:
  (1)构建模型流。与在线视频播放一样,用户不需要下载和缓存完整的视频才能观看,只要点击播放后边下载边缓存边播放。下载过程,用户不需要等待,可以进行其他操作。
  (2)几何唯一性表达。在模型转换过程中,把具有相同形状的几何对象进行唯一性表达。使用相似体的识别算法可以大大减少几何体的数量,减少模型的大小。
  (3)数据压缩。数据压缩可以大大减少网络传输时间,尤其对于json和几何数据,算法可以达到几倍的压缩率。
  (4)模型封装。将BIM模型的展示、操作(比如放大、缩小、刨切、点选构件、透明、着色、测量、漫游等)、BIM数据提取等功能以API的形式进行封装。
  3.2BIM+智慧变电站基建管理平台
  平台的功能主要包括技术监控、造价监控、基建采购监控、质量监控、安全监控、进度监控、现场监控和数字化资料管理等,通过这些功能可以实现对当前项目的造价、进度等信息进行360°全景监控,可以更加直观地了解项目的进展情况。下面主要对技术监控和造价监控为例对平台进行简要地介绍。
  3.2.1  技术监控
  技术监控主要包括设计成果展示、模型版本管理、设计辅助评审、评审问题跟踪和设计变更。其中的设计成果展示主要功能如图5所示,包括:(1)分专业展示,可从设计的角度,对三维模型进行分专业浏览,主要包括电气、土建两大专业。(2)设备台账树管理,将台账树中主要设备与模型进行关联,通过点击台账树中的设备可快速进行三维设备模型的定位。(3)三维模型属性查阅,点击主要设备模型可钻取设备的属性信息,主要包括设备型号、额定电压、出厂厂家等。(4)二维设计图纸管理,将电气一次、电气二次、土建等部分的二维设计图纸进行系统固化,并将二维设计图纸与三维模型进行关联,通过鼠标点击可进行二维图纸与三维模型的灵活切换。(5)BIM模型空间漫游,使用者可身历其境般的进行实景漫游,使用键盘上控制键或者鼠标可进行前后左右的自由移动,实现零距离查看变电站基建工程中的各种细节。   3.2.2  造價监控
  造价监控包括概算监控、资金计划监控和费用变更监控。概算监控给出了总概算视图及四大科目的费用分布,将概算、清册与主要模型关联,并对相关主要设备的费用进行可视展示,如图6所示;资金计划监控通过图形化方式,对所有合同的数量、总金额、结算情况、结算金额进行统计,点击可钻取相关合同清单;费用变更监控结合概预算,根据设计变更单与费用变更单,对项目的费用变更情况进行统计,构建鲜活、三维可视的费用变更视图。
  4  结论
  本文采用倾斜摄影和激光点云技术与BIM技术相结合的方法建立BIM模型,并对模型进行了轻量化处理;利用物联网、云技术把设计、施工阶段的BIM模型与业务管理系统相结合,搭建了BIM+智慧变电站基建管理系统平台。该系统以BIM模型为载体,集项目所有的几何、物理、功能和性能信息与一体,并贯穿设计、施工、运营全过程,管理者可用通过可视化监控,降低运营管理成本,规避工程延期风险。从而提升企业的精细化管理水平,为电力工程基建管理的数字化发展提供支持。
  参考文献:
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