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Bentley软件在变电站三维数字化设计方面的应用与探讨

来源: BIM中国网

冉瑞江    国核电力规划设计研究院,北京,100095

三维数字化设计是未来变电工程设计的趋势,通过精细化协同工作,能够大幅提高设计质量和效率。通过工程应用中的实际经验,总结了三维精细化设计的特点。同时,Bentley软件在变电站三维数字化设计中具备特有的优势,随着三维模型的积累以及软件的不断改进,将会引领未来变电工程设计、建造和管理等全寿命周期的数字化革命。

关键词:Bentley软件;变电工程;三维数字化;协同设计;应用

Discussion on the Application of Bentley Software in Substation 3D Numerical Design

RAN Rui-jiang
State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute,Beijing 100095,China)

Abstract:3D Numerical Design is the trend of the future substation design. Through elaborate and coordinated work, the quality and efficiency of design has been greatly improved. With the practical engineering experience, the characteristics of the 3D Numerical Design are summarized. Besides, the Bentley software has special advantages in the 3D Numerical Design. With the accumulation of 3D models and improvement of the Bentley software, it will definitely guide the 3D Numerical revolution of design, construction and management in the substation whole-life cycle span.
Key words:Bentley software; substation engineer; 3D Numerical; coordinated design; application

引言

目前,变电工程的设计普遍采用的是二维设计手段,是依赖设计者的空间想象力和制图技能完成空间设计的,对工程总体空间布置的经济技术比较和优化缺乏控制,很难适应坚强智能电网的要求[1]。这种设计方法对设计质量缺乏高效的控制,工作效率较低,难以适应精细化和信息化的需求。

而当前电网业主已明确提出三维设计和数字化移交的要求。采用三维设计和数字化移交有着以下重要的意义。

(1)可以做到精细化设计,方便地进行三维空间的安全距离校验和材料统计,避免碰撞。

(2)可适应专业间协同设计,各专业通过一个设计平台进行设计,提高了不同专业配合的效率,避免接口过程带来的错误。

(3)数字化移交,集方案、数据于一体的三维变电站模型可以为业主提供真实的展示效果,并形成完整的变电站数字化平台,实现变电站的全寿命周期管理,为工程的后期维护和改造提供方便,也为设计服务的延伸增值提供可能。

1 三维数字化

1.1 概念

三维设计是针对二维设计而言的,在三维设计中,所有变电站中的设备都是通过三维模型展现的,可以更直观、精准地描述各类设备的空间关系。

而数字化设计则要形成以数据库为核心的设计成品的数字化体系,实现与设计评审、设备采购、工程建设招投标、现场施工管理、资产管理、生产管理等各个阶段的高质量数字化连接,并最终形成一个终生存储工程信息的管理平台,实现变电工程全寿命周期的数字化。

1.2 三维数字化设计的内容

三维数字化设计首先必须针对变电设计项目整体,涵盖变电工程设计工作的全部专业内容,对应于电气、土建、结构、水暖、场地等专业。

基于强大的数据库后台,实现所有结构化和非结构化设计数据的综合管理。通过设计工具分别进行二维原理图、三维设备布置、场地、建筑等的设计,完成电气、土建等相关计算校验和材料统计,出具施工图纸。

设计成果以数字化型式移交给施工、运行、管理等各部门,达到项目的全寿命周期管理[2-4]。

2 Bentley软件的应用

2.1 软件介绍

Bentley公司针对电力行业的设计工作拥有一套完整的解决方案。

首先,其三维设计平台Microstation是Bentley公司面向全球基础设施设计、建造和运营的旗舰产品,采用基于Parasolid的三维模型技术和Microsoft DirectX 3D游戏级的图形驱动技术,具备高质量的动画漫游、施工进度模拟等仿真功能。

Bentley Substation则是专门针对变电站的设计工具,具有专业的、成熟的智能辅助设计功能,能够保证在整个项目设计过程中设计数据的共享及继承,从而真正实现三维数字化协同设计。并且,设计数据可以传递到施工、采购、运维等各阶段,是覆盖工程项目各个阶段的软件系统[5]。

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图1 Bentley Substation软件界面
Fig.1 Interface of Bentley Substation

使用Bentley变电站设计软件Substation,可以快速完成二维原理图设计,智能地进行三维设备布置,较为准确地在三维模型中表达带有弧垂的导线、连接线,并进行导线受力分析,生成导线施工报表等设计工作。三维模型通过动态剖切可以自动生成二维平断面图纸,满足施工要求。在三维设计中,二维原理图、三维模型的布置和二维平断面均可以实时、动态、高效地关联,当发生设计修改时,只需要在三维布置中进行调整,所有二维图纸都会自动刷新,而不再需要在平、断面图上进行手动调整,既避免了人为错误的发生,又大幅度地提高了设计效率。

此外,Substation软件还可以完成防雷、接地、照明、电缆敷设、端子接线图等系统的设计,帮助设计人员高质高效地完成变电站有关电气设计的部分。

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图2 三维防雷计算示意图
Fig.2 Sketch of 3D lightning protection

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图3 三维接地设计示意图
Fig.3 Sketch of 3D grounding design

Bentley建筑和结构设计软件Architecture,Structural和BBMS,可以快速完成主控楼及相关土木工程、建筑和水暖等专业的设计;借助STAAD软件则可以进行钢结构的分析计算和设计。

Bentley场地设计软件GEOPAK可以帮助完成场地设计,并进行土方量的计算和坡度设计。

ProjectWise是一款Bentley的协同设计管理平台,贯穿设计始终,全面管理工程设计的全部内容,提资过程,权限分配以及版本控制等设计中必不可少的环节。

AssetWise是一款全面对所有通过特定方式相关联的信息进行统一管理的整体信息管理解决方案。通过这个平台可以将全部设计图纸及信息转化为具有逻辑关联的变电站数据模型,网状关联业主方的应用系统,实现数字化移交。

基于三维协同设计,在精细化的三维模型中,就能够精准地计算带电体之间的空间距离,有效地避免由于带电距离无法满足要求而造成的设计失误。

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图4 电气安全距离校验示意图
Fig.4 Sketch of safety clearance checking

同时,电气设备与土建基础等设施的硬碰撞也能够自动校核。

2.2 设计过程

首先需建立变电工程的接线图或原理图,因为在Substation的软件系统下,三维图纸是以电气主接线为原则设计的,同一个电气设备在不同图纸中都使用同一个设备编码,具备同一个数据库的源,这是基于数据库管理三维模型的基础,同时也是全寿命周期管理的关键点。电气主接线的设计可以通过软件提供的短路电流计算模块辅助设计。

然后,建立所有电气及土建设备的三维模型,建模精度按照出图的要求确定,一般在满足精度要求的前提下避免过于复杂的模型。

三维模型创建之后,要根据工程情况给每一个设备赋予特定的属性值,这些属性一般应涵盖电气设备的工程编码及基本参数。其中,电气主接线里同一个设备符号所对应的三维模型具有相同的工程编码;而设备参数则应至少包括设备型号、额定电压、额定容量、额定电流、频率、生产厂家等信息。为了便于标准化以及其他工程的调用,扩充设备属性库和设备模型库是非常必要的。

接着就是需要在三维空间布置所有电气设备、场地、架构、设备基础、建筑物、电缆沟等实体,不同配电装置的设备应分区域布置,这样不仅符合设计习惯,也能够避免单个文件容量过大的问题。所有区域的文件通过参考方式进行拼接。设备布置完毕后,可以使用自动挂导线工具进行三维导线挂接。

电气专业对全站进行防雷计算、接地计算、安全净距校验,与土建专业进行碰撞校验等。

3 工程应用情况

3.1 项目背景

第一个应用的项目是±660kV胶东换流站。宁东-山东±660kV直流输电示范工程是国家实施西电东送的重点项目之一,于2010年12月单极建成投运,2011年6月双极建成投运。本工程作为我国±660kV直流电压等级序列的第一回直流工程,在世界上尚无建设运行先例,工程的建设对于提升我国电网发展水平和设备装备能力意义重大。

设计是工程建设的“灵魂”,是工程建设的“龙头”,为了保质保量全面完成该项目勘测设计任务,创建精品工程,并配合业主数字化移交的要求,进行三维数字化设计是必不可少的。

通过三家电力设计院的通力合作,±660kV胶东换流站工程最终圆满完成了数字化移交工作,取得了显著的成果。

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图5 ±660kV胶东换流站三维效果图
Fig.5 3D renderings of the ±660kV Jiaodong converter station

第二个应用的项目是甘肃天水750kV变电站的投标及初步设计工作。该项目是处于西北高海拔地区的超高压变电站,通过三维数字化设计,可以更直观精准地进行高海拔空气间隙的校验,三维渲染效果图以及漫游动画均能为投标成果提供更高水准的展示,丰富了设计手段。

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图6 天水750kV变电站三维效果图
Fig.6 3D renderings of the Tianshui 750kV substation

3.2 项目总结

通过以上项目的应用,我们获得了一些经验:
(1) 获取详尽的技术资料是三维精细化设计的前提,只有输入资料的绝对准确,才能保证三维设计的正确性。同时,这也是保证电气距离校验及碰撞校验准确的依据。
(2) 在Bentley的三维平台下,所有专业人员可以共同高效工作,不再有繁琐的提资和校核过程,提高了设计效率。
(3) 三维模型宜按“专业组装—区域组装—总装”的顺序依次按照参考的方式组装。
(4) 设备属性库和设备模型库的建立是三维设计最复杂繁琐的工作过程。经过工程的不断积累,新建工程的工作可以更方便地进行典型化调用。
(5)设备模型需要按一定的规则来编码,这不仅可以适应Substation数据库检索的需要,同时也是进行数字化移交以及后期业主维护管理的关键。
(6) 检查电气设备的安全净距以及与其他专业三维模型是否发生位置冲突(硬碰撞)需要一定的经验。分区域进行带电距离校验是保证检查没有遗漏的有效手段。而硬碰撞检查应包括土建结构或者建筑位置是否冲突;电缆桥架是否与钢结构、暖通管道冲突等。在检查的过程中,可将设备的操作或者检修空间实体化,并通过硬碰撞检查确认其布置,如接地开关的动触头开合空间等。
(7) 在项目使用过程中,各个设计终端的颜色和材质库需要统一,这会给三维彩色渲染效果图的出具带来极大便利。

同时,Bentley Substation软件还有一些需要适应设计需求进行完善改进的方面:
(1) 多分裂导线的问题,目前Substation软件还无法解决四分裂及以上导线的挂接。另外,挂点具有不同高差及水平偏移的导线,软件也无法完美解决。
(2) 不具备全站自动带电距离校验功能,而只能通过关键点校验。
(3) 部分金具的建模及连接存在不完善的地方。

4 结论

三维数字化设计具备高效、直观、智能的特点,在适应变电工程日益复杂、设计周期短暂以及数字化移交等要求的同时,完善了设计师充分表达设计思想的手段,是促进项目更高质量、更快速度完成的助推器,也是实现变电工程全寿命周期管理的有效工具。

通过使用Bentley系列软件进行三维数字化设计的尝试,总结出该软件在应用上的一些优势与不足,在变电设计数字化革命的浪潮中,设计师的水平与软件本身都需要不断的发展与提高,共同推动变电设计行业的技术进步。

参考文献:
[1] 孙国凯,王亮,王剑委. 变电工程的三维化设计[J].农村电气化,2008,1(11):10-11.
[2] 于明国,严福章. 三维数字化设计在宁东—山东±660 kV直流输电示范工程中的应用[J].电力建设,2011,32(3):37-40.
[3] 王志毅. 智能化三维变电设计平台的应用[J].华东电力,2011,39(5):750-752.
[4] 朱淑悦. 在三维工厂设计实践中积累行业标准元件数据库[J]. 工程与技术,2009(1):43-48.
[5] 庄叶凯. Bentley三维工厂软件在工程设计中的应用[J]. 有色冶金设计与研究,2009,30(6):108-109.


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